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Method Article
Presentiamo un metodo per un modello di patogenesi fungina che preserva il posizionamento naturale delle spore fungine nelle vie aeree polmonari per l'analisi tramite microscopia a fluorescenza.
I funghi infettano gli esseri umani quando le spore ambientali vengono inalate nei polmoni. Il polmone è un organo eterogeneo. Le vie aeree conduttrici, compresi bronchi e bronchioli, si ramificano fino a terminare nello spazio aereo alveolare dove avviene lo scambio di gas. Le infezioni che hanno origine nei bronchioli o negli alveoli suscitano risposte distinte dell'ospite e manifestazioni della malattia. Pertanto, capire con precisione dove le spore si localizzano naturalmente nei polmoni, in particolare subito dopo l'infezione, amplia le opportunità di indagine sulle interazioni ospite-patogeno. In questo articolo, descriviamo in dettaglio un'analisi in situ dei polmoni di topi infettati con artroconidi Coccidioides posadasii cts2/ard1/cts3Δ. I metodi convenzionali per la conservazione istologica prevedono il gonfiaggio liquido delle vie aeree con una soluzione fissativa, che sposta la posizione naturale delle particelle fungine aspirate, spingendo le spore dai bronchioli prossimali agli spazi aerei terminali.
Al contrario, questo metodo di gonfiaggio dell'aria con la perfusione-fissazione della vascolarizzazione sanguigna preserva la posizione fisiologica delle spore fungine all'interno dei bronchioli. Inoltre, descriviamo un approccio semplice alla crioconservazione, all'inclusione e all'imaging di campioni polmonari. Condividiamo anche tecniche computazionali ad alto rendimento tramite il programma open source QuPath per analizzare la distribuzione spaziale delle spore fungine all'interno del polmone. Il metodo qui presentato è semplice e veloce, richiede un'attrezzatura minima per essere eseguito e può essere facilmente adattato per l'uso con molti modelli di infezione fungina respiratoria.
Gli esseri umani possono inalare fino a miliardi di spore al giorno da una varietà di funghi ambientali1. Per comprendere le nostre difese di barriera contro queste spore inalate, dobbiamo apprezzare i precisi ambienti microanatomici in cui queste spore atterrano all'interno delle vie aeree e del parenchima polmonare. La composizione cellulare delle vie aeree (cioè le cellule epiteliali) si trasforma in modo significativo lungo la trachea, i bronchi, i bronchioli e gli alveoli. Ognuna di queste regioni distinte è composta da diversi tipi di cellule con funzioni discrete che si avvalgono di un arsenale di difese per prevenire l'infezione patologica.
La posizione precisa della deposizione di spore fungine polmonari può variare tra i lumi delle vie aeree dei bronchioli colonnari rivestiti di epiteli, dei dotti alveolari o degli alveoli2. La maggior parte delle specie fungine clinicamente rilevanti produce spore di diametro compreso tra 1 μm e 10 μm3. La deposizione di queste particelle di spore nel polmone dipende da diversi fattori, come l'aerodinamica, la densità, la carica elettrica e le forze foretiche, che possono influenzare il meccanismo di sedimentazione dopo l'inalazione4. Generalmente, le particelle di grandi dimensioni (> 6 μm) si depositano nelle vie aeree superiori, le particelle di medie dimensioni (2-6 μm) possono depositarsi nelle vie aeree più piccole e le particelle piccole (<2 μm) raggiungono la regione alveolare5. È stato riportato che le spore di Aspergillus (2-3 μm) raggiungono gli spazi alveolari, ma i referti di patologia clinica indicano anche un carico significativo di malattia bronchiale e bronchiolare6. C'è anche un crescente riconoscimento delle infezioni fungine endobronchiali di Aspergillus fumigatus, Coccidioides immitis, Candida species, Cryptococcus neoformans, Histoplasma capsulatum e Zygomycetes a causa della crescente popolarità della broncoscopia flessibile7. Recenti progressi nell'imaging microscopico delle infezioni da Aspergillus nei topi hanno anche rivelato che gli spazi aerei più prossimali, come bronchi e bronchioli, possono sopportare il carico più elevato per la proliferazione fungina patologica8. La ricerca sulla risposta dell'ospite alle infezioni fungine polmonari ha dimostrato che sia le cellule epiteliali bronchiolari che le cellule epiteliali alveolari svolgono un ruolo importante come sentinelle immunitarie, quindi chiarire i siti esatti di deposizione delle spore e l'interazione epiteliale sarà vitale per il lavoro futuro 2,9,10.
Lo studio di queste dinamiche di patogenesi delle vie aeree prossimali è difficile perché le tecniche standard di fissazione polmonare e preparazione del sezionamento possono spostare le spore da queste posizioni prossimali nelle vie aeree rivestite di epitelio e spingerle verso le regioni alveolari terminali distali. Comunemente, il 10% di formalina o il 4% di paraformaldeide viene utilizzato per gonfiare i polmoni ed esporre rapidamente l'intero polmone al fissativo. Quando si preparano i polmoni per la criosezione, alcuni gruppi somministrano ai polmoni un composto a temperatura di taglio ottimale (OCT) per migliorare le prestazioni di criosezione11. Queste pratiche sono utili nel giusto contesto, ma è stato scoperto dal nostro laboratorio e da altri gruppi che spostano spore e particelle dalle posizioni prossimali, interferendo così con le interpretazioni sui tipi di cellule esposte alle spore e la successiva risposta dell'ospite12.
Per stabilire con precisione la localizzazione microanatomica delle spore fungine inalate, abbiamo sviluppato un metodo rapido e a basso consumo di risorse per la conservazione della posizione delle spore fungine nelle vie aeree dei topi. Abbiamo adattato un metodo murino di fissazione della perfusione vascolare con gonfiaggio dell'aria da Thomas et al. (2021), in cui abbiamo ridotto la quantità di attrezzature, il tempo e le competenze tecniche necessarie per ottenere un risultato soddisfacente13. Dal metodo qui descritto, abbiamo osservato che gli artroconidi Coccidioides posadasii cts2/ard1/cts3Δ (di dimensioni 3-5 μm) si accumulano più prossimalmente di quanto precedentemente dimostrato, vale a dire nei bronchioli distali e nelle giunzioni bronco-alveolari piuttosto che negli alveoli terminali. Queste informazioni possono focalizzare questioni biologiche riguardanti i tipi di cellule critiche associate a queste regioni del polmone e la loro influenza sulle risposte precoci alle spore fungine inalate.
Tutti i metodi descritti in questo protocollo sono stati approvati dall'Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) di Rutgers Biomedical Health Sciences.
1. Marcare le spore con fluorescenza intracellulare
2. Inoculazione di spore nel topo mediante inalazione per aspirazione mediante anestesia con isoflurano
ATTENZIONE: L'isoflurano è un agente anestetico volatile e deve essere utilizzato all'interno di una cabina di biosicurezza canalizzata o di una cappa aspirante.
Figura 1: Apparecchio per il metodo di inoculazione delle spore a goccia aperta di isoflurano. Un tovagliolo piegato viene posizionato sul fondo di un barattolo con tappo a vite da 1 L, quindi viene inserita una rete circolare di plastica che funge da piattaforma per i topi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
3. Eutanasia dei topi
4. Perfusione dei polmoni con PBS e formalina
5. Gonfiare l'aria del polmone perfuso
6. Fissazione per immersione e disidratazione
7. Criosezione
8. Preparazione e blocco dei vetrini
9. Immunocolorazione
10. Imaging tramite microscopia a fluorescenza
11. Analisi spaziale tramite QuPath
Questo metodo produce infine immagini immunofluorescenti dei polmoni di topo utilizzando il gonfiaggio fisiologico dell'aria per lasciare indisturbate le vie aeree. È importante sottolineare che più punti di controllo lungo il percorso confermeranno che i componenti del protocollo sono stati eseguiti correttamente. Durante l'inoculazione, è importante confermare che l'inoculo sia stato aspirato sentendo la presenza di "crepitii" sulla parete toracica posteriore del topo che indicano c...
Abbiamo stabilito una pipeline per l'inalazione delle spore e l'analisi della deposizione spaziale delle spore inalate. Questa pipeline fornisce informazioni preziose per determinare le regioni stromali rilevanti del polmone colpite dall'inalazione di artroconidi Coccidioides posadasii cts2/ard1/cts3Δ. Abbiamo osservato che le spore di Coccidioides e le particelle inerti di dimensioni simili (dati non mostrati) si accumulano nelle regioni bronchiolari distali e nelle g...
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
I finanziamenti e il supporto sono stati acquisiti attraverso la sovvenzione NIH K22 AI153678-01 e la Rutgers School of Graduate Studies. Ringraziamo Fawad Yousufzai e Luke Fritzky del Rutgers Biomedical Health Sciences Cellular Imaging and Histology Core per il loro lavoro e la loro esperienza nell'ottenere immagini immunofluorescenti.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
18 G, 1 1/2 needle (305185) | Fisher | 305185 | |
1 L Screwtop Jar (Nalgene) | Fisher Scientific | 11-823-33 | |
Air-Tite Bulk Unsterile Syringes 10 mL Luer Lock | Fisher | 14-817-175 | |
AnaSed Injection (xylazine sterile solution) | Akorn | 59399-110-20 | |
Animal-Free Blocker and Diluent, R.T.U. | Vector | SP-5035-100 | |
BD Insyte Autoguard Winged Shielded IV Catheter with BD Vialon Catheter Material 18 G x 1.88 in | BD | 381547 | |
BD Pharmingen Purified Rat Anti-Mouse CD16/CD32 (Mouse BD Fc Block™) | BD | 553142 | |
CellTracker Orange CMRA Dye | Fisher Scientific | NC0873640 | |
CFSE | Labviva | 75003 | |
Coccidioides posadasii cts2/ard1/cts3Δ | BEI Resources | NR-166 | |
Corning 70 micron strainers | VWR | 10054-456 | |
EpCAM AlexaFluor647 monoclonal antibody | Biolegend | 118211 | |
Exel International HYpodermic Needles 30 G x 1/2" | Labviva | EN3012 | |
Fisherbrand Sterile Syringes for Single Use (1mL, Leur Slip) | Fisher | 14-955-462 | |
Glucose Monohydrate | Azer Scientific | ES17530-500G | |
High Vacuum Grease | VWR | 59344-055 | |
Hoechst 33342 Solution 20 mM (5 mL) | ThermoFischer | 62249 | |
Isoflurane USP | Covetrus | 29405 | |
Ketamine Hydrochloride | Dechra | 1000001250 | |
KIMWIPES Delicate Task Wipers (4.4'' x 8.4") | VWR | 21905-026 | |
Lexer Baby Scissors | FST | 14078-10 | |
Micro-Adson Forceps | FST | 11018-12 | |
Neutral Buffered Formalin (10%) (Azer Scientific) | Fisher | 22-026-350 | |
Nunc EasYFlask tissue culture flasks, T75, filter caps | VWR | 15708-134 | |
PBS | VWR | 45000-446 | |
Peel-A-Way embedding molds | Sigma | E6032-1CS | |
QuPath 0.5.1 Software | Open-source | https://qupath.github.io/ | |
Silk Suture thread size 3/0 | FST | 18020-30 | |
SlidesMicro Slides Superfrost Plus | VWR | 48311-703 | |
SlowFade Glass Soft-set Antifade Mountant (2 mL) | ThermoFischer | S36917 | |
Sucrose | Sigma | S0389-500G | |
Tissue-Tek O.C.T. Compound, Sakura Finetek | VWR | 25608-930 | |
Tween 20 | ThermoFischer | J20605.AP | |
Vector Laboratories ImmEDGE Hydrophobic Barrier Pen Set Of 2 | Fisher Scientific | NC9545623 | |
VWR Micro Cover Glasses, Rectangular (24 mm x 40 mm #1.5) | VWR | 48393-230 | |
White Plastic Wire Mesh | MAPORCH | 789862904922 | |
Yeast Extract | Fisher | BP9727-500 | |
Zeiss AxioScan 7 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | https://www.zeiss.com/microscopy/us/products/imaging-systems/axioscan-for-biology.html | multichannel fluorescent microscope |
ZEN 3.7 Software | Carl Zeiss Microscopy GmbH | https://www.zeiss.com/microscopy/us/products/software/zeiss-zen.html | microscopy software |
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