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Method Article
Este protocolo descreve um modelo de biofilme polimicrobiano de quatro espécies relevante para o pulmão de fibrose cística (FC) que pode ser usado para explorar o impacto das interações bacterianas entre espécies.
A maioria dos modelos in vitro não tem a capacidade de investigar completamente os fenótipos bacterianos emergentes das interações complexas observadas em ambientes da vida real. Isso é particularmente verdadeiro no contexto de infecções de difícil tratamento, crônicas e baseadas em biofilme polimicrobiano detectadas nas vias aéreas de indivíduos que vivem com fibrose cística (FC), uma doença genética de múltiplos órgãos. Embora vários estudos de microbioma tenham definido as composições microbianas detectadas nas vias aéreas de pessoas com FC (pwCF), nenhum modelo in vitro até agora integrou totalmente características pulmonares críticas relevantes para FC. Portanto, existe uma lacuna significativa de conhecimento na capacidade de investigar os mecanismos que impulsionam a patogênese de infecções pulmonares por FC de espécies mistas. Aqui, descrevemos um modelo de comunidade microbiana de quatro espécies recentemente desenvolvido, incluindo Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Streptococcus sanguinis e Prevotella melaninogenica cultivadas em condições semelhantes à FC. Através da utilização deste sistema, fenótipos clinicamente relevantes, como a recalcitrância antimicrobiana de vários patógenos, foram observados e explorados em nível molecular. A utilidade deste modelo in vitro reside em seu fluxo de trabalho padronizado que pode facilitar o estudo das interações interespécies no contexto de infecções pulmonares crônicas por FC.
Estratégias destinadas a erradicar micróbios causadores de doenças, como os detectados nas vias aéreas da fibrose cística (FC), uma doença genética de múltiplos órgãos, muitas vezes falham1. Ou seja, a presença de comunidades microbianas resilientes semelhantes a biofilme crescendo no ambiente pulmonar rico em muco da FC pode causar infecções crônicas que se estendem por várias décadas2. Além disso, embora a utilização de antimicrobianos de primeira linha (Abx) e moduladores tenha resultado em melhores resultados em pessoas com FC (pwFC), a abordagem clínica "um inseto, uma infecção" tipicamente empregada contra patógenos canônicos da FC, como Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus aureus, tem sido ineficaz na resolução de infecções difíceis de tratar detectadas nos pulmões desses indivíduos 3,4, 5,6,7.
Nas últimas duas décadas, vários estudos mudaram nossa compreensão da doença pulmonar crônica da FC8. Ou seja, relatos indicam que as infecções detectadas nas vias aéreas da pwCF não são causadas apenas por um único patógeno, mas são de natureza polimicrobiana8. Além disso, embora a patogênese das infecções pulmonares mistas por FC ainda seja pouco compreendida, evidências clínicas mostram que a pwCF co-infectada com S. aureus e P. aeruginosa em suas vias aéreas piorou a função pulmonar do que os indivíduos colonizados por qualquer um desses dois patógenos9.
Acredita-se que as interações interespécies entre patógenos da FC sejam uma razão pela qual as infecções baseadas em biofilme polimicrobiano não são prontamente erradicadas por meio da utilização de terapias para FC, impactando os resultados dos pacientes3. Apoiando isso, estudos in vitro demonstraram que as interações entre micróbios como P. aeruginosa, S. aureus e outros podem afetar fenótipos clinicamente relevantes, como a capacidade de resposta do Abx a medicamentos de FC de primeira linha, incluindo vancomicina e tobramicina 6,10,11. Portanto, ainda não foi possível revisitar as estratégias atuais de tratamento destinadas a erradicar os patógenos da FC no contexto de infecções de espécies mistas.
O padrão-ouro no manejo de infecções pulmonares por FC de base microbiana depende fortemente da utilização de testes de suscetibilidade antimicrobiana (AST) para orientar intervenções clínicas12. No entanto, a AST é tipicamente feita usando monoculturas bacterianas cultivadas em culturas ricas e bem misturadas, o que não reflete as condições de crescimento microbiano detectadas nas vias aéreas da FC 3,13. Dada a desconexão significativa entre os resultados do paciente e o sucesso do tratamento, os relatórios clínicos agora defendem o desenvolvimento de novas abordagens que integram características críticas do pulmão da FC12,14.
Poucos estudos desenvolveram sistemas in vitro multiespécies bacterianas relevantes para a FC contendo mais de dois patógenos15,16. No entanto, esses modelos (1) não refletem inteiramente a natureza polimicrobiana e semelhante ao biofilme do pulmão para FC e (2) não utilizam condições nutricionais e ambientais próximas às detectadas na via aérea da FC15,16. Por meio da mineração de grandes conjuntos de dados e computação do gene 16S rRNA derivado do pulmão da FC, Jean-Pierre e colegas desenvolveram recentemente um modelo de co-cultura in vitro integrando os recursos mencionados acima10. Este sistema inclui P. aeruginosa, S. aureus, Streptococcus spp. e Prevotella spp. cultivados em condições semelhantes às vias aéreas da FC e estáveis por até 14 dias. Os autores também relataram o crescimento específico da comunidade de Prevotella spp. e várias mudanças na capacidade de resposta do Abx desses patógenos da FC por meio de mecanismos que ainda precisam ser identificados10. Este sistema tratável in vitro também ofereceu a possibilidade de aprofundar questões mecanicamente focadas relacionadas à recalcitrância Abx de uma variante comum de P. aeruginosa frequentemente detectada nas vias aéreas do pwCF10. Portanto, o objetivo deste protocolo é fornecer à comunidade de pesquisa em FC um fluxo de trabalho experimental padronizado para cultivar um biofilme in vitro que tenha o potencial de ser expandido para abordar uma série de questões relevantes para a FC.
Os detalhes de todos os reagentes e equipamentos estão listados na Tabela de Materiais.
1. Preparação de meio de escarro artificial
NOTA: Ao longo deste protocolo, o meio de escarro artificial (ASM) é definido como o meio relevante para a FC modificado do SCFM2, publicado anteriormente por Turner e colegas17. Abaixo está uma descrição das etapas para preparar este meio. Consulte a Tabela de Materiais para fazer soluções de estoque e condições de armazenamento. Essa versão do ASM difere de Turner et al.,17 pois a capacidade tampão na versão original não permite um pH estável ao longo do tempo. Ou seja, a atividade fermentativa realizada por Streptococcus spp. e anaeróbios como Prevotella spp. resulta na acidificação do meio de crescimento (observações não publicadas). Portanto, a concentração de ácido 3-morfolinopano-1-sulfônico (MOPS) foi ajustada de 10 mM para 100 mM.
NOTA: A preparação de uma solução estoque de base 2x ASM (ASMb) facilita a adição de componentes como mucina, ágar, água, etc., sem afetar a concentração final de moléculas presentes no ASM10,18. O 2x ASMb pode ser preparado com antecedência e armazenado a 4 °C por até duas semanas em local escuro. Se o meio ficar amarelo, descarte.
2. Preparação de meios seletivos da comunidade polimicrobiana
NOTA: Abaixo estão as quantidades necessárias para preparar um volume de 1 L de mídia.
3. Preparação de meios líquidos bacterianos e condições de crescimento
4. Preparação do experimento de co-cultura
NOTA: A Figura 1 mostra um fluxo de trabalho experimental resumido. A configuração do experimento pode ser feita em condições óxicas se o tempo de preparação demorar menos de 1 h. Se for previsível que demore mais do que isso, é altamente recomendável realizar o experimento usando uma câmara anaeróbica (com 10% de CO2, 10% de H2 e 80% de gás misto de N2 ). Frascos anaeróbicos também podem ser usados para incubar as amostras experimentais.
5. Coletando e chapeando as amostras
6. Incubação das placas seletivas e contagem da unidade formadora de colônias (UFC)
Conforme representado na Figura 2, vários fenótipos foram relatados, incluindo (1) uma redução no número de contagens de células viáveis de P. aeruginosa e S. aureus quando cultivadas em comunidades planctônicas mistas em comparação com a monocultura, (2) um aumento no crescimento polimicrobiano de células de S. sanguinis e, (3) crescimento de comunidades mistas de P. melaninogenica , conforme relatado anteriorm...
A utilidade deste sistema de co-cultura in vitro clinicamente informado reside em sua capacidade de detectar funções bacterianas específicas de polimicrobianos. Ou seja, por meio da utilização desse modelo, relatamos fenótipos microbianos que variam de crescimento específico da comunidade de Prevotella spp. (Figura 2) a mudanças na suscetibilidade à FC Abx de linha de frente de P. aeruginosa, S. aureus e S. sa...
Os autores declaram não divulgar.
Gostaríamos de agradecer ao Dr. George A. O'Toole e ao Dr. Thomas H. Hampton por seu papel significativo no projeto e desenvolvimento do modelo de comunidade polimicrobiana in vitro . Agradecemos à Dra. Sophie Robitaille por seus comentários úteis sobre o manuscrito. Este trabalho foi apoiado por uma doação da Cystic Fibrosis Foundation JEAN21F0 a F.J-P. A Figura 1 do manuscrito foi criada usando BioRender.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) | Fisher Scientific | NC0387928 | Prepare a 250 mg/mL stock in chloroform directly in the bottle. Keep at -20°C. Final concentration 200 μg/mL in 2x ASM base. |
3-morpholinopropane-1-sulfonic acid (MOPS) | Sigma | M1254 | Final concentration 200 mM in 2X ASM base. |
96-pin replicator | Fisher Scientific | 05-450-9 | Disposable replicators can also be used. Cat #NC1567338. |
96-well sterile standard plate with lid | Fisher Scientific | 62406-081 | |
Agar | Fisher Scientific | DF0145-17-0 | |
AnaeroPack 2.5 L Rectangular Jar | Fisher Scientific | 23-246-385 | |
CaCl2*2H2O | Fisher Scientific | C79-500 | Prepare a 1 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 3.5 mM in 2x ASM base. |
Defribrinated sheep's blood | To prepare growth plates for Streptococcus and Prevotella. | ||
Deoxyribonucleic acid from herring sperm | Sigma | D7290 | Final concentration 1.2 mg/mL in 2x ASM base. |
FeSO4*7H2O | Fisher Scientific | AA1449830 | Prepare a 1 mg/mL stock (3.6 mM) in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Keep wrapped in aluminum foil. Final concentration 0.0072 mM in 2x ASM base. |
GasPaks | Fisher Scientific | B260678 | |
Glucose | Fisher Scientific | D16-3 | Prepare as a 20% stock (1.1 M) in water and sterilize by autoclave. Final concentration 6 mM in 2x ASM base. |
Hemin | Sigma | 51280 | Dissolve 100 mg of hemin in 2 mL of 1 M NaOH and then bring up volume to 200 mL with water. Store in an amber bottle or a regular bottle wrapped with aluminum foil at 4 °C. |
K2SO4 | Fisher Scientific | P304-500 | Prepare a 0.25 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 0.54 mM in 2x ASM base. |
Kanamycin | Prepare a 50 mg/mL stock solution in water. Filter sterilize with a 0.22 μm filter and store at 4 °C. | ||
KCl | Fisher Scientific | P217-500 | Final concentration 30.0 mM in 2x ASM base. |
KNO3 | Fisher Scientific | P263-500 | Prepare a 1 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 0.70 mM in 2x ASM base. |
L-cysteine hydrochloride | Fisher Scientific | AAA1038922 | |
L-Lactic acid | Sigma | L1750 | Prepare a 1 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. pH adjust to 7.0. Final concentration 18.6 mM in 2x ASM base. |
L-Tryptophan | Sigma | T0254 | Prepare a 0.1 M stock in 0.2 M NaOH and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Keep refrigerated at 4 °C wrapped in aluminum foil. Final concentration 0.132 mM in 2x ASM base. |
Mannitol Salt Agar | Fisher Scientific | B11407 | Prepare using manufacturer's recommendations. |
Menadione | Sigma | M5625 | Prepare a 10 mg/mL stock solution dissolved in 96-100% ethanol. Conserve at 4 °C wrapped in aluminium foil. Vortex before use. |
MgCl2*6H2O | Fisher Scientific | AA12288A9 | Prepare a 1 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 1.21 mM in 2x ASM base. |
Mucin from porcine stomach - Type II | Sigma | M2378 | Prepare a 10 mg/mL (2x) stock in water; mix thoroughly before autoclaving. Keep at 4 °C. |
Na2HPO4 | Fisher Scientific | S375-500 | Prepare a 0.2 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 2.5 mM in 2x ASM base. |
N-acetylglucosamine | Sigma | A8625 | Prepare a 0.25 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Keep stock refrigerated at 4 °C. Final concentration 0.6 mM in 2x ASM base. |
NaCl | Fisher Scientific | S271-500 | Final concentration 103.7 mM in 2x ASM base. |
NaH2PO4*H2O | Fisher Scientific | S369-500 | Prepare a 0.2 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 2.6 mM in 2x ASM base. |
NaOH | Fisher Scientific | S318-500 | Prepare a 5 M stock solution. Use to adjust pH of 2x ASM base stock. |
NH4Cl | Fisher Scientific | A661-500 | Final concentration 4.6 mM in 2x ASM base. |
Oxolinic acid | Prepare a 10 mg/mL stock solution 0.5 M NaOH. Filter sterilize with a 0.22 μm filter and store at 4 °C. | ||
Polymixin B | Prepare a 10 mg/mL stock solution in water. Filter sterilize with a 0.22 μm filter and store at 4 °C. | ||
Pseudomonas Isolation Agar | Fisher Scientific | DF0927-17-1 | Prepare using manufacturer's recommendations. |
Todd Hewitt Broth | Fisher Scientific | DF0492-17-6 | Prepare using manufacturer's recommendations. |
Tryptic Soy Broth | Fisher Scientific | DF0370-17-3 | Prepare using manufacturer's recommendations. |
Vancomycin | Prepare a 50 mg/mL stock solution in water. Filter sterilize with a 0.22 μm filter and store at 4 °C. | ||
Yeast Extract | Fisher Scientific | B11929 | |
Yeast Synthetic Dropout without Tryptophan | Sigma | Y1876 | Final concentration 8.0 mg/mL in 2x ASM base. |
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