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Method Article
콜로니 형성 단위(CFU)의 측정은 눈에 보이는 콜로니를 형성하는 데 몇 주가 걸릴 수 있는 Mycobacterium tuberculosis를 포함하여 박테리아를 정량화하기 위한 황금 표준 기술입니다. 여기서는 시간 효율성 향상, 실험실 공간 및 시약 비용 절감, 중간 및 고처리량 실험으로의 확장성을 갖춘 CFU 측정을 위한 마이크로 CFU에 대해 설명합니다.
전 세계적으로 감염원에 의한 주요 사망 원인인 결핵(TB)은 2022년에 160만 명의 목숨을 앗아갔으며, 2019-2021년 팬데믹 기간 동안 COVID-19를 능가했습니다. 이 질병은 결핵균(Mycobacterium tuberculosis , M.tb)에 의해 발생합니다. 유일한 결핵 백신인 Mycobacterium bovis 균주 Bacillus Calmette-Guérin(BCG)은 세계에서 가장 오래된 허가 백신으로 여전히 사용되고 있습니다. 현재 12개의 백신이 임상시험 중이며 수십 개의 백신이 전임상 개발 중입니다. 전임상 연구에서 결핵 백신의 효능을 평가하기 위해 사용되는 방법은 콜로니 형성 단위(CFU) 분석에 의한 박테리아 콜로니의 계수입니다. 이 시간 소모적인 분석은 결론을 내리는 데 4-6주가 걸리고, 상당한 실험실 및 인큐베이터 공간이 필요하며, 시약 비용이 높고, 오염되기 쉽습니다. 여기서는 M.tb 백신 효능 결과를 분석하기 위한 간단하고 빠른 솔루션을 제공하는 콜로니 계수에 최적화된 방법인 micro-CFU(mCFU)에 대해 설명합니다. mCFU 분석은 10배 적은 시약이 필요하고, 배양 기간을 3배 단축하며, 결론을 내리는 데 1-2주가 소요되며, 실험실 공간 및 시약 비용을 줄이고, 많은 수의 M.tb 작업과 관련된 건강 및 안전 위험을 최소화합니다. 또한, 결핵 백신의 효능을 평가하기 위해 마이코박테리아에 감염된 백신을 접종한 동물의 조직을 포함하여 다양한 출처에서 샘플을 얻을 수 있습니다. 또한 감염 연구를 위해 단세포, 균일 및 고품질 마이코박테리아 배양을 생산하는 최적화된 방법을 설명합니다. 마지막으로, 우리는 이러한 방법이 백신 효능 결정에 대한 전임상 연구에 보편적으로 채택되어 궁극적으로 결핵 백신 개발 시간을 단축해야 한다고 제안합니다.
결핵(TB)은 단일 감염원인인 결 핵균(M.tb)에 의한 전 세계 주요 사망 원인으로, 다른 어떤 병원체보다 더 많은 사람을 사망에 이르게 합니다. 2021년 결핵은 160만 명의 사망자를 발생시켰으며, 2019-2021년 팬데믹 기간 동안 코로나19를 능가했습니다1. 또한 세계보건기구(WHO)의 2022년 전 세계 결핵 보고서에 따르면 코로나19 팬데믹으로 인해 새로운 결핵 사례가 증가했습니다. 세계보건기구(WHO)는 또한 이 기간 동안 결핵 진단을 받은 사람의 수가 크게 감소했다고 보고하고 있으며, 이로 인해 결핵 발병 건수는 더 증가할 수 있다1.
BCG(Bacillus Calmette-Guérin)는 100여 년 전에 백신으로 처음 사용된 병원성 Mycobacterium bovis의 약독화 생균주입니다. 이 백신은 결핵에 대한 유일한 백신이며 세계에서 가장 오래된 허가된 백신으로 여전히 사용되고 있습니다 2,3. 현재 12개의 백신이 서로 다른 임상시험 단계에 있으며4 수십 개의 백신이 전임상 개발 중에 있습니다5,6. 결핵 백신의 전임상 평가에는 안전성 및 면역원성7 평가가 포함되며, 이는 제브라피시, 마우스, 기니피그, 토끼, 소, 비인간 영장류와 같은 다양한 동물 모델에서 얻을 수 있다 8,9,10. 또한, M.tb 감염 및/또는 전염에 대한 보호를 유도하는 백신의 능력, 즉 백신 효능을 평가하기 위해서는 in vivo 5,11에서 M.tb 이의 제기가 필요합니다. 흥미롭게도, BCG 백신 접종은 훈련된 면역 14의 메커니즘을 통해 다른 박테리아 및 바이러스 병원체의 생존에 영향을 미치는 비특이적 효과를 유도한다12,13. 감염된 동물에서 생존 가능한 박테리아 부담을 정량화하기 위해 선택하는 방법은 콜로니 형성 단위(CFU) 분석 5,15를 통해 박테리아 콜로니를 계수하는 것입니다. CFU는 특정 성장 조건에서 군체를 형성하는 미생물(박테리아 또는 곰팡이)의 수를 추정하는 단위입니다. CFU는 생존 가능한 미생물과 복제 가능한 미생물에서 유래하며, 각 군집 내에서 살아있는 미생물의 절대적인 수를 추정하기는 어렵습니다. 군체가 하나 이상의 미생물에서 유래했는지 여부는 불확실합니다. CFU 단위는 이러한 불확실성을 반영하므로 동일한 샘플의 반복실험에서 큰 변동성을 관찰할 수 있습니다. 시간이 많이 소요되는 이 분석에는 생물안전 레벨 3(BSL3) 시설, 상당한 실험실 및 인큐베이터 공간에서 작업하도록 훈련된 전문 기술자가 필요하며, 결론을 내리는 데 4주에서 6주가 소요되며 오염되기 쉽습니다.
이 연구에서는 콜로니 계수에 최적화된 방법인 micro-CFU(mCFU)를 설명하고 결과 15,16,17,18,19,20을 분석하기 위한 간단하고 빠른 솔루션을 제공합니다. mCFU 분석은 10배 적은 시약이 필요하고, 배양 기간을 3배 단축하며, 결론을 내리는 데 1-2주가 소요되며, 실험실 공간 및 시약 비용을 줄이고, 많은 수의 M.tb 작업과 관련된 건강 및 안전 위험을 최소화합니다. 우리는 이 방법이 백신 효능 결정에 대한 전임상 연구에 보편적으로 채택되어야 하며, 궁극적으로 결핵 백신 개발 시간을 단축할 것을 제안합니다. 마지막으로, 이 최적화된 CFU 계수 방법은 마이코박테리아뿐만 아니라 대장균(Escherichia coli) 및 랄스토니아 솔라나세아룸(Ralstonia solanacearum21)과 같은 다른 박테리아도 정량화하는 데 사용되었습니다.
참고: 여기에 설명된 프로토콜은 BCG용이지만 모든 마이코박테리아에 적용할 수 있습니다. BCG는 BSL3 시설을 이용할 수 없을 때 결핵 실험을 위한 대리 세균으로 사용될 수 있다22. BCG를 사용하는 다음 절차는 생물 안전 레벨 2 (BSL2) 실험실에서 수행해야하며 위험 그룹 2 미생물 조작에 대한 적절한 생물 안전 지침 및 우수 실험실 관행을 따라야합니다.
1. 배양액 준비
2. 샘플 준비
3. BCG 문화의 생산
참고: 결핵 백신의 생체 내 연구의 목표는 BCG의 효능을 개선하는 것입니다. 따라서 BCG 백신 접종 그룹이 일반적으로 대조군으로 사용됩니다. 인간 백신 접종에 사용되는 BCG 균주는 동물 모델 테스트에 이상적입니다. 이 경우 BCG 문화는 공급자의 지침27에 따라 재구성되어야 합니다. 그러나, 생체 내 연구를 위한 BCG 배양물은 또한 사내에서 생산될 수 있다11. 체외 감염 프로토콜을 위한 단세포, 균일 및 고품질 BCG 배양의 생산은 동물 챌린지 연구에도 사용할 수 있는 다음 프로토콜을 사용하여 여러 연구 11,16,18,19,20,26,28,29에서 매우 성공적으로 생산되었습니다.
4. 단위 분석실험을 형성하는 마이크로 콜로니
참고: in vivo 또는 in vitro 감염 실험이 완료된 후 mCFU로 박테리아 계수를 수행할 수 있습니다. in vivo 연구의 경우, 먼저 비드 비터 또는 다른 조직 균질화기에서 샘플을 균질화해야 합니다. BCG에 감염된 대식세포/수지상세포/호중구의 시험관 내 배양의 경우 비이온성 세제(예: 비이온성, 비변성 세제의 0.05% 용액)를 사용하여 샘플을 용해해야 합니다.
그림 1. mCFU 프로토콜의 개략도 표현. (A) 96웰 플레이트에서 BCG 함유 용해물의 연속 10배 희석. (B) 고체 배양 배지를 포함하고 각각 5μL의 96개 방울로 오버레이된 정사각형 페트리 접시. 액적은 멀티채널 피펫을 사용하여 96웰 플레이트에서 직접 피펫팅됩니다. BioRender.com 로 만들었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2. 10일간의 배양 후 BCG의 미세 집락 형성 단위. 왼쪽은 이전에 그림 1B에 표시된 것처럼 각각 5μL의 96개 방울로 겹쳐진 정사각형 페트리 접시의 사진입니다. 오른쪽에서 3 개의 물방울의 개별 사진은 원래 용해물 (100)과 2 개의 희석 (101, 102)에 해당합니다. 사진은 18-55mm 줌 렌즈(플레이트) 또는 105mm 매크로 렌즈(물방울)가 장착된 DSRL 카메라를 사용하여 촬영했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
5. 피지에서 단위를 세는 마이크로 콜로니 형성 (ImageJ)
참고: mCFU 분석법을 사용하면 대규모 샘플 세트의 CFU 정량화가 가능합니다. 콜로니 계수를 용이하게 하기 위해 사후 분석을 위해 액적의 사진을 기록할 수 있습니다. 여러 사진 장치는 이러한 목적을 위해 충분한 품질의 이미지를 생성할 수 있습니다. 여기에는 디지털 카메라, 웹캠, 카메라 부착 현미경 및 돋보기, 휴대폰이 포함됩니다. ImageJ와 같은 무료 이미지 분석 소프트웨어는 이러한 이미지에서 수동 또는 자동 콜로니 카운팅의 가능성을 제공합니다. 두 가지 방법을 모두 시연하기 위해, 과학적 이미지 분석(30)을 위한 여러 도구들을 패키징하는 ImageJ의 배포판인 피지가 사용될 것이다. 피지는 https://fiji.sc/ 에서 다운로드 할 수 있습니다.
그림 3. Fiji 소프트웨어의 셀 카운터 플러그인을 사용하여 mCFU를 계산하는 수동 방법입니다. 파란색 점은 사용자가 이미 클릭한 콜로니를 나타냅니다. 오른쪽 메뉴에는 지금까지 계산된 식민지 수가 표시됩니다(개수는 41개). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. Fiji 소프트웨어를 사용하여 mCFU를 계산하는 자동화된 방법입니다. (ᄀ, ᄂ) 콜로니가 있는 관심 영역은 타원형 선택 도구를 사용하여 선택되고 외부 영역은 clear outside 명령을 사용하여 제거됩니다. (씨, 디) 콜로니의 흑백 이미지는 임계값 도구를 사용하여 생성됩니다. (E, F) 콜로니의 수는 입자 분석 도구를 사용하여 정량화됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
여기에 설명된 mCFU 분석은 단일 페트리 접시에서 검색할 수 있는 정보의 양을 최소 96배로 증가시킵니다. 그림 5는 결핵 치료를 위한 숙주 지향 약물로서 사퀴나비르(SQV)31,32의 용도 변경에 대한 두 가지 약물 전달 방법의 비교를 보여줍니다. 이 분석에서는 Mycobacterium tuberculosis의 4가지 다른 균주를 사용하여 1차 인간 대식세?...
결핵은 특히 저소득 및 중간 소득 국가에서 그 중요성이 커지고 있는 중요한 공중 보건 문제입니다. COVID-19 팬데믹 기간 동안 결핵을 진단하고 치료하기 위한 의료 환경의 붕괴는 신규 사례 발생률에 부정적인 영향을 미쳤습니다1. 또한, 이 전염병을 통제하기 위해서는 다제내성 및 광범위한 약물 내성 M.tb 균주, M.tb와 HIV의 동시 감염이 시급히 해결되어야 한다
DP와 PJGB는 이 연구가 잠재적인 이해 상충으로 해석될 수 있는 상업적 또는 재정적 관계가 없는 상태에서 수행되었음을 선언합니다.
이 작업은 UIDP/04279/2020, UIDB/04279/2020 및 EXPL/SAU-INF/0742/2021 보조금에 따라 Universidade Católica Portuguesa 의과대학의 내부 자금과 Fundação para a Ciência e a Tecnologia(FCT)의 외부 자금으로 지원되었습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
96-well plates | VWR | 734-2781 | |
DSLR 15-55 mm lens | Nikon | AF-P DX NIKKOR 18-55mm f/3.5-5.6G VR | |
DSLR camera | Nikon | D3400 | |
DSLR macro lens | Sigma | MACRO 105mm F2.8 EX DG OS HSM | |
Fetal calf serum | Gibco | 10270106 | |
Fiji Software | https://fiji.sc/ | Fiji is an open-source software supported by several laboratories, institutions, and individuals. All the required plugins are included. | |
Igepal CA-630 | Sigma-Aldrich | 18896 | |
L-glutamine | Gibco | 25030-081 | |
Middlebrook 7H10 | BD | 262710 | |
Middlebrook 7H9 | BD | 271310 | |
Multichannel pipette (0.5 - 10 µl) | Gilson | FA10013 | |
Multichannel pipette (20 - 200 µl) | Gilson | FA10011 | |
Mycobacterium bovis BCG | American Type Culture Collection | ATCC35734 | strain TMC 1011 [BCG Pasteur] |
OADC enrichment | BD | 211886 | |
Phosphate buffered saline (PBS) | NZYTech | MB25201 | |
RPMI 1640 medium | Gibco | 21875091 | |
Sodium pyruvate | Gibco | 11360-070 | |
Spectrophotometer UV-6300PC | VWR | 634-6041 | |
Square Petri dish 120 x 120 mm | Corning | BP124-05 | |
Tyloxapol | Sigma-Aldrich | T8761 | |
Ultrasound bath Elma P 30 H | VWR | 142-0051 |
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