Method Article
Opisujemy metodę analizy ilościowej rozmieszczenia konidiów Aspergillus fumigatus (o wielkości 3 μm) w drogach oddechowych myszy. Metoda może być również stosowana do analizy rozkładu mikrocząstek i aglomeratów nanocząstek w drogach oddechowych w różnych modelach stanów patologicznych.
Aspergillus fumigatus conidia to patogeny przenoszone drogą powietrzną, które mogą przenikać do ludzkich dróg oddechowych. Osoby immunokompetentne bez alergii wykazują odporność i tolerancję immunologiczną, natomiast u pacjentów z obniżoną odpornością konidia mogą kolonizować drogi oddechowe i powodować ciężkie inwazyjne choroby układu oddechowego. Różne komórki w różnych przedziałach dróg oddechowych biorą udział w odpowiedzi immunologicznej, która zapobiega inwazji grzybów; Jednak czasoprzestrzenne aspekty eliminacji patogenów nadal nie są w pełni zrozumiałe. Trójwymiarowe (3D) obrazowanie optycznie oczyszczonych całych narządów, w szczególności płuc myszy eksperymentalnych, umożliwia wykrywanie fluorescencyjnie znakowanych patogenów w drogach oddechowych w różnych punktach czasowych po zakażeniu. W niniejszym badaniu opisano układ eksperymentalny do przeprowadzenia analizy ilościowej rozmieszczenia konidiów A. fumigatus w drogach oddechowych. Za pomocą fluorescencyjnej konfokalnej laserowej mikroskopii skaningowej (CLSM) prześledziliśmy lokalizację fluorescencyjnie znakowanych konidiów w gałęziach oskrzeli i przedziale pęcherzykowym 6 godzin po zastosowaniu jamy ustnej i gardła myszom. Opisane tutaj podejście było wcześniej stosowane do wykrywania dokładnej lokalizacji patogenu i identyfikacji komórek oddziałujących z patogenem w różnych fazach odpowiedzi immunologicznej. Układ doświadczalny można wykorzystać do oszacowania kinetyki eliminacji patogenu w różnych warunkach patologicznych.
Codziennie ludzie wdychają patogeny unoszące się w powietrzu, w tym zarodniki oportunistycznych grzybów Aspergillus fumigatus (A. fumigatus conidia), które mogą przenikać do dróg oddechowych1. Drogi oddechowe ssaków to system dróg oddechowych różnych pokoleń, które charakteryzują się odmienną budową ścian dróg oddechowych2,3,4. Ściany tchawicy i oskrzeli składają się z kilku typów komórek, wśród których znajdują się komórki rzęskowe, które zapewniają klirens śluzowo-rzęskowy5. W pęcherzykach płucnych nie ma komórek rzęskowych, a patogeny penetrujące przestrzeń pęcherzykową nie mogą zostać wyeliminowane przez klirens śluzowo-rzęskowy6. Co więcej, każde pokolenie dróg oddechowych jest niszą dla wielu populacji komórek odpornościowych, a podzbiory tych populacji są unikalne dla niektórych przedziałów dróg oddechowych. Tak więc makrofagi pęcherzykowe znajdują się w przedziałach pęcherzykowych, podczas gdy zarówno tchawica, jak i przewodzące drogi oddechowe są wyłożone śródnabłonkowymi komórkami dendrytycznymi7,8.
Przybliżony rozmiar konidiów A. fumigatus to 2-3,5 μm9. Ponieważ średnica małych dróg oddechowych u ludzi, a nawet u myszy, przekracza 3,5 μm, zasugerowano, że konidia mogą przenikać przez przestrzeń pęcherzykową2,10,11. W rzeczywistości badanie histologiczne wykazało wzrost grzybów w pęcherzykach płucnych u pacjentów cierpiących na aspergilozę12. Konidia wykryto również w pęcherzykach płucnych zakażonych myszy za pomocą obrazowania na żywo grubych plastrów płuc13. Jednocześnie wykryto konidia po stronie światła nabłonka oskrzeli u myszy14.
Trójwymiarowe (3D) obrazowanie optycznie oczyszczonych płuc myszy pozwala na analizę morfometryczną dróg oddechowych15. W szczególności przeprowadzono analizę ilościową rozmieszczenia nerwów opłucnowych trzewnych przy użyciu optycznie oczyszczonych próbek płuc myszy15. Niedawno, Amich i wsp.16 badali wzrost grzybów po donosowym podaniu konidiów myszom z obniżoną odpornością, używając mikroskopii fluorescencyjnej z lekkim arkuszem optycznie oczyszczonych próbek płuc myszy. Dokładna lokalizacja spoczynkowych konidiów w drogach oddechowych w różnych punktach czasowych po infekcji jest ważna dla identyfikacji populacji komórek, które mogą zapewnić wystarczającą obronę przeciwgrzybiczą w określonych fazach zapalenia. Jednak ze względu na stosunkowo niewielkie rozmiary, czasoprzestrzenne aspekty rozmieszczenia konidiów A. fumigatus w drogach oddechowych są słabo scharakteryzowane.
Tutaj prezentujemy eksperymentalny zestaw do analizy ilościowej rozmieszczenia A. fumigatus conidia w drogach oddechowych zakażonych myszy. Za pomocą fluorescencyjnej konfokalnej laserowej mikroskopii skaningowej (CLSM) optycznie oczyszczonych płuc myszy, którym podano do jamy ustnej i gardła znakowaną fluorescencyjnie A. fumigatus conidia, uzyskujemy obrazy 3D i przeprowadzamy przetwarzanie obrazu. Korzystając z obrazowania 3D całego płata płuca, wcześniej pokazaliśmy rozmieszczenie konidiów A. fumigatus w przewodzących drogach oddechowych myszy 72 godziny po aplikacji konidiów8.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Wszystkie opisane tutaj metody dotyczące zwierząt laboratoryjnych zostały zatwierdzone przez Instytucjonalny Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt (IACUC) w Instytucie Chemii Bioorganicznej im. Szemiakina i Owczinnikowa Rosyjskiej Akademii Nauk (numer protokołu 226/2017).
1. Aplikacja konidiaów A. fumigatus
2. Przygotowanie próbki
3. Optyczne oczyszczanie płata płuc myszy
4. Obrazowanie płata płuc myszy za pomocą CLSM
5. Widmowe mieszanie i zszywanie
6. Przetwarzanie obrazu: renderowanie powierzchni
7. Przetwarzanie obrazu: korekta maski
8. Analiza ilościowa konidiów
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Zgodnie z powyższym protokołem, uzyskano obraz 3D pokazujący drogi oddechowe i konidia A. fumigatus w płacie płucnym myszy (Rysunek 1A). Streptawidyna (która była używana do wizualizacji dróg oddechowych) oznaczała oskrzela i oskrzeliki 15. Dodatkowo, duże naczynia, które można łatwo odróżnić od dróg oddechowych po ich morfologii, oraz opłucna są uwidocznione w kanale dróg oddechowych (Rysunek 1A-C
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Obrazowanie 3D całego narządu pozwala na uzyskanie danych bez preparacji próbki, co ma ogromne znaczenie dla badania przestrzennych aspektów anatomicznego rozmieszczenia patogenu w organizmie. Istnieje kilka technik i modyfikacji optycznego oczyszczania tkanek, które pomagają przezwyciężyć rozpraszanie światła laserowego i umożliwiają obrazowanie całego narządu 15,16,18,19. Jedno...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Autorzy nie zgłaszają żadnych konfliktów interesów w tej pracy.
Autorzy dziękują Prof. Svenowi Krappmannowi (Szpital Uniwersytecki w Erlangen i FUA Erlangen-Nürnberg, Niemcy) za dostarczenie szczepu konidiów Aspergillus fumigatus AfS150. Autorzy dziękują Biuru Prasowemu MIPT. V.B. dziękuje Ministerstwu Nauki i Szkolnictwa Wyższego Federacji Rosyjskiej (#075-00337-20-03, projekt FSMG-2020-0003). Prace nad obrazowaniem i kwantyfikacją konidiów A. fumigatus były wspierane przez RSF nr 19-75-00082. Prace dotyczące obrazowania dróg oddechowych były wspierane przez RFBR nr 20-04-60311.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Alexa Fluor 594 NHS Ester | ThermoFisher | A20004 | |
| Aspergillus fumigatus konidia | ATCC | 46645 | Szczep AfS150, pochodna ATCC 46645 |
| Alkohol benzylowy | Panreac | 141081.1611 | 98,0-100 % |
| Benzoesan benzylu | Acros | AC10586-0010 | 99+% |
| C57Bl/6 myszy | Pushchino Animal Centrum Hodowlane (Rosja) | Samiec. 12 - 30 tygodni. | |
| Cewnik | Venisystems | G715-A01 | 18G |
| Obrazowanie komórek komora ze szklanym dnem | Eppendorf | 30742028 | 4 lub 8-dołkowa komora ze szklanym dnem |
| Wirówka | Eppendorf | 5804R | Można użyć dowolnej wirówki 1000 g |
| Konfokalny laserowy mikroskop skaningowy | ZEISS | ZEISS LSM780 | |
| Dimetylosulfotlenek | Sigma-Aldrich | 276855 | ≥ 99,9% |
| Pakiet do przetwarzania obrazu FIDŻI | Darmowe oprogramowanie | FIJI | |
| Kleszcz | B. Braun Aesculap | BD557R | Kleszcz zębaty |
| B. Braun Aesculap | BD321R | Kleszcz z cienką końcówką | |
| Bochem | 1727 | Gładki | |
| Butelka szklana | DURAN | 242101304 | Z mieloną pokrywką |
| Edytor graficzny Photoshop | Adobe Inc | Adobe Photoshop CS | |
| GraphPad Software | GraphPad | Prism 8 | |
| Imaris Microscopy Imaging Software | Oxford Instruments | Dostępna jest bezpłatna wersja próbna https://imaris.oxinst.com/microscopy-imaging-software-free-trial | |
| Isoflurane | Karizoo | ||
| NaHCO3 | Panreac | 141638 | |
| Obiektyw | ZEISS | 420640-9800-000 | Plan-apochromatyczny, 10 i razy; (NA = 0,3) |
| Paraformaldehyd | Sigma-Aldrich | 158127 | |
| PBS | Paneco | P060Π | |
| Pipeta | ProLine | 722020 | od 5 do 50 sztuk L |
| Mleko w proszku | Roth | T145.2 | |
| Mieszalnik próbek | Dynal | MXIC1 | |
| Nożyczki | B. Braun | BC257R | Blunt |
| Shaker | Apexlab | GS-20 | 50-300 obr./min |
| Skalpel | Bochem | 12646 | |
| Nić jedwabna | B. Braun | 3 USP | |
| Streptawidyna, Alexa Fluor 488 koniugat | ThermoFisher | S11223 | |
| Probówka | SPL Lifesciences | 50050 | 50 mL |
| Tris (hydroksymetyloaminometan) | Helikon | H-1702-0,5 | Pan 121.14; Numer CAS: 77-86-1 |
| Triton X-100 | Amresco Am-O694-0.1 | ||
| Oprogramowanie mikroskopu | ZEN ZEISS | ZEN2012 SP5 | https://www.zeiss.com/microscopy/int/products/microscope-software/zen.html |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission