Method Article
* Estes autores contribuíram igualmente
Os camundongos são geralmente resistentes a infecções por Mycobacterium abscessus, o que complica a descoberta e o desenvolvimento de antibióticos muito necessários contra infecções pulmonares. Aqui, descrevemos um método de preparação de inóculo e infecção intratraqueal que demonstrou fornecer infecção sustentada em camundongos imunocompetentes.
Modelos robustos de camundongos de infecção crônica por Mycobacterium abscessus, um patógeno ambiental que infecta preferencialmente os pulmões, são extremamente necessários. As terapias multidrogas de um ano oferecem taxas de cura inaceitavelmente baixas em pacientes, cerca de 50%, daí a necessidade de ferramentas pré-clínicas preditivas para desenvolver melhores antibióticos. No entanto, camundongos imunocompetentes são geralmente resistentes à infecção pulmonar por M. abscessus. Numerosas tentativas de estabelecer uma infecção sustentada por M. abscessus em camundongos imunocompetentes foram relatadas na literatura. Entre estes, os métodos baseados em bactérias embebidas em contas de ágar inoculadas em camundongos C57BL / 6 por via intratraqueal provaram ser os mais promissores. A principal limitação dessa abordagem é o desafio técnico associado à preparação de esferas de ágar de tamanho e número bacteriano reprodutíveis, seguida de inoculação intratraqueal. Aqui, primeiro fornecemos uma descrição detalhada de um protocolo otimizado que fornece grânulos de ágar carregados com M. abscessus de diâmetro ideal e carga bacteriana reprodutível. Em seguida, fornecemos um protocolo detalhado de inoculação intratraqueal, otimizado para evitar perdas de grânulos e bactérias devido à aderência às superfícies dos dispositivos de inoculação e para obter deposição pulmonar reprodutível de M. abscessus embebido em ágar. O objetivo é garantir facilidade de implementação e excelente reprodutibilidade de laboratório para laboratório.
As opções de tratamento para a doença pulmonar por Mycobacterium abscessus (Mab) são limitadas e envolvem esquemas multimedicamentosos de um ano com antibióticos orais, parenterais e ocasionalmente inalatórios, a maioria dos quais carece de atividade bactericida ideal e está associada a toxicidade significativa 1,2,3,4,5 . Terapias mais curtas, seguras e eficazes são urgentemente necessárias. Modelos de camundongos de infecções micobacterianas têm sido fundamentais na descoberta e otimização de medicamentos e regimes de medicamentos eficazes 6,7. No entanto, a avaliação pré-clínica de antibióticos contra infecções por Mab tem se mostrado desafiadora devido à dificuldade de estabelecer infecções pulmonares progressivas e sustentadas em camundongos 8,9.
A infecção de cepas de camundongos imunocompetentes com Mab resulta em grande parte em colonização transitória seguida de rápida eliminação do patógeno10,11. Para alcançar a infecção crônica observada clinicamente, agentes imobilizadores como agarose ou ágar têm sido usados para promover a persistência e respostas imunopatológicas a patógenos oportunistas como Pseudomonas aeruginosa ou Haemophilus influenza em camundongos imunocompetentes 12,13,14. Este modelo foi recentemente adaptado para alcançar infecção respiratória crônica por Mab ATCC 19977 em camundongos C57BL/6N imunocompetentes 15,16,17,18. O método induziu infecção persistente por até 45 dias após a inoculação intratraqueal com ~1 × 104 a 1 × 106 unidades formadoras de colônias (UFC), com incidência de infecção crônica entre camundongos infectados de 90%-100%19 e formação de granulomas organizados ao redor do grânulo de ágar em desintegração18. Parece que a incorporação de Mab em grânulos protege da rápida depuração pelo sistema imunológico inato e que grânulos carregados de bactérias constituem focos para o recrutamento de células imunes, levando à formação de granulomas e ao estabelecimento de infecção crônica18. As esferas de ágar / agarose constituem um biomaterial relativamente inerte que induz respostas inflamatórias mínimas. Além disso, as esferas se desintegram lentamente, evitando problemas de reações alérgicas a corpos estranhos ou fibrose induzida. A infecção intratraqueal com ou sem dispositivo de micropulverização garante a deposição efetiva do inóculo nos pulmões 8,20,21 e reproduz a exposição clínica e a infecção melhor do que a inoculação intravenosa ou intranasal.
O modelo, portanto, oferece muitas vantagens. No entanto, também vem com alguns desafios de natureza técnica, a saber (i) alcançar o tamanho do grânulo reprodutível, (ii) obter carga bacteriana do grânulo reprodutível e (iii) garantir a entrega intratraqueal consistente do inóculo. Aqui, fornecemos protocolos detalhados para atingir esses objetivos de forma confiável e garantir a reprodutibilidade de laboratório para laboratório.
Todos os estudos em animais foram realizados de acordo com o Guia para o Cuidado e Uso de Animais de Laboratório dos Institutos Nacionais de Saúde com a aprovação do Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais do NIAID (NIH), Bethesda, MD. Todos os procedimentos foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais. Todos os estudos envolvendo M. abscessus foram realizados em laboratório com nível de contenção de biossegurança 2.
1. Preparação do inóculo de M. abscessus embebido em grânulo de ágar
2. Titulação do inóculo de M. abscessus embebido em grânulo de ágar
3. Teste de dispensação de esferas através da seringa e agulha
NOTA: As etapas a seguir foram incluídas para garantir que as esferas não adiram às superfícies da seringa ou agulha. Verificou-se que é importante usar uma seringa de vidro e uma agulha de alimentação de metal 24 G para evitar a perda de grânulos devido à aderência às superfícies plásticas.
4. Inoculação intratraqueal de camundongos
Tamanho e carga do grânulo
Para visualizar as esferas de ágar e sua carga bacteriana, a proteína fluorescente vermelha mCherry foi expressa sob o promotor constitutivo Hsp60 na cepa do tipo Mab ATCC 19977 e incorporou essa cepa em esferas de ágar conforme descrito acima. A Figura 1A mostra a faixa de tamanho do cordão (barra de escala = 200 μm). A Figura 1B mostra a carga de 6 preparações de esferas independentes, demonstrando a reprodutibilidade do procedimento conforme descrito.
Plaqueamento de seringa push-through e implantação bacteriana após inoculação intratraqueal
A inoculação intratraqueal foi otimizada em duas etapas. As UFC/mL foram enumeradas no inóculo antes e depois de passar pela seringa de vidro para garantir que nenhuma perda bacteriana ou de grânulos ocorresse à medida que as grânulos passavam pela seringa e pelo tubo conectado. A Tabela 1 mostra o título bacteriano inicial de duas preparações de esferas independentes (ensaios 1 e 2) e o número de UFC recuperado por 100 mL de amostras 'empurradas' de uma única carga de seringa. Para evitar perdas de esferas e bactérias, é necessária uma seringa de vidro conectada a um tubo de metal. As contas de ágar tendem a aderir a superfícies plásticas.
A enumeração de UFC ao longo do tempo na preparação do grânulo mostrou que a carga bacteriana dos grânulos permaneceu estável a 4 ° C por 1 semana, com uma perda de ~ 2 vezes da carga bacteriana por 2 semanas e deposição pulmonar não prejudicada. Em seguida, grupos de 5 a 8 camundongos foram infectados com três preparações independentes de esferas para testar a reprodutibilidade do procedimento de inoculação intratraqueal. A Tabela 2 mostra o número de UFC pulmonares por camundongo, enumerado 24 h após a infecção, conforme descrito.
Por fim, a reprodutibilidade interoperador da infecção foi avaliada infectando três grupos de 10 camundongos CD-1, cada um realizado por um operador diferente. As UFC pulmonares enumeradas 24 h após a infecção são mostradas na Figura 2.
Figura 1: Experimento piloto para avaliar o tamanho do grânulo, visualizar e quantificar a carga bacteriana de M. abscessus . (A) Grânulos de ágar contendo a cepa M. abscessus ATCC 19977, projetados para expressar a proteína fluorescente vermelha mCherry sob o promotor constitutivo hsp60. Cinco μl de suspensão de esferas foram espalhados em uma lâmina de vidro e fotografados com um microscópio de fluorescência equipado com uma câmera (objetiva de 10x). Cada ponto vermelho é uma célula bacteriana fluorescente, encerrada em esferas de ágar de diâmetros que variam de ~ 70-250 μm. (B) Carga bacteriana, em UFC / mL, de 6 preparações individuais de esferas mostrando a reprodutibilidade do método. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Reprodutibilidade interoperador da infecção. Grupos de 10 camundongos fêmeas CD-1 foram infectados por via intratraqueal por três operadores independentes, conforme descrito, usando a mesma preparação de contas. As UFC pulmonares enumeradas 24 h após a infecção são mostradas. O1, O2, O3: operadores 1, 2 e 3. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
UFC/100 μL | ||
Preparação do grânulo | Julgamento 1 | Julgamento 2 |
1.13E+05 | 2.40E+05 | |
Amostra de passagem de seringa | ||
1 | 1.14E+05 | 5.10E+05 |
2 | 1.36E+05 | 4.10E+05 |
3 | 9.30E+04 | 3.90E+05 |
4 | 9.80E+04 | 3.60E+05 |
5 | 1.14E+05 | |
Média | 1.11E+05 | 4.18E+05 |
SD | 1,69E+04 (% 15%) | 6.50E+04 (% 16) |
Tabela 1: Unidades formadoras de colônias (UFC) por amostra de 100 μL após passar pela seringa de vidro e agulha de alimentação de metal.
Julgamento 1 | Julgamento 2 | Julgamento 3 | |||
Mouse ID | UFC pulmonar/camundongo | Mouse ID | UFC pulmonar/camundongo | Mouse ID | UFC pulmonar/camundongo |
M-1 | 6.50E+03 | M-6 | 2.20E+05 | M-11 | 6.80E+04 |
M-2 | 1.10E+04 | M-7 | 2.70E+05 | M-12 | 1.70E+05 |
M-3 | 1.40E+04 | M-8 | 8.10E+04 | M-13 | 2.10E+05 |
M-4 | 3.20E+03 | M-9 | 1.40E+05 | M-14 | 4.40E+04 |
M-5 | 4.50E+03 | M-10 | 1.30E+05 | M-15 | 7.50E+04 |
M-16 | 1.01E+05 | ||||
M-17 | 7.00E+04 | ||||
M-18 | 5.80E+03 | ||||
Média | 7.84E+03 | Média | 1.68E+05 | Média | 9.30E+04 |
SD | 4.54E+03 (58%) | SD | 7.57E+04 (45%) | SD | 6.67E+04 (72%) |
Tabela 2: Implantação de M. abscessus embebido em grânulo de ágar em pulmões de camundongos 24h após a inoculação
Para garantir a distribuição uniforme de bactérias nas esferas de ágar, é importante suspender uniformemente a mistura de ágar-bactérias derretida antes de adicioná-la à fase oleosa. A relação entre o volume de óleo e ágar-bactéria é crítica no controle do tamanho do grânulo. Uma proporção mais alta de óleo para ágar leva à formação de grânulos de ágar menores. Ao misturar a suspensão de ágar-bactérias com a fase oleosa, o controle de temperatura é crítico. A mistura de óleo-ágar deve ser quente o suficiente para permitir a emulsificação e a formação de gotículas, mas fria o suficiente para não prejudicar as bactérias. A agitação contínua enquanto resfria a mistura à temperatura ambiente ou abaixo permite que as gotículas de ágar se formem e solidifiquem.
A calibração adequada da placa de agitação, o tamanho da barra de agitação e a forma e tamanho do frasco são determinantes importantes de um vórtice uniforme. Uma barra de agitação posicionada no centro do frasco cria um vórtice simétrico, garantindo uma mistura uniforme. Uma barra de agitação descentralizada pode levar a um vórtice instável, resultando em grânulos de formato irregular e na introdução de bolhas de ar nos grânulos. Recomenda-se o monitoramento e ajuste em tempo real da posição da barra de agitação. O volume do balão deve ser proporcional ao volume da mistura óleo-ágar. Um balão de 500 mL é ideal para girar uma mistura de óleo-ágar de 90 mL, produzindo um vórtice visível. Ao usar frascos maiores, é importante ajustar o volume da mistura óleo-ágar, o tamanho do agitador e a velocidade do vórtice para obter um equilíbrio entre mistura eficaz e vórtice estável. Manter uma velocidade de vórtice consistente durante o processo e nas preparações de grânulos é fundamental para a reprodutibilidade de lote para lote.
O processo de preparação do grânulo de ágar, especificamente a velocidade de vórtice e a relação óleo-ágar, são adaptados de16,22, com pequenas modificações. As forças de cisalhamento dentro do vórtice giratório produzem inerentemente esferas de diferentes tamanhos. Para minimizar essa variabilidade de tamanho, a etapa de colheita do grânulo foi modificada com a introdução de várias etapas de lavagem, empregando um gradiente de velocidade e tempo de centrifugação decrescentes para garantir a remoção de grânulos de tamanho pequeno (e bactérias livres). Um filtro de micro-malha foi empregado para enriquecer as esferas do tamanho desejado, filtrando efetivamente as esferas maiores e aquelas que podem ter se formado por meio de coalescência aleatória. Para evitar perdas bacterianas ou de esferas à medida que a pasta de esferas passa pela seringa e pelo tubo conectado para inoculação intratraqueal do camundongo, é fundamental usar uma seringa de vidro, agulhas de alimentação de metal 24 G e um tubo conectado por metal.
A principal limitação do método é a complexidade técnica da preparação do grânulo e da inoculação intratraqueal para obter carga reprodutível do grânulo e implantação pulmonar. É necessária atenção aos detalhes e a capacidade de solucionar problemas. Além disso, o modelo não foi totalmente validado testando a eficácia dos antibióticos padrão e das combinações de antibióticos mais frequentes administradas a pacientes com Mab.
Atualmente, nenhum modelo de camundongo de infecção crônica por Mab foi validado na medida em que a eficácia de agentes únicos e combinações de medicamentos em pacientes pode ser razoavelmente prevista pelo modelo9. O sistema de camundongo C57BL / 6 embebido em contas de ágar foi explorado para testar a eficácia de tratamentos antimicrobianos 15,19,23. A alternativa mais próxima ao sistema de camundongo C57BL / 6 embebido em contas de ágar é o modelo de camundongo C3HeB / FeJ, que depende da imunossupressão da dexametasona para alcançar uma infecção crônica durável24,25. As vantagens do protocolo aqui descrito são que (i) camundongos C57BL/6 totalmente imunocompetentes e mais acessíveis podem ser usados, (ii) uma infecção produtiva e crônica pode ser obtida com a cepa tipo bem caracterizada ATCC 19977 e (iii) não há necessidade de imunossupressão quimicamente induzida, contornando a necessidade de injeções diárias de dexametasona, evitando assim potenciais interações medicamentosas e impacto na imunopatologia pulmonar.
Dada a falta de modelos de camundongos validados de infecção crônica por Mab para avaliar novos candidatos a medicamentos e regimes de medicamentos 8,9, a técnica descrita aqui tem o potencial de avançar no campo, melhorar o valor preditivo dos dados de eficácia pré-clínica, ajudar a priorizar regimes de medicamentos com o maior potencial para fornecer cura durável e, em geral, acelerar a descoberta e o desenvolvimento de medicamentos para a doença pulmonar Mab. O método pode ser aplicado a outros patógenos pulmonares e tem um histórico estabelecido para P. aeruginosa ou Haemophilus influenza. O principal objetivo do protocolo descrito aqui é fornecer detalhes e recomendações suficientes para garantir a facilidade de implementação e excelente reprodutibilidade de laboratório para laboratório.
Os autores declaram não haver conflito de interesses
Este trabalho foi financiado pela Cystic Fibrosis Foundation, prêmio DICK24XX0, para TD e VD, e R01-AI132374 do NIH-NIAID para TD e VD.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
125-mL bottle | Corning | 8388 | Sterile |
3 x 3 Tube Holding Rack | Fisher | 5972-0030PK | Disinfected prior to use |
3D Printed Mouse Stand | Transworld Marketing | custom designed and produced | Disinfected prior to use |
48-well dilution Plate | Celltreat | 229192 | Sterile |
50-mL centrifuge tubes | Greiner Bio-One | 227261 | Sterile |
Anesethia Machine | E-Z Systems | EZ-AF9000 SYSTEM | n/a |
Avanti J-15R | Beckman Coulter | B99517 | Centrifuge |
Barrier Pipette Tips in Lift-off Lid Rack 1000G | Thermo Scientific ART | 21-236-2A | Sterile |
Biohazard bag | Fisherbrand | 22-044561 | |
Connector Ring | pluriSelect | 41-50000-03 | |
Cotton-Tipped Applicators | Puritan | 22-029-571 | Sterile |
Disposable Inoculation Loops Yellow Sterile 100 in ziplock bag | Cole-Parmer Essentials | 03-391-562 | Sterile |
Disposable Poly-Lined Towel Drape | Dynarex | 19-310-671 | Sterile |
Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline | Thomas Scientific | 21-031-CM | Sterile |
Funnel | pluriSelect | 42-50000 | Sterile |
GE Ultrospec 10 | Sigma-Aldrich | GE80211630 | Spectrophotometer |
Gentlemacs Tissue Dissociator | Miltenyi Biotec | 130-096-427 | Not heat activated |
Hamilton Syringe | Hamilton | 80801 | Disinfected prior to use |
Heavy Mineral Oil | Sigma-Aldrich | 330760-1L | Sterile |
Isoflurane solution 250 ml bottle | Covetrus | 29405 | Skin Corrosion/Irritation: Category 2, Serious Eye Damage/Eye Irritation: Category 2A, Specific target organ systemic toxicity (single exposure): Category 3 May cause drowsiness and dizziness, Causes serious eye irritation, Causes skin irritation. Do not inhale, use in well ventilated area. |
M Tubes (gentleMACS) | Miltenyi Biotec | 130-096-335 | Sterile |
Magnetic stirrer MR Hei-Connect | Heidolph | 505-40000-13-1 | |
Magnetic stirring bar | Thomas Scientific | 1181L08 | Sterile |
Mechanical Pipet 100–1000 µL | Gilson PIPETMAN L | FA10006M | Disinfected prior to use |
Mechanical Pipet 20–200 µL | Gilson PIPETMAN L | FA10003MG | Disinfected prior to use |
Metal Animal Feeding Needle 24 G | Braintree Scientific | N-VP 24G-1S | Must be sterilized (autoclaved) |
Middlebrook 7H10 Agar | Sigma-Aldrich | M0303-500G | Sterilized (autoclaved) |
Middlebrook 7H11 Agar | Thermo Fisher | R4554002 | Sterilized (autoclaved) |
Middlebrook 7H9 medium | Beckton Dickinson | 271310 | Sterilized (autoclaved) |
Mouse Stand Parts | TriMech Solutions | SRV-AMS-FDM | Disinfected prior to use |
Nonabsorbable Silk Suture | Fisher Scientific | 18020-50 | n/a |
OADC Liquid Enrichment for use with Middlebrook Media 500 ml | Thermo Scientific Remel | R450605 | Sterile |
PBS (10x), pH 7.4 Sterile Filtered 500 mL | Gibco | 70-011-044 | Sterile |
Peroxiguard Wipes | Peroxigard | 29221 | n/a |
Petri Dishes with Clear Lid Round 100mmx 15mm | Fisherbrand | FB0875712 | Sterile |
PluriStrainer 200 mm | pluriSelect | 43-50200-03 | Sterile; cell strainer |
Roller bottles | Corning | 430165 | Sterile |
Serological pipette | Corning | 4489 | Sterile |
Spectrophotometer cuvettes 1.5 mL | Fisher Scientific | 14955127 | Sterilized (autoclaved) |
Syringe stoppers or clips (nylon) | Trimech | SRV-AMS-MJF | Disinfected prior to use |
Tryptic Soy Broth | Sigma-Aldrich | T8907-500G | Sterile |
Tween 80 | Fisher | 170793 | Filter sterilized |
Wide Bore Filtered Pipette Tips Lift-off Lid Rack 200G | Thermo Scientific ART | 21-236-1A | Sterile |
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