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ここでは、ろ過法を使用して尿からL型細菌を分離するためのプロトコルを紹介します。L型培地の調製のための補完的な方法、位相差顕微鏡によるL型観察、および実験室条件下でのL型の導入についても説明します。
細菌のL型状態への移行は、細胞壁を標的とする抗生物質による治療中の免疫回避と細菌の持続性に役割を果たす可能性があると考えられています。しかし、L型細菌の単離と取り扱いは、主に浸透圧の変化に対する感度が高いため、困難です。ここでは、L型培地の調製、ろ過法を使用した尿からのL型の単離、位相差顕微鏡による尿サンプル中のL型の検出、およびin vitroでのL型の導入に関する詳細なプロトコルについて説明します。L型が生存し、成長するための正確な要件は、系統ごとに異なる場合があります。したがって、ここで紹介する方法は、正確な指示としてではなく、個々のラボ内でL型プロトコルを確立するための基本的なガイドラインとして機能することを意図しています。ろ過法は、サンプル中のL型の数を減らす可能性があるため、定量には使用しないでください。しかし、これは、細胞壁欠損バリアントを壁型バリアントから効果的に分離し、尿路感染症患者でL型スイッチングが可能な細菌株を同定するためにこれまでに使用された唯一の方法です。このろ過法は、他のカテゴリーの細菌感染症患者や環境サンプルからのL型分離に適応できる可能性があります。
事実上、すべての細菌は細胞壁と呼ばれる構造に囲まれています。壁は環境ストレスから保護するために重要であり、定期的な分裂を助け、バクテリアに形状を与えます1。しかし、この壁は、免疫系の一部や、ペニシリン2,3など、最も優れて最も使用されている抗生物質の標的でもあります。その重要性にもかかわらず、グラム陽性菌とグラム陰性菌の両方が壁4,5,6,7,8なしで生き残ることができることがあります。周囲の条件が破裂を防ぐのに十分な浸透圧保護を提供し、細胞壁標的剤も存在する場合、細菌はL型4,5,6,7,8と呼ばれる壁のない状態に移行することができます。
多数の報告は、細菌が宿主免疫系からの攻撃と細胞壁を標的とする抗生物質による治療の両方を生き残るためのメカニズムとして、L型状態への切り替えと壁状態への復帰がin vivoで重要である可能性があることを示しています9,10,11,12,13,14,15。このような移行は、細菌感染の再発に対する強力な戦略を提供する可能性があります9,10,11,12,13,14,15。L型細菌の基本的な生物学と、それらの宿主との相互作用を理解することは、病因におけるそれらの役割を解読するために重要です。しかし、L型細菌の取り扱いは困難です。
まず、細胞壁がないため、L型細菌は浸透圧の変化に反応して破裂する傾向があります。さらに、L型は非常に不規則に分裂し、成長の予測不可能なパターン(通常は壁のあるものよりもはるかに遅い)を持ち、ひずみによっては、固体や液体の媒体ではなく、半液体でよりよく伝播する可能性があります。上記のすべての考慮事項により、成長率の定量化と比較が困難になります。異なる細菌種(または株)は、L型スイッチングと成長のための多様な代謝要件を持っています。例えば、好気性呼吸に依存する特定のグラム陽性菌のL型は、壁に囲まれた細菌よりも活性酸素種に対してより敏感である16。
実験室条件下でのL型および宿主内でのL型の導入は、通常、抗生物質やリゾチーム9などの細胞壁標的薬によって駆動されます。このような処理では、細胞壁が部分的に失われるだけであり、したがって、サンプル中に一部の壁型(または部分的に壁型)の細菌が存在する可能性があり、観察された実験結果がL型または壁型細菌の存在によるものかどうかを区別するのが難しくなります。in vivoで誘導されるL型は頻度が低い傾向があり、見つけて分離するのが難しい場合があります。最後に、L型は多型形態であるため、アポトーシス体やさまざまな顆粒などの真核生物起源の構造とその場で簡単に混同できます。
1935年に発見されて以来、実験室でL型を処理するためのいくつかの方法が開発されてきました。これらのほとんどは、成長培地への浸透圧保護剤の添加に依存しています。通常、砂糖または塩9,10,11,12,13,14,15,16,17,18。前述のように、L型は患者サンプル中に壁のある細菌と並んで発生することが多く、2つの集団を分離することは困難な場合があります。しかし、壁状細菌とは異なり、L型は柔軟性と可変サイズにより、0.45μmのフィルターを通過できることが実証されています。このようなフィルターを使用する方法が、尿10,19,20,21からL型を単離するために採用されている。
ここでは、ろ過法を使用して尿からL型細菌を単離するためのプロトコルを示します(図1)。L型培地の調製、L型の顕微鏡観察、およびin vitroでのL型の導入のための補完的なプロトコルも記載されています。
1. L型培地(LM)の調製
2. 尿中のL型単離
注:実験室の手順では、手袋と白衣を着用してください。微生物安全キャビネットで作業するか、ブンゼンバーナーを使用してください。ろ過中は安全グーグルを着用してください。
3. 位相差顕微鏡による尿サンプルのL型の存在検査
4. in vitroでのL型の導入
スクロースを含むL型培地は、オートクレーブ後にさまざまな程度のカラメル化を受けることがあり、これは色の変化に関連しています。 図 2 は、スクロースを含む培地をオートクレーブした場合の代表的な結果を示しています。 図2A は、オートクレーブ後に色が琥珀色に変わったLM培地の典型的な例を示しています。 図2B は、オートクレーブ後の1.16 Mショ糖溶液(LM培地の作製に必要な濃度の2倍)の典型的な例を示しています。時折、LM培地またはスクロースはオートクレーブ中に広範なカラメル化を受けることがあり、このような場合に培地を使用することはお勧めしません。 図2C は、過剰にキャラメリゼされたショ糖培地の例を示しています。
L型細菌は非常に不均一である可能性があり、図3は患者の尿サンプルで観察可能なL型様構造の例を示しています。尿サンプル中に見られるL型様構造の細菌起源を確認するために、細菌配列を標的とする蛍光プローブを備えたFISHが推奨される10,23。
実験室条件下で誘導されるL型の成長レベルは、株特異的です。 図4B は 枯草菌の L型成長の例を示し、 図4C は 図4Bで誘導されたL型の外観を示しています。
図1:ろ過法によるL型分離 - 概略図。 尿サンプルは、0.45 μm フィルターを通過し、0.2% 寒天を添加した浸透圧保護 LM 培地を含むポリスチレン万能容器に入れます。その後、サンプルを30°Cの定常位置で最大1ヶ月間インキュベートし、成長の証拠がないか毎日目視でチェックします。このインキュベーション期間により、サンプル中に存在する任意のL型が細胞壁を再生させることができます。増殖が検出されたら、細菌を通常の固体の非浸透圧保護培地(栄養寒天培地や脳心注入など)を含むプレート上に再度線条状にして、単一のコロニーを分離し、DNA抽出とシーケンシングを行って単離された細菌種を同定できます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:L字型メディア。 (A)オートクレーブ後のLM培地。(B)オートクレーブ後の1.16 Mスクロース(2 x 濃度)。(C)広範囲にキャラメリゼされたLMメディウム。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:位相差顕微鏡法により再発性尿路感染症患者の尿中に観察できるL型様構造の例。 (A,B)尿中に浮遊する細菌のL型を分割する典型的な構造。(C,D)真核細胞に関連する細菌のL型を分裂させる典型的な構造。(E,F)グラム陰性L型に特徴的な三日月形の構造(赤矢印)。(F,G)壁細胞とL型との間の遷移の中間段階に典型的な構造( Gの赤い矢印)。(H)大きなL型に典型的な細胞内小胞。スケールバー = 5 μm。この数値は10から修正されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:固体媒体上にL型を誘導するためのストリークプレート技術。 (A)L型を誘導するためのプレートの4分の1を使用したストリーキングバクテリアの概略図。矢印は、バクテリアを縞模様にする方向を示しています。(B)30°Cで3日間のインキュベーション後、(A)に示すように、ストリーキング後の枯草菌のL型増殖の一例。(C)(B)で誘導されたL型を位相差顕微鏡で可視化。スケールバー = 5 μm. パネルBとCは16から変更されています この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
この原稿に記載されているプロトコルは、ヒト尿からさまざまな細菌種のL型を分離し、処理するために使用されています。これには、大腸菌、連鎖球菌、ブドウ球菌、クレブシエラ、シュードモナス、エンテロコッカス、エンテロバクター属が含まれ、これらはすべて通常UTIに関連しています10,24。.しかし、ある研究室で確立されたL型の取り扱い方法が、別の研究室ではすぐにはうまくいかないかもしれませんし、ある細菌株に効くものが別の菌株には効かないかもしれません。したがって、ここで説明するプロトコルは、複数回の試行と追加の最適化が必要になる可能性があります。特に、培地の必要栄養素、酸素の利用可能性、浸透圧保護剤の濃度、流動性をテストする必要がある場合があります。L型への移行と成長に最適な条件は、同じ種の壁状型の成長に最適な条件とは異なる可能性があります。さらに、プロトコルを試行する際には、いくつかの技術的な問題が発生する可能性があります。
L型培地の調製に関連する一般的な問題は、オートクレーブ後のスクロースカラメル化です。培地の色が暗褐色に変わった場合は、廃棄して新しいバッチを準備する必要があります。スクロースを1つのボトルで水で調製し、残りの成分を別のボトルで、両方とも2倍の濃度で調製する必要がある場合があります。その後、オートクレーブ後に2倍濃縮溶液を1:1の比率で組み合わせて、目的の最終濃度を達成できます。スクロースを別々にオートクレーブすると、色がわずかに黄色に変わることがあり(図2B)、これは許容されますが、暗褐色に変色する場合(図2C)は実験に使用しないでください。オートクレーブサイクルの長さと温度を調整することは、ショ糖のカラメル化を軽減するために必要になる場合があります。調整されたオートクレーブサイクルを使用して調製した培地の無菌性を試験し、各培地のアリコートを37°Cで少なくとも3日間インキュベートすることにより、試験することをお勧めします。最後に、カラメル化の問題が続く場合は、塩などの代替浸透圧保護剤をテストする必要があるかもしれません18。
また、患者サンプルからのL型単離中にも、いくつかの問題が発生することがあります。プロトコルに記載されているように、サンプルに存在するL型は潜在的に劣化する可能性があります。そのため、寄贈後はできるだけ早くサンプルを研究室に輸送することが重要です。同じ理由で、サンプルを低温で保存したり、サンプルの組成を変更したり(PBSの添加など)することは強く推奨されません。
ろ過方法自体には限界があります。一部のL字型は、フィルターを通る媒体の流れによって発生するせん断力により引き裂かれる場合があります。Mickiewiczらによる研究では、実験室で誘導された 大腸菌 のL型を含む対照サンプルのL型のうち、フィルターを通過したのはわずか41%でした10。これは、ろ過法が陽性サンプルの数を過小評価する可能性があり、定量的研究には推奨されないことを示しています。
非常にまれなケースでは、ろ過後、翌日にはL型単離に使用される半液体培地アリコートで有意な成長が観察される場合があります。これは、プロトコール中にフィルターが壊れて壁のある細菌が通過したか、サンプルが汚染されたことを示している可能性があります。そのようなサンプルを廃棄するか、少なくとも注意して扱うことをお勧めします。サンプルの毎日の目視検査は、誤検知を防ぐために重要です。ろ過によって尿サンプルを処理する前に、実験室で誘発されたL型、壁型細菌、滅菌培地のいくつかのサンプルを選択したフィルターに通し、L型分離の効率を制御し、フィルターの破損による壁状細菌の潜在的な通過を制御し、使用される滅菌技術がうまく機能していることを確認することをお勧めします。
まれに、安定なL型がろ過によって単離され、顕微鏡で検出できる壁状の型がない場合があります。生存可能なL型細菌を維持するためには、増殖の効率に応じて、サンプルのいくつかの「ループフル」を新鮮な半液体LM培地を含むチューブに移すか、3〜7日ごとに固体浸透圧保護培地に再度ストリークすることをお勧めします。数回の継代後に壁状の形態が現れない場合は、サンプルを 40% グリセロールで -80 °C で凍結して分離物を保存することができます。ただし、一部のL型はそのような手順に十分耐えられない場合があります。
その制限にもかかわらず、ろ過方法は、患者サンプルの壁状形態からL型を分離するためにこれまでに使用された唯一の方法です。これにより、in vivoでL型スイッチングが可能な細菌株の同定が可能になります。他の種類のヒトまたは環境サンプル(血液や植物など)からL型を分離するためのろ過方法を開発し、適応させる可能性があります。
上記のすべての考慮事項を考慮すると、この原稿で概説されているプロトコルは、厳格な指示としてではなく、個々のラボでカスタマイズされたL型プロトコルを開発するための良い出発点として推奨します。Lフォームでの作業には、細心の注意、献身、忍耐が必要ですが、練習すれば、非常にやりがいのあるものになります。この原稿で概説されているガイドラインが、L型プロトコルを開発するためのベンチマークとなり、これらの魅力的な細菌型を調査するための基礎研究グループや臨床研究グループを奨励することを願っています。
著者は何も開示していません。
この研究は、欧州研究会議(助成金番号670980)からJeff Erington(ニューカッスル大学細菌細胞生物学センター所長)に資金提供されました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.45 µL cut off filters | Sarstedt | 83.1826 | |
20 mL syringes | Fisher | 17955460 | |
30 mL polystyrene universal tubes | Starlab | E1412-3010 | |
92 x 16 mm Petri Dishes | Starstedt | 82.1473 | |
Agar | Oxoid | LP0011 | |
Ampicillin | Sigma-Aldrich | A9518 | |
Brain Heart Infusion | Oxoid | CM1135 | |
Cover slips (22 x 22 mm, 22 x 50 mm) | VWR | 631-0137/-0125 | |
D-cycloserine | Sigma-Aldrich | C6880 | |
Glass microscope slides | VWR | 631-1550P | |
Lysostaphin | Sigma-Aldrich | L7386 | |
Lysozyme | Sigma-Aldrich | L4919 | |
MgSO4 | VWR | 25165.26 | |
Moenomycin | Sigma-Aldrich | 32404 | |
Penicillin G | Sigma-Aldrich | 13752 | |
Phosphomycin | Sigma-Aldrich | P5396 | |
Sucrose | Sigma-Aldrich | 84100 |
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