The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
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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).
Vi è una crescente preoccupazione per la rilevanza dei test di sensibilità in vitro agli antimicrobici quando applicata a isolati di P. aeruginosa da fibrosi cistica (CF) pazienti. Metodi esistenti contare su uno o alcuni isolati coltivati aerobicamente e planktonically. Predeterminate cut-off sono utilizzati per definire se i batteri sono sensibili o resistenti a qualsiasi antibiotico somministrato 1. Tuttavia, durante le infezioni polmonari croniche in CF, P. popolazioni aeruginosa esistono in biofilm e vi sono prove che l'ambiente è in gran parte microaerofilo 2. La netta differenza di condizioni tra i batteri nel polmone e quelli durante i test diagnostici ha messo in discussione l'affidabilità e la rilevanza anche di questi test 3.
Media espettorato artificiale (ASM) è un terreno di coltura contenente i componenti di espettorato dei pazienti CF, tra cui aminoacidi, mucina e il DNA libero. P. aeruginosa </ Em> Crescita in ASM crescita mimica durante le infezioni CF, con la formazione di auto-aggregazione di strutture biofilm e divergenza della popolazione 4,5,6. Lo scopo di questo studio era di sviluppare un microtitolazione-piastra di analisi per studiare sensibilità agli antibiotici di P. aeruginosa basata sulla crescita in ASM, che è applicabile a queste due condizioni microaerofili e aerobica.
Un saggio di ASM è stato sviluppato in un formato micropiastra. P. biofilm aeruginosa sono stati lasciati sviluppare per 3 giorni prima dell'incubazione con agenti antimicrobici a diverse concentrazioni per 24 ore. Dopo l'interruzione biofilm, la vitalità cellulare è stata misurata mediante colorazione con resazurina. Questo test è stato utilizzato per accertare la sessile concentrazione minima inibitoria delle cellule (SMIC) di tobramicina per 15 differenti P. aeruginosa isolati in condizioni aerobiche e microaerofili SMIC ei valori sono stati confrontati con quelli ottenuti con brodo di crescita standard. Mentre non vi eraalcune prove per i valori di MIC maggiori per isolati coltivati in ASM rispetto ai loro omologhi planctonici, le maggiori differenze sono state trovate con i batteri testati in condizioni microaerofili, che hanno mostrato una resistenza molto aumentata fino ad un> 128 volte, verso tobramicina nel sistema ASM, quando rispetto ai saggi effettuati in condizioni aerobiche.
La mancanza di associazione tra i metodi attuali test di sensibilità e risultati clinici ha messo in dubbio la validità dei metodi attuali 3. Vari modelli in vitro sono stati utilizzati precedentemente per studiare P. biofilm aeruginosa 7, 8. Tuttavia, questi metodi si basa su biofilm di superficie collegati, mentre i biofilm ASM simili a quelli osservati nel polmone CF 9. Inoltre, la concentrazione di ossigeno ridotto nel muco è stato dimostrato che alterano il comportamento di P. aeruginosa 2 e pregiudica la suscettibilità agli antibiotici 10. Pertanto using ASM in condizioni microaerofili può fornire un ambiente più realistico in cui studiare sensibilità agli antibiotici.
1. Preparazione del mezzo dell'espettorato artificiale (ASM)
2. Determinazione del Sessile concentrazione minima inibitoria cellule planctoniche Metabolica (PSMIC)
3. Determinazione del Biofilm Sessile minima concentrazione inibente Cell (BSMIC)
4. Risultati rappresentativi
Formazione di biofilm ASM è possibile in piccole (2 ml) volumi e le biofilm sono completamente formate entro 3 giorni (Figura 1A). Questo può essere dimostrato rigorosamente pipettando del biofilm, che dovrebbe essere difficile da interrompere. I microcolonie sono paragonabili a quelli cresciuti in volumi maggiori 4 (figura 1B). Figura 2 mostra le principali differenze tra le cellule coltivate planktonically e in un biofilm rilevata da analisi di immagine al microscopio elettronico. Culture biofilm mostrano chiaramente i livelli considerevoli di matrice extracellulare che circonda le cellule e le strutture dei singoli all'interno del biofilm sono difficili da identificare.
Diversi studi suggeriscono che lo stile di vita biofilm può influenzare la suscettibilità agli antibiotici 13, 14. Il nostro piccolo saggio di scala ASM può essere utilizzato per determine la BSMIC di antibiotici multipli per isolati multipli contemporaneamente. Il flusso del saggio è mostrato in Figura 3. L'effetto di antibiotici sulla vitalità cellulare batterica può essere misurata usando il saggio resazurina. Antibiotici, in questo caso tobramicina, può essere aggiunto al biofilm stabilito e incubate per 24 h. Dopo questo il biofilm è interrotta e resazurina viene aggiunto.
Cellule metabolicamente attive può ridurre il colorante resazurina conseguente cambiamento di colore dal blu (resazurina) al rosa (resorufina) 15. Figura 4A mostra un saggio esempio in cui P. aeruginosa è stata incubata con differenti concentrazioni di tobramicina prima interruzione biofilm e aggiunta di resazurina in una piastra di microtitolazione. Il blu non fluorescenti colore indica cellule non vitali, mentre le cellule vitali di ridurre il colorante alla forma rosa fluorescente, resorufina. Lo SMIC può quindi essere calcolata convertendo fluorescenza in percentualerimanente vitalità batterica. Figura 4B mostra la variazione vitalità% con concentrazione crescente tobramicina. 10% di redditività è stato scelto come cut-off al fine di calcolare la SMIC 90.
In condizioni aerobiche, tobramicina SMIC i 90 valori sono superiori per le cellule coltivate come biofilm da quelli delle culture planctonici. La tabella 1 mostra la variazione in PSMIC BSMIC 90 e 90 per tutti gli isolati testati. Tabella 2 mostra che in condizioni aerobiche, un drammatico aumento della resistenza alla tobramicina (2 a> 32 volte maggiore in SMIC) è stato osservato per la maggior parte degli isolati, quando coltivate in ASM (biofilm mode) rispetto a LB (modalità planctonico). Inoltre, biofilm coltivate in condizioni microaerofili esposto uno SMIC maggiore tra 2 e> 128-volte rispetto ai biofilm cresciuti in condizioni aerobiche.

Figura1. Formazione di biofilm di P. aeruginosa in ASM P. ceppo aeruginosa PAO1 forma grumi macroscopicamente visibili (microcolonie) quando coltivate in ASM. A, la formazione di biofilm in 30 ml culture ASM (grande) dopo 7 giorni in crescita tappo a vite in vetro Duran fiaschi. B, la formazione di biofilm in 2 ml culture ASM ( piccola scala) dopo 3 giorni di crescita in piastre da 24 pozzetti di polistirene.

Figura 2. Micrografie TEM di biofilm ASM A / C al microscopio TEM (x; 27.000) cresciuti del PAO1 planktonically e in ASM, rispettivamente, B / D micrografia TEM (x57, 000) di planctonici PAO1grown ed in ASM, rispettivamente. Batteri Planktonically cresciute sono state coltivate per tutta la notte in brodo LB. I biofilm sono state coltivate per 7 giorni in 30 ml culture ASM. Frecce nere fare riferimento a celle all'interno del biofilm e le stelle si riferiscono agli spazi extracellulari. Barre di scala = 1um.

Figura 3. Workflow della ASM test biofilm suscettibilità agli antibiotici.

Figura 4. L'uso della resazurina per la determinazione della suscettibilità di antibiotici sono state incubate cellule batteriche con differenti concentrazioni di antibiotico e l'attività metabolica rimanente è stata determinata utilizzando resazurina. A, il blu non fluorescente forma ossidata di resazurina indica cellule non vitali e si riduce metabolica cellule attive al rosa fluorescente resorufina. B, l'intensità di fluorescenza viene convertito in percentuale di rimanere vitalità batterica. 10% di redditività è stato scelto come cut-off al fine di calcolare la MSMIC90. Clicca qui per visualizzare larger figura.
| Ceppi | PSMIC 90 (pg / ml) 1 | BSMIC 90 (pg / ml) 1 | ||
| Aerobico | Microaerofili 2 | Aerobico | Microaerofili 2 | |
| PAO1 | 4 | 4 | 8 | > 512 |
| Liverpool Epidemic Strain (LES) isola | ||||
| 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 |
| Non-LES isolati | ||||
| 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 |
Tabella 1. Sensibilità di P. aeruginosa alla tobramicina.
1 Per la determinazione del PSMICs e BSMICs tobramicina è stata utilizzata in diluizioni seriali di 2 volte
vanno 512-0,5 mg / ml (n = 8 per ciascuna concentrazione) e 512-1 pg / ml (n = 4 per ciascun
concentrazione), rispettivamente;; PSMICs sono stati determinati usando lo standard
microdiluizione metodo 1.
2 condizioni microaerofili erano del 5% O 2, 10% CO 2, e 85% N 2.
| Sforzo | PSMIC 90/90 BSMIC fold change 1 | |||
| PSMIC aerobica → PSMIC microaerofilo | BSMIC aerobica → BSMIC microaerofilo | PSMIC aerobica → BSMIC aerobica | PSMIC microaerofilo → BSMIC microaerofilo | |
| PAO1 | 0 | > 64 | 2 | 128 |
| LES isola | ||||
| 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 |
| Non-LES isolati | ||||
| 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 |
Tabella 2. Fold change di PSMICs e BSMICs alla tobramicina.
1 ND, non determinati, valori in grassetto indicano le modifiche SMIC piega> 10.
In questo studio abbiamo utilizzato un nuovo modello in vitro sulla base di ASM per replicare P. biofilm condizioni aeruginosa all'interno del polmone CF 4. Il modello è stato modificato con successo per la piccola, high-throughput test di agenti antimicrobici.
I passaggi critici di questo test sono:
Un'applicazione evidente del modello di piccola scala biofilm ASM è la determinazione più realistica di suscettibilità biofilm BSMIC antimicrobici (90). Nicchie anaerobici e microaerofili sono presenti nel polmone CF e vi sono prove che l'ossigeno è limitata nel profondo del biofilm maturo 2, 17. Qui si dimostra che 10/14 clinica P. aeruginosa isolati da pazienti Sputa CF presentano una notevole (4 - ≥ 128 volte) diminuzione della sensibilità alla tobramicina in condizioni microaerofili in ASM. I risultati di questo studio suggeriscono che antibiotici, come tobramicina, potrebbero essere meno efficaci contro P. aeruginosa nei polmoni CF quelli indicati con i metodi convenzionali test di sensibilità. Questi risultati riflettono gli studi precedenti sulla sensibilità agli antibiotici di biofilm 10. Small-scala saggi ASM quindi fornire una piattaforma semplice, ad alto rendimento per la generazione di significativi dati di sensibilità agli antibiotici per informare meglio le decisioni terapeutiche. Il saggio è limitata nello stesso modo convenzionale test di sensibilità agli antibiotici in singole colonie che vengono prelevati per lo screening che non può essere rappresentativa della popolazione. Tuttavia, riteniamo che un approccio (i) con superficie di crescita non collegato biofilm e (ii) applicabile alle condizioni microaerofili, rappresenta un'alternativa chiara e un potenziale miglioramento dei metodi esistenti. Concludiamo che questo test è un modello adeguato per lo studio P. aeruginosa biofilm popolazioni. Ulteriori test in ambito clinico sarebbe verificare se suscettibilità agli antibiotici basata su biofilm cresciuti P. aeruginosa potrebbe portare a scelte diverse con antibiotici potenzialmente migliori esiti clinici e microbiologici. Indagini simili che utilizzano modelli di biofilm classici hanno dimostrato che i valori BSMIC portarealle raccomandazioni diverse per il trattamento antibiotico 5,17.
Oltre al test per l'efficacia delle agenti anti-infettivi, il sistema ASM rappresenta un buon mercato, un'alternativa semplice e riproducibile per modelli animali per studi come quelli che mirano a comprendere la diversificazione delle P. aeruginosa popolazioni. Abbiamo osservato vasta eterogeneità nelle popolazioni naturali di P. aeruginosa recuperato dal paziente Sputa CF 18, 19. Simile la diversificazione fenotipica e genotipica può essere osservato durante la crescita in ASM 4 (ed i nostri dati non pubblicati), che lo rende un interessante modello in vitro delle condizioni polmonari CF. La relativa semplicità del modello ASM rende facile progettare esperimenti a lungo termine adattamento destinato, ad esempio, a monitorare gli effetti degli antibiotici o altre sollecitazioni su P. aeruginosa popolazione divergenza. Inoltre, altri patogeni batterici possono essere coltivate inASM. Ad esempio, Fouhy et al. ASM 2007 hanno utilizzato per studiare la formazione di biofilm da S. maltophillia 20.
Non ci sono conflitti di interesse dichiarati.
Riconosciamo l'appoggio del Regno Unito Istituto Nazionale per la Ricerca sulla Salute, il Dr. Hadwen Trust per la ricerca umanistici, della britannica leader di finanziamento carità di ricerca medica senza animali esclusivamente tecniche di ricerca per sostituire gli esperimenti su animali, e il Wellcome Trust (Grant 089.215). Riconosciamo inoltre Novartis Pharmaceuticals UK Ltd (educazionale di sovvenzione).
| 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 |
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ReplyPosted by: Cory G.June 6, 2012, 1:53 PM