Method Article
Aqui, apresentamos um protocolo para o isolamento de bactérias em forma de L da urina, usando um método de filtração. Métodos complementares para a preparação de meios em forma de L, observação de formas L por microscopia de contraste de fase e indução de formas em L em condições de laboratório também são descritos.
Acredita-se que a transição das bactérias para o estado de forma L desempenhe um possível papel na evasão imunológica e na persistência bacteriana durante o tratamento com antibióticos direcionados à parede celular. No entanto, o isolamento e o manuseio de bactérias em forma de L são desafiadores, principalmente devido à sua alta sensibilidade a alterações na osmolaridade. Aqui, descrevemos protocolos detalhados para a preparação do meio em forma L, isolamento de formas L da urina usando um método de filtração, detecção de formas L em amostras de urina por microscopia de contraste de fase e indução de formas L in vitro. Os requisitos exatos para sobrevivência e crescimento das formas L podem variar de cepa para cepa. Portanto, os métodos apresentados aqui destinam-se a atuar como diretrizes básicas para o estabelecimento de protocolos de forma L em laboratórios individuais, em vez de instruções precisas. O método de filtração pode levar a uma redução no número de formas L em uma amostra e não deve ser usado para quantificação. No entanto, é o único método usado até agora para a separação eficaz de variantes deficientes em parede celular de suas contrapartes muradas e para a identificação de cepas bacterianas, que são capazes de mudar a forma L em pacientes com infecções do trato urinário. O método de filtração tem o potencial de ser adaptado para o isolamento de formas L de pacientes com outras categorias de infecções bacterianas e de amostras ambientais.
Praticamente todas as bactérias são cercadas por uma estrutura chamada parede celular. A parede é importante para proteção contra estresses ambientais, ajuda na divisão regular e dá forma às bactérias1. No entanto, a parede também é um alvo para partes do sistema imunológico e alguns dos melhores e mais usados antibióticos, incluindo a penicilina 2,3. Apesar de sua importância, bactérias Gram-positivas e Gram-negativas podem ocasionalmente sobreviver sem a parede 4,5,6,7,8. Se as condições circundantes fornecerem osmoproteção suficiente para evitar que estourem e os agentes direcionados à parede celular também estiverem presentes, as bactérias podem fazer a transição para um estado sem parede, conhecido como forma L 4,5,6,7,8.
Numerosos relatórios indicam que mudar para um estado de forma L e voltar para um estado de parede pode ser importante in vivo como um mecanismo para as bactérias sobreviverem tanto ao ataque do sistema imunológico do hospedeiro quanto ao tratamento com antibióticos direcionados à parede celular 9,10,11,12,13,14,15. Essa transição potencialmente fornece uma estratégia poderosa para a recorrência da infecção bacteriana 9,10,11,12,13,14,15. Compreender a biologia básica das bactérias em forma de L e suas interações com o hospedeiro são fundamentais para decifrar seu papel na patogênese. No entanto, lidar com bactérias em forma de L é um desafio.
Em primeiro lugar, devido à falta da parede celular, as bactérias em forma de L são propensas a estourar em resposta a mudanças na osmolaridade. Além disso, as formas L se dividem de maneira altamente irregular, têm padrões imprevisíveis de crescimento (geralmente muito mais lentos do que suas contrapartes muradas) e, dependendo da cepa, podem se propagar melhor em meios semilíquidos, em vez de sólidos ou líquidos. Todas as considerações acima dificultam a quantificação e a comparação das taxas de crescimento. Diferentes espécies bacterianas (ou mesmo cepas) têm diversos requisitos metabólicos para a troca e crescimento da forma L. Por exemplo, as formas L de certas bactérias Gram-positivas, que dependem da respiração aeróbica, são mais sensíveis a espécies reativas de oxigênio do que suas contrapartes muradas16.
A indução de formas L em condições de laboratório e no hospedeiro é geralmente impulsionada por agentes direcionados à parede celular, como antibióticos e lisozima9. Tal tratamento pode resultar em apenas uma perda parcial da parede celular e, portanto, algumas bactérias muradas (ou parcialmente muradas) podem estar presentes nas amostras, tornando difícil distinguir se quaisquer resultados experimentais observados são devidos à presença de formas L ou formas muradas de bactérias. A frequência das formas L induzidas in vivo tende a ser baixa, o que significa que podem ser difíceis de encontrar e isolar. Finalmente, devido à sua morfologia polimórfica, as formas L podem ser facilmente confundidas in situ com estruturas de origem eucariótica, como corpos apoptóticos ou vários grânulos.
Desde sua descoberta em 193517, vários métodos foram desenvolvidos para lidar com formas L em laboratório. A maioria deles depende da adição de um agente osmoprotetor ao meio de crescimento; geralmente um açúcar ou um sal 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18. Como mencionado acima, as formas L geralmente ocorrem lado a lado com bactérias muradas em amostras de pacientes e separar as duas populações pode ser difícil. No entanto, foi demonstrado que, ao contrário das bactérias muradas, as formas L podem passar por um filtro de 0,45 μm devido à sua flexibilidade e tamanhos variáveis. Um método usando esse filtro foi empregado para isolar as formas L da urina 10,19,20,21.
Aqui, apresentamos um protocolo para o isolamento de bactérias em forma de L da urina, usando um método de filtração (Figura 1). Protocolos complementares para a preparação do meio em forma de L, observação microscópica de formas L e indução de formas L in vitro também são descritos.
1. Preparação do meio em forma de L (LM)
2. Isolamento das formas L da urina
NOTA: Use luvas e jaleco durante os procedimentos laboratoriais. Trabalhe em um gabinete de segurança microbiológica ou use um bico de Bunsen. Use óculos de segurança durante a filtragem.
3. Exame de amostras de urina para a presença de formas L por microscopia de contraste de fase
4. Indução de formas L in vitro
Os meios em forma de L contendo sacarose podem sofrer vários graus de caramelização após a autoclavagem, que estão associados a uma mudança na cor. A Figura 2 mostra os resultados representativos dos meios de autoclavagem contendo sacarose. A Figura 2A mostra um exemplo típico de meio LM, que ficou âmbar após a autoclavagem. A Figura 2B mostra um exemplo típico de solução de sacarose 1,16 M (concentração de 2 x necessária para fazer o meio LM) após a autoclavagem. Ocasionalmente, o meio LM ou a sacarose podem sofrer caramelização extensa durante a autoclavagem, e não é recomendado o uso do meio se isso acontecer. A Figura 2C mostra um exemplo de meio de sacarose supercaramelizado.
As bactérias em forma de L podem ser altamente heterogêneas e a Figura 3 mostra exemplos de estruturas semelhantes à forma em L observáveis em amostras de urina de pacientes. Para confirmar a origem bacteriana das estruturas em forma de L encontradas em amostras de urina, recomenda-se FISH com sondas fluorescentes direcionadas a sequências bacterianas10,23.
Os níveis de crescimento das formas L induzidas em condições de laboratório são específicos da cepa. A Figura 4B mostra um exemplo de crescimento da forma L de Bacillus subtilis e a Figura 4C mostra a aparência microscópica das formas L induzidas na Figura 4B.
Figura 1: Isolamento de formas L usando método de filtração – representação esquemática. A amostra de urina é passada através de um filtro de 0,45 μm para um recipiente universal de poliestireno, contendo meio LM osmoprotetor suplementado com ágar 0,2%. A amostra é então incubada numa posição estacionária a 30 °C durante um mês e verificada visualmente diariamente para detecção de sinais de crescimento. Este período de incubação permite que quaisquer formas L presentes na amostra regenerem suas paredes celulares. Uma vez detectado o crescimento, as bactérias podem ser recolocadas em uma placa contendo meio regular, sólido e não osmoprotetor (como ágar nutriente ou infusão cérebro-coração) para isolar colônias únicas, que podem então ser submetidas à extração e sequenciamento de DNA para identificar as espécies bacterianas isoladas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Mídia em forma de L. (A) Meio LM após autoclavagem. (B) 1,16 M de sacarose (concentração 2 x) após autoclavagem. (C) Meio LM extensivamente caramelizado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Exemplos de estruturas semelhantes à forma L observáveis na urina de pacientes com ITU recorrente por microscopia de contraste de fase. (A, B) Estruturas típicas da divisão de formas L bacterianas suspensas na urina. (C, D) Estruturas típicas da divisão de formas L bacterianas associadas a células eucarióticas. (E, F) Estrutura em forma de meia-lua característica para formas L Gram-negativas (seta vermelha). (F, G) Estruturas típicas para estágios intermediários de transição entre as células muradas e as formas L (seta vermelha em G). (H) Vesículas intracelulares típicas de grandes formas L. Barra de escala = 5 μm. Este número foi modificado de10. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Técnica de placa de listras para indução de formas L em meio sólido. (A) Representação esquemática de bactérias estriadas usando um quarto de uma placa para indução de formas L. A seta indica a direção para listrar a bactéria. (B) Um exemplo de crescimento da forma L de Bacillus subtilis após estrias, conforme mostrado em (A), após 3 dias de incubação a 30 ° C. (C) Formas L induzidas em (B) visualizadas por microscopia de contraste de fase. Barra de escala = 5 μm. Os painéis B e C foram modificados de16 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os protocolos descritos neste manuscrito têm sido usados para isolar e manipular formas L de várias espécies bacterianas da urina humana, incluindo E. coli, Streptococcus, Staphylococcus, Klebsiella, Pseudomonas, Enterococcus e Enterobacter spp, todos tipicamente associados a ITUs10,24. No entanto, os métodos para lidar com formas L, estabelecidos em um laboratório, podem não funcionar imediatamente em outro e o que funciona para uma cepa bacteriana pode não funcionar para outra. Portanto, os protocolos descritos aqui provavelmente exigirão várias tentativas e otimização adicional. Em particular, as necessidades de nutrientes, a disponibilidade de oxigênio, a concentração de osmoprotetor e a fluidez do meio podem precisar ser testadas. As condições ideais para a transição e crescimento da forma L podem ser diferentes das condições ideais para o crescimento de formas muradas da mesma espécie. Além disso, vários problemas técnicos podem ser encontrados ao tentar os protocolos.
Um problema comum associado à preparação de meios em forma de L é a caramelização da sacarose após a autoclavagem. Se o meio ficar marrom escuro, ele deve ser descartado e um novo lote deve ser preparado. Pode ser necessário preparar a sacarose em água em uma garrafa e os demais ingredientes em outra, ambos na concentração 2x. 2x soluções concentradas podem então ser combinadas na proporção de 1:1 após a autoclavagem, para atingir as concentrações finais desejadas. A sacarose autoclavada separadamente pode ficar ligeiramente amarelada ( Figura 2B ), o que é aceitável, mas se ficar marrom escuro ( Figura 2C ), não deve ser usada para experimentos. Ajustar a duração e a temperatura do ciclo de autoclavagem pode ser necessário para aliviar a caramelização da sacarose. Recomenda-se o teste da esterilidade dos meios preparados utilizando um ciclo de autoclave ajustado, incubando uma alíquota de cada um dos meios durante, pelo menos, 3 dias a 37 °C. Finalmente, pode ser necessário testar um agente osmoprotetor alternativo, como o sal, se o problema com a caramelização persistir18.
Vários problemas também podem ser encontrados durante o isolamento de formas L de amostras de pacientes. Conforme mencionado no protocolo, as formas L presentes nas amostras podem potencialmente se deteriorar; Portanto, é importante transportar as amostras para o laboratório o mais rápido possível após a doação. Pela mesma razão, o armazenamento de amostras em baixas temperaturas ou a modificação da composição da amostra (por exemplo, pela adição de PBS) é fortemente desencorajado.
O próprio método de filtragem tem suas limitações. Algumas formas L podem ser rasgadas devido a forças de cisalhamento geradas pelo fluxo de mídia através do filtro. No estudo de Mickiewicz et al., apenas 41% das formas L em amostras controle, que continham formas L de E. coli induzidas em laboratório, passaram pelo filtro10. Isso demonstra que o método de filtração pode levar a uma subestimação do número de amostras positivas e não é recomendado para estudos quantitativos.
Em ocasiões muito raras, após a filtração, um crescimento significativo pode ser observado no dia seguinte nas alíquotas de meios semilíquidos usados para isolamento em forma de L. Isso pode ser uma indicação de que o filtro quebrou durante o protocolo, permitindo a passagem de bactérias muradas, ou a amostra foi contaminada. É uma boa prática descartar essas amostras ou, pelo menos, tratá-las com cautela. O exame visual diário das amostras é fundamental para evitar falsos positivos. Antes de processar amostras de urina por filtração, recomenda-se passar várias amostras de formas em L induzidas em laboratório, bactérias com paredes e meio estéril através do filtro de escolha, para controlar a eficiência da separação da forma em L, a passagem potencial de bactérias com paredes devido à quebra do filtro e para garantir que a técnica estéril usada esteja funcionando bem.
Em casos raros, as formas L estáveis podem ser isoladas por filtração, sem formas muradas detectáveis por microscopia. Para manter as bactérias viáveis em forma de L, recomenda-se transferir vários "loop-fulls" da amostra para um tubo contendo meio LM semilíquido fresco ou refazer a raia em meio osmoprotetor sólido a cada 3-7 dias, dependendo da eficiência do crescimento. Se nenhuma forma murada aparecer após várias passagens, congelar amostras em glicerol a 40% a –80 °C pode ser tentado para preservar o isolado; no entanto, algumas formas L podem não tolerar bem esse procedimento.
Apesar de suas limitações, o método de filtração é o único usado até o momento para a separação de formas L de formas muradas em amostras de pacientes. Permite a identificação de cepas bacterianas capazes de mudar a forma L in vivo. Existe o potencial de desenvolver e adaptar o método de filtração para isolamento de formas L de outros tipos de amostras humanas ou ambientais (por exemplo, sangue ou plantas).
Levando em consideração todas as considerações acima, recomendamos os protocolos descritos neste manuscrito como um bom ponto de partida para o desenvolvimento de protocolos personalizados em forma L em laboratórios individuais, em vez de instruções rígidas. Trabalhar com formas L requer muito cuidado, dedicação e paciência, mas com a prática, pode ser extremamente gratificante. Esperamos que as diretrizes descritas neste manuscrito se tornem uma referência para o desenvolvimento de protocolos de forma L e encorajem mais grupos de pesquisa básica e clínica a investigar essas formas bacterianas fascinantes.
Os autores não têm nada a divulgar.
Este trabalho foi financiado por um Conselho Europeu de Pesquisa (número de concessão 670980) para Jeff Errington (Diretor do Centro de Biologia Celular Bacteriana, Universidade de Newcastle).
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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