本文提供了一种利用大蜡螟(Galleria mellonella)幼虫进行口服给药的详细实验方案,以及如何表征其诱导的先天免疫反应。通过本方案,即使缺乏实际操作经验的研究人员也能够掌握大蜡螟(G. mellonella)强制喂食技术。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文提供了一种利用大蜡螟(Galleria mellonella)幼虫进行口服给药的详细实验方案,以及如何表征其诱导的先天免疫反应。通过本方案,即使缺乏实际操作经验的研究人员也能够掌握大蜡螟(G. mellonella)强制喂食技术。
研究共生细菌对宿主免疫系统的免疫原性潜力,是探讨肠道宿主-微生物相互作用的一个关键组成部分。已有充分证据表明,不同的共生菌在刺激宿主肠道免疫系统方面具有不同的能力。这类研究通常涉及脊椎动物,尤其是啮齿类动物。由于涉及脊椎动物的实验引发的伦理问题日益受到关注,因此迫切需要开发无脊椎动物替代模型。
本文提供了一种利用共生性非致病菌通过口服途径在Galleria mellonella中进行给药的模型,并评估这些共生菌对G. mellonella免疫系统免疫原性潜力的可能方法。我们证明,G. mellonella是一种有用的无脊椎动物替代模型,可用于分析具有不同免疫原性潜力的共生菌,例如Bacteroides vulgatus和Escherichia coli。有趣的是,这些细菌对幼虫无杀伤效应,这一点与哺乳动物相似。G. mellonella的免疫反应与脊椎动物的先天免疫反应相似,包括对细菌的识别以及抗菌分子的产生。我们提出,G. mellonella能够恢复先前的微生物群平衡,这一点在健康的哺乳动物个体中已有明确报道。尽管G. mellonella与脊椎动物在先天免疫反应方面具有可比性,但G. mellonella并不具备适应性免疫系统。由于先天免疫系统中所研究的组分在进化上是保守的,该模型可用于细菌免疫原性特征的初步筛选和初步分析。
肠道微生物组是维持稳态的重要组成部分,涉及先天性和适应性免疫反应1,2。共生微生物群落的特征在于其主要的共生成分:一类是通过重要的免疫调节功能发挥有益作用的共生菌,另一类是在遗传易感宿主中可能产生有害效应并促进和触发肠道炎症的致病菌3,4。目前已有大量关于共生菌和致病菌及其对宿主免疫系统影响的研究,主要集中在适应性免疫反应方面。
由于这些研究涉及大量动物,且实验动物的保护与替代日益受到公众关注,因此我们致力于寻找一种替代模型,以实现对不同细菌免疫原性特征的筛选。昆虫,尤其是 Galleria mellonella,是感染研究中广泛使用的替代模型。G. mellonella 具备多种优势,如成本低、通量高;可实现细菌的口服给药,即自然暴露途径;也可建立全身性感染5,6。G. mellonella 还可在 37 °C 下培养,该温度是哺乳动物的生理体温,也是细菌毒力因子表达的最佳条件5。G. mellonella 的主要优势在于其保守的先天免疫系统,能够区分“自我”与“非自我”,并编码多种模式识别受体,如载脂多糖蛋白(apolipophorin)和调理素血淋素(hemolin)6,7。在识别微生物后,G. mellonella 可触发多种下游体液免疫反应,包括诱导氧化应激反应并分泌活性氧(ROS),该过程涉及NOS(一氧化氮合酶)和NOX(NADPH氧化酶)的活性6,8。此外,G. mellonella 可激活强烈的抗菌肽(AMP)反应,分泌多种不同的AMP混合物,如gloverin、moricin、cecropin以及类防御素gallerimycin6,8,9,10。总体而言,AMP对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌及真菌具有较广的宿主特异性,且必须提供强有力的免疫应答,因为昆虫缺乏适应性免疫反应10。Gloverin 是一种对细菌和真菌具有活性的抗菌肽,可抑制外膜的形成6,11。Moricin 通过穿透细胞膜并形成孔道,对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌发挥抗菌作用9,11。Cecropin 对细菌和真菌具有活性,其作用机制与 moricin 类似,均可使细胞膜通透化9,10。Gallerimycin 是一种具有抗真菌特性的类防御素肽9。有趣的是,研究发现 cecropin 与 gallerimycin 联合使用对 E. coli 具有协同抗菌活性10。
由于G. mellonella幼虫使用简便,常被用作评估细菌致病性的感染模型。尤其是一些研究发现,在G. mellonella中获得的数据与小鼠实验数据具有相关性,这进一步支持了该替代宿主模型的有效性。研究发现,在小鼠感染模型中致病性最强的单核细胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)血清型,经系统性感染后也会导致G. mellonella更高的死亡率。此外,毒力较弱的血清型在G. mellonella模型中也表现出较低的毒力12。类似的结果也见于人类致病性真菌白色念珠菌(Candida albicans)。通过系统性感染并随后监测幼虫存活率,可评估不同C. albicans菌株的毒力。在小鼠中无毒力的菌株在G. mellonella中同样无毒或毒力降低,而对小鼠具有毒力的菌株也会导致幼虫高死亡率13。此外,G. mellonella模型还可用于鉴定铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的III型分泌系统致病因子14。
由于大多数涉及G. mellonella的研究主要集中在利用全身感染模型分析毒力因子,因此我们特别希望提供一种适用于口服灌胃模型中肠道共生菌分析的方法。在此模型中,可对每只幼虫施加明确剂量的细菌,不仅能够观察幼虫的死亡率,还能分析先天免疫反应的不同标志物,以维持肠道稳态。
我们的方法通过结合细菌应用与RNA表达分析,有助于提升G. mellonella作为替代模型的使用价值。该方法不仅在细菌致病性研究中具有重要意义,尤其在纳入口服给药后的免疫应答分析时,而不仅限于系统性感染后死亡率的观察。此外,由于本方法在活体生物中提供了肠道屏障,相较于细胞培养具有更复杂的生理条件,因此可用于分析细菌非致病性共生菌的免疫原性特性。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
1. G. mellonella 的饲养及实验用幼虫的准备
注意:从卵到末龄幼虫的周期大约需要5-6周。
2. 培养与制备 Bacteroides vulgatus 和 大肠杆菌 用于口服给药
3. 通过细菌悬液对G. mellonella幼虫进行强制喂食
4. 口服幼虫的处理及RNA提取
5. 灌胃后细菌16S拷贝数的定量分析
注意:表达的细菌16S拷贝数通过第4节中提取的RNA反转录合成的cDNA进行测定。最终定量通过标准曲线计算得出,该标准曲线使用含有 B. vulgatus 或 E. coli 的16S PCR片段克隆的质粒构建。
6. 使用定量 RT-PCR 检测先天免疫标志物基因

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
G. mellonella 血淋巴感染模型被广泛用于分析多种病原体的毒力因子。大多数检测包括对幼虫死亡率的分析,这是一种相对简便的方法。然而,该方法无法对整体免疫应答得出结论,也难以将 G. mellonella 的免疫反应结果与脊椎动物的免疫机制相联系。另一方面,G. mellonella 口服给药模型由于难以获得精确的感染剂量,目前极少用于幼虫的口服感染或定植研究9。此外,关于 G. mellonella 对非致病菌(尤其是哺乳动物肠道共生菌)的先天免疫应答,目前所知甚少。
与病原体不同,共生微生物会对宿主构成挑战并触发免疫反应,但宿主免疫系统能够维持免疫稳态。 G. mellonella 能够清除最初灌胃给予的细菌载量,直至最终无法再检测到细菌(图2)...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
G. mellonella 模型是一种常用于评估细菌毒力因子的全身感染模型21。由于许多病原体和细菌通过口腔定植或感染途径进入宿主,因此需要获得新的认识,以评估G. mellonella 作为口腔定植和感染模型的价值。
能够在15-37 °C范围内饲养G. mellonella是一个显著优势,因为大多数哺乳动物模型的体温维持在37 °C5。G. mellonella幼虫可从不同供应商处购买,但建立自有的繁殖种群具有诸多优点,例如避免了可能干扰实验的抗生素残留,能够更准确地预估实验起始时间(因为供应商并不总能提供适合直接使用的幼虫阶段),并避免了因运输或温度变化引起的应激反应。由于G. mellonella具有较宽的温度耐受范围,其繁殖可在较广的温度区间内进行。较高温度可促进幼虫更快发育,根据繁殖温度,我们可以估算从卵到末龄幼虫的整个生命周期。用于实验的幼虫仅选择体色浅且活动迅速的个体,以避免任何应激...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由德国研究基金会(DFG,SPP1656项目)、DFG研究培训组1708、德国联邦教育与研究部(BMBF)以及德国感染研究中心(DZIF)资助。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 离心管 | Eppendorf | 0030120086 | |
| 100 bp DNA 标准分子量标记 | Thermo Fisher Scientific | 15628019 | |
| 1-溴-3-氯丙烷(BCP) | Sigma-Aldrich | B9673 | |
| 2 mL 离心管 | Eppendorf | 0030120094 | |
| 2x Mangomix | Bioline | BIO-25033 | 菌落 PCR |
| 50 mL 离心管 | Greiner Bio-One | 210 261 | |
| 琼脂糖 | Biozym | 840004 | |
| 蜂蜡 | Mixed-Store.de | - | |
| 脑心浸出液肉汤 | Thermo Fisher Scientific | CM1135 | |
| CloneJET PCR 克隆试剂盒 | Thermo Fisher Scientific | K1232 | 用于 16S 片段的克隆载体 |
| 玉米粗粉 | Ostermühle Naturkost GmbH | 306 | 有机种植 |
| Difco LB 琼脂,Miller 型(Luria-Bertani) | Becton Dickinson | BD | |
| Difco LB 肉汤,Miller 型(Luria-Bertani) | Becton Dickinson | 244610 | |
| DNA-free DNA 去除试剂盒 | Thermo Fisher Scientific | 244510 | DNA 酶消化 |
| 干酵母 | Rapunzel | - | 有机种植 |
| 杜尔贝科磷酸盐缓冲液(DPBS) | Thermo Fisher Scientific | 14040 | |
| 乙醇 | VWR | 20821.330 | |
| 甘油 | Sigma-Aldrich | W252506 | |
| 蜂蜜 | Ostermühle Naturkost GmbH | 487 | |
| 异丙醇 | VWR | 20842.330 | |
| Lightcycler 480 仪器 II | Roche Molecular Systems | 5015278001 | |
| LightCycler 480 96 孔白色多孔板 | Roche Molecular Systems | 4729692001 | |
| 带数字显示的手动微量注射泵 | World Precision Instruments | DMP | |
| Micro-Fine+ U-100 胰岛素注射器 0.3 x 8 mm | Becton Dickinson | 324826 | 口服给药 |
| 未上釉研钵 | VWR | 410-9327 | |
| Nanodrop | Thermo Fisher Scientific | 13-400-518 | |
| 无核酸酶水 | Thermo Fisher Scientific | 10977035 | |
| Oxoid 厌氧培养袋 | Thermo Fisher Scientific | AN0025A | RNA 质量与数量 |
| PCR 条形管 | Biozym | 710970 | |
| 未上釉研杵,研磨面 | VWR | 410-9324 | |
| Phusion 高保真酶 | Thermo Fisher Scientific | F553S | |
| 引物 | Biomers | - | |
| PureYield 质粒小提系统 | Promega | A1222 | |
| QuantiFast SYBR Green PCR 试剂盒 | Qiagen | 204056 | 用于细菌拷贝数测定的 qPCR |
| QuantiFast SYBR Green RT-PCR 试剂盒 | Qiagen | 204156 | 用于基因表达检测的 qRT-PCR |
| QuantiTect 反转录试剂盒 | Qiagen | 205311 | cDNA 合成 |
| Qubit 检测管 | Thermo Fisher Scientific | Q32856 | |
| Qubit dsHS DNA 试剂盒 | Thermo Fisher Scientific | Q32851 | 质粒和 cDNA 样品定量 |
| Qubit 荧光仪 | Thermo Fisher Scientific | Q33226 | 质粒和 cDNA 样品定量 |
| RNase-ExitusPlus | AppliChem | A7153 | |
| Rnasin 核糖核酸酶抑制剂 | Promega | N2511 | |
| 脱脂奶粉 | Sucofin | - | |
| SYBR Safe DNA 凝胶染料 | Thermo Fisher Scientific | S33102 | |
| TRI 试剂 | Sigma-Aldrich | T9424 | |
| 称量舟 | VWR | 10803-148 | |
| 小麦粉 | Ostermühle Naturkost GmbH | 6462 | 有机种植 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。