Method Article
* Эти авторы внесли равный вклад
Мыши, как правило, устойчивы к инфекциям, вызываемым Mycobacterium abscessus, что усложняет открытие и разработку столь необходимых антибиотиков против легочных инфекций. Здесь мы описываем метод приготовления посевного материала и внутритрахеальной инфекции, который, как было показано, обеспечивает устойчивую инфекцию у иммунокомпетентных мышей.
Крайне необходимы надежные мышиные модели хронической инфекции Mycobacterium abscessus, патогеном из окружающей среды, который преимущественно инфицирует легкие. Многокомпонентная терапия в течение всего года обеспечивает неприемлемо низкие показатели излечения у пациентов, около 50%, что обуславливает потребность в прогностических доклинических инструментах для разработки более эффективных антибиотиков. Тем не менее, иммунокомпетентные мыши, как правило, устойчивы к легочной инфекции, вызванной M. abscessus. В литературе сообщалось о многочисленных попытках установления устойчивой инфекции M. abscessus у иммунокомпетентных мышей. Среди них наиболее перспективными оказались методы, основанные на бактериях, встроенных в шарики агара, инокулированные мышам C57BL/6 внутритрахеальным путем. Основным ограничением этого подхода является техническая проблема, связанная с получением агаровых шариков воспроизводимого размера и количества бактерий с последующим внутритрахеальным посевом. В этой статье мы сначала подробно опишем оптимизированный протокол, который доставляет нагруженные M. абсцессом шарики агара оптимального диаметра и воспроизводимой бактериальной нагрузки. Далее мы предоставляем подробный протокол внутритрахеального посева, оптимизированный для предотвращения потерь гранул и бактерий из-за прилипания к поверхностям инокуляционных устройств и для достижения воспроизводимого легочного отложения M. abscessus, встроенного в агар. Цель состоит в том, чтобы обеспечить простоту внедрения и превосходную воспроизводимость от лаборатории к лаборатории.
Варианты лечения легочной болезни Mycobacterium abscessus (Mab) ограничены и включают в себя годичные схемы приема нескольких препаратов с пероральными, парентеральными и иногда ингаляционными антибиотиками, большинство из которых не обладают оптимальной бактерицидной активностью и связаны со значительной токсичностью 1,2,3,4,5 . Срочно необходимы более короткие, безопасные и эффективные методы лечения. Мышиные модели микобактериальных инфекций сыграли важную роль в открытии и оптимизации эффективных лекарств и схем приема лекарств 6,7. Тем не менее, доклиническая оценка антибиотиков против инфекций Mab оказалась сложной задачей из-за трудности установления прогрессирующих и устойчивых легочных инфекций у мышей 8,9.
Инфицирование иммунокомпетентных линий мышей Mab в значительной степени приводит к транзиторной колонизации с последующим быстрым клиренсом возбудителя10,11. Для достижения хронической инфекции, наблюдаемой клинически, иммобилизующие агенты, такие как агароза или агар, были использованы для стимулирования персистенции и иммунопатологического ответа на условно-патогенные микроорганизмы, такие как Pseudomonas aeruginosa или Haemophilus influenza у иммунокомпетентных мышей 12,13,14. Эта модель была недавно адаптирована для достижения хронической респираторной инфекции с помощью Mab ATCC 19977 на иммунокомпетентных мышах C57BL/6N 15,16,17,18. Метод индуцировал персистирующую инфекцию в течение 45 дней после интратрахеальной инокуляции ~1 × 104 до 1 ×10 6 колониеобразующими единицами (КОЕ), с частотой хронической инфекции среди инфицированных мышей 90%-100%19 и образованием организованных гранулем вокруг распадающегося шарика агара18. По-видимому, встраивание Mab в бусины защищает от быстрого выведения врожденной иммунной системой и что бусины, наполненные бактериями, представляют собой очаги для вербовки иммунных клеток, что приводит к образованию гранулем и возникновению хроническойинфекции. Шарики агара/агарозы представляют собой относительно инертный биоматериал, который вызывает минимальные воспалительные реакции. Кроме того, шарики медленно распадаются, что позволяет избежать проблем с аллергическими реакциями на инородные тела или индуцированным фиброзом. Внутритрахеальная инфекция с использованием или без использования устройства для микрораспыления обеспечивает эффективное введение инокулюма в легкие 8,20,21 и воспроизводит клинический контакт и инфекцию лучше, чем внутривенная или интраназальная инокуляция.
Таким образом, модель имеет множество преимуществ. Тем не менее, это также сопряжено с некоторыми проблемами технического характера, а именно: (i) достижение воспроизводимого размера гранул, (ii) получение воспроизводимой бактериальной нагрузки в гранулах и (iii) обеспечение постоянной внутритрахеальной доставки инокулюма. Здесь мы предоставляем подробные протоколы для надежного достижения этих целей и обеспечения воспроизводимости от лаборатории к лаборатории.
Все исследования на животных проводились в соответствии с Руководством по уходу за лабораторными животными и их использованию Национальных институтов здравоохранения с одобрения Комитета по институциональному уходу за животными и их использованию NIAID (NIH), Бетесда, штат Мэриленд. Все процедуры были одобрены Комитетом по уходу за животными и их использованию в учреждениях. Все исследования с участием M. abscessus проводились в лаборатории с уровнем локализации биобезопасности 2.
1. Приготовление агаровой бусины, внедренной M. abscessus inoculum
2. Титрование агаровых шариков, внедренных M. abscessus inoculum
3. Тестирование дозирования шариков через шприц и иглу
ПРИМЕЧАНИЕ: Следующие шаги были включены для того, чтобы шарики не прилипли к поверхности шприца или иглы. Было установлено, что важно использовать стеклянный шприц и металлическую подающую иглу 24 Г, чтобы предотвратить потерю бусин из-за прилипания к пластиковым поверхностям.
4. Внутритрахеальная инокуляция мышей
Размер и нагрузка борта
Чтобы визуализировать агаровые гранулы и их бактериальную нагрузку, красный флуоресцентный белок mCherry экспрессировали под конститутивным промотором Hsp60 в штамме типа Mab ATCC 19977 и встраивали этот штамм в агаровые гранулы, как описано выше. На рисунке 1А показан диапазон размера валика (масштабная линейка = 200 мкм). На рисунке 1B показана нагрузка на 6 независимых препаратов валика, демонстрируя воспроизводимость описанной процедуры.
Нанесение покрытия на шприц, проталкивание и бактериальная имплантация после внутритрахеального посева
Внутритрахеальная инокуляция была оптимизирована в два этапа. КОЕ/мл подсчитывали в инокулюменте до и после прохождения через стеклянный шприц, чтобы гарантировать отсутствие потерь гранул или бактерий при прохождении шариков через шприц и подключенную трубку. В таблице 1 показан начальный бактериальный титр двух независимых препаратов в гранулах (испытания 1 и 2) и количество извлеченных КОЕ на 100 мл «продавленных» образцов из одной загрузки шприца. Чтобы избежать потерь шариков и бактерий, необходим стеклянный шприц, соединенный с металлической трубкой. Бусины агара имеют тенденцию прилипать к пластиковым поверхностям.
Подсчет КОЕ с течением времени в препарате гранул показал, что бактериальная нагрузка гранул оставалась стабильной на уровне 4 °C в течение 1 недели, с ~2-кратной потерей бактериальной нагрузки за 2 недели и ненарушенным отложением в легких. Затем группы от 5 до 8 мышей были инфицированы тремя независимыми препаратами гранул, чтобы проверить воспроизводимость процедуры внутритрахеальной инокуляции. В таблице 2 показано количество КОЕ в легких на одну мышь, перечисленное через 24 часа после заражения, как описано.
Наконец, межоператорная воспроизводимость инфекции оценивалась путем инфицирования трех групп по 10 мышей CD-1, каждая из которых выполнялась разными операторами. КОЕ в легких, перечисленные через 24 ч после заражения, показаны на рисунке 2.
Рисунок 1: Пилотный эксперимент для оценки размера гранул, визуализации и количественного определения бактериальной нагрузки M. abscessus . (A) Бусины агара, содержащие штамм M. abscessus ATCC 19977, сконструированы для экспрессии флуоресцентного белка mCherry red под конститутивным промотором hsp60. Пять μл суспензии в гранулах наносили на предметное стекло и визуализировали с помощью флуоресцентного микроскопа, оснащенного камерой (объектив 10x). Каждая красная точка представляет собой флуоресцентную бактериальную клетку, заключенную в шарики агара диаметром от ~70-250 мкм. (B) Бактериальная нагрузка в КОЕ/мл 6 отдельных препаратов гранул показывает воспроизводимость метода. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2: Межоператорная воспроизводимость инфекции. Группы из 10 самок мышей CD-1 интрахеально инфицировались тремя независимыми операторами, как описано, с использованием одного и того же препарата в гранулах. Показаны перечисленные КОЕ в легких через 24 ч после заражения. O1, O2, O3: операторы 1, 2 и 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
КОЕ/100 μл | ||
Подготовка швов | Пробное испытание 1 | Испытание 2 |
1.13Э+05 | 2.40Э+05 | |
Образец для проталкивания шприца | ||
1 | 1.14Э+05 | 5.10Э+05 |
2 | 1.36Э+05 | 4.10Э+05 |
3 | 9.30Э+04 | 3.90Э+05 |
4 | 9,80Э+04 | 3.60Э+05 |
5 | 1.14Э+05 | |
Средний | 1.11Э+05 | 4.18Э+05 |
СД | 1.69E+04 (15%) | 6.50E+04 (16%) |
Таблица 1: Колониеобразующие единицы (КОЕ) на 100 μл-образец после прохождения через стеклянный шприц и металлическую подающую иглу.
Пробное испытание 1 | Испытание 2 | Пробная версия 3 | |||
Идентификатор мыши | КОЕ в легких/мышь | Идентификатор мыши | КОЕ в легких/мышь | Идентификатор мыши | КОЕ в легких/мышь |
М-1 | 6.50Э+03 | М-6 | 2.20Э+05 | М-11 | 6.80Э+04 |
М-2 | 1.10Э+04 | М-7 | 2.70Э+05 | М-12 | 1.70Э+05 |
М-3 | 1.40Э+04 | М-8 | 8.10Э+04 | М-13 | 2.10Э+05 |
М-4 | 3.20Э+03 | М-9 | 1.40Э+05 | М-14 | 4.40Э+04 |
М-5 | 4.50Э+03 | М-10 | 1.30Э+05 | М-15 | 7.50Э+04 |
М-16 | 1.01Э+05 | ||||
М-17 | 7.00Э+04 | ||||
М-18 | 5.80Э+03 | ||||
Средний | 7.84Э+03 | Средний | 1.68Э+05 | Средний | 9.30Э+04 |
СД | 4.54E+03 (58%) | СД | 7.57E+04 (45%) | СД | 6.67E+04 (72%) |
Таблица 2: Имплантация шарика агара, внедренного M. abscessus , в легкие мыши через 24 часа после инокуляции
Чтобы обеспечить равномерное распределение бактерий в шариках агара, важно равномерно взвесить расплавленную смесь агара и бактерий перед добавлением ее в масляную фазу. Объемное соотношение масла и агар-бактерий имеет решающее значение для контроля размера гранул. Более высокое соотношение масла к агару приводит к образованию более мелких шариков агара. При смешивании суспензии агар-бактерий с масляной фазой решающее значение имеет контроль температуры. Масляно-агаровая смесь должна быть достаточно теплой, чтобы обеспечить эмульгирование и образование капель, но достаточно холодной, чтобы не навредить бактериям. Непрерывное перемешивание при охлаждении смеси до комнатной температуры или ниже позволяет каплям агара образовываться и затвердевать.
Правильная калибровка перемешивающей пластины, размер мешалки, а также форма и размер колбы являются важными факторами, определяющими равномерность вихря. Перемешивающая планка, расположенная в центре колбы, создает симметричный вихрь, обеспечивая равномерное перемешивание. Смещенная от центра перемешивание полосы может привести к нестабильному вихрю, в результате чего бусины неправильной формы и появятся пузырьки воздуха в бусинах. Рекомендуется мониторинг и регулировка положения перемешивающей планки в режиме реального времени. Объем колбы должен быть пропорционален объему масляно-агаровой смеси. Колба объемом 500 мл идеально подходит для вращения масляно-агаровой смеси объемом 90 мл, создавая видимый вихрь. При использовании колб большего размера важно регулировать объем масляно-агаровой смеси, размер мешалки и скорость вихря, чтобы достичь баланса между эффективным перемешиванием и стабильным вихрем. Поддержание постоянной скорости завихрения во время процесса и при подготовке сварного шва имеет решающее значение для воспроизводимости от партии к партии.
Процесс приготовления агаровых шариков, в частности, скорость вихревого движения и соотношение масла-агара, адаптированы из16,22 с незначительными изменениями. Поперечные силы внутри вращающегося вихря по своей природе приводят к образованию бусин разных размеров. Чтобы свести к минимуму эту изменчивость размера, стадия сбора бусин была модифицирована путем введения нескольких стадий промывки, используя градиент уменьшающейся скорости центрифугирования и времени для обеспечения удаления мелких гранул (и свободных бактерий). Микросетчатый фильтр был использован для обогащения гранул желаемого размера, эффективно отфильтровывая более крупные гранулы и те, которые могли образоваться в результате случайной коалесценции. Чтобы избежать потерь шариков или бактерий при прохождении суспензии через шприц и подключенную трубку для внутритрахеального инокуляции мыши, крайне важно использовать стеклянный шприц, металлические подающие иглы 24 G и металлическую трубку.
Основным ограничением метода является техническая сложность подготовки шариков и внутритрахеального инокуляции для достижения воспроизводимой нагрузки на шарики и имплантации легких. Требуется внимание к деталям и умение устранять неполадки. Кроме того, модель не была полностью проверена путем тестирования эффективности стандартных антибиотиков и наиболее частых комбинаций антибиотиков, назначаемых пациентам с Маб.
В настоящее время ни одна мышиная модель хронической инфекции Mab не была валидирована до такой степени, чтобы эффективность отдельных агентов и комбинаций лекарств у пациентов можно было обоснованно предсказать с помощью модели9. Мышиная система C57BL/6, встроенная в агаровые шарики, была использована для проверки эффективности антимикробной терапии 15,19,23. Ближайшей альтернативой мышиной системе C57BL/6 со встроенными в бусины агарами является мышиная модель C3HeB/FeJ, которая полагается на иммуносупрессию дексаметазона для достижения длительной хронической инфекции24,25. Преимущества описанного здесь протокола заключаются в том, что (i) можно использовать полностью иммунокомпетентных и наиболее доступных мышей C57BL/6, (ii) продуктивная и хроническая инфекция может быть получена с помощью хорошо охарактеризованного типового штамма ATCC 19977, и (iii) отсутствует потребность в химически индуцированной иммуносупрессии, что позволяет избежать необходимости ежедневных инъекций дексаметазона, тем самым избегая потенциальных лекарственных взаимодействий и влияния на иммунопатологию легких.
Учитывая отсутствие валидированных мышиных моделей хронической инфекции Mab для оценки новых кандидатов в лекарства и схем приема лекарств 8,9, описанный здесь метод может продвинуть эту область вперед, повысить прогностическую ценность данных о доклинической эффективности, помочь определить приоритеты схем лечения с наибольшим потенциалом для обеспечения долгосрочного лечения и в целом ускорить открытие и разработку лекарств для лечения болезни легких Mab. Метод может быть применен к другим патогенам легких и имеет установленный послужной список для P. aeruginosa или Haemophilus influenza. Основная цель описанного здесь протокола заключается в предоставлении достаточных подробностей и рекомендаций для обеспечения простоты реализации и превосходной воспроизводимости от лаборатории к лаборатории.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
Эта работа была профинансирована Фондом муковисцидоза, присуждением DICK24XX0, TD и VD, и R01-AI132374 от NIH-NIAID TD и 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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены