尽管 体外 宿主-病原体相互作用的研究有助于表征特定的免疫应答, 体内 需要使用模型来观察复杂反应的影响。 白色念珠菌 暴露后 铜绿假单胞菌-介导的肺部感染,我们建立了一种用于研究呼吸机相关性肺炎致病过程中微生物相互作用的小鼠模型。
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尽管 体外 宿主-病原体相互作用的研究有助于表征特定的免疫应答, 体内 需要使用模型来观察复杂反应的影响。 白色念珠菌 暴露后 铜绿假单胞菌-介导的肺部感染,我们建立了一种用于研究呼吸机相关性肺炎致病过程中微生物相互作用的小鼠模型。
研究宿主-病原体相互作用有助于我们理解微生物感染过程中致病性的潜在机制。宿主的预后取决于针对病原体所启动的适应性免疫反应1。免疫反应十分复杂,是病原体与多种免疫或非免疫细胞类型相互作用的结果2。体外研究无法全面表征这些相互作用,通常仅聚焦于细胞与病原体之间的相互作用。此外,在呼吸道3,特别是在患有化脓性慢性肺病或接受机械通气的患者中,存在多微生物群落,使宿主-病原体相互作用更加复杂。铜绿假单胞菌和白色念珠菌均为重要的问题病原体4,常从气管支气管样本中分离得到,并与严重感染相关,尤其在重症监护病房患者中更为显著5。已有报道指出这两种病原体在体外存在微生物间的相互作用,但这些相互作用的临床意义仍不明确6。为研究C. albicans与P. aeruginosa之间的相互作用,本研究建立了一种小鼠模型,先诱导C. albicans在呼吸道定植,继而引发P. aeruginosa介导的急性肺部感染。
动物模型,尤其是小鼠,已被广泛用于研究针对病原体的免疫反应。尽管啮齿类动物与人类在先天性和获得性免疫方面存在差异7,但由于小鼠繁殖简便,且可针对大量基因构建基因敲除模型,因此成为研究免疫反应的优良模型8。免疫反应十分复杂,是病原体、定植微生物群以及多种免疫细胞(如淋巴细胞、中性粒细胞、巨噬细胞)和非免疫细胞(如上皮细胞、内皮细胞)相互作用的结果2。体外研究无法观察这些复杂的相互作用,主要局限于单一细胞与病原体之间的相互作用。尽管动物模型必须谨慎使用,并仅限于特定且相关性高的科学问题,但小鼠模型仍能有效揭示哺乳动物在体内的免疫反应特征,并有助于解答某些重要的临床问题7。
在呼吸道中,微生物群落结构复杂,包含大量不同的微生物6. 虽然什么构成一个 "正常" 气道微生物组的具体构成仍有待明确,定植的微生物群落常为多菌种共存,且来源于多种不同的生态来源。患有化脓性慢性肺病(如囊性纤维化、支气管扩张)或接受机械通气的患者,由于环境来源的微生物定植气道,表现出特定的菌群特征。9. 铜绿假单胞菌 和 白色念珠菌 均为问题病原体5,常从气管支气管样本中共同分离获得,并可导致这些患者发生严重的机会性感染,尤其在重症监护病房(ICU)中4.
在重症监护病房(ICU)中急性肺炎期间分离到这些微生物时,通常会针对P. aeruginosa进行抗微生物治疗,但酵母菌通常不被认为在此部位具有致病性5。体外研究表明 P. aeruginosa 与 C. albicans之间存在广泛相互作用,显示这些微生物可相互影响彼此的生长与存活,但相关研究尚无法确定C. albicans的存在对宿主是有害还是有益10。已有小鼠模型被用于探讨P. aeruginosa 和C. albicans 在体内的相关性,但微生物之间的相互作用并非这些研究的重点。实际上,该模型的建立旨在评估C. albicans在宿主免疫反应及疾病转归中的作用。
Roux 等人先前建立的模型已采用先用C. albicans进行初始定植,随后通过P. aeruginosa诱导急性肺部感染的方法。利用该模型,作者发现先前的C. albicans定植具有不利作用11。然而,Roux 等人在其模型中使用了高负荷的C. albicans,即连续3天每天给予每只小鼠2 × 106 CFU。我们建立了一种持续4天的C. albicans气道定植模型,或至少是无肺损伤情况下的持续存在模型。在该模型中,单次给予每只小鼠105 CFU后,可在长达4天内回收到C. albicans(图2B)12,13。4天后,未观察到炎性细胞募集、炎性细胞因子产生或上皮损伤的证据。在24–48小时,即C. albicans存在的高峰期,尽管观察到了细胞和细胞因子介导的先天免疫反应,但仍无肺损伤迹象。令人意外的是,与仅感染P. aeruginosa的小鼠相比,在鼻内接种P. aeruginosa前48小时已定植C. albicans的小鼠其感染程度减轻。事实上,这些小鼠表现出较轻的肺损伤和较低的细菌负荷12,13。
多种假说可以解释先前定植所产生的这种有益效应 C. albicans 开启 P. aeruginosa介导的急性肺部感染。首先,涉及各微生物群体感应系统的种间交叉对话,基于高丝氨酸内酯的 P. aeruginosa 系统和基于法尼醇的 C. albicans 系统进行了评估。其次, 白色念珠菌 作为 "诱饵" 铜绿假单胞菌的靶点研究旨在使该病原体偏离肺上皮细胞,但这两个假设均被否定(未发表数据)。第三个假设是 "引物" 先天免疫系统的 C. albicans 负责增强后续对病原体的先天免疫反应 P. aeruginosa这一假设最终得到了证实。事实上 C. albicans 定植通过主要由天然淋巴细胞分泌的IL-22引发先天免疫的预激活,从而增强细菌清除能力并减轻肺损伤12.
总之,宿主是微生物与先天免疫反应相互作用过程中的核心参与者,并涉及多种炎症细胞类型。尽管这些复杂的免疫相互作用可以被解析 体外 最初的假设只能由适当的 在 体内 模型。以下方案提供了一个示例 在体内 宿主介导的病原体相互作用研究,可推广至其他微生物。
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该方法已获得动物实验区域伦理委员会批准,符合国家和国际关于实验研究中动物护理与使用的指南。
1. 样本采集
2. 小鼠、细菌和酵母菌株
3. 气道定植由 C. albicans
注意:环境适应后,小鼠每天称重两次。
4. P. aeruginosa 诱导的急性肺部感染
注意:在接下来的四天内对小鼠进行称重。通常情况下,小鼠在白色念珠菌(C. albicans)介导的呼吸道定植期间体重会增加(图 2A)。
5. 肺损伤指数的测定
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如先前在实验方案描述中所述,本实验需要5天时间完成(图1:实验时间线)。整个实验过程中需配备一名操作人员,其最多可处理10只小鼠。若需要更多动物,则需两人协作,尤其是在手术取样阶段。这是因为所有样本必须在2小时内完成采集,以避免在最后处理的小鼠中出现FITC标记的白蛋白经肺泡-毛细血管屏障被动渗漏增加的情况。
第一步是制备C. albicans接种物并通过鼻内接种建立C. albicans的呼吸道定植。通过每只小鼠鼻内接种5 × 105 CFU的C. albicans,可建立持续4天的定植模型(图2B)。在此4天期间,小鼠体重增加(图2A),且接种5×105 CFU不会引起肺损伤(图2C)。尽管在此模型中C. albicans可定植长达4天,但其定植量在48小时后开始下降。因此,在C. albicans定植48小时后...
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动物模型,尤其是哺乳动物模型,在免疫学领域研究宿主与病原体之间复杂相互作用机制方面具有重要价值。当然,只有当所需信息无法通过其他方法获得时,才必须使用动物模型;否则,应以体外(in vitro)模型替代动物实验。本动物模型所展示的研究视角,唯有通过动物模型才能实现,因为病原体之间的相互作用是由宿主多组分免疫反应所介导的。目前用于研究此类宿主-病原体相互作用的小鼠通常为6至10周龄的年轻成年个体,其免疫系统已发育成熟且未受干扰。在专注于先天性免疫反应的研究时,优先选用C57Bl6/J品系背景的小鼠。为避免性别及激素周期(特别是雌激素)对免疫反应的影响,雄性小鼠是最佳选择。为达到统计学显著性,实验结束时每组至少应包含5只个体,但正如所有动物实验指南所建议的那样,应将动物使用数量减少并优化至绝对最低限度。
从提供动物的繁育单位运输到研究机构会对小鼠造成应激。其后果是促炎性细胞因子分泌增加,可能影响后续实验(如我们的实验)的结果。此外,新的环境和新的"笼内同伴"也会加剧应激反应。因此,小鼠在进入新饲养环境后,必须至少适应七天才能开始实验。该饲养环境需严格控...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者谨此致谢里尔大学和里尔巴斯德研究所,特别是负责动物饲养、繁殖安全与管理的 Thierry Chassat 和 Jean-Pierre Decavel。本工作得到法语感染病学会(Société de Pathologies Infectieuses de Langue Française,SPILF)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 七氟烷,七氟醚 | Abott | 05458-02 | 250 ml 塑料瓶 |
| 荧光读板仪 Mithras LB940 | Berthold Technologies | 参考第一列 | 无备注 |
| 溴甲酚紫琼脂 | Biomerieux | 43021 | 每单位 20 次使用 |
| 戊巴比妥钠 5.47% | CEVA | 6742145 | 100 ml 塑料瓶 |
| 双头阀 | Distrimed | 92831 | 无备注 |
| 无菌接种环 10 µl | Dutscher | 10175 | 每 1,000 个包装 |
| 胰岛素注射器 1 ml | Dutscher | 30003 | 每 100 个包装 |
| 双位培养管 8 ml | Dutscher | 64300 | 无备注 |
| Ultrospec 10 | 通用电气生命科学 | 80-2116-30 | 无备注 |
| 溶血试管 13 x 75 mm | Gosselin | W1773X | 每 100 个 |
| PBS - 磷酸盐缓冲液 | Life technologies | 10010023 | 500 ml 包装 |
| 阿米卡星 1 g | Mylan | 62516778 | 每 10 支 |
| 肝素 10,000 UI/2 ml | Pan pharma | 9128701 | 每单位 10 支 |
| RAL 555 染色试剂盒 | RAL Diagnostics | 361550 | 3 瓶,每瓶 100 mL |
| 1.5 ml 微量离心管 | Sarstedt | 55.526.006 | x 1000 |
| 透明 300 µl 96 孔板 | Sarstedt | 82 1581500 | 无备注 |
| 酵母-蛋白胨-右旋糖肉汤 | Sigma | 95763 | 粉末状 |
| 荧光素异硫氰酸酯标记白蛋白 | Sigma | A9771 | 粉末状 |
| LB 肉汤(Luria Bertani Broth) | Sigma | L3022 | 粉末状 |
| 25 号针头 | Terumo 或 unisharp | A231 | 每 100 个包装 |
| 细胞离心涂片机 | Thermo Scientific | A78300003 | 无备注 |
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