本文介绍了一种在斑马鱼耳囊内建立并成像局部细菌感染的方法。
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本文介绍了一种在斑马鱼耳囊内建立并成像局部细菌感染的方法。
水生致病菌Streptococcus iniae每年给水产养殖业造成超过一亿美元的经济损失,并可导致鱼类和人类发生全身性感染疾病。要更深入地理解S. iniae的致病机制,需要建立一个合适的模型系统。斑马鱼在早期发育阶段具有遗传操作便利和光学透明的优点,便于构建并进行非侵入性成像的转基因品系,其免疫细胞可带有荧光标记。虽然斑马鱼的适应性免疫系统需至受精后数周才发育完全,但其幼鱼已具备保守的脊椎动物先天免疫系统,包含中性粒细胞和巨噬细胞。因此,建立幼鱼感染模型可用来研究先天免疫在控制S. iniae感染中的特定作用。
显微注射的位点将决定感染是全身性的还是最初局限性的。本文介绍了对受精后2-3天的斑马鱼幼鱼进行耳囊注射的实验方案,以及感染过程中荧光共聚焦成像的技术方法。局限性感染位点可便于观察病原微生物的初始侵入、宿主细胞的募集以及感染的扩散过程。我们利用斑马鱼幼鱼S. iniae感染模型的研究结果表明,斑马鱼可用于研究中性粒细胞和巨噬细胞在局限性细菌感染中各自不同的作用。此外,我们还描述了如何利用光标记免疫细胞来追踪感染过程中单个宿主细胞的命运变化。
Streptococcus iniae 是一种重要的人畜共患水生病原菌,可导致鱼类和人类发生全身性疾病1。尽管 S. iniae 给水产养殖业造成了巨大经济损失,它也是一种潜在的人畜共患病原体,可在免疫功能低下的人类宿主中引发疾病,其临床病理特征与其他链球菌人类病原体所致疾病相似。鉴于其与人类病原体的相似性,在自然宿主背景下研究 S. iniae 的致病机制具有重要意义。成年斑马鱼 S. iniae 感染模型显示,宿主白细胞显著浸润至感染局部,且宿主死亡时间迅速,这一时间过短,不足以激活适应性免疫系统7。为了深入探究 体内 情况下先天免疫系统对 S. iniae 感染的应答,有必要采用更适合无创活体成像的研究模型。
幼年斑马鱼具有多种优势,使其成为研究宿主-病原体相互作用的日益受欢迎的脊椎动物模型。与哺乳动物模型相比,斑马鱼相对便宜,易于使用和维护。其适应性免疫系统在受精后4至6周内尚未功能成熟,但幼鱼已具备高度保守的脊椎动物先天免疫系统,包含补体系统、Toll样受体、细胞因子,以及具有抗菌能力(包括吞噬作用和呼吸爆发)的中性粒细胞和巨噬细胞2-6,8-11。此外,斑马鱼胚胎和幼体发育阶段具有良好的遗传可操作性和光学透明性,可构建稳定表达荧光标记免疫细胞的转基因品系,从而实现在活体中实时观察宿主-病原体相互作用。in vivo。利用光转化蛋白(如Dendra2)构建这些转基因品系,可在感染过程中追踪单个宿主细胞的来源与命运12。
在建立斑马鱼幼虫感染模型时,选择的显微注射位点将决定感染最初是局部的还是全身性的。通常采用尾静脉或居维叶管的全身性血液感染来研究斑马鱼中的微生物病原体,这种方法有助于研究宿主与微生物细胞之间的相互作用、细胞因子反应以及不同病原菌株间的毒力差异。对于生长较慢的微生物,可在胚胎发育的16-1000细胞阶段早期注射至卵黄囊,以建立全身性感染13,14,其中最适合对生长缓慢的微生物进行显微注射的发育阶段为16至128细胞阶段15。然而,在宿主发育后期,向卵黄囊注射多种微生物往往会导致宿主死亡,原因在于该环境富含营养物质,有利于微生物生长,同时缺乏浸润的白细胞16-18。
局部感染通常会导致白细胞定向迁移至感染部位,这一过程可通过无创成像技术轻松量化。此类感染有助于解析介导白细胞迁移的机制,并可用于研究不同白细胞群体的迁移和吞噬能力。在比较不同细菌菌株毒力差异以及研究微生物入侵机制时,局部感染同样具有重要价值,因为局部感染若要发展为全身性感染,病原体必须穿越宿主的物理屏障。斑马鱼通常在25–31 °C的温度下饲养19,但为了研究某些对毒力具有严格温度要求的人类病原体的侵袭性,也可将其维持在高达34–35 °C的温度条件下20,21。
已有多种不同部位被用于建立初始的局部细菌感染模型,包括后脑室22、尾部背侧肌肉18、心包腔23以及耳囊(耳)5,16,24。然而,研究发现将细菌注射至尾肌可引起与细菌无关的组织损伤和炎症反应,在研究白细胞反应时可能干扰实验结果13。尽管向后脑注射引起的损伤较小,且在幼体胚胎中该区域最初无白细胞存在,但随着小胶质细胞定植,后脑室会随时间推移逐渐积累更多免疫细胞。此外,后脑室也较难进行成像观察。耳囊是一个封闭的中空腔体,不与血管系统直接相通25,26。正常情况下耳囊内无白细胞,但在感染等炎症刺激下可招募白细胞进入。由于易于成像且便于观察注射过程,耳囊也成为2-3天受精后(dpf)斑马鱼进行细菌显微注射的优选部位。因此,我们选择耳囊作为局部细菌感染的实验位点。
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成年和胚胎斑马鱼的饲养均遵循威斯康星大学麦迪逊分校实验动物资源中心的规定。
1. 制备显微注射针
2. 准备幼虫注射培养皿
3. 准备S. iniae接种物
4. 使用 CellTracker 红色荧光染料标记S. iniae
5. 感染用斑马鱼幼虫的制备
6. 向三天龄幼鱼的耳囊注射S. iniae
7. 中性粒细胞的苏丹黑染色
注意:以下步骤除非另有说明,均可在室温下于小型培养皿(35 × 10 mm2)中置于旋转摇床上进行。每步所用试剂体积约为每皿2 ml,使用足够覆盖幼虫的液体量即可。
8. 感染幼虫中可存活细菌的计数
9. 用于成像的幼虫固定
10. 活体成像用幼虫的制备
11. 感染的共聚焦成像
12. 在耳泡处对 Dendra2 标记的白细胞进行光转化
注意:通过将405 nm激光(激光功率50-70%即可)聚焦在感兴趣区域(ROI)上照射1分钟,可使Dendra2从绿色荧光光转化为红色荧光。以下是FV-1000激光扫描共聚焦系统所用的逐步操作方案:
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S. iniae 微注射至耳囊(图1 和 图2)可引发初始阶段局限性的宿主反应。若注射操作正确,细菌应仅存在于耳囊内,而不会出现在周围组织或血液中。此过程可在显微注射期间通过酚红染料进行观察(图1A)。或者,若使用标记过的细菌进行注射,可在注射后立即对感染的幼鱼进行快速扫描,以确认细菌仅位于耳囊内而未扩散至周围组织(图1B)。尽管仅需10 CFU的野生型 S. iniae 即可在感染后24–48小时(hpi)建立致死性感染,但注射1,000 CFU的无毒力菌株 cpsA 并不会导致致死性感染,且该菌株似乎无法在宿主体内增殖24。因此,这种局限性感染模型能够区分毒力改变的细菌菌株。
初始局部感染的显微注射位点可用于研究白细胞趋化作用。通过中性粒细胞颗粒的苏丹黑染色,可对白细胞募集进行定量分析(图1A)或荧光转基因品系的甲醛固定(
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此处使用的感染方法适用于研究宿主对2-3 dpf胚胎和幼鱼局部初始感染的免疫应答。将感染等炎性刺激局限在耳囊等封闭腔内,可便于研究中性粒细胞和巨噬细胞的趋化性及吞噬作用。将细菌注射至耳囊的一个局限性在于,中性粒细胞在充满液体的腔隙中高效吞噬细菌的能力可能依赖于特定的微生物种类。尽管Escherichia coli和Bacillus subtilis在耳囊中不易被中性粒细胞吞噬28,但我们发现中性粒细胞在此部位能够吞噬Pseudomonas aeruginosa和S. iniae16,24。当研究不同病原体的侵袭性时,局部感染同样具有应用价值。若微生物在注射进入耳囊等封闭腔后引发全身性感染,则其必须能够穿越宿主的物理屏障。此外,某些病原体可能依赖宿主细胞进行运输和从初始感染部位扩散。因此,局部注射可用于比较毒力发生改变的不同菌株。
进行显微注射时,为避免细菌沉降并堵塞针头,建议在每种实验条件后或每注射约50条幼鱼后更换针头。这有...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
作者感谢实验室成员在斑马鱼饲养与维护方面提供的帮助。本研究由美国国立卫生研究院国家研究服务奖 A155397(授予 E. A. Harvie)和美国国立卫生研究院 R01GM074827 项目(授予 Anna Huttenlocher)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.7 ml 离心管 | MidSci | AVSS1700 | |
| 14 ml 圆底离心管 | BD Falcon | 352059 | |
| 27 G × ½ 英寸针头 | BD Biosciences | 305109 | |
| 96 孔板 | Corning Incorporated | 3596 | |
| 琼脂 | BD Biosciences | 214030 | |
| CellTracker Red | Molecular Probes, Invitrogen | C34552 | |
| CNA 琼脂 | Dot Scientific, Inc | 7126A | |
| 一次性移液管 | Fisher Scientific | 13-711-7m | |
| 解剖显微镜 | Nikon | SMZ745 | |
| DMSO | Sigma Aldrich | D2650 | |
| 200 证明乙醇 | MDS | 2292 | |
| 精细镊子 | Fine Science Tools | 11251-20 | |
| 凝胶梳 | VWR | 27372-482 | 4.2 mm 宽度,1.5 mm 厚度 |
| 玻璃底培养皿 | 定制:在 35 mm 组织培养皿底部中心钻一个 16–18 mm 的孔,将一个 22 mm 圆形 #1 盖玻片放入孔中,并用一层薄的 Norland 光学胶 68 密封,再通过紫外光固化。 | ||
| 甘油 | Fisher Scientific | G33-4 | |
| 高熔点琼脂糖 | Denville Scientific, Inc. | CA3510-6 | |
| 过氧化氢 | Fisher Scientific | H325 | |
| 激光扫描共聚焦显微镜 | Olympus | 配备 FV-1000 系统 | |
| 低熔点琼脂糖 | Fisher | BP165-25 | |
| 磁力架 | Tritech (Narishige) | GJ-1 | |
| 显微注射系统 | Parker | Picospritzer III | |
| Microloader 移液器吸头 | Eppendorf | 930001007 | |
| 显微操作器 | Tritech (Narishige) | M-152 | |
| 微量移液管拉制仪 | Sutter Instrument Company | Flaming/Brown P-97 | |
| Nanodrop 分光光度计 | Thermo Scientific | ND-1000 | |
| N-苯硫脲(PTU) | Sigma Aldrich | P7629 | |
| 多聚甲醛 | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
| 培养皿 | Fisher Scientific | FB0875712 | 100 × 15 mm |
| 苯酚 | Sigma Aldrich | P-4557 | |
| 酚红 | Ricca Chemoical Company | 572516 | |
| 磷酸盐缓冲液 | Fisher Scientific | BP665-1 | |
| 氢氧化钾 | Sigma Aldrich | P-6310 | |
| 蛋白酶 K | Roche | 165921 | |
| 蛋白酶蛋白胨 | Fluka Biochemika | 29185 | |
| 小型细胞培养皿 | Corning Incorporated | 430165 | 35 × 10 mm |
| 苏丹黑 | Sigma Aldrich | S2380 | |
| 薄壁玻璃毛细管注射针 | World Precision Instruments, Inc. | TW100-3 | |
| Todd Hewitt 培养基 | Sigma Aldrich/Fluka Analytical | T1438 | |
| 三卡因(乙基-3-氨基苯甲酸酯) | Argent Chemical Laboratory/Finquel | C-FINQ-UE-100G | |
| Triton X-100 | Fisher Scientific | BP151-500 | |
| Tween 20 | Fisher Scientific | BP337-500 | |
| 酵母提取物 | Fluka Biochemika | 92144 |
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