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Method Article
Biofilmes formados nas superfícies dos dentes são altamente complexos e expostos a constante inata e exógenos desafios ambientais, que modulam sua arquitetura, fisiologia e transcriptoma. Nós desenvolvemos uma caixa de ferramentas para examinar a composição, organização estrutural e expressão gênica de biofilmes orais, que pode ser adaptado para outras áreas de pesquisa biofilme.
Biofilmes são altamente dinâmicas, comunidades organizadas e estruturadas de células microbianas enredados em uma matriz extracelular de densidade variável e composição 1, 2. Em geral, os biofilmes se desenvolvem a partir de fixação microbiana inicial em uma superfície seguido pela formação de grupos de células (ou microcolônias) e um maior desenvolvimento e estabilização do microcolônias, que ocorrem em uma matriz complexa extracelular. A maioria dos exopolissacarídeos biofilme matrizes porto (EPS), e biofilmes dentários não são excepção, especialmente aqueles associados à doença cárie, que são principalmente mediadas por estreptococos mutans 3. O EPS são sintetizados por microrganismos (S. mutans, um dos principais contribuintes), por meio de enzimas extracelulares, tais como glucosyltransferases usando principalmente sacarose como substrato 3.
Estudos de biofilmes formados nas superfícies dos dentes são particularmente desafiadora devido à sua exposição constante aos desafios ambientais associados a complexos dieta-host-microbial interações que ocorrem na cavidade oral. Melhor compreensão da dinâmica de mudança da organização estrutural e composição da matriz, fisiologia e transcriptoma / profile proteoma de biofilme células em resposta a essas interações complexas seria avançar o conhecimento atual de como biofilmes orais modular a patogenicidade. Por isso, temos desenvolvido uma caixa de ferramentas analíticas para facilitar a análise do biofilme em níveis estruturais, bioquímicos e moleculares, combinando técnicas comumente disponíveis e romance com custom-made software para análise de dados. Padrão de análise (ensaios colorimétricos, RT-qPCR e microarrays) e novas técnicas de fluorescência (para a rotulagem simultânea de bactérias e EPS) foram integrados com software específico para análise de dados para resolver a complexa natureza da pesquisa biofilme oral.
A caixa de ferramentas é composto por 4 etapas distintas, mas interligadas (Figura 1): 1) Os bioensaios, 2) entrada de dados brutos, 3) Processamento de Dados, e 4) Análise de Dados. Nós usamos o nosso modelo in vitro de biofilme e específicas condições experimentais para demonstrar a utilidade ea flexibilidade da ferramenta-box. O modelo de biofilme é simples, reprodutíveis e várias réplicas de um único experimento pode ser feito simultaneamente 4, 5. Além disso, permite a avaliação temporal, inclusão de diversas espécies microbianas 5 e avaliação dos efeitos de diferentes condições experimentais (por exemplo, tratamentos 6; comparação de mutantes knockout vs cepa parental 5; carboidratos disponibilidade 7). Aqui, descrevemos dois componentes específicos da caixa de ferramentas, incluindo (i) novo software para microarray de mineração de dados / organização (MDV) e análise de imagens de fluorescência (DUOSTAT), e (ii) in situ EPS rotulagem. Nós também fornecemos um caso experimental mostrando como a caixa de ferramentas pode ajudar com biofilmes análise, os dados da organização, integração e interpretação.
1. PASSO 1 - bioensaios
O método de biofilme usa discos de hidroxiapatita (HA) como substituto do dente (Clarkson Cromatografia Products, Inc., South Williamsport, PA, EUA; superfície = 2,7 ± 0,2 centímetros 2) revestido com saliva (imitando a presença de película adquirida), colocado na posição vertical, 4, 5, 8.
2. PASSO 2 - entrada de dados brutos
Dados brutos de entrada de ensaios bioquímicos e RT-qPCR diretamente no arquivo de dados brutos (RDF-MS Excel). Para os dados de microarrays, a carga de um único canal de imagens de slides digitalizados em JCVI Spotfinder (http://pfgrc.jcvi.org/index.php/bioinformatics.html) ou software similar. Criar uma grade local de acordo com as especificações JCVI e depois ajustar manualmente para caber todos os pontos dentro da grade. Medir os valores de intensidade de cada local e salvar em ". MeV" arquivos e armazenados em "dados brutos Microarray".
3. PASSO 3 - PROCESSAMENTO DE DADOS
Organize os dados brutos (bioquímicos e RT-qPCR) na RDF para análise estatística. Transferi-los para "Arquivo de Dados Processados" (DPF - MS Excel). Para microarray e fluorescência de análise de imagens, software específico (atualmente disponíveis e custom-made) são utilizados para processar os dados.
4. PASSO 4 - ANÁLISE DE DADOS
Os dados quantitativos de bioquímica, RT-qPCR e COMSTAT-DUOSTAT ensaios na DPF estão prontos para análise estatística. Após a análise estatística é realizada, gráficos e / ou tabelas podem ser construídos (ver "Resultados Representante" secção).
1. Microarray organização de dados usando o software Microarray Dados Visualizer (MDV).
Devido à complexidade e à saída de grandes conjuntos de dados ao usar microarrays e várias condições experimentais, foi elaborado um software de mineração de dados e organização de dados chamado Microarray Visualizer (MDV) 7 (disponível em http://www.oralgen.lanl.gov/) .
Depois de realizar a análise estatística utilizando-ArrayTools BRB (http://linus.nci.nih.gov/BRB-ArrayTools.html) com um valor P de corte de 0,001 para predição de classes e para a comparação de classes, os dados gerados podem ser submetidos a MDV, como segue:
5. RESULTADOS REPRESENTANTE
Aqui nós fornecemos um exemplo de como a caixa de ferramentas analíticas integra a várias análises de um estudo de biofilme com múltiplas variáveis e condições experimentais.
Caso experimental:
Dinâmica de Streptococcus mutans transcriptoma em resposta ao amido e de sacarose durante o desenvolvimento do biofilme 7.
Background:
As interações de amido na dieta e sacarose com amilase salivar e anfitrião glucosyltransferases estreptocócica poderia melhorar a formação e virulência de S. mutans no biofilme por incrementosasing exopolissacarídeos síntese, o metabolismo do açúcar e acidogenicidade 11. Essa interação patógeno-hospedeiro dieta do complexo podem modular a formação de biofilmes patogênicos relacionados à doença cárie dentária. Realizamos uma análise abrangente bioquímicos e transcriptomic (incluindo perfil genômico inteiro) para entender melhor como S. mutans responde ao amido e sacarose em estágios distintos de desenvolvimento do biofilme na presença de amilase 7.
A caixa de ferramentas de análise foi usado para nos ajudar a integrar os ensaios bioquímicos e moleculares de biofilmes formados sob diferentes condições experimentais e os pontos de tempo. A saída de dados em geral utilizando a caixa de ferramentas de análise é apresentado de forma sequencial na Figura 4 (4,1-4,4). Vale ressaltar que o foco principal aqui é demonstrar a utilidade da caixa de ferramentas, em vez de interpretação de dados e discussão.
Figura 1. Fluxograma da Analytical caixa de ferramentas para análise de Biofilme.
Figura 2. Imagens de fluorescência confocal de EPS e bactérias em biofilmes. Visualização simultânea de EPS (vermelho) e bactérias / microcolônias (verde) na prestação tridimensional do biofilme formado sobre Streptococcus mutans SHA superfície do disco.
Figura 3. Microarray Data Mining e Organização de Dados Usando Microarray Visualizer (MDV) Software. Uso de Venn característica diagrama para selecionar a genes de interesse, e seguido pela adição de nome de gene e anotação classe funcional.
Figura 4.1. Avaliação da formação de biofilme por S. mutans utilizando ensaios bioquímicos (A) e RT-qPCR (B). Os dados do INS (exopolissacarídeos insolúvel) correlaciona bem com o padrão de expressão gtfB, e com a biomassa do biofilme. Sacarose a 1% foi a concentração máxima para a formação de INS, expressão gtfB e acúmulo de biofilme na superfície SHA sacarose enquanto 0,5% foi a concentração mínima necessária para o desenvolvimento de biofilme melhor usar nosso modelo in vitro. S. mutans células cultivadas na presença de sacarose 0,5% + 1% de amido rendeu a maior biomassa, e apresentou mais de biofilmes INS outros, que se correlacionou com maior expressão gtfB (B2). Estas concentrações de carboidratos foram selecionados para análise do transcriptoma mais.
Figura 4.2. Microarray análise de dados usando BRB-Array Tools em conjunto com software MDV. a) Representar o número de genes detectados como diferencialmente expressos em cada comparação (A, B ou C) e tempo avaliados usando BRB-Array Tools. b) Dados Microarray Visualizer (MDV), utilizando o diagrama de Venn para selecionar genes de interesse. c) Os genes selecionados de acordo com a análise MDV.
Figura 4.3. S. mutans genes diferencialmente expressos em amido + sacarose-biofilmes (vs. sacarose-biofilme) em vários pontos temporais organizado pela classe funcional. Gene anotações são baseados em informações fornecidas pelo Los Alamos National Laboratory (www.oralgen.lanl.gov) ou por literatura publicada disponível no mesmo site.
Figura 4.4. Tridimensional e renderização COMSTAT DUOSTAT análise de amido + sacarose biofilme.
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Nesta apresentação, demonstramos dois componentes críticos do Analytical caixa de ferramentas (EPS / bactérias imagem e microarray de mineração de dados / processamento), a versatilidade e utilidade das várias análises integradas no sistema. Claramente, a caixa de ferramentas facilitou a análise abrangente (comparativo) e simultânea dos vários aspectos da bioquímica biofilmes, arquitetura e expressão gênica em resposta às diferentes condições experimentais, utilizando um modelo in vitro.
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Os autores gostariam de agradecer ao Dr. Gary Xie e Herbert Lee para o desenvolvimento do MDV. Agradecemos também os drs. Simone Duarte, Ramiro Murata, Jae-Gyu Jeon, Jacqueline Abranches, e Ms. Stacy Gregoire por sua contribuição técnica e científica para os componentes analíticos da caixa de ferramentas. Este estudo foi apoiado em parte pela USPHS Research conceder DE018023 do Instituto Nacional de Pesquisa Dental e Craniofacial.
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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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