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Method Article
Questo protocollo descrive un modello di biofilm polimicrobico a quattro specie rilevante per la fibrosi cistica (FC) polmonare che può essere utilizzato per esplorare l'impatto delle interazioni batteriche interspecie.
La maggior parte dei modelli in vitro non ha la capacità di sondare completamente i fenotipi batterici che emergono dalle complesse interazioni osservate in ambienti di vita reale. Ciò è particolarmente vero nel contesto di infezioni croniche e polimicrobiche difficili da trattare, rilevate nelle vie aeree di individui affetti da fibrosi cistica (FC), una malattia genetica multiorgano. Sebbene diversi studi sul microbioma abbiano definito le composizioni microbiche rilevate nelle vie aeree delle persone con FC (pwCF), finora nessun modello in vitro ha completamente integrato le caratteristiche polmonari critiche rilevanti per la FC. Pertanto, esiste una significativa lacuna di conoscenza nella capacità di studiare i meccanismi che guidano la patogenesi delle infezioni polmonari da FC di specie miste. Qui, descriviamo un modello di comunità microbica di quattro specie recentemente sviluppato, tra cui Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Streptococcus sanguinis e Prevotella melaninogenica cresciuti in condizioni simili alla FC. Attraverso l'utilizzo di questo sistema, sono stati osservati ed esplorati fenotipi clinicamente rilevanti come la recalcitranza antimicrobica di diversi patogeni a livello molecolare. L'utilità di questo modello in vitro risiede nel suo flusso di lavoro standardizzato che può facilitare lo studio delle interazioni interspecie nel contesto delle infezioni polmonari croniche da FC.
Le strategie volte a sradicare i microbi che causano malattie come quelli rilevati nelle vie aeree della fibrosi cistica (FC), una malattia genetica multiorgano, spesso falliscono1. Cioè, la presenza di comunità microbiche resilienti simili al biofilm che crescono nell'ambiente polmonare della FC ricco di muco può causare infezioni croniche che si estendono per più decenni2. Inoltre, sebbene l'utilizzo di antimicrobici di prima linea (Abx) e modulatori abbia portato a risultati migliori nelle persone con FC (pwCF), l'approccio clinico "un bug, un'infezione" tipicamente impiegato contro i patogeni canonici della FC come Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus aureus è stato inefficace nel risolvere le infezioni difficili da trattare rilevate nei polmoni di questi individui 3,4, 5,6,7.
Negli ultimi due decenni, diversi studi hanno cambiato la nostra comprensione della malattia polmonare cronicaFC 8. Cioè, i rapporti indicano che le infezioni rilevate nelle vie aeree di pwCF non sono causate esclusivamente da un singolo agente patogeno, ma sono piuttosto di natura polimicrobica8. Inoltre, sebbene la patogenesi delle infezioni polmonari da FC di specie miste sia ancora poco conosciuta, l'evidenza clinica mostra che le pwCF che sono co-infettate sia da S. aureus che da P. aeruginosa nelle loro vie aeree hanno peggiorato la funzione polmonare rispetto agli individui colonizzati da uno di questi due patogeni9.
Si ipotizza che le interazioni interspecie tra i patogeni della FC siano una delle ragioni per cui le infezioni polimicrobiche basate sul biofilm non vengono prontamente sradicate attraverso l'utilizzo di terapie per la FC, influenzando in ultima analisi gli esiti dei pazienti3. A sostegno di ciò, studi in vitro hanno dimostrato che le interazioni tra microbi come P. aeruginosa, S. aureus e altri possono avere un impatto su fenotipi clinicamente rilevanti come la risposta Abx ai farmaci FC di prima linea, tra cui vancomicina e tobramicina 6,10,11. Pertanto, resta da riesaminare le attuali strategie di trattamento volte a eradicare i patogeni della FC nel contesto delle infezioni da specie miste.
Il gold standard nella gestione delle infezioni polmonari da FC su base microbica si basa fortemente sull'utilizzo dei test di suscettibilità antimicrobica (AST) per guidare gli interventi clinici12. Tuttavia, l'AST viene tipicamente eseguita utilizzando monocolture batteriche coltivate in colture ricche e ben miscelate, il che non riflette le condizioni di crescita microbica rilevate nelle vie aeree FC 3,13. Data la significativa discrepanza tra gli esiti dei pazienti e il successo del trattamento, i rapporti clinici ora sostengono lo sviluppo di nuovi approcci che integrino le caratteristiche critiche del polmone FC12,14.
Pochi studi hanno sviluppato sistemi in vitro multispecie batteriche rilevanti per la FC contenenti più di due patogeni15,16. Tuttavia, questi modelli (1) non riflettono interamente la natura polimicrobica e simile al biofilm del polmone FC e (2) non utilizzano condizioni nutrizionali e ambientali che si avvicinino a quelle rilevate nelle vie aeree FC15,16. Attraverso l'estrazione di grandi set di dati e il calcolo del gene 16S rRNA derivato da CF-lung, Jean-Pierre e colleghi hanno recentemente sviluppato un modello di co-coltura in vitro che integra le caratteristiche sopra menzionate10. Questo sistema comprende P. aeruginosa, S. aureus, Streptococcus spp. e Prevotella spp. cresciuti in condizioni simili alle vie aeree FC e stabili fino a 14 giorni. Gli autori hanno anche riportato una crescita specifica della comunità di Prevotella spp. e diversi cambiamenti nella risposta Abx di questi patogeni FC attraverso meccanismi che rimangono da identificare10. Questo sistema trattabile in vitro ha anche offerto la possibilità di approfondire questioni focalizzate meccanicisticamente relative alla recalcitranza Abx di una variante comune di P. aeruginosa frequentemente rilevata nelle vie aeree di pwCF10. Pertanto, l'obiettivo di questo protocollo è quello di fornire alla comunità di ricerca sulla fibrosi cistica un flusso di lavoro sperimentale standardizzato per far crescere un biofilm in vitro che ha il potenziale per essere ulteriormente ampliato per affrontare una serie di domande rilevanti per la fibrosi cistica.
I dettagli di tutti i reagenti e le attrezzature sono elencati nella Tabella dei Materiali.
1. Preparazione del terreno di espettorato artificiale
NOTA: In tutto questo protocollo, il terreno di espettorato artificiale (ASM) è definito come il mezzo rilevante per la fibrosi cistica modificato da SCFM2, precedentemente pubblicato da Turner e colleghi17. Di seguito è riportata una descrizione dei passaggi per preparare questo mezzo. Vedere la tabella dei materiali per creare soluzioni di riserva e condizioni di conservazione. Questa versione di ASM differisce da Turner et al.,17 in quanto la capacità tampone nella versione originale non consente un pH stabile nel tempo. Cioè, l'attività fermentativa svolta da Streptococcus spp. e anaerobi come Prevotella spp. provoca l'acidificazione del terreno di coltura (osservazioni non pubblicate). Pertanto, la concentrazione di acido 3-morfolinopropano-1-solfonico (MOPS) è stata regolata da 10 mM a 100 mM.
NOTA: La preparazione di una soluzione madre di base ASM 2x (ASMb) facilita l'aggiunta di componenti come mucina, agar, acqua, ecc., senza influire sulla concentrazione finale di molecole presenti in ASM 10,18. Il 2x ASMb può essere preparato in anticipo e conservato a 4 °C per un massimo di due settimane in un luogo buio. Se il mezzo diventa giallo, scartarlo.
2. Preparazione di terreni selettivi per comunità polimicrobiche
NOTA: Di seguito sono riportate le quantità necessarie per preparare un volume di 1 L di supporto.
3. Preparazione dei terreni liquidi batterici e condizioni di crescita
4. Preparazione dell'esperimento di co-coltura
NOTA: la Figura 1 illustra un flusso di lavoro sperimentale riassunto. L'impostazione dell'esperimento può essere eseguita in condizioni ossiche se il tempo di preparazione richiede meno di 1 ora. Se si prevede che durerà più tempo, si consiglia vivamente di eseguire l'esperimento utilizzando una camera anaerobica (con il 10% di CO2, il 10% di H2 e l'80% di N2 di gas miscelato). I barattoli anaerobici possono essere utilizzati anche per incubare i campioni sperimentali.
5. Raccolta e impiattamento dei campioni
6. Incubazione delle piastre selettive e conteggio delle unità formanti colonie (CFU)
Come rappresentato nella Figura 2, sono stati riportati diversi fenotipi, tra cui (1) una riduzione del numero di cellule vitali di P. aeruginosa e S. aureus quando cresciute in comunità planctoniche miste rispetto alla monocoltura, (2) un aumento della crescita polimicrobica delle cellule di S. sanguinis e, (3) una crescita di comunità miste di P. melaninogenica come precedentemente riportato da Jean-Pierre e colleghi
L'utilità di questo sistema di co-coltura in vitro clinicamente informato risiede nella sua capacità di rilevare funzioni batteriche specifiche del polimicrobico. Cioè, attraverso l'utilizzo di questo modello abbiamo riportato fenotipi microbici che vanno dalla crescita specifica della comunità di Prevotella spp. (Figura 2) ai cambiamenti nella suscettibilità alla FC Abx di prima linea di P. aeruginosa, S. aureus e
Gli autori dichiarano di non divulgare.
Desideriamo ringraziare il Dr. George A. O'Toole e il Dr. Thomas H. Hampton per il loro ruolo significativo nella progettazione e nello sviluppo del modello di comunità polimicrobica in vitro . Ringraziamo la dottoressa Sophie Robitaille per i suoi utili commenti sul manoscritto. Questo lavoro è stato sostenuto da una sovvenzione della Cystic Fibrosis Foundation JEAN21F0 a F.J-P. La Figura 1 del manoscritto è stata creata utilizzando BioRender.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) | Fisher Scientific | NC0387928 | Prepare a 250 mg/mL stock in chloroform directly in the bottle. Keep at -20°C. Final concentration 200 μg/mL in 2x ASM base. |
3-morpholinopropane-1-sulfonic acid (MOPS) | Sigma | M1254 | Final concentration 200 mM in 2X ASM base. |
96-pin replicator | Fisher Scientific | 05-450-9 | Disposable replicators can also be used. Cat #NC1567338. |
96-well sterile standard plate with lid | Fisher Scientific | 62406-081 | |
Agar | Fisher Scientific | DF0145-17-0 | |
AnaeroPack 2.5 L Rectangular Jar | Fisher Scientific | 23-246-385 | |
CaCl2*2H2O | Fisher Scientific | C79-500 | Prepare a 1 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 3.5 mM in 2x ASM base. |
Defribrinated sheep's blood | To prepare growth plates for Streptococcus and Prevotella. | ||
Deoxyribonucleic acid from herring sperm | Sigma | D7290 | Final concentration 1.2 mg/mL in 2x ASM base. |
FeSO4*7H2O | Fisher Scientific | AA1449830 | Prepare a 1 mg/mL stock (3.6 mM) in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Keep wrapped in aluminum foil. Final concentration 0.0072 mM in 2x ASM base. |
GasPaks | Fisher Scientific | B260678 | |
Glucose | Fisher Scientific | D16-3 | Prepare as a 20% stock (1.1 M) in water and sterilize by autoclave. Final concentration 6 mM in 2x ASM base. |
Hemin | Sigma | 51280 | Dissolve 100 mg of hemin in 2 mL of 1 M NaOH and then bring up volume to 200 mL with water. Store in an amber bottle or a regular bottle wrapped with aluminum foil at 4 °C. |
K2SO4 | Fisher Scientific | P304-500 | Prepare a 0.25 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 0.54 mM in 2x ASM base. |
Kanamycin | Prepare a 50 mg/mL stock solution in water. Filter sterilize with a 0.22 μm filter and store at 4 °C. | ||
KCl | Fisher Scientific | P217-500 | Final concentration 30.0 mM in 2x ASM base. |
KNO3 | Fisher Scientific | P263-500 | Prepare a 1 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 0.70 mM in 2x ASM base. |
L-cysteine hydrochloride | Fisher Scientific | AAA1038922 | |
L-Lactic acid | Sigma | L1750 | Prepare a 1 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. pH adjust to 7.0. Final concentration 18.6 mM in 2x ASM base. |
L-Tryptophan | Sigma | T0254 | Prepare a 0.1 M stock in 0.2 M NaOH and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Keep refrigerated at 4 °C wrapped in aluminum foil. Final concentration 0.132 mM in 2x ASM base. |
Mannitol Salt Agar | Fisher Scientific | B11407 | Prepare using manufacturer's recommendations. |
Menadione | Sigma | M5625 | Prepare a 10 mg/mL stock solution dissolved in 96-100% ethanol. Conserve at 4 °C wrapped in aluminium foil. Vortex before use. |
MgCl2*6H2O | Fisher Scientific | AA12288A9 | Prepare a 1 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 1.21 mM in 2x ASM base. |
Mucin from porcine stomach - Type II | Sigma | M2378 | Prepare a 10 mg/mL (2x) stock in water; mix thoroughly before autoclaving. Keep at 4 °C. |
Na2HPO4 | Fisher Scientific | S375-500 | Prepare a 0.2 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 2.5 mM in 2x ASM base. |
N-acetylglucosamine | Sigma | A8625 | Prepare a 0.25 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Keep stock refrigerated at 4 °C. Final concentration 0.6 mM in 2x ASM base. |
NaCl | Fisher Scientific | S271-500 | Final concentration 103.7 mM in 2x ASM base. |
NaH2PO4*H2O | Fisher Scientific | S369-500 | Prepare a 0.2 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 2.6 mM in 2x ASM base. |
NaOH | Fisher Scientific | S318-500 | Prepare a 5 M stock solution. Use to adjust pH of 2x ASM base stock. |
NH4Cl | Fisher Scientific | A661-500 | Final concentration 4.6 mM in 2x ASM base. |
Oxolinic acid | Prepare a 10 mg/mL stock solution 0.5 M NaOH. Filter sterilize with a 0.22 μm filter and store at 4 °C. | ||
Polymixin B | Prepare a 10 mg/mL stock solution in water. Filter sterilize with a 0.22 μm filter and store at 4 °C. | ||
Pseudomonas Isolation Agar | Fisher Scientific | DF0927-17-1 | Prepare using manufacturer's recommendations. |
Todd Hewitt Broth | Fisher Scientific | DF0492-17-6 | Prepare using manufacturer's recommendations. |
Tryptic Soy Broth | Fisher Scientific | DF0370-17-3 | Prepare using manufacturer's recommendations. |
Vancomycin | Prepare a 50 mg/mL stock solution in water. Filter sterilize with a 0.22 μm filter and store at 4 °C. | ||
Yeast Extract | Fisher Scientific | B11929 | |
Yeast Synthetic Dropout without Tryptophan | Sigma | Y1876 | Final concentration 8.0 mg/mL in 2x ASM base. |
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