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Este protocolo descreve um método robusto para o uso de configurações de alta produtividade para testar a eficácia antibacteriana de coquetéis bacteriófagos.
Patógenos bacterianos desafiam continuamente os sistemas de segurança alimentar em todo o mundo. Com preocupações crescentes com o surgimento de bactérias resistentes ao calor e desinfetante, novos agentes antibacterianos são urgentemente necessários. Uma estratégia de biocontrole baseada em bacteriófago é o uso terapêutico de phages para controlar patógenos bacterianos em ambientes agrícolas. O biocontrole phage é cada vez mais aceito como uma tecnologia sustentável, eficaz na descontaminação de patógenos transmitidos por alimentos. Para garantir resultados eficazes de biocontrole, o rastreamento sistemático de combinações de phage contra bactérias-alvo em condições ambientais necessárias é crucial. A eficácia antibacteriana dos coquetéis phage pode ser afetada por gêneros phage e combinação, cepas bacterianas direcionadas, a multiplicidade de infecção, temperatura e tempo. Para formular um coquetel de phage com eficácia superior, o método proposto foi avaliar sistematicamente a eficácia de phages individuais e coquetéis de phage na morte de patógenos bacterianos transmitidos por alimentos em condições direcionadas. A eficácia da matança bacteriana foi monitorada pela medição da densidade óptica nas temperaturas e durações desejadas. A eficácia da físia superior foi determinada pela inibição completa do crescimento bacteriano. O método proposto é uma abordagem robusta e baseada em evidências para facilitar a formulação de coquetéis de phage com eficácia antibacteriana superior.
Bacteriófagos (phages) são vírus que naturalmente invadem células bacterianas, interrompendo o metabolismo bacteriano e causando lise da bactéria. Em contraste com os antimicrobianos convencionais (por exemplo, antibióticos), os espectros de hospedeiros phage são relativamente estreitos, apenas capazes de infectar um conjunto direcionado de espécies ou cepas bacterianas e, portanto, devem minimizar efeitos colaterais sobre a microbiota que beneficiam a saúde animal e humana. Com o aumento da resistência antimicrobiana (RMR), as pragas e seus derivados levam a antimicrobianos alternativos para controlar doenças infecciosas bacterianas, incluindo infecções bacterianas amr em humanos e animais1,2. Phages confirmaram potencial terapêutico contra patógenos bacterianos >20 que causam infecções superficiais e infecções do sistema respiratório superior e do trato gastrointestinal dos humanos3.
Em ambientes agrícolas, uma estratégia de biocontrole à base de phage é o uso terapêutico de phages para controlar patógenos bacterianos. O biocontrole de phage é bem aceito como uma tecnologia verde, eficaz na descontaminação de patógenos transmitidos por alimentos (por exemplo, shiga-toxina que produz Escherichia coli (STEC), Salmonella e Listeria) em vários alimentos4,5. Além disso, os phages podem ser usados como desinfetantes para desinfetar superfícies de processamento de alimentos e peles de animais, que podem ser integrados em sistemas antimicrobianos convencionais (por exemplo, produtos químicos, vapor e pasteurização de água quente) para melhorar os resultados desejados e reduzir os impactos ambientais. O uso de phages para reduzir bactérias zoonóticas em animais também é promissor1. No entanto, é necessário enfrentar os desafios técnicos para melhorar os resultados da abordagem de biocontrole phage a ser popularmente aplicada em diversos sistemas de produção de alimentos. O principal desafio é a eficácia prejudicada das pragas devido ao desenvolvimento de mutantes resistentes a bactérias5 e mudanças na fisiologia bacteriana devido à exposição a estressores ambientais6.
Para minimizar o risco de resistência à praga, são propostos coquetéis de phage (ou seja, uma combinação de múltiplos phages) e melhoram a potência do biocontrole na agricultura e na aquicultura7. No entanto, a partir de vários estudos, foi comprovado que os coquetéis phage nem sempre ofereciam melhor eficácia do que a administração de um único phage. Por exemplo, um coquetel de phages 3 T4 tinha uma faixa de hospedeiro mais estreita contra e. coli strains8. Além disso, a AKFV33, membro do Tequintavirus, teve maior eficácia do que um coquetel de quatro phages na remoção de E. coli O157 da carne bovina, apesar das temperaturas de incubação aplicadas4. Recentemente, foi relatado que a eficácia dos phages individuais não prevê a eficácia de coquetéis phage para o controle da O1579, pois interações entre múltiplos phages podem alterar a eficácia. Mais importante, inúmeros fatores, como gêneros e combinações de phage, cepas direcionadas e MEIs, e temperaturas e tempos de incubação, podem impactar interações entre phages. Portanto, a triagem cuidadosa de combinações de phages contra bactérias específicas para avaliar a sinergia ou facilitação de phage, ou pelo menos para garantir o antagonismo mínimo de phage em condições ambientais específicas, é de vital importância para os resultados ideais. Aqui, um método é descrito para avaliar sistematicamente a eficácia de várias combinações de phage contra patógenos transmitidos por alimentos sob uma série de condições ambientais. O benefício dessa abordagem é permitir a triagem de todos os possíveis fatores bióticos e abióticos previstos para afetar a eficácia antibacteriana dos phages em ambientes naturais. No protocolo, stec O157 e seus phages infecciosos são empregados como exemplo.
1. Preparação de tampão e reagentes
2. Preparação da cultura bacteriana
3. Elaboração de soluções de trabalho phage
4. Preparação de cinética de lise in vitro para coquetéis individuais de phage e phage
5. Determinação da densidade óptica
6. Análises de dados
Seguindo o protocolo, foi realizada uma comparação da eficácia da praga anti-O157 com várias combinações de phage, temperaturas, tempos e MEIs. Impactos da temperatura e dos tempos de incubação, MOIs, phages e cepas bacterianas utilizadas para melhorar a eficácia anti-E. coli O157 é apresentado na Tabela 1 (tabela de razão de odds)9. O percentual (%) da medição óptica de turbidez ≤ 0,01 foi analisado por cada preparação de phage em cada condição experimental. Com base nesta análise, a eficácia da praga anti-O157 foi maximizada após 14, 16 ou 18 h de incubação a 22 °C (P < 0,001) e MOI = 1000 (P < 0,001), sendo 75% e 89% do crescimento da cultura tratada com phage sendo completamente inibido, respectivamente. Em geral, entre 11 preparações de phage, um coquetel de T1, T4 e rV5 foi mais eficaz (P < 0,05) contra O157. Além disso, entre as temperaturas de incubação, os tempos, MOIs e phages testados, a sensibilidade aos phages variou, com cepas O157 testadas com cepa CO281-31N sendo mais sensíveis (P < 0,001) e 3081 (P < 0,001) sendo menos sensíveis aos phages.
Para entender a cinética que mata phage de cada cepa bacteriana testada, o valor de OD600 foi plotado contra cada tempo de amostragem, MOIs e tratamento de phage a cada temperatura de incubação. Os resultados representativos da eficácia das phages contra E. coli O157 3081 a 37 °C são mostrados na Figura 2. Assegura-se que a curva de crescimento da cultura de controle livre de phage é normal antes de avaliar a inibição da curva de crescimento da cultura tratada com phage. De acordo com a Figura 2, a inclusão do T4 inibiu completamente o crescimento bacteriano a 37 °C, a cada tempo de amostragem em um MOI tão baixo quanto 1. Para ver como a phage inibiu o crescimento bacteriano ao longo do tempo a várias temperaturas, independentemente dos MEIs, o valor médio de OD600nm médio de todos os MOIs (MOI > 0) foi traçado contra cada tempo de amostragem e tratamento de phage (Figura 3). Em comparação com 37 °C, a eficácia particular da morte por phage, por exemplo, phages T4 e T1 + T4, foi aprimorada acima de 22 °C. Outra abordagem para resumir e comparar a eficácia global anti-O157 entre os phages é mostrada na Tabela 2 e Na Tabela 39. O valor OD600 foi mediado de cada tempo de amostragem e MOI e classificação da eficácia da praga de maior (A) para a mais baixa (F: 37 °C e D: 22 °C). Esta tabela facilita a identificação do melhor tratamento de phage. Por exemplo, para a cepa 3081, os phages T4 e T5 + T4 (Painel A) foram os tratamentos mais eficazes a 37 °C, enquanto além do phage T4, os phages T1 + T4, T1 + T4 + rV5 e 4 coquetéis phage (Painel A) foram o tratamento mais eficaz a 22 °C.
Este protocolo também nos permitiu comparar a eficácia do phage com várias cepas bacterianas direcionadas e personalizar a preparação de phage. Por exemplo, ao selecionar phages, a 37 °C, excluindo a cepa 3081, phage T1 + T4 + rV5 teve a eficácia mais significativa contra todas as outras cepas, independentemente de seus tipos de phage. Com 22 °C, o coquetel de 4-phage foi o mais eficaz contra todas as cepas testadas. Os melhores MOIs resultaram em lise completa (OD600 ≤ 0,01), o que garantiu eficácia potencial superior em condições experimentais (Tabela 2 e Tabela 3).
Figura 1: Layout sugerido de ensaio de microplacão de 96 poços. Diluições de 10 vezes cada phage são preparadas nas colunas 1-8 de microplacas estéreis de 96 poços. Quatro phages contra uma cepa bacteriana podem ser testados em duplicata, em colunas adjacentes, em cada placa. As demais colunas são para controles. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Curvas de crescimento da cepa E. coli O157 3081 a 37 °C tratadas e não tratadas com phages em cada MEIs. Os dados foram compilados a partir de dois ensaios independentes. As barras apresentam desvio padrão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Curvas de crescimento da cepa E. coli O157 3081 cepas. (A) Curvas de crescimento a 37 °C. (B) Curvas de crescimento a 22 °C. Cada curva representa culturas individuais e mistas, tratadas e não tratadas com phages em moIs. Os dados foram compilados a partir de dois ensaios independentes. As barras apresentam o erro padrão da média (adaptado do Reference9 com permissão). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Tabela 1: Razões de odds comparando a probabilidade de eficácia de phage superior em E. coli O157 em temperaturas de incubação, tempos de incubação, MOIs, phages e cepas de E. coli O157 (adaptado de Reference9 com permissão).
Tabela 2: Eficácia geral da praga contra E. coli O157 a 37 °C (adaptado de Reference9 com permissão). Clique aqui para baixar esta Tabela.
Tabela 3: Eficácia geral da praga contra E. coli O157 a 22 °C (adaptado de Reference9 com permissão). Clique aqui para baixar esta Tabela.
Figuras suplementares 1-11: Instantâneos da operação e procedimentos do leitor de microplaca. Por favor, clique aqui para baixar este Arquivo.
Este protocolo descreveu uma abordagem robusta para avaliar sistemicamente a eficácia da praga contra patógenos transmitidos por alimentos, incluindo STEC9 e Salmonella10. Um passo crítico é ao diluir a cultura noturna das bactérias, usar o meio pré-refrigerado e manipular a diluição com um balde de gelo são recomendados para minimizar o crescimento bacteriano potencial. Além disso, a diluição de phage foi preparada antes de diluir a cultura bacteriana. A enumeração passo 2.8 forneceu números reais de inóculo bacteriano para cálculo do MOI final aplicado. Para a preparação da praga, são geralmente utilizados os lises de phage brutos preparados por phage de filtro infectados em 4-6 h de cultura bacteriana. A etapa crítica associada à infectividade da praga é sempre utilizar os estoques de trabalho phage preparados dentro de 3 meses. Pipetização extremamente precisa (particularmente quando se usa uma pipeta multicanal) e uniformidade de abordagem também são essenciais para obter resultados comparáveis e interpretatáveis. TSB modificado suplementado com 10 mM de Mg2+ foi utilizado para diluir phages, cultura bacteriana e meio base para otimizar a adsorção e infecção de phages.
À medida que as bactérias se proliferam durante a fase de tronco, mesmo abaixo da temperatura da incubadora, recomenda-se usar cultura diluída durante a noite em vez de cultura de fase de log, para minimizar o crescimento potencial bacteriano.
O protocolo proposto tem limitações. Primeiro, porque a microplacão só pode conter 200 μL, a incubação prolongada pode causar evaporação substancial e não é recomendada. Neste caso, o ensaio pode não ser adequado para bactérias de crescimento lento. Em segundo lugar, o protocolo proposto não foi capaz de monitorar a amplificação de phages. Em terceiro lugar, este protocolo não pôde monitorar o desenvolvimento da resistência ao phage ao longo do tempo, fator crítico que determina o resultado do tratamento de phage11,12. Experimentos de acompanhamento são necessários para avaliar o desempenho do coquetel mais influente na triagem, impedindo o surgimento de mutantes anti-phage em um extenso sistema de cultura de caldo e outras matrizes biológicas.
Em contraste com os antimicrobianos convencionais, a natureza biológica das pragas afeta a complexidade do biocontrole e do uso terapêutico em ambientes práticos. Convencionalmente, a seleção racional de coquetéis phage é baseada principalmente na atividade lítica e na gama hospedeira de phages. Candidatos com a atividade lítica mais forte e maior faixa de hospedagem são frequentemente recomendados13,14. No entanto, com base no presente estudo, phages como rV5 e T1, embora sozinhos não tão virulentos como T4 e T5, facilitaram muito o resultado geral do biocontrole quando combinados com T4 e/ou T5. Consequentemente, para alcançar uma eficácia superior dos coquetéis phage, recomenda-se o rastreamento sistêmico da atividade antibacteriana de combinações potenciais de phage contra cepas de hospedeiras direcionadas sob as condições ambientais desejadas. Além disso, a determinação de receptores para candidatos à phage e a inclusão de phages com vários receptores podem impedir a concorrência para o apego ao hospedeiro, impedir o desenvolvimento rápido de mutantes anti-phage e melhorar os resultados do biocontrole13.
Este método permitiu quantificação precisa da cinética de lise fásis em um formato de alto rendimento. Além disso, permitiu a avaliação sistemática de diversos fatores biológicos e ambientais sobre a eficácia antibacteriana de uma variedade de phages, facilitando assim a formulação de coquetéis de phage com desfechos otimizados. Presume-se que as futuras aplicações e desenvolvimento do método envolvam o monitoramento in situ da eficácia de cada phages dentro de coquetéis de phage por rotulagem de fluorescência de phages. Além do protocolo proposto, compreender determinantes genéticos que promovem efeitos sinérgicos e facilitados entre os phages ao co-infectar um hospedeiro facilitaria a formulação de coquetéis phage apropriados com eficácia superior.
Os autores declaram que a pesquisa foi conduzida na ausência de relações comerciais ou financeiras que pudessem ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá (NSERC Discovery Grant, RGPIN-2019-04384), pela Fundação Canadense para a Inovação (Projeto nº 38710) e pelo Major Innovation Fund, Alberta. Agradecemos ao Dr. John Kastelic por editar o manuscrito.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Essential supplies, reagents, and equipment | |||
Inoculating loops | VWR | 12000-806 | |
Magnesium sulfate heptahydrate | Sigma | 1374361 | MgSO4.7H2O |
Petri Dishes with Clear Lid | Fisher | FB0875713 | Diameter: 100 mm, sterile |
Phosphate-buffered saline (PBS) | Fisher | 10010023 | |
Pipet-Lite LTS Pipette L-1000XLS+ | METTLER TOLEDO | 17014382 | |
Pipet-Lite LTS Pipette L-300XLS+ | METTLER TOLEDO | 17014405 | |
Pipet-Lite Multi Pipette L12-20XLS+ | METTLER TOLEDO | 17013808 | |
Pipet-Lite Pipette, Unv. SL-20XLS+ | METTLER TOLEDO | 17014412 | |
Pipette Tips RT LTS 1000µL FL 768A/8-low retention | METTLER TOLEDO | 30389213 | |
Pipette Tips SR LTS 20µL F 960A/5 | METTLER TOLEDO | 17005860 | |
Pipette Tips SR LTS 300µL 768A/4 | METTLER TOLEDO | 17005867 | no filter |
Reservoir | METTLER TOLEDO | 89094-662 | |
Sterile, clear, 96-well flat-bottom polystyrene microplates with lids | Fisher | 168055 | |
Tryptic soy agar (TSA) | Sigma | 105458-0500 | |
Tryptic soy broth (TSB) | Sigma | 105459-0500 | |
T-Shaped Cell Spreaders | VWR | 76299-566 | |
Instruments | |||
Analog Vortex Mixer | Fisher | 02-215-414 | |
Compact Microbiological Incubators | Fisher | 50125590H | |
Magnetic Stirrer Hotplates | FIsher | 13-889-335 | |
Polygon Stir Bars | FIsher | 14-512-125 | length: 20 mm |
Synergy Neo2 Hybrid Multi-Mode Reader | Fisher | BTNEO2M | |
Software | |||
SAS | SAS Institute | 9.4 |
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