本文介绍了一种通过定量组织切片中Gomori改良银染法染色来测定侵袭性曲霉病小鼠肺部真菌负荷的实验方案。与通过肺组织真菌DNA的定量PCR评估真菌负荷的方法相比,该方法在使用较少动物的情况下即可获得可比的结果。
本文介绍了一种通过定量组织切片中Gomori改良银染法染色来测定侵袭性曲霉病小鼠肺部真菌负荷的实验方案。与通过肺组织真菌DNA的定量PCR评估真菌负荷的方法相比,该方法在使用较少动物的情况下即可获得可比的结果。
肺部真菌负荷量的定量对于确定肺部真菌感染小鼠模型中免疫保护水平与真菌毒力的相对关系至关重要。尽管目前有多种方法用于评估真菌负荷,但针对真菌DNA的定量聚合酶链式反应(qPCR)技术已显示出较传统基于培养的方法的多项优势。目前,对侵袭性曲霉病(IA)小鼠的肺部病理学、白细胞募集、真菌负荷及基因表达进行全面评估,通常需要使用大量实验组和对照组动物。本文详细探讨了利用较少数量动物通过肺组织病理染色定量来测定真菌负荷的方法。肺组织切片采用改良戈莫里六胺银(GMS)染色法以识别真菌结构。从每例福尔马林固定石蜡包埋肺组织的4个不同视野获取GMS染色切片图像。利用图像分析软件对每幅图像中的GMS染色区域进行定量,并据此计算各样本的平均染色面积百分比。采用该策略发现,嗜酸性粒细胞缺陷小鼠在接受卡泊芬净治疗后真菌负荷和疾病程度均降低,而野生型IA小鼠在接受卡泊芬净治疗后未见改善。类似地,通过qPCR和GMS定量检测发现,缺乏γδ T细胞的小鼠在接受卡泊芬净治疗后真菌负荷亦得到改善。因此,GMS染色定量被提出作为一种测定肺部相对真菌负荷的方法,有望最终减少侵袭性曲霉病综合研究所需的实验动物数量。
侵袭性曲霉病(IA)是一种机会性感染,可能在因先天或获得性免疫缺陷、免疫抑制治疗或慢性感染而导致免疫功能低下的易感个体中发生1,2。原发感染通常发生在肺部,但在某些情况下,Aspergillus fumigatus 可播散至肝脏、肾脏、心脏和脑部,导致菌丝广泛侵入组织,引发严重疾病并具有较高的死亡率1,2。此外,现有药物治疗的疗效有限,且环境中抗真菌药物耐药菌株的出现可能进一步削弱治疗效果3。因此,深入了解促进侵袭性真菌病发生或加重的真菌毒力机制与宿主病理过程至关重要。
小鼠模型对于研究侵袭性曲霉病(IA)的发病机制仍然具有重要意义,因为它们可使研究人员评估真菌毒力基因和宿主免疫效应分子在体内A. fumigatus定植与生长过程中的作用4,5。因此,已开发出多种策略,用于有效量化或比较实验动物组中的真菌负荷量6,7。这些策略包括基于培养、生化检测、免疫测定或定量PCR(qPCR)的方法,每种方法均有其独特的优缺点。此外,使用这些方法时,需额外牺牲一部分动物,而其他动物则用于免疫效应功能评估、基因表达分析以及比较组织病理学检查7。因此,全面的侵袭性曲霉病研究通常需要大量实验动物,成本较高。因此,若能通过利用同一批动物组织进行多种分析,从而缩短实验时间、降低动物使用成本并减少伦理考量的策略,将极具价值7。
本报告介绍了一种通过量化组织切片中GMS染色来比较侵袭性曲霉病(IA)小鼠实验组间相对真菌负荷的方法。从真菌培养、感染、组织采集与处理,到图像获取及数据分析的每一步均进行了详细描述。通过中性粒细胞减少的IA模型,以及经卡泊芬净处理的野生型或嗜酸性粒细胞缺乏型IA小鼠模型,将GMS定量获得的真菌负荷结果与qPCR结果进行了比较8。结果表明,GMS定量与真菌DNA的qPCR检测结果具有相似性。这提示,GMS定量可能作为组织学分析研究人员的一种补充或替代方法,用于比较IA小鼠模型中的相对真菌负荷,并最终有助于降低复杂机制研究中科研动物的使用数量和成本。
所有动物实验程序均经印第安纳州立大学动物护理与使用委员会批准,该大学为印第安纳大学医学院—特雷霍特校区的主办校园。
1. 准备 A. fumigatus 用于感染的分生孢子

图1:血细胞计数板中用于分生孢子计数的代表性区域(方框,箭头)。
2. 小鼠模型的免疫抑制与感染

图2:实验时间安排。 本图改编自先前发表的研究8。
3. 小鼠肺组织的收获与保存用于组织学分析
4. 小鼠肺组织的采集与保存以检测真菌DNA载量
5. 显微镜与成像
6. 使用图像处理程序计算真菌负荷(图3)

图 3:GMS 组织学视野定量分析各步骤的代表性截图。(A)选择“文件”> 包含待定量样本的文件夹 > 选择图像。(B)选择“图像”>“类型”> 转换为“RGB 堆栈”。使用右箭头键选择三个图像中的第二个。(C)按下“Ctrl + Shift + T”调出“阈值”菜单设置调节器。找到原始的 .tiff 或 .jpg 图像作为参考,并使用图像查看程序打开。将顶部滑块完全向左移动,然后调节底部滑块,直到选中区域(红色显示)能够代表显微镜图像(通常范围为 130–160,具体数值显示在滑块右侧)。(D)选定后,点击“设定”>“确定”。选择“分析”>“设置测量项”> 勾选“面积、面积分数、限制于阈值、显示标签”,底部设置(下拉菜单和小数位数)保持默认 >“确定”。(E)最后选择“分析”>“测量”(将弹出一个数据窗口,或在 Windows 任务栏上出现标签为“Results”的窗口)。请点击此处查看此图的放大版本。
7. DNA 真菌载量
图4 包含一张图表,显示了经卡泊芬净治疗的野生型或嗜酸性粒细胞缺乏小鼠在侵袭性曲霉病(IA)中的生存情况。结果显示,与野生型小鼠相比,嗜酸性粒细胞缺乏小鼠的存活率更高(死亡率分别为50%和100%)。图5 展示了中性粒细胞减少的野生型和嗜酸性粒细胞缺乏小鼠在侵袭性曲霉病中经卡泊芬净治疗或未治疗时,其代表性GMS染色结果。卡泊芬净治疗在嗜酸性粒细胞缺乏小鼠中表现出相对的真菌清除效果,但在野生型小鼠中未见此效果(右侧面板);而未接受卡泊芬净治疗的两组小鼠之间则无明显差异(左侧面板)。图6 通过真菌DNA的qPCR检测(图6A)以及4个代表性视野(10倍物镜)的GMS染色定量分析(图6B),比较了经卡泊芬净治疗与未治疗的对照组野生型或嗜酸性粒细胞缺乏小鼠的真菌负荷。两种技术所得结果均显示,在卡泊芬净治疗后,嗜酸性粒细胞缺乏小鼠相较于野生型小鼠的真菌负荷下降最为显著(图6A)。然而,在未治疗的小鼠中,仅GMS定量分析显示出缺乏嗜酸性粒细胞的小鼠真菌负荷显著降低(图6B)。当计算全肺GMS染色切片的平均面积(4倍物镜)时,其差异趋势与4个代表性10倍视野的结果相似,但统计学显著性较低(图6C)。图7 展示了γδ T细胞缺乏(TCRδKO)小鼠在接受卡泊芬净治疗后与未治疗对照组小鼠相比的生存情况、代表性GMS染色图像(4个10倍视野)以及两种方法对真菌负荷的定量分析结果。卡泊芬净治疗改善了TCRδKO小鼠的生存率(图7A)及真菌负荷(图7B–D)。与图6的结果类似,通过qPCR测定的真菌负荷(图7B)与代表性GMS定量分析结果(图7C)具有可比性。

图 4:经卡泊芬净治疗后,嗜酸性粒细胞缺陷(ΔdblGATA)小鼠在侵袭性曲霉病(IA)中的生存率提高。 每组 15–30 只小鼠。数据汇总自 3–6 次独立实验。**** p < 0.0001。本图改编自先前发表的研究8。 请点击此处查看该图的高清版本。

图 5:患有侵袭性曲霉病(IA)的野生型、嗜酸性粒细胞缺乏型以及接受卡泊芬净治疗或未治疗对照小鼠的GMS染色肺组织切片代表性图像。 每组代表3-4只小鼠。比例尺相当于100 µm。本图改编自先前发表的研究8。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6:经卡泊芬净治疗或对照处理的野生型和嗜酸性粒细胞缺乏型小鼠在侵袭性曲霉病(IA)中的真菌负荷。(A)真菌DNA的qPCR检测结果,每组15-30只小鼠,汇总自3-6次实验。(B)组织切片GMS染色定量分析,数据来自4个视野(10倍物镜)的GMS染色平均百分比。(C)全肺切片GMS染色定量分析(4倍物镜),取每组5只小鼠结果的汇总。* p < 0.05。*** p < 0.001。**** p < 0.0001。本图所用数据来自先前发表的研究8。请点击此处查看该图的放大版本。

图7:卡泊芬净治疗后γδ T细胞缺陷小鼠侵袭性曲霉病(IA)严重程度降低。(A)生存率。(B)真菌DNA的qPCR检测。(C)组织学GMS染色定量分析。(D)患有IA的γδ T细胞缺陷小鼠经卡泊芬净治疗或未治疗的GMS染色组织切片代表性图像。A和B为两项独立实验的汇总结果,每组7–10只小鼠;C和D为每组4只小鼠的汇总结果。*p < 0.05。**p < 0.01。***p < 0.001。本图改编自先前发表的研究8。请点击此处查看该图的高清版本。
本文旨在介绍一种利用GMS染色的小鼠肺组织病理切片进行图像分析和定量,以测定侵袭性曲霉病(IA)小鼠肺部真菌负荷的方法。本研究中,针对β-葡聚糖合成的抗真菌药物卡泊芬净14在中性粒细胞减少的野生型IA小鼠中并未改善其存活率或降低真菌负荷8。然而,在缺乏嗜酸性粒细胞或γδ T细胞的情况下,小鼠的存活率和真菌负荷均有所改善。本研究结果还表明,GMS染色法测定真菌负荷所得结果与广泛使用的真菌DNA定量PCR方法6具有可比性。
使用GMS真菌负荷定量方法具有多个优势。首先,该方法可利用现有的组织学样本,从而可能减少为确定显著差异所需进行的实验次数。其次,在本研究中,与基于真菌DNA的qPCR方法相比,GMS真菌负荷定量需要更少的动物即可达到显著差异(图6,图7)。第三,通过qPCR比较不同分离株的真菌负荷时,可能受到各分离株核糖体DNA拷贝数差异的影响15。相比之下,GMS定量不受拷贝数影响,因为真菌负荷是通过肺部真菌生长的相对水平来确定的。因此,采用GMS法进行真菌负荷定量可减少脊椎动物的使用,并且无需预先测定rDNA拷贝数。最后,除了改变真菌形态外,卡泊芬净治疗还会增加真菌的碎片化,因此在通过肺组织匀浆中菌落形成单位的分离来测定时,可能人为地增加真菌负荷12,16,17。因此,GMS法在真菌负荷定量中避免了其他常用方法所固有的多个局限性。
然而,需要注意GMS染色定量方法和/或本研究的局限性。首先,作者假设各实验组小鼠肺内菌丝生长的分布具有可比性,因此采用每张切片4个代表性10倍物镜视野的定量结果作为整个肺组织真菌负荷的代表性测量值图6B). 在某些情况下,菌丝灶的相对分布、大小和密度可能存在足够差异,导致该方法显示的真菌负荷量不同,而qPCR方法检测结果则相当。然而,我们使用4倍物镜视野对整肺切片进行定量的额外结果显示,各组之间的差异趋势相似,尽管统计学意义较低 (图6C)。采用此策略会增加定量结果的标准误差,可能是因为使用4倍物镜时菌丝分辨率降低,以及在非最佳视野中背景信号增强。因此,更推荐在较高放大倍数下对较少视野进行具有代表性的定量分析。其次,每个样本仅使用了一个位于中央的单一切片。根据所用真菌分离株或小鼠品系的不同,某些研究中菌丝生长可能存在分布不均的情况。在这种情况下,应对每块石蜡包埋组织的多个不同位置切片进行定量分析,以获得更具代表性的感染负荷数据。第三,在诱导黏蛋白大量产生的实验中即,定量分析变应性支气管肺曲霉病(ABPA)中的气道真菌生长18 或囊性纤维化(CF)18),GMS染色对富含多糖的黏蛋白的反应性19 可能导致非特异性的GMS阳性结果,从而使得某些样本的真菌负荷被高估。由于本研究仅采用了中性粒细胞减少的侵袭性曲霉病模型,使用其他免疫正常或免疫抑制模型可能会导致结果的可比性降低。尽管存在这些局限性,GMS染色定量仍提供了一种可比较的方法来测定真菌负荷,其在后续研究中的持续应用可能进一步验证该方法在一致性、可靠性和成本效益方面的实用性。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究部分得到了印第安纳大学医学院研究增强基金以及美国国立卫生研究院下属国家过敏与传染病研究所(NIH-NIAID 1R03AI122127-01)的资助。N.A. 在此期间部分获得了美国免疫学家协会免疫学职业奖学金的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Aspergillus fumigatus 293 储存液 | 真菌遗传资源中心 | FGSC #A1100 | |
| HyPure 细胞培养级水 | 赛默飞世尔科技 | SH30529.03 | |
| 麦芽提取物 | MP Biomedicals | 2155315 | 白色粉末 |
| BD BBL 酸性酶解脱水培养基:蛋白胨 | 费舍尔科技 | L11843 | |
| 无水右旋糖(D-葡萄糖)(颗粒粉末/ACS认证) | 费舍尔科技 | D16-3 | |
| Fisher BioReagents 琼脂,粉末/薄片,Fisher BioReagents | 费舍尔科技 | BP1423-500 | |
| 自动干燥柜 | 上海哈苏仪器制造有限公司 | HSFC160FD | |
| 1300 系列 II 级 A2 型生物安全柜 | 赛默飞世尔科技 | 1375 | |
| 0.5 mm 玻璃珠 | BioSpec 产品公司 | 11079105 | |
| 15 ml 锥形管 | 赛默飞世尔科技 | 339650 | |
| 血细胞计数板 | 费舍尔科技 | # 0267110 | |
| Leica DME 型显微镜 | Leica | 13595XXX | |
| 杜氏磷酸盐缓冲液 | Sigma-Aldrich | D8662-500 ml | |
| 1.5 ml 管 | 费舍尔科技 | # 05-408-129 | |
| BD PrecisionGlide 注射器针头,27 号,长度 1/2 英寸 | Sigma-Aldrich | Z192384 | |
| 抗小鼠 Ly-6G 抗体 | BioXCell | BP0075-1 | 克隆 1A8 |
| 醋酸卡泊芬净 | Sigma-Aldrich | SML0425 | |
| 异氟烷 | 亨利·谢恩动物健康公司 | 1169567762 | |
| 非重复呼吸台式兽用麻醉机 | Supera 麻醉创新公司 | M3000 | |
| Pureline 氧气浓缩器 | Supera 麻醉创新公司 | OC8000 | |
| 斜板固定装置 | 印第安纳州立大学设施管理部 | 定制 | |
| Gilson PIPETMAN Classic 200 ml 移液器 | 费舍尔科技 | F123601G | |
| 戊巴比妥钠(Fatal-Plus) | Vortech 制药公司 | 0298-9373-68 | |
| 通用宽头镊子 | 费舍尔科技 | 10-300 | |
| Fisherbrand 标准解剖剪 | 费舍尔科技 | 08-951-20 | |
| Fisherbrand 通用弯头镊子 | 费舍尔科技 | 10-275 | |
| 乙醇-200 证明 | PHARMCO-AAPER | 111000200 | |
| Fisherbrand 吸水垫 | 费舍尔科技 | 14-206-63 | |
| BD PrecisionGlide 注射器针头,25 号,长度 1 英寸 | 费舍尔科技 | Z192406 | |
| 全塑料 Norm-Ject 注射器 | 费舍尔科技 | 14-817-30 | |
| IV 导管 Angiocath 22G×1 英寸 50B | 费舍尔科技 | NC9742754 | |
| 福尔马林溶液,中性缓冲,10% | Sigma-Aldrich | HT501128-4L | |
| 50 ml 锥形管 | 赛默飞世尔科技 | 339652 | |
| Thermo Scientific Shandon 包埋盒 II,管装 | 费舍尔科技 | B1000729 | |
| Fisherfinest Histoplast 石蜡 | 费舍尔科技 | 22-900-700 | |
| 一次性底模 | 费舍尔科技 | 22-363-554 | |
| Reichert Jung Histocut 820 切片机 | Labequip.com | 31930 | |
| 水浴锅 | Precision Scientific | 66630-23 | |
| CO2 培养箱 | 费舍尔科技 | 116875H | |
| 银染(改良 GMS)试剂盒 | Sigma-Aldrich | HT100A-1KT | |
| 快绿 FCF | 费舍尔科技 | AC410530250 | |
| 磨砂载玻片 | 费舍尔科技 | 12-550-343 | |
| Fisherfinest Superslip 盖玻片 | 费舍尔科技 | 12-545-89 | |
| Cytoseal XYL | 费舍尔科技 | 22-050-262 | |
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| Tris 碱(白色晶体或结晶粉末/分子生物学级) | 费舍尔科技 | BP152-1 | |
| 盐酸,ACS Plus 认证 | 费舍尔科技 | A144S | |
| 乙二胺四乙酸二钠盐二水合物 | 费舍尔科技 | S311 | |
| 十二烷基硫酸钠(SDS),白色粉末,电泳级 | 费舍尔科技 | BP166 | |
| 氯仿/异戊醇 24:1 | 费舍尔科技 | AC327155000 | |
| Biotek Epoch 微孔板分光光度计 | 费舍尔科技 | 11-120-570 | |
| Thermo Scientific™ ABsolute Blue qPCR 混合液 | 费舍尔科技 | AB4137A | |
| 杂交探针,5′-FAM-AGCCAGCGGCCCGCAAATG-TAMRA-3′ | Integrated DNA Technologies | N/A | |
| 正向扩增引物,5′-GGCCCTTAAATAGCCCGGT-3′ | Integrated DNA Technologies | N/A | |
| 反向扩增引物,5′-TGAGCCGATAGTCCCCCTAA-3′ | Integrated DNA Technologies | N/A | |
| Applied Biosystems™ MicroAmp™ 光学 8 孔管条,0.2 mL | 费舍尔科技 | 43-165-67 | |
| Thermo Scientific 圆顶和平面 PCR 盖条 | 费舍尔科技 | AB-0386 | |
| Mx3005P QPCR 系统,110 伏 | 安捷伦 | 401443 | Stratagene 现为安捷伦旗下公司 |
| BALB/c 小鼠 | 杰克逊实验室 | 000651 | |
| C57BL/6 (B6) 小鼠 | 杰克逊实验室 | 000664 | |
| 嗜酸性粒细胞缺陷型(ΔdblGATA,BALB/c 背景)小鼠 | 杰克逊实验室 | 005653 | |
| γδ T 细胞缺陷型(TCRδ-/-,B6 背景)小鼠 | 杰克逊实验室 | 002120 | |
| ImageJ 软件 | 美国国立卫生研究院 | N/A | https://imagej.nih.gov/ij/ |
| Spot Advanced 软件 | Spot Imaging | SPOT53A | http://www.spotimaging.com/software/spot-advanced/ |
| GraphPad Prism 6 | GraphPad 软件公司 | N/A | https://www.graphpad.com/scientific-software/prism/ |
| Fisherbrand 吸水垫 | 费舍尔科技 | 14-206-62 | |
| 步骤 4.5 | http://www.bdbiosciences.com/sg/resources/protocols/paraffin_sections.jsp ; http://www.jove.com/science-education/5039 ; http://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-aldrich/docs/Sigma/General_Information/1/ht100.pdf |