抗菌剂诱导的变化 铜绿假单胞菌 不同临床分离株在囊性纤维化及慢性肺部感染患者培养物中的生物膜结构存在差异。经共聚焦显微镜观察后,可利用 COMSTAT 软件对生物膜结构的差异进行定量分析。例如,表面积、厚度、生物量)以评估抗感染药物对单个分离株的疗效。
抗菌剂诱导的变化 铜绿假单胞菌 不同临床分离株在囊性纤维化及慢性肺部感染患者培养物中的生物膜结构存在差异。经共聚焦显微镜观察后,可利用 COMSTAT 软件对生物膜结构的差异进行定量分析。例如,表面积、厚度、生物量)以评估抗感染药物对单个分离株的疗效。
生物膜是由微生物聚集形成的群落,依赖自身产生的胞外聚合物基质来维持其保护功能和结构完整性。医院内病原体铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)能够以生物膜形式生长,导致囊性纤维化(CF)患者发生慢性肺部感染。计算机程序COMSTAT是一种有效的工具,可通过提取三维共聚焦图像中的数据,定量分析抗菌剂诱导的铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)生物膜结构变化。然而,该软件的标准化操作较少被关注,而标准化操作对于准确报告生物膜行为以及实现不同研究中心之间的数据比较至关重要。因此,本实验方案旨在提供一个简单且可重复的框架,利用COMSTAT对不同抗菌条件下体外(in vitro)培养的生物膜结构进行定量分析。本方法以一株来自囊性纤维化患者的铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)分离株为模型,在形成生物膜复制品后,分别暴露于妥布霉素和抗Psl单克隆抗体Psl0096中。该逐步操作流程旨在减少操作者的理解歧义,并最大限度降低遗漏关键图像处理步骤的可能性。具体而言,本方案强调消除与COMSTAT手动操作相关的主观差异,包括图像分割以及定量分析函数的合理选择。尽管该方法要求用户在运行COMSTAT前额外花费时间处理共聚焦图像,但有助于减少自动化输出中对生物膜异质性的误判。
生物膜是由微生物在自身产生的胞外聚合物基质(EPS)中定向聚集而成的结构。EPS基质极为复杂,主要由细菌细胞、水、蛋白质、多糖、脂类和核酸1组成,这些成分使生物膜与自由生活的浮游细胞显著不同。生物膜中的EPS相互黏附,并可附着于各种表面。EPS基质具有介导细胞间代谢物、遗传物质以及用于细胞间信号传递和防御的化合物交换的特性2。这些特性共同赋予生物膜结构完整性,并使其能够抵御外界胁迫因素,从而有助于逃避免疫识别并产生抗微生物能力3。
Pseudomonas aeruginosa 是一种公认的医院内病原菌,已知其在面对抗菌药物时会采取逃避性的生物膜生长策略。一个典型的例子是囊性纤维化(CF)患者,这是一种隐性遗传病。生物膜在耐抗菌药物的 P. aeruginosa4 的形成过程中起着关键作用,并促使 CF 患者发生慢性肺部感染,导致肺功能加速下降以及过早死亡5。因此,通常开展体外(in vitro)生物膜研究,以评估抗生素及新型抗感染药物对从 CF 患者体内分离的 P. aeruginosa 菌株的作用效果6,7。在生物膜形成后,将抗菌药物外加于生物膜结构,随后利用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)对生物膜片段进行高分辨率的三维重建。随后通常使用计算机软件 COMSTAT(作为 ImageJ 的插件)来定量分析生物膜结构的变化8,9,10,11。
尽管 COMSTAT 是 有用的 用于量化生物膜结构的图像分析的可重复性与标准化 较少受到关注。例如,在运行 COMSTAT 之前进行的图像处理步骤在操作上是客观的,但在设定图像阈值时包含一定的主观性12,13以类似方式,COMSTAT 程序允许操作者从基础到高级的条件和参数中选择用于图像分割的选项,以及十种定量分析功能(例如,厚度分布、表面积、生物量、无量纲粗糙度系数)。用户可选参数众多,加之操作者技术水平参差,可能导致对生物膜行为的误报。
因此,本实验方案的目标是提供一种相对简单的方法,用于定量比较 体外 使用 COMSTAT 分析生物膜结构。在此,来自囊性纤维化患者样本的生物膜片段的三维图像 P. aeruginosa 使用腔室盖玻片模型,通过共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)捕获分离的细胞14——一种用于实现可重复操作的成熟技术 体外 生物膜实验。利用COMSTAT作为ImageJ的插件,该方法可使研究人员在不同条件下定量识别抗菌剂存在时生物膜结构的变化。总体而言,该方法旨在消除与COMSTAT手动操作相关的主观差异,从而促进各研究机构间实验方案的标准化。
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1. 细菌分离株收集
2. 体外 生物膜形成
注意:采用腔室载玻片法1 用于 体外 生物膜形成的改良方法。该模型的整体工作流程如图所示。 图1.
3. 生物膜荧光染色
4. 共聚焦显微镜图像采集
注意:图像处理与COMSTAT分析流程见于 图2获取 图像 同一天进行生物膜染色时使用各孔。若观察延迟超过1小时,应将带孔载玻片置于暗处冷藏,直至后续处理。
5. COMSTAT 分析
注意:使用免费的计算机程序 COMSTAT16,17 对图像进行定量分析,该程序已被重写为 ImageJ 的插件(Comstat2)。请阅读所下载软件包中关于分析生物膜图像堆栈的一般说明。本文提供了一个简要的实验方案,并推荐了部分 ImageJ 图像处理步骤和 COMSTAT 功能,用于定量评估抗菌剂对生物膜形成的影响。
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A P. aeruginosa 从感染样本中分离培养 用于展示该方法在准确量化抗菌治疗引起的变化方面的优势 体外 生物膜结构。该模型的整体工作流程如图所示。 图1图像处理与COMSTAT分析流程 在 ImageJ 中的显示如图所示 图2一种简单的直方图阈值分割方法在ImageJ中的应用,用于图像分割 共聚焦激光扫描显微镜z轴层扫图像(保存为OME-TIFF格式)如图所示 图3由妥布霉素和抗Psl单克隆抗体Psl0096引起的生物膜结构变化如图所示 图4代表性共聚焦图像显示了生物膜片段的活细胞(绿色)和抗体(红色)通道分离结果 图4A相应的COMSTAT参数数据,包括平均生物膜厚度、生物量和表面积与生物体积比,如图所示。 图4<...
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目前尚无定量比较三维图像的既定方法 体外 生物膜结构以及本文所述的操作步骤常因操作者间的差异而难以实现标准化20因此,本方案为旨在量化变化的 COMSTAT 应用提供了一个简单且可重复的框架 体外 不同抗菌条件下生物膜结构的构建。该技术的优势通过使用CF进行建模 P. aeruginosa 分离后以生物膜形式培养的复孔,暴露于妥布霉素和抗Psl单克隆抗体Psl0096。
在本方案以及相关研究中,最关键的步骤之一是图像阈值化13,21。图像阈值化是一种分割技术,可将灰度图像转换为COMSTAT算法可读的黑白格式。在此过程中,必须有效区分哪些灰度像素应被视为生物膜(黑色)而哪些属于背景噪声(白色),否则阈值的选择将改变单个生物膜图像所对应的体积和形态22。在ImageJ中,阈值化可通过多种方式实现:手动设置,或从17种算法...
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作者谨感谢囊性纤维化基金会为本研究提供的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 抗Psl单克隆抗体,Psl0096 | Medimmune | ||
| 血琼脂培养基(含5%绵羊血的TSA) | Fisher Scientific | R01200 | |
| 八孔腔室盖玻片(不可拆卸孔) | Thermo Fisher Scientific | 155411 | |
| Invitrogen SYTO 9绿色荧光核酸染料 | Thermo Fisher Scientific | S34854 | |
| LB肉汤(Lennox型),液体,高压灭菌 | BioShop Canada | LBL666 | |
| 妥布霉素,900 µg/mg | Alfa Aesar by Thermo Fisher Scientific | J66040 | 建议对每批制备的妥布霉素进行最低抑菌浓度(MIC)测试,以确保抗菌活性的质量控制 |
| Quorum Volocity 6.3 | Quorum Technologies | 图像分析软件 |
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