本方案描述了使用可定制的自动化微流控装置来观察生物膜形成的实验方法 Candida albicans 在宿主生理条件下
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本方案描述了使用可定制的自动化微流控装置来观察生物膜形成的实验方法 Candida albicans 在宿主生理条件下
白色念珠菌 是人类最常见的真菌病原体,导致约15%的医院获得性败血症病例。其主要毒力特征之一是 C. albicans 是其形成生物膜的能力,即附着于生物性和非生物表面的结构化细胞群落。 C. albicans 生物膜可在宿主组织(如黏膜层)以及医疗器械(如导管、起搏器、义齿和关节假体)表面形成。由于生物膜对物理和化学干扰具有高度抗性,并可作为播散性感染的感染源,因此构成了重大的临床挑战。各种 体外 已采用多种检测方法来研究 C. albicans 生物膜形成,例如微孔板检测、干重测量、细胞活力检测以及共聚焦激光扫描显微镜观察。上述所有检测均为单时间点终点检测,即在特定时间点评估生物膜的形成情况。本文描述了一种利用自动化微流控装置在层流条件下实时研究生物膜形成的实验方案。该方法可在生物膜随时间发育的过程中对其进行动态观察,并可自定义模拟宿主环境的条件,例如血管导管中的环境。本方案可用于实时评估基因突变株在生物膜形成中的缺陷,以及抗菌剂对生物膜发育的抑制作用。
白色念珠菌 是人类微生物群的共生成员,但同时也是一种机会性病原体,可引起浅表及严重的真菌感染1,2一种主要的毒力特征 C. albicans 是其能够形成具有较强抵抗力且耐药的生物膜,即附着在表面并被包裹于胞外基质材料中的细胞群落1,3. C. albicans 生物膜具有高度结构化特征,包含多层不同类型的细胞(圆形出芽酵母样细胞、椭圆形假菌丝细胞和管状菌丝细胞)4. C. albicans 生物膜的发育始于圆形酵母样细胞附着于表面(生物膜的定植),随后这些细胞在表面增殖,接着未成熟的生物膜结构进一步成熟,形成被胞外基质物质包围的完整生物膜4成熟的生物膜主要由细长的菌丝细胞构成,这些细胞形成致密且相互连接的网络结构,为生物膜提供结构稳定性。4在整个生物膜生命周期中,圆形出芽的酵母细胞会从成熟的生物膜中分散出来,可能迁移至机体其他部位,引发播散性感染或在其他位点形成新的生物膜。4,5. C. albicans 可在生物表面(如黏膜表面和宿主组织)以及非生物表面(如导管、起搏器、义齿和人工关节)上形成生物膜。由于生物膜具有顽固性,极难清除,许多情况下唯一有效的治疗策略是移除受感染的装置4因此,有必要在与临床环境相似的条件下研究生物膜的形成。
目前有多种关键的体内动物模型用于研究C. albicans生物膜的形成6,7,8;然而,这些研究成本较高、耗时较长,且在特定时间内可测试的菌株和抗菌剂数量有限。体外生物膜检测方法则能够快速、高通量地评估抗真菌化合物和突变菌株,相较于动物模型中的生物膜检测,具有更高的成本效益和伦理优势9,10,11,12,13,14。本文介绍了一种我们开发并优化的体外检测方法,该方法利用可定制的微流控装置,在层流条件下实现对生物膜形成过程的动态观察14,15。该检测方法可清晰呈现生物膜形成的各个阶段,包括初始黏附、细胞增殖、生物膜成熟以及细胞扩散过程,同时也有助于观察生物膜发育过程中细胞形态的动态变化。
微量滴定板,通常用于 体外 生物膜检测虽然通量较高,但无法实现对流体条件的精确控制。传统的层流细胞系统可在受控的流动条件下连续评估生物膜的形成,但其搭建过程通常耗时较长,且动态范围调控能力有限,通量较低。本文所采用的微流控装置通过将高通量培养板(含48孔)与内置的层流腔室相结合,克服了上述局限,具有高度可重复性、多功能性及可定制性。
本文介绍了一种利用市售自动化微流控装置检测野生型菌株生物膜形成的实验方案 C. albicans 菌株、已知抗真菌剂对生物膜发育的影响,以及两种突变株的生物膜形成能力bcr1Δ/Δ 和 efg1 Δ/Δ)菌株,先前报道称其存在生物膜缺陷 体外 和 体内16,17,18该方案可用于测试抗菌剂在生物膜发育全过程中的抑制生物膜形成效果,并通过筛选突变体文库鉴定生物膜正常发育所必需的基因。
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1. 真菌细胞培养物的制备
注意:细胞培养操作(例如打开冷冻保存管、细胞培养管和培养瓶)必须在生物安全柜内进行。操作前至少1小时开启生物安全柜的紫外线(UV)杀菌灯,并在开始操作时关闭UV灯。操作过程中需佩戴手套、护目镜及其他适当的个人防护装备,实验开始前使用70%乙醇对实验台面和移液器表面进行去污处理。建议使用带滤芯的无菌吸头,并熟悉基本的无菌微生物操作技术。
2. 微流控板微流控通道的制备
注意:有关芯片和仪器设置的信息,请参阅微流控系统的用户手册(见材料表)。
3. 白色念珠菌 微流控系统中的生物膜形成
4. 为微流控实验设置显微镜载物台位置
注意:应在实验开始前立即设置显微镜载物台位置和微流控板校准。此设置可使计算机存储实验过程中每个观察通道的成像位置。完成载物台位置设置后,不得再移动微流控板。若微流控板发生位移,则必须在实验开始前重新设置载物台位置。
5. 微流控实验中图像采集的设置
6. 运行微流控实验
7. 结果分析
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我们在此描述的微流控生物膜实验中,使用野生型 C. albicans 菌株在两种培养基条件下(RPMI-1640 和 Spider 培养基)、野生型菌株在 RPMI 培养基中添加已知抗真菌药物两性霉素 B(16 µg/mL)的条件,以及两种先前报道在生物膜形成方面存在缺陷的突变菌株(bcr1Δ/Δ 和 efg1Δ/Δ)在 Spider 培养基中的条件进行实验。
视频1展示了野生型生物膜在RPMI-1640培养基中的形成过程,以及抗真菌药物两性霉素B对生物膜形成的抑制作用。在野生型条件下,大量细胞牢固黏附于微流控通道内,随着时间推移,细胞逐渐形成菌丝,可见由交错排列的菌丝和酵母细胞构成的厚实生物膜。在微流控实验接近结束时,野生型生物膜完全填满观察通道。然而,两性霉素B的存在显著抑制了生物膜的形成:细胞的黏附能力明显减弱,在两性霉素B处理下,许多细胞随培养基的剪切流被冲走,而未处理组则无此现象。随着时间...
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本文所述的可定制微流控生物膜检测方法能够在固定流速的层流和恒定温度条件下,实时观察单细胞水平的生物膜形成过程。该方法为研究野生型和突变菌株中生物膜的发育过程,以及在模拟临床生理环境条件下抗菌剂处理对生物膜的影响提供了有力手段。与大多数体外(in vitro)生物膜检测方法不同,该技术允许对形成过程中的生物膜进行实时动态观察。
该方法可用于高通量操作,可同时运行多达24个样品以评估生物膜的形成。该方法还可用于对突变体文库进行遗传筛选,以鉴定生物膜正常发育所必需的基因,并可用于在化合物文库筛选中评估感兴趣抗菌化合物对生物膜的作用效果。我们预计,该微流控装置未来的应用将包括此类筛选。然而需要注意的是,某些药物处理测试会受到该微流控装置所形成生物膜厚度的限制,因为培养时间超过>16小时的生物膜容易堵塞观察通道。因此,药物测试实验需在<16小时内完成。
总体而言,该装置具有高度的可定制性和多功能性,可调节用于评估不同界微生物物种、流速、温度、孵育时间及培养基条件下的生物膜形成。本方法可提供关于生物膜形成...
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Clarissa J. Nobile 是 BioSynesis 公司的创始人,该公司致力于开发针对白色念珠菌(C. albicans)生物膜的抑制剂和诊断工具。
感谢Nobile实验室所有成员对生物膜检测实验的有益讨论。本研究由美国国立卫生研究院(NIH)资助项目R21 AI125801(资助对象:C.J.N.)支持。D.L.R. 受加州大学墨西哥与美国研究所(UC-MEXUS)和国家科学技术委员会(CONACYT)博士生奖学金资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| BioFlux 1000z | Fluxion | 用于活细胞分析的自动化微流控设备 | |
| 48孔板 0-20 达因 | Fluxion | 910-0047 | 微流控板 |
| Montage 软件 | Fluxion | 版本 7.8.4.0 | 可视化分析软件 |
| ImageJ 软件 | NIH | https://imagej.nih.gov/ij/ | |
| 酵母提取物 | Criterion | C7341 | |
| 蛋白胨 | BD Biosciences | 211677 | |
| 右旋糖(D-葡萄糖) | Fisher Scientific | D163 | |
| 磷酸二氢钾 | Fisher Scientific | P285-500 | |
| RPMI-1640 | Sigma-Aldrich | R6504 | |
| MOPS | Sigma-Aldrich | M3183 | |
| 营养肉汤 | Criterion | C6471 | |
| Difco D-甘露醇 | BD Biosciences | 217020 | |
| 琼脂 | Criterion | C5001 | |
| 两性霉素B | Corning | 30-003-CF | |
| 无菌接种环 | VWR | 30002-094 | |
| 带透明盖的培养皿 | Fisher Scientific | FB0875712 | |
| 一次性比色皿 | Fisher Scientific | 14-955-127 | |
| 镜头纸 | VWR | 52846-001 | |
| 微孔板和比色皿分光光度计 | BioTek | EPOCH2TC | |
| 摇床培养箱 | Eppendorf | M12820004 |
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