斑马鱼(Danio rerio)正成为研究微生物定植与致病机制的常用脊椎动物模型。本实验方案描述了利用纤毛原生动物尾草履虫(Paramecium caudatum)作为载体,建立斑马鱼幼鱼食源性感染的方法。P. caudatum 可高效摄取细菌,并通过斑马鱼幼鱼的自然捕食行为被摄入体内。
斑马鱼(Danio rerio)正成为研究微生物定植与致病机制的常用脊椎动物模型。本实验方案描述了利用纤毛原生动物尾草履虫(Paramecium caudatum)作为载体,建立斑马鱼幼鱼食源性感染的方法。P. caudatum 可高效摄取细菌,并通过斑马鱼幼鱼的自然捕食行为被摄入体内。
由于其透明性、易于进行遗传操作以及便于饲养等特点,斑马鱼(斑马鱼已成为研究传染病的常用脊椎动物模型。斑马鱼幼鱼会自然捕食单细胞原生动物 Paramecium caudatum本方案描述了以下方法的使用 P. caudatum 作为幼年斑马鱼食源性感染的载体。 P. caudatum 可吞噬多种细菌,且细菌细胞在数小时内仍保持活性。随后,斑马鱼会捕食这些细菌 P. caudatum消化草履虫后,细菌载量在前肠中释放 载体,细菌定植于肠道。本方案详细描述了草履虫的培养、细菌负载、细菌降解程度与剂量的测定,以及通过喂食草履虫感染斑马鱼的方法。该食源性感染方法的优势在于能更真实地模拟人类疾病中的感染途径,与浸泡感染法相比可实现更稳定的定植效果,并可用于研究多种病原体。在斑马鱼模型中进行食源性感染,可用来探究细菌在宿主内的基因表达、宿主与病原体的相互作用,以及病原性的典型特征,包括细菌载量、定位、播散和发病情况。
斑马鱼在形态和功能上与哺乳动物具有保守的特征,包括粒细胞系(例如中性粒细胞)、类似单核细胞/巨噬细胞的细胞、Toll样受体、促炎性细胞因子以及抗菌肽1。斑马鱼的肠道在受精后6天(dpf)已完全发育,并在形态和功能上与哺乳动物胃肠道具有保守性,例如肠道上皮细胞中保守的转录调控机制2。这使得斑马鱼成为研究肠道微生物定植和致病机制的优良模型。已有大量肠道微生物在斑马鱼模型中被研究,包括肠出血性Escherichia coli3、Vibrio cholerae4,5、Salmonella enterica6、斑马鱼微生物群7,8,以及益生菌在肠道免疫中的作用9。斑马鱼模型的一个显著优势是,可在不破坏内源性微生物群的情况下被多种微生物定植,从而允许在混合微生物群落背景下研究微生物行为3,6。目前,大多数斑马鱼胃肠道定植与疾病模型依赖于浸泡法接种微生物,即将斑马鱼置于细菌悬液中孵育一定时间10。然而,该方法难以确定确切的细菌接种剂量,且导致部分微生物(尤其是非致病菌)的定植效率有限。另一种方法是通过口服灌胃将细菌悬液递送至鱼类体内11,但该技术操作难度较高,且仅适用于较年长的幼鱼和成鱼。
本方案描述了单细胞原生动物的使用方法 Paramecium caudatum 作为将微生物经食物递送至斑马鱼幼鱼胃肠道的载体。草履虫易于培养且成本低廉,能够摄食多种微生物,包括藻类、真菌和细菌,并通过纤毛口沟将其内化。12,13,14细菌被内化后,会存在于囊泡中,这些囊泡最终酸化,其内容物在数小时内逐渐降解。15斑马鱼幼鱼在孵化后约3–4天(取决于温度)即可捕食草履虫等天然猎物16,高效地将其摄取。从检测到捕获,猎物捕食过程平均耗时1.2秒。17,且捕获的草履虫在斑马鱼前肠中被迅速消化,从而使内化的活菌释放到肠道中3因此,草履虫可作为一种快速简便的方法,将高剂量且稳定的细菌递送至斑马鱼的胃肠道。所递送的细菌可经改造以表达荧光蛋白(例如本文所述的mCherry),或对于难以进行遗传操作的细菌,可通过预先用荧光染料染色,从而实现在胃肠道内的可视化观察。
本方案描述了通过食源性途径递送肠致病性大肠杆菌的方法 E. coli (肠出血性) E. coli [EHEC] 和黏附侵袭性 E. coli [AIEC],以及 Salmonella enterica ssp. Typhimurium。两者均为致病性 E. coli 和 S. typhimurium 被传递 通过 粪-口途径18,19,并可被获取 通过 受污染的食物,例如肉类、蔬菜和乳制品。使用 P. caudatum 作为载体, E. coli 和 S. typhimurium 可在与草履虫载体共孵育30–60分钟内成功定植于斑马鱼幼鱼。所达到的细菌载量足以通过组织匀浆平板计数来观察定植情况并测定载量。
此处所述的斑马鱼饲养、繁殖和实验均遵循《实验动物护理和使用指南》,并已获得德克萨斯大学健康科学中心机构动物福利委员会批准,方案编号为AWC-16-0127。
1. Paramecia 的培养与维持
2. 斑马鱼给药细菌剂量的测定



和
或

或

3. 斑马鱼的食物源性感染


Paramecium caudatum 可轻易将多种细菌内化至储存液泡中。细胞内细菌密度取决于共培养体系中细菌与草履虫的密度,以及所用的细菌种类。随着时间推移,液泡逐渐酸化,随之发生细菌降解。所有菌株的降解速率均需单独测定。对于致病性E. coli,初始细菌密度为 790 个细菌/paramecium,其降解半衰期约为 2.3 小时(图 1)。

图1:测定草履虫体内细菌的半衰期。(A)将E. coli与P. caudatum共孵育2小时后,清洗草履虫并转移至不含细菌的培养基中。在指定时间点,通过在选择性琼脂平板上进行梯度稀释涂布,测定存活的E. coli细胞数量。结果以均值±均值标准误(SEM;n = 3)表示。(B)携带内化细菌的草履虫典型图像,包括明场(Bi)、荧光标记细菌(Bii)及通道合并图像(Biii)。比例尺 = 20 μm。请点击此处查看该图的放大版本。
此外,还研究了斑马鱼的捕食率,即斑马鱼在共孵育过程中摄取载菌草履虫的速率。斑马鱼幼体通常从5 dpf开始捕食并捕捉活体猎物20,但研究发现,当在30 °C条件下培养时,幼体发育加快,从4 dpf起即表现出捕食行为。捕食行为伴随一种特征性的攻击动作20(图2A),而捕食率的测定基于每次攻击会导致一条草履虫被摄入这一假设,尽管该假设仅可视为一种近似估计(见讨论部分)。根据本文所述对捕食性斑马鱼幼体的观察,草履虫的摄取速率约为每小时1,539条(图2B)。

图 2:斑马鱼捕食率的测定。 (A)捕食视频中的静态图像,显示一条斑马鱼幼体(5 日龄)捕食携带荧光细菌的草履虫。时间为[秒]。箭头指示攻击过程中的主要运动轴线。 (B)基于 n = 10 段视频(覆盖完整的 2 小时暴露时间)计算的捕食率(每小时摄入草履虫数量)。 请点击此处查看此图的放大版本。
在摄入草履虫后,斑马鱼能够高效地在前肠中降解猎物,从而将感染性细菌释放到消化系统中。如本文所述,草履虫的降解过程迅速,捕食开始后30分钟内即可在肠道中检测到游离的细菌。随后,游离细菌从前肠迁移至中肠和后肠,通常在捕食开始后约1–2小时可被检测到(图3)。细菌在肠道中的持续存在时间取决于菌种和剂量,对于E. coli和S. enterica而言,可持续数小时至数天不等。S. enterica主要定位于肠黏膜,并伴有一定程度的上皮细胞侵袭(Figure 3D),进而引发中性粒细胞浸润至上皮组织(图3C)。

图3:斑马鱼的细菌定植。 5日龄斑马鱼未感染(A)或定植表达mCherry的(B)E. coli 或(C)S. enterica。感染实验可在野生型(A 和 B)斑马鱼或转基因品系(例如Tg(MPO::EGFP)i114,其表达绿色荧光中性粒细胞,如图(C)所示)中进行。直肠开口由箭头标示。(D)经全胚包埋后感染Salmonella enterica的幼鱼肠道切片的高倍放大图像。(Di)蓝色 = 标记细胞核的Hoechst染料,(Dii)紫色 = 标记F-肌动蛋白的鬼笔环肽,(Diii)红色 = 沙门氏菌,(Div)合并图像。比例尺 = 5 μm。请点击此处查看该图的放大版本。

视频 1:捕食过程的视频影像。请点击此处下载该视频。
此处描述的基本方案已针对病原体进行优化 E. coli,并已成功应用于其他细菌种类,包括 肠道沙门氏菌 和 霍乱弧菌对于某些通过浸泡感染无法定植斑马鱼肠道的物种,包括某些肠炎沙门氏菌(Salmonella enterica)菌株和一些厌氧菌,可采用本文所述的食源性感染方法成功建立定植。与显微灌胃法相比,食源性感染在技术上难度较低,所需专用设备较少,而显微灌胃法也常用于在幼鱼肠道内建立高负荷的细菌感染。然而,应针对拟使用的细菌种类和菌株优化关键实验参数,例如细菌与草履虫共培养步骤中的细菌和草履虫密度:若草履虫体内的细菌数量较低,可通过提高共培养阶段的细菌密度来改善。某些细菌种类可能对草履虫宿主造成损伤,应通过显微镜检查进行评估。
本方案中的另一个重要因素是斑马鱼对猎物的捕食。此处描述的捕食率基于一个假设:每次捕食攻击都会导致一条草履虫被摄食。本方案中使用了每条鱼较高密度的草履虫,以确保较高的捕食率。然而,捕食行为依赖于系统中草履虫的密度;在草履虫浓度极低的培养条件下,捕食率可能低至每小时13–15条草履虫21,22。一个局限性在于,捕食率还高度依赖光照条件,在黑暗环境下的捕食率比光照条件下低80%21,因此在设计实验时应充分考虑这一因素。如果需要延长与猎物的接触时间以优化定植效果,则必须考虑通过粪便造成的细菌二次暴露问题。在上述条件——即2小时猎物暴露时间下——这种暴露可以忽略不计,因为细菌在肠道中的通过时间超过1小时,且载体中的细菌浓度远高于粪便中的浓度。然而,若显著延长猎物暴露时间,这一因素可能变得显著。
本方案中应包含适当的对照,例如用含有非致病性E. coli MG1655的草履虫喂养斑马鱼以观察定植情况。若需比较多种细菌菌株在斑马鱼宿主中的定植能力,则需验证这些菌株在草履虫体内的半衰期是否相近。某些细菌突变(包括影响细胞壁完整性和酸感应的突变)可能会影响其在草履虫体内的稳定性。在此类情况下,必须调整斑马鱼的喂养方案,以校正因剂量差异带来的影响。
此处所述方案可用于研究细菌定植及其后果,包括如上所述对斑马鱼体内细菌定植进行成像,以及通过组织匀浆测定每条斑马鱼的菌落形成单位(CFU)3,或评估感染相关的发病与死亡情况。理想情况下,为实现细菌可视化,应使用表达荧光蛋白(如mCherry或红色荧光蛋白RFP)的细菌菌株。这将有助于观察细菌种群的生长情况。若细菌菌株不具备遗传操作可行性,或因其他原因无法使用荧光蛋白表达,则可在与四膜虫共培养前,用荧光染料(如FM 4-64FX)对细菌进行染色。采用本方案时,与四膜虫共培养不会降低染料的荧光强度,且染色后的细菌在斑马鱼肠道中清晰可见。然而,若细菌在斑马鱼宿主体内发生显著增殖,染料信号将随时间推移而被稀释。无论采用何种方法,均优先选择红色荧光细菌而非绿色荧光细菌,因为组织自发荧光在绿色通道通常高于红色通道。
已发现该方案可适用于需氧菌和微需氧菌细菌物种。尽管尚未通过实验验证,但该方案或许也可改造用于孢子和真菌物种的培养。
作者无任何利益冲突需要披露。
感谢Krachler课题组成员对本文手稿的审阅和宝贵意见。本工作由德克萨斯大学系统STAR奖、英国生物技术和生物科学研究所(BBSRC)以及美国国立卫生研究院(NIH,项目编号R01AI132354)资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Paramecium caudatum,活体 | Carolina | 131554 | 切勿将培养物在低于室温条件下储存 |
| 0.4% 台盼蓝溶液 | Sigma | T8154-20ML | 液体,经无菌过滤,适用于细胞培养;溶于0.81%氯化钠和0.06%磷酸氢二钾中 |
| 二甲基亚砜(DMSO) | Sigma | 276855-100ML | 储存于溶剂安全柜中 |
| Escherichia coli,MG1655 | ATCC | ATCC 700926 | 可用其他任何非致病性E. coli菌株替代 |
| FM 4-64FX 染料 | Thermo Fisher | F34653 | 分装后冷冻保存 |
| 甲醛 | Sigma | F8775-4X25ML | |
| LB 培养基 | Sigma | L3397-1KG | |
| 磷酸盐缓冲液片剂 | Thermo Fisher | 18912014 | |
| 四环素 | Sigma | 87128-25G | 有毒,具刺激性 |
| 三卡因(氨基苯甲酸乙酯甲磺酸盐) | Sigma | E10521-10G | |
| 吐温 X-100 | Sigma | X100-100ML | |
| 台盼蓝溶液,0.4% | Sigma | 93595-50ML | |
| UltraPure 低熔点琼脂糖 | Thermo Fisher | 16520050 | |
| 血细胞计数板或细胞计数仪 | 任意 | ||
| 体视显微镜 | 任意 | ||
| 台式离心机 | |||
| 微波炉 | |||
| 旋转摇床 | |||
| 加热振荡培养箱 | |||
| 水生生物饲养设施 | |||
| 繁殖用培养缸 |