The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
This translation into Dutch was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages
1Institute of Infection and Global Health, University of Liverpool, 2NIHR Biomedical Research Centre in Microbial Disease, University of Liverpool
Kirchner, S., Fothergill, J. L., Wright, E. A., James, C. E., Mowat, E., Winstanley, C. Use of Artificial Sputum Medium to Test Antibiotic Efficacy Against Pseudomonas aeruginosa in Conditions More Relevant to the Cystic Fibrosis Lung. J. Vis. Exp. (64), e3857, doi:10.3791/3857 (2012).
Er is een groeiende bezorgdheid over de relevantie van in vitro antimicrobiële gevoeligheid testen wanneer toegepast op isolaten van P. aeruginosa bij cystic fibrosis (CF) patiënten. Bestaande methoden rekenen op enkele of een paar isolaten aëroob en planktonically gegroeid. Vooraf bepaalde cut-offs worden gebruikt om te bepalen of de bacteriën gevoelig zijn voor of tegen een bepaald antibioticum 1. Echter, tijdens chronische longinfecties bij CF, P. aeruginosa populaties bestaan in biofilms en er is bewijs dat de omgeving voor een groot deel Microaërofiele 2. Het grote verschil in voorwaarden tussen bacteriën in de longen en die tijdens het diagnostisch onderzoek is in twijfel getrokken de betrouwbaarheid en ook de relevantie van deze tests 3.
Kunstmatige sputum medium (ASM) is een kweekmedium dat de componenten van de CF-patiënt sputum, zoals aminozuren, mucine en gratis DNA. P. aeruginosa </ Em> de groei in ASM mimiek groei in CF-infecties, met de vorming van zelf-aggregatie van biofilm structuren en de bevolking divergentie 4,5,6. Het doel van deze studie was om een microtiterplaat-plate assay voor antimicrobiële resistentie van P. te bestuderen ontwikkelen aeruginosa gebaseerd op groei in ASM, die van toepassing is zowel Microaërofiele en aërobe omstandigheden.
Een ASM-test werd ontwikkeld in een microtiterplaat formaat. P. aeruginosa biofilms mochten ontwikkelen 3 dagen incubatie met antimicrobiële agentia op verschillende concentraties 24 uur. Na de biofilm verstoring, werd levensvatbaarheid van de cellen gemeten door kleuring met resazurin. Deze test werd gebruikt om de vastzittende cel minimale remmende concentratie (SMIC) van tobramycine vast te stellen voor 15 verschillende P. aeruginosa isolaten onder aërobe en Microaërofiele voorwaarden en SMIC waarden werden vergeleken met die verkregen met standaard bouillon groei. Hoewel erenig bewijs voor een hogere MIC-waarden voor isolaten gekweekt in ASM in vergelijking met hun planktonische tegenhangers, werden de grootste verschillen gevonden met bacteriën getest in Microaërofiele voorwaarden, die een veel grotere weerstand toonde aan tot een> 128 maal, in de richting tobramycine in de ASM-systeem bij het opzichte assays in aërobe omstandigheden plaatsvinden.
Het gebrek aan samenhang tussen de huidige gevoeligheid testmethoden en de klinische uitkomst heeft vraagtekens gezet bij de validiteit van de huidige methoden 3. Verschillende in vitro modellen eerder gebruikt P. bestuderen aeruginosa biofilms 7, 8. Echter, deze methoden vertrouwen op het oppervlak van bijgevoegde biofilms, terwijl de ASM biofilms lijken op die waargenomen in de CF long 9. Bovendien is verminderd zuurstofconcentratie in het slijm is weergegeven het gedrag van P. veranderen aeruginosa 2 invloed antibiotica gevoeligheid 10. Daarom using ASM onder Microaërofiele omstandigheden kunnen zorgen voor een meer realistische omgeving om in te antimicrobiële gevoeligheid te bestuderen.
1. Voorbereiding van Kunstmatige Sputum Medium (ASM)
2. Bepaling van de Planktonische Wintereik Cell Minimum Metabolic remmende concentratie (PSMIC)
3. Bepaling van de Biofilm Wintereik Cell Minimaal Remmende Concentratie (BSMIC)
4. Representatieve resultaten
ASM biofilmvorming kan in kleine (2 ml) en de toevoeging biofilms volledig gevormd binnen de 3 dagen (figuur 1A). Dit kan worden aangetoond door streng pipetteren de biofilm, dat moet moeilijk te verstoren. De microkolonies zijn vergelijkbaar met die gekweekt in grotere hoeveelheden 4 (figuur 1b). Figuur 2 grote verschillen tussen cellen planktonically en in een biofilm gekweekt zoals gedetecteerd door elektronenmicroscopische afbeelding analyse. Biofilm culturen duidelijk aanzienlijke niveaus van extracellulaire matrix rondom de cellen en de individuele structuren binnen de biofilm zijn moeilijk te identificeren.
Verschillende studies suggereren dat de biofilm levensstijl kan antimicrobiële gevoeligheid 13, 14 beïnvloeden. De kleine schaal ASM assay kan worden zonnepaneel zelfsrmine de BSMIC van meerdere antibiotica meerdere isolaten tegelijk. De werkstroom van de test is in figuur 3. Het effect van antibiotica op de bacteriële levensvatbaarheid van de cellen kan worden gemeten met behulp van de resazurin test. Antibiotica, in dit geval tobramycine, worden toegevoegd aan de bekende biofilm en gedurende 24 uur. Hierna wordt de biofilm wordt verstoord en resazurin wordt toegevoegd.
Metabolisch actieve cellen kan de kleurstof resazurin resulteert in een kleurverandering van blauw (resazurin) naar roze (resorufin) 15. Figuur 4A toont een voorbeeld assay waarin P. aeruginosa werd geïncubeerd met verschillende concentraties tobramycine voor biofilm verstoring en toevoeging van resazurin in een microtiterplaat. De blauwe niet-fluorescerende kleur geeft aan niet-levensvatbare cellen, terwijl levensvatbare cellen de kleurstof te reduceren tot de roze tl-vorm, resorufin. De SMIC kan dan worden berekend door het omzetten van fluorescentie in percentageresterende bacteriële leefbaarheid. Figuur 4B toont de verandering in% levensvatbaarheid bij toenemende tobramycine. 10% levensvatbaarheid werd gekozen als een cut-off om het minimumloon verdienen 90 te berekenen.
Onder aërobe omstandigheden, de tobramycine SMIC 90 waarden zijn hoger voor de cellen gekweekt als een biofilm dan die van planktonische culturen. Tabel 1 toont de variatie in PSMIC 90 en 90 BSMIC alle geteste stammen. Uit tabel 2 blijkt dat onder aërobe omstandigheden een dramatische toename in resistentie tegen tobramycine (2> 32-voudige toename in SMIC) werd waargenomen voor de meeste isolaten wanneer gekweekt in ASM (biofilm) vergeleken met LB (plankton mode). Bovendien biofilms gekweekt onder omstandigheden Microaërofiele vertoonden een verhoogd SMIC tussen 2 en> 128-voudige opzichte van biofilm gekweekt onder aërobe omstandigheden.

Figuur1. Biofilmvorming van P. aeruginosa in ASM P. aeruginosa stam PAO1 vormt macroscopisch zichtbaar pollen (microkolonies) wanneer ze groeien in ASM. A, vorming van biofilm in 30 ml ASM culturen (grootschalige) na 7 dagen de groei in de schroefdop glas Duran kolven. B, biofilmvorming in 2 ml ASM culturen ( kleinschalige) na 3 dagen groei in 24-well polystyreenplaten.

Figuur 2. TEM microfoto van ASM biofilms A / C TEM microscoop (x; 27.000) van PAO1 gegroeid planktonically en in ASM, respectievelijk, B / D TEM microfoto (x57, 000) van PAO1grown planktonische en in ASM, respectievelijk. Planktonically gegroeid bacteriën werden gedurende de nacht gekweekt in LB-bouillon. Biofilms werden gekweekt gedurende 7 dagen in 30 ml ASM culturen. Zwarte pijlen verwijzen naar cellen in de biofilm en de sterren verwijzen naar extracellulaire ruimtes. Schaal bars = 1urn.

Figuur 3. Workflow van de ASM biofilm antimicrobiële gevoeligheid test.

Figuur 4. Gebruik van resazurin voor het bepalen van antibiotica gevoeligheid Bacteriële cellen werden geïncubeerd met verschillende concentraties van het antibioticum de resterende metabolische activiteit werd bepaald met behulp resazurin. A De blauwe niet fluorescerende geoxideerde vorm van resazurin geeft niet-levensvatbare cellen en gereduceerd door metabolische actieve cellen tot roze fluorescerende resorufin. B, wordt fluorescentie-intensiteit omgezet in percentage van de resterende bacteriële levensvatbaarheid. 10% levensvatbaarheid werd gekozen als cut-off om de MSMIC90 te berekenen. Klik hier om lar te bekijkenger figuur.
| Stammen | PSMIC 90 (ug / ml) 1 | BSMIC 90 (ug / ml) 1 | ||
| Aerobic | Microaërofiele 2 | Aerobic | Microaërofiele 2 | |
| PAO1 | 4 | 4 | 8 | > 512 |
| Liverpool Epidemic Strain (LES) isoleert | ||||
| LESB58 21 | 8 | 64 | 64 | 128 |
| LES400 22 | 32 | 128 | 8 | 256 |
| LESB25 | 16 | 32 | 256 | 512 |
| LESB55 | 16 | 64 | 64 | > 512 |
| LESB64 | 16 | 64 | > 512 | > 512 |
| LES431 22 | 4 | 8 | 32 | > 512 |
| LESB49 | 16 | 64 | 64 | 256 |
| LES109 | 32 | 128 | 32 | > 512 |
| Niet-LES isolaten | ||||
| 49461 | 16 | 32 | 16 | > 512 |
| 59032 | 0,5 | 2 | 4 | > 512 |
| 59073 | > 512 | > 512 | > 512 | > 512 |
| 59076 | 16 | 32 | 32 | > 512 </ Td> |
| 27 | 8 | 16 | 4 | > 512 |
| 45 | 16 | 32 | 4 | > 512 |
Tabel 1. Gevoeligheid van P. aeruginosa voor tobramycine.
1 Voor de bepaling van PSMICs en BSMICs tobramycine werd gebruikt in 2-voudige seriële verdunningen
variërend 512 tot 0,5 pg / ml (n = 8 voor elke concentratie) en 512-1 pg / ml (n = 4 voor elk
concentratie), respectievelijk; PSMICs werden bepaald met behulp van de standaard
microverdunningsplaten methode 1.
2 Microaërofiele omstandigheden waren 5% O 2, 10% CO2 en 85% N2.
| Spannen | PSMIC 90 / BSMIC 90 voudige verandering 1 | |||
| PSMIC aërobe → PSMIC Microaërofiele | BSMIC aërobe → BSMIC Microaërofiele | PSMIC aërobe → BSMIC aërobe | PSMIC Microaërofiele → BSMIC Microaërofiele | |
| PAO1 | 0 | > 64 | 2 | 128 |
| LES isoleert | ||||
| LESB58 | 8 | 2 | 8 | 2 |
| LES400 | 4 | 32 | 0,25 | 2 |
| LESB25 | 2 | 2 | 16 | 16 |
| LESB55 | 4 | > 8 | 4> 8 | |
| LESB64 | 4 | ND | > 32 | > 8 |
| LES431 | 2 | > 16 | 8 | > 64 |
| LESB49 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| LES109 | 4 | 16 | 0 | > 4 |
| Niet-LES isolaten | ||||
| 49461 | 2 | > 32 | 0 | > 16 |
| 59032 | 4 | > 128 | 8 | > 256 |
| 59073 | ND | ND | ND | ND |
| 59076 | 2 | > 16 | 2> 16 | |
| 27 | 2 | > 128 | 0,5 | > 32 |
| 45 | 2 | > 128 | 0,25 | > 16 |
Tabel 2. Vouw de verandering van PSMICs en BSMICs voor tobramycine.
1 ND, niet bepaald; waarden in vet geven aan SMIC fold change van> 10.
In deze studie hebben we gebruik gemaakt van een nieuw in vitro model op basis van ASM aan P. repliceren aeruginosa biofilm omstandigheden binnen de CF long 4. Het model is met succes aangepast voor kleinschalige, high-throughput testen van antimicrobiële middelen.
De kritische stappen van deze test zijn:
Een voor de hand liggende toepassing van het kleinschalige ASM biofilm model is de meer realistische bepaling van de biofilm antimicrobiële gevoeligheid (BSMIC 90). Anaërobe en Microaërofiele niches aanwezig zijn in de CF long-en zijn er aanwijzingen dat zuurstof diep is beperkt tot volwassen biofilms 2, 17. Hier laten we zien dat de 10/14 klinische P. aeruginosa isolaten van CF-patiënt sputa vertonen een aanzienlijke (4 - ≥ 128 maal) afname van de gevoeligheid voor tobramycine onder Microaërofiele omstandigheden in ASM. De resultaten van deze studie blijkt dat antibiotica zoals tobramycine, kan minder effectief tegen P. aeruginosa infecties in de CF long dan wordt aangegeven door middel van conventionele gevoeligheid testmethoden. Deze resultaten wijzen eerdere studies over de antimicrobiële gevoeligheid van biofilms 10. Small-schaal ASM testen dus een eenvoudige high throughput platform voor het genereren van zinvolle antibiotica gevoeligheid van gegevens beter te informeren therapeutische beslissingen. De test wordt beperkt dezelfde wijze als conventioneel antibioticum gevoeligheidstests dat afzonderlijke kolonies worden opgenomen voor het screenen die niet representatief voor de gehele populatie. Toch zijn wij van mening dat een aanpak die (i) het gebruik van niet-oppervlak aangesloten biofilm groei en (ii) van toepassing zijn op Microaërofiele omstandigheden, een duidelijk alternatief en een mogelijke verbetering van bestaande methoden vertegenwoordigt. We concluderen dat deze test is een geschikt model om P. te bestuderen aeruginosa biofilm populaties. Nader onderzoek in een klinische context zou worden nagegaan of antibiotica gevoeligheden op basis van biofilm-grown P. aeruginosa kan leiden tot verschillende antibiotica keuzes met potentieel verbeterde microbiologische en klinische uitkomsten. Vergelijkbare onderzoeken met behulp van klassieke biofilm modellen hebben aangetoond dat BSMIC waarden leidenverschillende aanbevelingen voor de behandeling met antibiotica 5,17.
Naast het testen van de effectiviteit van anti-infectieuze middelen, de ASM systeem is een goedkope, eenvoudige en reproduceerbare alternatief voor dierlijke modellen voor studies, zoals die gericht op het begrijpen van de diversificatie van P. aeruginosa populaties. Wij zien veel heterogeniteit in natuurlijke populaties van P. aeruginosa hersteld van CF-patiënt sputa 18, 19. Vergelijkbare fenotypische en genotypische diversificatie kunnen worden waargenomen tijdens de groei in ASM 4 (en onze niet-gepubliceerde gegevens), waardoor het een aantrekkelijk in vitro model van de CF-longaandoeningen. De relatieve eenvoud van het model ASM eenvoudig te ontwerpen langdurige aanpassing experimenten gericht, bijvoorbeeld op de effecten van de antibiotica of andere spanningen op blz. aeruginosa bevolking divergentie. Bovendien kunnen andere bacteriële pathogenen worden gekweekt inASM. Bijvoorbeeld, Fouhy et al.. 2007 gebruik hebben gemaakt van ASM om biofilmvorming te bestuderen door S. maltophillia 20.
Geen belangenconflicten verklaard.
Wij erkennen de steun van het Verenigd Koninkrijk Nationaal Instituut voor Gezondheidsonderzoek, de Dr Hadwen Trust for Humane Research, toonaangevende medische van het Verenigd Koninkrijk onderzoek liefdadigheidsinstelling die uitsluitend niet-dierlijke onderzoekstechnieken ter vervanging van dierproeven, en de Wellcome Trust (Grant 089215). We hebben ook erkennen Novartis Pharmaceuticals Ltd Verenigd Koninkrijk (onbeperkte educatieve subsidie).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| DNA from fish sperm | Sigma-Aldrich | 74782 | |
| Mucin from porcine stomach, type II | Sigma-Aldrich | M2378 | |
| L-Alanine | Acros Organics | 102830250 | |
| L-Arginine | Sigma-Aldrich | A5006 | |
| L(+)-Asparagine monohydrate | Acros Organics | 175271000 | |
| L(+)-Aspartic acid | Acros Organics | 105041000 | |
| L-Cysteine | Sigma-Adrich | 168149 | |
| L(+)-Glutamic acid | Acros Organics | 156211000 | |
| L-Glutamine | Sigma-Aldrich | G3126 | |
| Glycine | Acros Organics | 220911000 | |
| L-Histidine | Sigma-Adrich | H8000 | |
| L-Isoleucine | Sigma-Aldrich | I2752 | |
| L-Leucine | Sigma-Aldrich | L8000 | |
| L(+)-Lysine monohydrochloride | Acros Organics | 125222500 | |
| L-Methionine | Sigma-Aldrich | M9625 | |
| L-Phenylalanine | Acros Organics | 130310250 | |
| L-Proline | Sigma-Aldrich | P0380 | |
| L-Serine | Acros Organics | 132660250 | |
| L-Threonine | Acros Organics | 138930250 | |
| L(-)-Tryptophan | Acros Organics | 140590250 | |
| L-Tyrosine | Acros Organics | 140641000 | |
| L-Valine | Sigma-Aldrich | V0500 | |
| Diethylenetriaminepentaacetic acid | Sigma-Aldrich | 32318 | |
| NaCl | Fisher Scientific | S/3160/60 | |
| KCl | VWR | BDH0258 | |
| KOH | VWR | BDH0262 | |
| Egg yolk emulsion | Sigma-Aldrich | 17148 | |
| ME 2 diaphragm vacuum pump | Vacuubrand | 696126 | |
| Steritop filters (Pore size: 0.22 μm, Neck size: 45 mm) | EMD Millipore | SCGPT10RE | |
| Luria-Bertani medium | Sigma-Aldrich | L2897 | |
| 96-well microtitre plates | Sarstedt Ltd | 82.1581 | |
| 24-well tissue culture-treated plates | Iwaki, Asahi Techno Glass Corp. | 3820-024 | |
| CampyGen gas generation packs | Oxford Labware | CN0025 | |
| Microaerophilic chamber | Oxford Labware | HP0011 | |
| Tobramycin sulphate | Sigma-Aldrich | T1783 | |
| Cellulase, from Aspergillus niger | Sigma-Aldrich | 22178 | |
| Resazurin | Sigma-Aldrich | 199303 | |
| Citrate.H20 | VWR | BDH0288 | |
| Fluostar omega microplate reader | BMG-Labtech | SPECTROstar Omega |
1
ReplyPosted by: Cory G.June 6, 2012, 1:53 PM