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方法文章

颅内蛛网膜下腔感染途径用于研究功能 猪链球菌 小鼠感染模型中脑膜炎的生物膜研究

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DOI:

10.3791/57658

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2018年7月1日

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本文内容

摘要

本文描述了通过颅内蛛网膜下腔途径感染小鼠,以研究生物膜在猪链球菌(Streptococcus suis)性脑膜炎中的作用。该感染模型也适用于研究其他细菌性脑膜炎的发病机制以及新型药物对抗细菌性脑膜炎的疗效。

摘要

Streptococcus suis 不仅是全球猪群中重要的细菌性病原体,也是一种新发的人畜共患致病菌。在人类和猪中,脑膜炎是 S. suis 感染的主要临床表现之一。建立合适的感染模型是研究病原体致病机制的重要工具。目前已建立多种小鼠感染途径用于研究 S. suis 的致病过程。然而,腹腔、鼻腔和静脉感染途径并不适用于直接研究 S. suis 表面组分(如生物膜中的细胞外基质)在脑组织中对脑膜炎发生的作用。尽管已有研究采用小脑延髓池接种 S. suis,但其精确的注射位点尚未明确描述。本文介绍了一种小鼠颅内蛛网膜下腔感染模型,用于研究生物膜在 S. suis 脑膜炎中的作用。将 S. suis 浮游状态细胞或生物膜状态细胞通过位于前囟前方 3.5 mm 的注射位点直接注入小鼠蛛网膜下腔。对注射生物膜状态细胞的小鼠脑组织进行组织病理学分析,并检测到 TLR2 及细胞因子 mRNA 表达水平显著升高,结果明确表明 S. suis 生物膜在 S. suis 脑膜炎中发挥着确定性作用。该感染途径相较于其他途径具有明显优势,可有效用于研究宿主与细菌之间的相互作用;此外,它还能直接评估细菌组分对脑内宿主免疫应答的影响,并模拟细菌侵入中枢神经系统的过程。该感染模型可进一步推广用于研究其他细菌引起脑膜炎的机制,也可用于评估抗细菌性脑膜炎药物的疗效。

引言

猪链球菌 (S. suis是一种全球范围内猪的主要细菌性病原体,可引起脑膜炎、肺炎、败血症、心内膜炎和关节炎等严重疾病1它也是一种新出现的动物源性病原体。迄今为止,已有九种血清型被报道可引起人类感染,包括血清型2、4、5、9、14、16、21、24和312,3,4在人类和猪中,脑膜炎是主要的临床症状之一 S. suis 感染。在越南和泰国, S. suis 是成人脑膜炎的主要病因5微生物生物膜是相互黏附并集中于界面的微生物群落,对细菌的致病性、在多种环境中的存活以及抗生素耐药性具有重要作用。5生物膜通常被一种细胞外基质包裹,该基质通常含有多糖、蛋白质和DNA6后者能够引发宿主的炎症反应和细胞因子产生7已有研究表明,生物膜的形成与链球菌性脑膜炎相关。生物膜有助于 无乳链球菌 在罗非鱼模型中发现脑膜炎以及脑组织内和脑膜表面周围的生物膜形成 体内 通过腹腔内接种8. 在脑膜炎期间, 肺炎链球菌 处于类似生物膜的状态,且处于这种生物膜状态的细菌在小鼠感染模型中更有效地诱导脑膜炎9此外,在我们之前的研究中,与生物膜状态相关的 S. suis 在小鼠脑组织中通过生存分析揭示细菌毒力的贡献10然而,关于生物膜参与的直接证据 S. suis 脑膜炎需要进一步研究。

已利用小鼠建立多种S. suis感染的动物模型,包括腹腔内(i.p.)11、鼻内(i.n.)12、静脉内(i.v.)13以及颅池内(i.c.)感染途径14,15,16。然而,腹腔内、鼻内和静脉内感染途径并不适用于直接研究S. suis表面组分在脑部脑膜炎发病过程中的作用,这些组分包括生物膜中的细胞外基质。尽管已有研究采用颅池内接种进行S. suis感染,但相关文献中并未明确描述精确的注射位点。相比之下,先前一项研究已清晰地描述了颅内蛛网膜下腔接种的立体定位坐标17,这使得接种位点易于识别,并简化了实验操作流程。此外,颅内蛛网膜下腔感染途径可模拟细菌从鼻窦或中耳进入中枢神经系统的过程17,Madsen et al18已证实中耳与S. suis引起的脑膜炎之间存在关联。而且,在我们之前的研究中,通过在小鼠中应用颅内蛛网膜下腔感染途径,证明了S. suis的小RNA rss04在脑膜炎发生中具有促进作用10。

在本研究中,采用颅内蛛网膜下腔感染途径在小鼠中研究生物膜在猪链球菌(S. suis)脑膜炎中的作用。通过该感染途径,用浮游状态或生物膜状态的猪链球菌(S. suis)感染小鼠。对注射了生物膜状态细胞的小鼠脑组织进行组织病理学分析,并检测到TLR2及细胞因子mRNA表达水平升高,结果明确表明猪链球菌(S. suis)生物膜参与了脑膜炎的发生。

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方案

小鼠感染实验已获得中国江苏省实验动物管理委员会的批准,并在南京农业大学实验动物中心进行(许可证号:SYXK (苏) 2017-0007)。

1. 细菌的制备

注意:S. suis 2型强毒株P1/7分离自患脑膜炎的病猪19。P1/7菌株在Todd-Hewitt液体培养基(THB,每升THB配方:心浸液,3.1 g;新胨,20.0 g;葡萄糖,2.0 g;氯化钠,2.0 g;磷酸氢二钠,0.4 g;碳酸钠,2.5 g)中培养,并接种于Todd-Hewitt琼脂培养基(THA,每升THA配方:心浸液,3.1 g;新胨,20.0 g;葡萄糖,2.0 g;氯化钠,2.0 g;磷酸氢二钠,0.4 g;碳酸钠,2.5 g;琼脂,15.0 g)上,在37 °C、5% CO2条件下培养。

  1. 收集浮游状态的 P1/7 菌株细胞
    1. 从对数中期培养物(OD600=0.6)中收集 5 mL 浮游细胞,以 8000 × g 离心 3 分钟,然后用 PBS 洗涤 3 次。
    2. 用 5 mL 含 25% 甘油的 THB 重悬细胞,分装至 5 支试管中,于 -80 °C 保存。
  2. 收集生物膜状态的 P1/7 菌株细胞
    1. 取 20 mL 过夜培养物加入 180 mL 新鲜 THB 培养基中,将稀释后的培养物等量分装至 10 个圆形培养皿中,置于 37 °C、5% CO2 的培养箱中培养 24 小时。
    2. 培养结束后, 轻轻振荡培养皿以重悬未贴壁的细菌,然后通过抽吸弃去上清液。
      注意:轻轻振荡培养皿,避免重悬已沉淀的生物膜细胞。
    3. 加入 5 mL PBS 收集生物膜状态细胞,充分重悬沉淀,然后将样品转移至新试管中。
    4. 对上一步获得的生物膜状态细胞进行超声处理,参数如下:60 W,4 个循环,工作 5 秒,间歇 10 秒。
    5. 以 8000 × g 离心 3 分钟,将上清液于 -80 °C 保存。
      注意:上清液可能含有生物膜组分,可在动物实验(步骤 3)所述感染前用于重悬生物膜细菌。
    6. 用 10 mL 含 25% 甘油的 THB 重悬沉淀,将生物膜状态细胞于 -80 °C 保存。

2. 扫描电子显微镜(SEM)分析

  1. 使用4%多聚甲醛在4 °C下固定收集的生物膜状态细胞和浮游细胞12 - 24小时。
  2. 用蒸馏水快速冲洗样品,并依次用浓度递增的乙醇(25%、50%、70%、90%和100%)进行脱水,每种浓度处理30分钟。
  3. 用双面胶带将干燥后的样品固定在金属样品台上,最后在蒸发镀膜仪中镀上金和钯。
  4. 采用以下参数通过扫描电子显微镜观察样品:EHT(额外高电压)= 10 kV;WD(工作距离)= 7.0 或 8.0 mm;放大倍数 = 5000 ×;信号A = SE1。

3. 动物实验

  1. 本研究使用 SPF 级 6 周龄雌性 BALB/c 小鼠。所有小鼠均通过颅内蛛网膜下腔途径感染,注射位点位于前囟前方 3.5 mm 处。该注射位点的立体定位坐标已在 Chiavolini 等17的研究中明确描述。
    1. 用于组织病理学分析时,分别使用浮游态细胞或生物膜态细胞以 3 × 107 菌落形成单位(CFU)的剂量感染两组小鼠(每组 5 只),另设 5 只小鼠注射 PBS 作为对照组。
    2. 用于检测脑组织中 TLR2 和细胞因子 mRNA 表达时,分别使用浮游态细胞或生物膜态细胞以 3 × 107 CFU 的剂量感染另外两组小鼠(每组 6 只)。
    3. 通过在 THA 培养基上进行系列稀释涂布,测定活菌数量。
    4. 于感染后 12 小时处死所有小鼠,用于后续研究。
      ​注意:感染前必须去除保存菌种的甘油。从 -80 °C 取出的浮游态细胞和生物膜态细胞均需用 PBS 洗涤 3 次。随后,浮游态细胞用 PBS 重悬并稀释至适当感染剂量;生物膜态细胞则用保存的上清液(来自步骤 1.2.5)重悬并稀释至适当感染剂量。感染体积不应超过 50 µL。
  2. 检测脑组织中 TLR2 和细胞因子的 mRNA 表达
    1. 使用 RNA 提取试剂盒从脑组织中提取总 RNA。
      1. 每只小鼠使用全脑组织提取 RNA。将全脑组织分成 5 份,每份取不超过 100 mg 组织,加入 1 mL 裂解液及试剂盒提供的裂解基质至各离心管中。
      2. 在匀浆器中以 6.0 档位处理 40 秒,然后于 12000 × g、4 °C 离心 5 分钟。
      3. 离心后,将上清液转移至新的微量离心管中。
      4. 将转移后的样品在室温孵育 5 分钟;加入 300 µL 氯仿,涡旋振荡 10 秒,再于室温孵育 5 分钟。
      5. 于 12000 × g、4 °C 离心 5 分钟,将上清液转移至新管中。
      6. 向管中加入 500 µL 冷的无水乙醇,颠倒混匀 5 次,然后于 -20 °C 至少保存 1 小时。
      7. 于 12000 × g、4 °C 离心 15 分钟,弃去上清液。用 500 µL 冷的 75% 乙醇(溶于无 RNase 的 H2O 中)洗涤沉淀。
      8. 去除乙醇,室温下空气干燥沉淀 5 分钟,然后将 RNA 重悬于 100 µL 无 RNase 的 H2O 中。
      9. 室温孵育 RNA 5 分钟,使用 RNA 生物分析仪测定 RNA 浓度。
    2. 使用逆转录(RT)试剂盒和热循环仪进行 cDNA 合成,包括基因组 DNA(gDNA)的去除。
      1. 在离心管中加入 1 µg RNA、2 µL 5x gDNA 去除缓冲液、1 µL gDNA 去除酶,并用无 RNase 的 H2O 补足至 10 µL 体积。于 42 °C 孵育 2 分钟。
      2. 向上述反应液中加入 10 µL 预混液(含 1 µL RT 酶混合液 I、1 µL RT 引物混合液、4 µL 5x Buffer 2 和 4 µL 无 RNase 的 H2O),轻轻混匀。立即进行逆转录反应:37 °C 15 分钟,随后 85 °C 5 秒。
      3. 使用 SYBR RT-qPCR 试剂盒和实时荧光定量 PCR 仪进行定量实时 PCR(RT-qPCR)分析。反应体系为:10 µL 2x 酶液、0.8 µL 正向引物、0.8 µL 反向引物、0.4 µL 50x ROX 参比染料 II、2 µL cDNA 模板,用无 RNase 的 H2O 补足至 20 µL 总体积。
      4. 每个样本设三个复孔,运行以下热循环程序:94 °C 30 秒,随后 40 个循环(95 °C 5 秒,60 °C 34 秒),最后进行熔解曲线分析(95 °C 15 秒,60 °C 1 分钟,95 °C 15 秒)。RT-qPCR 所用引物列于 表 1。内参基因选用 B2m 和 18s rRNA。
    3. 根据 2-ΔΔCt 法计算相对表达倍数变化。
  3. 组织切片观察
    1. 用 10% 福尔马林固定 24 小时后,将固定脑组织修整为 2–3 mm 大小的组织块。
    2. 将组织块放入包埋盒中,置于新的固定液中,使用自动真空脱水机进行脱水处理。
    3. 取出固定组织,依次在浓度递增的乙醇溶液(70%、80%、95%、95% 和 100%)中各浸泡 30 分钟进行脱水。
    4. 用二甲苯透明 15 分钟,浸入 60 °C 液体石蜡中 90 分钟,然后使用包埋机进行石蜡包埋。
    5. 将石蜡包埋的组织切成 3 µm 厚的切片,在 45 °C 水面上展平,随后自然晾干。
    6. 切片于 60 °C 孵育 3 小时,采用苏木精-伊红(HE)染色法染色,中性树胶封片。
    7. 使用光学显微镜观察脑组织的组织病理学改变。采用四分制评分系统评估组织学变化,并使用非配对 t 检验进行统计分析。
      充血/出血:无,记 0 分;局部小范围充血/出血,记 1 分;大范围局部充血/出血,或多个小范围局部充血/出血,记 2 分;最多三个大范围局部充血/出血灶,记 3 分;弥漫性充血/出血,记 4 分。
      坏死:无,记 0 分;局灶性坏死,记 1 分;弥散分布 1–10 个坏死细胞,记 2 分;融合性坏死灶,记 3 分;广泛融合性坏死,记 4 分。
      炎性细胞浸润:无,记 0 分;少量且局灶性浸润,记 1 分;多灶性浸润或形成细胞聚集,记 2 分;最多三个聚集灶,记 3 分;超过四个聚集灶,记 4 分。

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结果

采用扫描电镜分析在实验条件下生物膜的形成情况。如图1所示,浮游状态细胞(图1A)与生物膜状态细胞(图1B)在生物膜形成方面存在显著差异。扫描电镜分析显示,生物膜中的细菌以团块状和多层结构存在,并被包裹在胞外基质中;而浮游细菌密度较低,主要呈单个分散状态。

生物膜的细胞外基质组分(如DNA)能够引发宿主的炎症反应和细胞因子产生。根据先前的研究,TLR2以及细胞因子CCL2、IL-6和TNF-α参与了与脑膜炎相关的脑部炎症反应10,11,2...

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讨论

本文所述的颅内蛛网膜下腔感染途径相较于其他感染途径具有明显优势。该方法可使研究人员直接在脑内研究宿主与细菌之间的相互作用,以及细菌组分对宿主免疫反应的影响,从而模拟细菌进入中枢神经系统的过程。因此,该感染途径可进一步用于研究其他细菌引起脑膜炎的机制。此外,该方法还可用于评估药物对细菌性脑膜炎的治疗效果。

为了使用该模型获得良好的实验结果,需明确以下关键步骤。生物膜的形成必须在实验条件下进行检测。在本研究中,采用扫描电子显微镜分析进行检测。其他方法也可用于检测生物膜的形成,例如组织培养板法和试管法21。感染前一天,需将浮游状态细胞和生物膜状态细胞的冻存样品从-80 °C解冻,以测定CFU。次日,应根据CFU将细菌稀释至适当的感染剂量。实验中需设置注射PBS的模拟感染对照组,该组小鼠在整个感染实验期间应无任何异常表现。不同菌株的感染剂量可能不同,因此强烈建议先进行预实验以确定合适的感染剂量。在本研究中,根据预实验结果采用3 × 107 CFU作为感染剂量。在预实验中,该剂量的生物膜细菌可在感染后48小时导致全部5只小...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划 [2017YFD0500102]、国家自然科学基金委员会 [31572544]、兽医病原生物学国家重点实验室 [SKLVEB2016KFKT005] 和中国上海农业应用技术发展计划 [G2016060201] 的资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Todd Hewitt 肉汤(THB)Becton, Dickinson and CompanyDF0492078将 30 g 粉末溶解于 1 L 纯化水中。121° 下高压灭菌 15 分钟。
琼脂DSBIO16C0050将 15 g 粉末溶解于 1 L THB 中。121° 下高压灭菌 15 分钟。
Milli-Q Reference 水纯化系统Merck KGaAZ00QSVCUS无 Dnase/Rnase
NaCl天津科密欧化学试剂有限公司10019318将 8 g NaCl、0.2 g KCl、1.42 g Na2HPO3 和 0.27 g KH2PO4 溶解于 1 L 纯化水中。121° 下高压灭菌 15 分钟。用 KOH 调节 pH 至 7.4。
Na2HPO3西陇科学股份有限公司9009012-01-09将 8 g NaCl、0.2 g KCl、1.42 g Na2HPO3 和 0.27 g KH2PO4 溶解于 1 L 纯化水中。121° 下高压灭菌 15 分钟。用 KOH 调节 pH 至 7.4。
KCl西陇科学股份有限公司9009017-01-09将 8 g NaCl、0.2 g KCl、1.42 g Na2HPO3 和 0.27 g KH2PO4 溶解于 1 L 纯化水中。121° 下高压灭菌 15 分钟。用 KOH 调节 pH 至 7.4。
KH2PO4西陇科学股份有限公司9009019-01-09将 8 g NaCl、0.2 g KCl、1.42 g Na2HPO3 和 0.27 g KH2PO4 溶解于 1 L 纯化水中。121° 下高压灭菌 15 分钟。用 KOH 调节 pH 至 7.4。
KOH西陇科学股份有限公司9009014-01-09将 8 g NaCl、0.2 g KCl、1.42 g Na2HPO3 和 0.27 g KH2PO4 溶解于 1 L 纯化水中。121° 下高压灭菌 15 分钟。用 KOH 调节 pH 至 7.4。
甘油西陇化学试剂有限公司10010618与等体积纯化水稀释后,121° 下高压灭菌 15 分钟
4% 多聚甲醛西陇化学试剂有限公司80096675
25% 戊二醛西陇化学试剂有限公司30092436用纯化水稀释 10 倍用于固定。
乙醇西陇化学试剂有限公司10009218
氯仿西陇化学试剂有限公司10006818
分光光度计DeNovix Inc.DS-11+
超声波细胞破碎仪宁波新芝生物科技股份有限公司JY96-IIN
离心机日立工机株式会社CT15RE
冰箱澳柯玛股份有限公司DW-86L500
扫描电子显微镜蔡司EVO-LS10
FastRNA Pro Green 试剂盒MP Biomedicals#6045-050
FastPrep-24 仪器MP Biomedicals116005500
PCR 仪SensoQuest GmbH1124310110
QuantStudio 6 Flex赛默飞世尔科技4485689
SYBR Premix Ex Taq II宝日医生物技术(北京)有限公司RR820A
含 gDNA 消除剂的 PrimeScript RT 试剂盒宝日医生物技术(北京)有限公司RR047A
全封闭组织处理仪Leica Biosystems Nussloch GmbHASP200S
加热式石蜡包埋模块Leica Biosystems Nussloch GmbHEG1150H
半自动旋转切片机Leica Biosystems Nussloch GmbHRM2245
石蜡切片水浴Leica Biosystems Nussloch GmbHHI1210
自动染色机 XLLeica Biosystems Nussloch GmbHST5010
Agilent 2100安捷伦科技G2939A
光学显微镜奥林巴斯BX51

参考文献

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