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Method Article
歯の表面に形成されたバイオフィルムは非常に複雑で、そのアーキテクチャを調節する定数先天性および外因性の環境上の課題、、生理学およびトランスクリプトームにさらされている。我々は、バイオフィルムの研究の他の領域に適合させることができる口腔バイオフィルムの組成、構造、組織および遺伝子発現を調べるためにツールボックスを開発しました。
バイオフィルムは、可変密度と組成物1、2の細胞外マトリックスにenmeshed微生物細胞の高度に動的な、組織的かつ構造化されたコミュニティです。一般的には、バイオフィルムは、細胞クラスター(またはmicrocolonies)と複雑な細胞外マトリックスで発生microcolonies、のさらなる発展と安定の形成に続いて表面に初期微生物付着から発生する。バイオフィルムの行列の港のexopolysaccharides(EPS)、および歯科バイオフィルムの大部分もその例外ではありません。特に主にミュータンス連鎖球菌3によって仲介されるカリエス病、関連付けられているもの。 EPSは、主に基板3としてスクロースを用いてグルコシルトランスフェラーゼなどの細胞外酵素、によって微生物(S.ミュータンス 、重要な貢献者)によって合成される。
歯の表面に形成されたバイオフィルムの研究は、特に口腔内で発生する複雑な食事療法 - ホスト - 微生物の相互作用に関連する環境上の課題への一定の暴露に起因し挑戦しています。これらの複雑な相互作用に応答して、よりよい行列の構造組織と構成の動的な変化の理解、生理学およびトランスクリプトーム/バイオフィルム細胞のプロテオームプロファイルは、さらに病原性を調節する方法口腔バイオフィルムの現在の知識を進めるだろう。したがって、我々は、データ解析のためのカスタムメイドのソフトウェアで一般に入手可能と斬新なテクニックを組み合わせることで、構造的、生化学的および分子レベルでのバイオフィルムの解析を容易にするための分析ツールボックスを開発しました。標準的な分析(比色アッセイ、RT -定量PCRとマイクロアレイ)と小説蛍光技術は、(細菌およびEPSの同時ラベリングのための)口腔バイオフィルム研究の複雑な性質に対処するためのデータ解析のための特定のソフトウェアに統合されました。
ツールボックスは4つの異なるが、相互接続手順(図1)で構成される:1)バイオアッセイ、2)生データの入力、3)データ処理、および4)データ分析。我々は、ツールボックスの有用性と柔軟性を実証するためのin vitroバイオフィルムモデルと特定の実験条件で私たちを使用していました。バイオフィルムモデルは、単純な再現性と複数である単一の実験で複製、同時に4を行うことができます。また、それにより時間的な評価、様々な微生物種の包含5と異なる実験条件の影響の評価(例えば治療6、ノックアウト変異体の比較対親株5;炭水化物の可用性7)。ここで、我々はマイクロアレイデータマイニング/組織(MDV)と蛍光イメージング解析(DUOSTAT)のための新しいソフトウェア(I)を含むツールボックスの2つの特定のコンポーネントを、説明、および(ii) その場 EPS標識に 。我々はまた、ツールボックスは、バイオフィルムの分析、データの編成、統合と解釈を支援する方法を示す実験ケースを提供しています。
1。 STEP 1 - バイオアッセイ
生物膜法は、歯の代用物としてハイドロキシアパタイトのディスク(HA)を使用します(クラークソンクロマトグラフィー製品、(株)、南ウィリアムスポート、ペンシルバニア州、米国;表面積= 2.7 ± 0.2 cm 2)を唾液でコーティングされた(買収ペリクルの存在を模倣する)、置く垂直位置4、5、8インチ
2。 STEP 2 - RAWデータの入力
直接生データファイルへの生化学的およびRT -定量PCRアッセイ(RDF - MS Excelファイル)から入力生データ。マイクロアレイデータの場合、JCVI Spotfinder(http://pfgrc.jcvi.org/index.php/bioinformatics.html)または同様のソフトウェアにスキャンしたスライドのシングルチャンネル画像を読み込む。 JCVIの仕様に合わせてスポットのグリッドを作成してから、手動でグリッド内のすべてのスポットに合うように調整します。各スポットの強度値を測定し、"。MeVの"ファイルに保存し、"生のマイクロアレイのデータ"に格納。
3。 STEP 3 - データ処理
統計分析のためのRDFの生データを(生化学およびRT - QPCR)整理。 "データ処理されたファイル"( - MS ExcelファイルDPF)にそれらを転送します。マイクロアレイおよび蛍光イメージング分析のために、特定のソフトウェアは、(現在利用可能な、特注の)データを処理するために使用されます。
4。ステップ4 - データ分析
DPFの生化学的、RT -定量PCRと犯罪統計システム- DUOSTATアッセイから定量的なデータは統計分析のための準備が整いました。統計解析が実行された後、グラフおよび/またはテーブルが("代表的な結果"の項を参照)を構築することができます。
1。ソフトウェアマイクロアレイデータビジュアライザー(MDV)を用いたマイクロアレイデータの編成。
マイクロアレイと、複数の実験条件を使用するときの複雑さや大規模なデータの出力のために設定し、我々はマイクロアレイデータビジュアライザー(MDV)7(http://www.oralgen.lanl.gov/で入手可能)という名前のデータマイニングと組織のソフトウェアを設計。
クラス予測のための0.001のカットオフPの値とし、クラスの比較のためにBRB - ArrayTools(http://linus.nci.nih.gov/BRB-ArrayTools.html)を使用して統計分析を行った後、生成されたデータを提出することができます。 MDVに、として、次のとおりです。
5。駐在結果
ここでは、分析ツールボックスは、複数の変数や実験条件によるバイオフィルム研究の様々なアッセイを統合する方法の例を提供しています。
実験的なケース:
バイオフィルムの開発7時のデンプンとショ糖に応答して、トランスクリプトームストレプトコッカスミュータンスのダイナミクス。
背景:
ホスト唾液アミラーゼおよび連鎖球菌のグルコシルトランスフェラーゼによる食事の澱粉とショ糖の相互作用は、S.の形成と病原性を高めることができるインクリメによるバイオフィルム内のミュータンスexopolysaccharides合成、糖代謝とacidogenicity 11 asing。この複雑な宿主 - 病原体 - 食の相互作用は、虫歯の疾患に関連する病原性バイオフィルムの形成を調節することがあります。我々は、さらにS.方法を理解するための包括的な生化学的およびトランスクリプトーム解析を(全体のゲノムのプロファイリングを含む)を実施ミュータンスは、アミラーゼ7の存在下でバイオフィルムの発達の異なる段階におけるデンプンやショ糖に応答します。
分析ツールボックスは、種々の実験条件と時間の点で形成されたバイオフィルムの生化学的および分子アッセイの統合に私たちを支援するために使用されていました。分析ツールボックスを使って全体のデータ出力は、図4の順次的(4.1〜4.4)で表示されます。それはここに主な焦点は、ツールボックスのユーティリティではなく、データの解釈と議論を実証するためであることは注目に値する。
バイオフィルム解析のための分析ツール- Boxの図1。フローチャート。
図2バイオフィルムのEPSと細菌の共焦点蛍光イメージング。 EPS(赤)と細菌/ SHAのディスクの表面に形成されたストレプトコッカスミュータンスのバイオフィルムの三次元レンダリングでmicrocolonies(緑)の同時可視化。
図3。マイクロアレイデータマイニングとマイクロアレイデータビジュアライザー(MDV)ソフトウェアを使用している組織。関心のある遺伝子を選択し、遺伝子名や機能クラスの注釈を加えてするベン図の機能を使用してください。
図4.1。S.のバイオフィルム形成の評価生化学的ア ッセイ(A)とRT -定量PCR(B)を用いてミュータンス 。 INS(不溶性exopolysaccharides)データはgtfB表現のパターンとよく相関し、バイオフィルムのバイオマスと。 0.5%のショ糖が最適なバイオフィルムの開発に必要な最小濃度は 、in vitro のモデルで私たちを使用していたのに対し、1%のショ糖は、最大INS形成のための濃度、SHAの表面上にgtfB発現とバイオフィルムの蓄積であった。S. 0.5%のスクロースの存在下で増殖したミュータンスの細胞は、+ 1%の澱粉は、最高のバイオマスが得られ、および強化されたgtfB式 (B2)と相関し、他のバイオフィルム、より多くのINSを発表した。これらの炭水化物濃度はさらにトランスクリプトーム解析のために選択した。
図4.2。MDVのソフトウェアと一緒にBRB -アレイツールを使ってマイクロアレイデータの解析。 a)の差、各比較(A、BまたはC)とBRB -アレイツールを使用して評価時点で表現として検出する遺伝子の数を表します。興味のある遺伝子を選択するベン図を用いてb)のマイクロアレイデータビジュアライザー(MDV)。 C)遺伝子は、MDVの分析に応じて選択する。
図4.3。S. ミュータンスの遺伝子が差澱粉で表現さ+機能的なクラスが主催する様々な時間点におけるスクロースバイオフィルム(対スクロースバイオフィルム)。遺伝子の注釈は、ロスアラモス国立研究所(www.oralgen.lanl.gov)によって、または同じWebサイトで入手可能な公表された文献によって提供される情報に基づいています。
図4.4。澱粉の三次元レンダリングと犯罪統計システム- DUOSTAT分析+スクロースバイオフィルム。
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本発表では、我々は、分析ツールボックス(EPS /細菌イメージングおよびマイクロアレイデータマイニング/処理)、システムに統合された種々のアッセイの汎用性と有用性の二つの重要な構成要素を示した。明らかに、ツールボックスは、in vitroモデルで使用して、異なる実験条件に対応してバイオフィルム生化学、アーキテクチャおよび遺伝子発現のさまざまな側面の包括的?...
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著者らは、MDVの開発のための博士ゲイリー謝とハーバートリーに感謝します。我々はまた、博士に感謝します。シモーネドゥアルテ、ラミロ村田、在圭田、ジャクリーンのAbranches、およびツールボックスの分析コンポーネントの彼らの技術的および科学的貢献のためのさんステイシーグレゴワール。この研究は、歯科および顎顔面研究所の国立研究所からUSPHS研究助成金DE018023によって部分的にサポートされていました。
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
Syto 9 | Invitrogen | S34854 | |
Syto 60 | Invitrogen | S11342 | |
Dextran conjugated alexa 647 | Invitrogen | D22914 | |
Olympus FV1000 two-photon laser scanning microscope | Olympus Corporation |
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