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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
这种活细菌细胞成像协议允许可视化多个细菌物种之间在一段时间的单细胞水平相互作用。延时成像允许在单一培养或联合培养中观察每个细菌物种,以询问多物种细菌群落中的外来物种相互作用,包括单个细胞的动性与生存能力。
多微生物群落在自然界中无处不在,但研究它们在单细胞层面的相互作用是困难的。因此,已经开发出一种基于显微镜的方法,用于观察两种细菌病原体之间的物种间相互作用。使用这种方法来询问莫蒂克阴性病原体、 伪多多 尼亚和非莫蒂克呈阳性病原体 金 黄色葡萄球菌之间的相互作用。该协议包括在每个物种之间共同接种盖玻片和一个阿加罗斯垫,它维护细胞在一个平面,并允许在空间和时间细菌行为的可视化。
此外,这里演示的延时显微镜非常适合可视化两个或两个或更多细菌物种之间发生的早期相互作用,包括细菌物种在单一培养和与其他物种共培养中活动的变化。由于显微镜设置中样本空间有限,一旦细胞数量过高,此协议不太适用于研究细菌物种之间的后期相互作用。然而,该协议有许多不同的应用,包括使用染色成像活体和死细菌细胞,通过荧光报告器量化基因或蛋白质表达,以及跟踪细菌细胞在单一物种和多物种实验中的运动。
多微生物群落在自然界中很常见,涵盖各种环境1、2、3,2,3和人类利基4、5。,5人类疾病中最臭名昭著的多微生物感染包括牙科生物膜,6、慢性伤口,7、8、慢性阻塞性肺7病9、呼吸机相关肺炎10、遗传性疾病囊性纤维化(CF)11、12。101112这些感染通常由不同的微生物物种组成;然而,最近出现了一个焦点,在革兰血球菌金黄色Staphylococcus aureus葡萄球菌和革兰阴性细菌伪多多莫尼亚之间的相互作用已经出现。包括与这些生物体合并的患者和体外分析在内的研究揭示了竞争和合作相互作用,这些相互作用对疾病进展、微生物生存、毒性、代谢和抗生素易感性有深刻和意想不到的影响(由 Hotterbeekx等人详细审查,2017年13和利莫利和霍夫曼20193)。
感染期间对物种间相互作用的兴趣日益增长,产生了研究多微生物社区行为的各种方法。通常,这些研究利用基于板材或肉汤的测定来研究单一栽培和共培养之间的表型差异。例如,在固体表面上的Coureing P. aeruginosa和S.金黄色金黄色,可以可视化生长抑制或菌落表型、色素或多糖生产的变化 14、15、16 。14,15,16混合物种生物膜,在生物或非生物表面,以及在液体培养中培养细菌物种,也能够测量生长变化,新陈代谢,抗生素耐受性,竞争和生存能力的变化,除了基因和蛋白质表达17,18。,18虽然这些大宗培养实验揭示了P.aeruginosa和S.aureus在社区尺度上可能如何影响彼此,但它们无法回答有关单细胞水平相互作用的重要问题。此处介绍的方法通过关注联合培养社区中单个细胞的运动、细胞活力和基因表达的变化,为研究物种间相互作用的方法提供了补充。
单细胞相互作用可能与在细胞大社区中发生的相互作用大相径庭。通过单细胞分析,可以量化社区内的异质性,以研究细胞的空间放置如何影响社区动力学,或基因和蛋白质表达水平如何改变群体中个别成员。跟踪单元格还可以深入了解单个单元格在一段时间内如何移动和行为,通过多代。通过同时跟踪细胞运动和基因表达的变化,可以与基因波动和相应的表型进行关联。以前在单细胞水平上研究单个细菌物种的协议已经描述。这些研究利用活成像细胞在一个平面上的时间,并一直可用于观察表型,如细胞分裂和抗生素易感性19,20。19,额外的活成像显微镜已被用于监测生长,运动,表面殖民化和生物膜形成的单一细菌物种21,22,23。21,22,23然而,虽然这些研究对单一培养中的细菌生理学有见地,但观察多种细菌在联合培养中单细胞行为的实验是有限的。
在这里,以前用于单物种成像的协议已被改编为研究 P.aeruginosa 和 S.aureus之间的相互作用。这些生物体可以根据细胞形态在相位对比下分化(P.aeruginosa 是杆菌 ,S.金合是 球菌)。此方法的发展最近使 P.aeruginosa在S.aureus24 存在的情况下, 能够可视化以前未描述的动能行为。 P. aeruginosa 被发现能够从远处感应 到 S. aureus, 并且对 S. aureus 细胞群的增强和定向运动作出反应。 P. aeruginosa 运动对 S. aureus 被发现需要类型 IV 皮利 (TFP), 头发一样的预测, 其协调的延伸和缩回产生一个运动称为抽搐运动25.
这些研究证明了这种方法对于询问物种之间早期相互作用的效用。然而,由于无法再识别单个细胞层的高细胞密度在后期相互作用时间点进行成像是很困难的,这主要在成像后分析期间造成问题。鉴于这一限制,该方法最适合早期相互作用,然后可以跟进传统的宏观测定,在代表后期相互作用的较高细胞密度。此方法的其他限制包括低通量性质,因为一次只能成像一个样品,以及显微镜、相机和环境室的成本。此外,荧光显微镜对细菌细胞(如光毒性和光漂白)构成风险,因此限制了荧光图像获取的频率。最后,此方法中使用的气糖垫极易受到环境变化的影响,因此,由于如果条件不正确,垫片可以开始收缩或膨胀,因此控制温度和湿度等条件至关重要。最后,虽然这种方法不模仿宿主环境,但它为不同细菌物种在表面上的反应提供了线索,这些线索可以在旨在模拟环境/宿主条件的测定中跟进。
这种方法不同于先前跟踪单细胞运动的研究,因为细胞在盖玻片和红糖垫之间接种,将细胞限制在表面。这允许在单个平面中随着时间的推移进行细胞跟踪;然而,当细胞浸入液体26中时,观察到的瞬态表面接触周期有限。在气糖垫下成像细菌的一个好处是,它模仿了基于大微量板的地下接种测定,经典地用于检查 P.aeruginosa 抽搐运动25。在这项检测中,细菌细胞在培养皿底部和阿加之间接种,使细胞在从接种点向外穿过培养皿底部时保持单个平面,就像这种显微镜协议一样。
此处介绍的用于可视化物种间相互作用的延时显微镜方案包括 1) 制备细菌样本和 agarose 垫,2) 选择显微镜设置进行成像采集,3) 成像后分析。可以通过以相位对比度在短时间内采集图像来执行细胞移动和跟踪的详细可视化。荧光显微镜也可用于确定细胞的生存能力或基因表达随着时间的推移。在这里,我们展示一个通过向气量染料添加到气垫中来适应荧光显微镜的例子。
注:此协议中所有耗材的完整说明和目录号见材料表。
1. M8T 最小介质的制备
第1天:
2. 细菌过夜培养的准备
第2天:
3. 细菌菌株的亚栽培
4. 垫模材料的制备
5. 制备加糖垫
注:垫片采用 M8T 最小介质作为本协议中使用的细菌的营养源。然而,垫中使用的营养物质可以修改为不同的生物体。
6. 制备细菌细胞和接种垫
7. 为实时成像设置显微镜
8. 可选:活/死成像的修改
9. 数据分析
成功使用所述方法将产生一系列帧,这些帧生成一个视频,其中可以随着时间的推移观察到物种间的交互。图1 中的示意图提供了一个可视化图,用于突出显示准备成像材料所涉及的关键步骤。这种方法的使用使得P.aeruginosa细胞在单一培养中表现出与S.aureus共同培养的不同行为。与单培养中仍分组在木筏中的P.aeruginosa细胞相比,当与金合子联合培养时,P.aeruginosa增加了单细胞对金合群的动性(图2A-2B)。-2B S. aureus荧光标记的细菌菌株也允许可视化细菌物种的混合种群。使用GP标签P.aeruginosa允许观察后,P.aeruginosa单细胞增加的活力,他们将包围并最终入侵S.金红菌落(图2C)。利用荧光标记细胞还允许首次对金红素菌群的P.aeruginosa细胞S. aureus入侵进行可视化(图2C,底部)。
虽然该协议生成用于观察物种间相互作用的高质量图像,但有几个常见问题可能导致帧序列质量差。实验期间湿度不一致,且焊盘干燥不正确是导致垫移和将细胞拖出 FOV(图3A)导致漂移的两个常见问题。湿度的变化会影响加糖垫的干燥性。湿度增加会使垫片太湿,使湿气在垫和玻璃底盘底部之间沉淀。水分留下一层足够厚的液体,使动体细胞蜂拥而至或游过,并且不会将细菌细胞保持在单个平面中。同时,湿度降低使垫干得更快,从而导致细胞在早期漂移。使用荧光这种方法的另一个常见错误是过于频繁地获取荧光图像或将细菌细胞暴露在荧光灯下的时间过长。荧光图像的短采集间隔会反复激发特定波长的高强度光的荧光。兴奋的荧光团然后与氧气发生反应,导致荧光团降解。由此产生的光漂白会消耗荧光,直到更多的荧光团可以表达和折叠,但不会伤害细菌细胞本身(图3B)。然而,荧光的丧失确实干扰了基因/蛋白质表达的测量,使细胞无标记,直到荧光团能够完全合成并再次兴奋。此外,与兴奋的荧光团相互作用的氧气可以形成活性氧物种(ROS)。这些ROS基然后损害细菌细胞,最终变得有毒,导致细胞死亡在几个细胞分裂内(图3C)。光漂白和光毒性的过程可以很容易地看到,因为细胞将首先完全失去荧光,并在随后的帧中,细胞将停止分裂,最终可能死亡(图3B-3C)。-3C设置实验时,最后一个常见问题是每个 FOV 的细胞太多,或者细胞彼此太近,通常相距小于 20 μm。第一帧中拥挤的单元格将产生分裂细胞的聚类,这些细胞在生长时只是相互合并,而不是相互作用。此外,距离距离太近的细胞可能没有足够的时间建立其他物种可以响应的分泌信号梯度(图3D),而遥远的细菌细胞可能没有机会在实验期间相遇。
图 4显示了如何通过向 agarose 垫添加碘化丙二的碘化物来可视化细菌细胞活力的示例。碘化丙二酸对活细胞不渗透,但可以进入膜受损的细胞,并结合到核酸。在这里,中日志GP标签WT S.金雷us治疗单独用介质或无细胞上继从P.aeruginosa衍生,并在治疗后立即成像。图像了三个不同的通道:相位、TxRed 和 GFP。明亮的绿色细胞表示活细胞积极表达GP,仅使用介质治疗的金黄色光病(图4A),红细胞表示死碘化物染色的金黄色细胞,经P.aeruginosa上上经治疗后(图4B)。 S. aureus虽然只显示一个时间点,但此方法可以调整,以确定延时实时成像期间的细胞生存能力。
可以执行几种成像后分析,以量化物种间相互作用的各个方面。例如,细胞跟踪可以提供P.aeruginosa单细胞运动对一组S.aureus的定向测量。单个P.aeruginosa细胞的运动从帧中跟踪,细胞离开木筏穿过细胞到达金红树簇的框架(图5A)。P. aeruginosa 筏和S. 金雷乌斯星团之间的距离提供欧克利迪亚距离,D(E),而总轨道长度提供累积距离,D(A)(图 5B)。每个单元格的定向度计算为 D(E)/D(A) 的比率。在联合培养实验中,WT P. aeruginosa向 WT S. 金合二为一的定向度明显高于 S.agrBDCA,这是一种缺乏 Agr 调节分泌因子的突变体,先前被确定为向S. aureus24定向运动所必需的(图5C)。 S. aureus

图 1:映像设置协议的示意图。
细菌培养物和红糖垫制备关键步骤概述。使用BioRender.com创建。 请单击此处查看此图的较大版本。

图2:延时、活成像显微镜显示与S.aureus合作时P.aeruginosa行为的差异。
代表捕捉 P.aeruginosa( 杆菌,绿色)在单一栽培(A)和与 S.奥雷 乌斯(球菌,无标记)(B)联合栽培的镜头。(C) 荧光标记的细菌允许 可视化P.aeruginosa 单细胞入侵 S.奥雷乌斯 集群。相位对比度和 GFP 通道叠加(顶部)和 GFP 通道单独(底部)。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 3:常见成像问题的代表性快照,导致图像采集不良。
(A) 不当干燥的垫子和不一致的湿度导致细胞在成像期间在FOV上漂移。每个框架(绿棒)中标记起立单元格的位置。(B) 光漂白从暴露在光下太久会消耗一段时间的可检测荧光水平,但不会杀死细胞。(C) 光毒性导致频繁暴露在光线下,导致细胞死亡。当细胞停止荧光并且不能分裂时,就可以看到光毒性的第一个迹象。(D) 高初始孵化组细胞在FOV和防止观察物种间相互作用。 请单击此处查看此图的较大版本。

图4:活体与死亡 S.红球细胞 的比较。
具有GFP标签的WT S. 金雷乌斯的代表性捕捉镜头单独使用介质(A) 或无细胞 P. aeruginosa 上一 液 ( B )治疗。治疗后,细胞立即被成像。活细胞(绿色)积极表达GP并排除碘化丙二,而死细胞(红色)失去GP荧光和膜渗透允许碘化丙二钠进入细胞并结合核酸。 请单击此处查看此图的较大版本。

图5:与古雷乌斯合作培养的P.aeruginosa细胞跟踪分析。
此前,该方法用于与WT或+agrBDCA S.奥雷乌斯联合培养的WT P.aeruginosa进行细胞跟踪。(A) 与 S. aureus _ agrBDCA 合作培养的P. aeruginosa 单细胞轨道的表示。 S. aureus(B) 用于确定定向度 (D(E) / D (A)的欧克利迪亚距离 (D (E) 和累积距离(D (A)测量的示意图。(E)(C) 与WT和+agrBDCA S.奥雷乌斯联合培养的单WTP. aeruginosa细胞的定向测量。 P. aeruginosa这个数字已经修改了从利莫利等人2019年24。请单击此处查看此图的较大版本。
补充文件。 请单击此处查看此图的较大版本。
提交人声明,他们没有什么可透露的。
这种活细菌细胞成像协议允许可视化多个细菌物种之间在一段时间的单细胞水平相互作用。延时成像允许在单一培养或联合培养中观察每个细菌物种,以询问多物种细菌群落中的外来物种相互作用,包括单个细胞的动性与生存能力。
这项工作得到了囊性纤维化基金会博士后过渡奖LIMOLI18F5(DHL)、囊性纤维化基金会初级教师招聘奖LIMOLI19R3(DHL)和NIH T32培训补助金5T32HL007638-34(ASP)的资助。我们感谢杰弗里·梅斯纳、明苏·金和伊森·加纳分享了成像和制作垫的初始协议和建议。
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| 细菌菌株 | |||
| 铜绿假单胞菌 PA14 (WT) | PMID:7604262 | 非粘液质原生营养菌 | |
| 铜绿假单胞菌 PA14 (WT) pSMC21 (Ptac-GFP) | PMID: 9361441 | ||
| 铜绿假单胞菌 PAO1 (WT) pPrpoD-mKate2 | PMID: 26041805 | ||
| 金黄色葡萄球菌 USA300 LAC (WT) | PMID: 23404398 | USA300 CA-甲氧西林耐药菌株 LAC,不含质粒 | |
| 金黄色葡萄球菌 USA300 LAC (WT) pCM29 (sarAP1-sGFP) | PMID: 20829608 | ||
| 金黄色葡萄球菌 USA300 LAC ΔagrBDCA | PMID: 31713513 | ||
| viability Stain | |||
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