本文介绍了从小鼠伤口感染部位评估细菌播散的离体(ex vivo)和在体(in vivo)方法。该方案可用于检测局部抗菌和抗生物膜治疗措施的有效性,或评估不同细菌菌株或物种的播散能力。
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本文介绍了从小鼠伤口感染部位评估细菌播散的离体(ex vivo)和在体(in vivo)方法。该方案可用于检测局部抗菌和抗生物膜治疗措施的有效性,或评估不同细菌菌株或物种的播散能力。
与生物膜相关的感染涉及多种慢性疾病,例如难以愈合的糖尿病足溃疡、慢性鼻窦炎、反复发作的中耳炎等。这些感染中的微生物细胞受到胞外聚合物基质(EPS)的保护,从而阻碍抗生素和宿主免疫细胞清除感染。为克服这一障碍,研究人员已开始开发具有潜在治疗作用的生物膜分散剂。这些分散剂可靶向生物膜EPS中的不同组分,削弱其结构,并促使细菌分散,理论上可增强抗生素的效力并促进免疫清除。为了评估分散剂在伤口感染中的有效性,我们建立了可在离体和体内条件下检测生物膜分散的实验方案。我们采用一种已被充分描述的小鼠手术切除模型,以建立与生物膜相关的慢性伤口感染。为在体内监测分散效果,我们使用表达荧光素酶的细菌菌株感染伤口。待成熟感染形成后,用含有可降解生物膜EPS组分的酶溶液冲洗伤口,随后监测伤口部位及过滤器官中发光信号的位置与强度,以评估所达到的分散程度。对于生物膜分散的离体分析,将感染的伤口组织浸入可降解生物膜的酶溶液中,之后分别测定组织内残留的细菌负荷量与溶液中的细菌负荷量。这两种方案各有优缺点,均可进一步优化,以更准确地评估分散治疗措施的有效性。
全球范围内抗生素耐药性的上升导致可用于治疗多种细菌感染的抗生素选择日益减少1。除了抗生素耐药性之外,细菌还可通过形成生物膜相关的生活方式获得对抗生素的耐受性2。生物膜是由微生物组成的群落,其外层被多糖、胞外DNA、脂类和蛋白质构成的基质所保护3,这些成分统称为胞外聚合物(EPS)。随着抗生素耐药危机的持续加剧,迫切需要开发新的策略,以延长现有抗生素的使用寿命或增强其疗效。抗生物膜剂便是其中一种有前景的解决方案4。
在已提出的多种抗生物膜策略中,利用可靶向生物膜胞外聚合物基质(EPS)不同组分的分散剂,正处于治疗开发的前沿5糖苷水解酶(GH)是其中一类分散剂。GH 是一大类酶,可催化裂解为胞外多糖(EPS)提供结构完整性的多糖内部的不同化学键。我们课题组及其他研究团队已证实,GH 能有效降解生物膜、诱导生物膜分散,并提高多种细菌对抗生素的敏感性, 体外 和 体内6,7,8,9,10,11.
随着人们对生物膜分散的兴趣日益增加,开发能够评估分散效果的有效方法显得尤为重要。本文介绍了一种在小鼠模型中使用分散剂处理与生物膜相关的伤口感染的详细实验方案。 以及扩散效率的评估, 体内 和 离体总体目标是提供可在临床前模型中有效且高效地测量生物膜分散的方法。
在这些研究中,采用了一种小鼠外科切除感染模型来建立与生物膜相关的感染。我们已使用该模型超过15年,并广泛发表了相关观察结果7,9,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21。总体而言,这是一种非致死性感染模型,细菌局限于伤口床并形成生物膜相关感染(在显微镜下可见被胞外多糖基质包围的细菌聚集体),从而建立可持续长达3周的慢性感染。然而,如果小鼠存在免疫功能受损(例如患有1型糖尿病),则在此模型中可能更易发展为致命性全身感染。
在本报告中,我们提供了评估细菌从伤口扩散的实验方案,包括 体内 和 离体两种方案均可用于评估分散剂的效果,且各有优缺点。例如,评估分散 体内 可提供关于细菌播散至机体其他部位后扩散情况的重要实时信息,以及宿主对此的反应。另一方面,评估播散过程 离体 可能更适合用于筛选多种药物、剂量或剂型,因为可以将组织分割成多个部分并分别进行测试,从而减少所需小鼠的数量。在评估多种药物时,我们通常首先测量分散情况 体外 如前所述 6,9,22我们随后测试最有效的方法 离体 并保留 体内 测试少数极具前景的药物。
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本动物实验方案已通过德克萨斯理工大学健康科学中心机构动物护理和使用委员会的审查和批准(方案编号 07044)。本研究严格遵循美国国立卫生研究院《实验动物护理和使用指南》中的建议进行。
1. 准备用于小鼠感染的细菌
注意:本文仅描述使用Pseudomonas aeruginosa感染小鼠。然而,也可使用其他细菌种类引发感染。细菌菌株及相关材料详见材料表。
2. 生物膜分散酶的制备
注意:本研究中我们使用由等量淀粉酶和纤维素酶组成的10%溶液(每种酶各5%),该溶液在分散处理中简称为"GH"。
3. 实验动物与术前准备
4. 背部全层切除手术
5. 在体 扩散处理
注意:此处我们描述通过应用一系列3种局部伤口冲洗溶液来给予分散剂的方法(图1)。然而,该方案也可适用于其他递送方式,例如凝胶、乳膏或敷料的应用。
6. 体内 扩散成像与分析
注意:若使用发光细菌菌株来启动感染,则需 活体成像系统 (IVIS)可用于可视化伤口床的扩散情况。
7. 通过测定菌落形成单位评估扩散能力
8. 离体 扩散性评估(图4)
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在本实验中,将携带发光质粒 pQF50-lux 的 PAO1 菌以 104 CFU 感染8至10周龄的雌性 Swiss Webster 小鼠。如上所述,在给予 PBS(溶剂对照)或 10% GH(处理组)进行生物膜胞外多糖(EPS)降解之前,先让感染建立 48 小时。在处理前、处理后即刻(0 小时)、以及处理后 10 小时和 20 小时对小鼠进行成像。图 2A 和 补充图 1 显示伤口床内已形成感染,并产生强烈的生物发光信号。GH 处理后(0 小时)可立即观察到细菌从伤口床中扩散,而 PBS 处理后则无此现象。需要注意的是,在先前的研究中,我们已在 GH 处理后 5 小时即可在血液和脾脏中检测到细菌7。通过将小鼠侧置进行成像,也可观察到细菌向器官的播散,如 图 2A 下方图示所示。
PBS处理组和GH处理组小鼠的成像结果显示,给药后20小时的发光信号较给药前均有...
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在此,我们描述可用于研究生物膜分散剂功效的实验方案。这些方案可轻松调整,适用于不同类型的分散剂、细菌种类或 离体 样本,包括临床清创样本。该方案还提供了一种具有临床相关性的模型,用于收集和研究分散的细菌细胞。研究表明,分散细菌细胞的表型与浮游细菌细胞或生物膜细菌细胞的表型均有所不同。 5,24,25,26;然而,分散细菌的表型 体内 尚未被描述. 如果要将分散剂用于治疗,确定其功效以及了解这些细胞所采用的表型至关重要。此外,本方案还可用于研究EPS结构的变异或信号通路的改变如何影响分散过程。例如,分散的 P. aeruginosa 可将不同胞外多糖组分(如 Pel、Psl、藻酸盐)发生突变的菌株与野生型菌株进行比较。
总体而言,本实验方案可分为四个主要部分:...
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作者无任何利益冲突披露。
本研究工作获得了美国国立卫生研究院(R21 AI137462-01A1)、Ted Nash Long Life基金会、Jasper L.和Jack Denton Wilson基金会以及美国国防部(DoD MIDRP W0318_19_NM_PP)资助项目的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 微量离心管 | Fisher | 14823434 | 用于完成样品的系列稀释 |
| 25G 58 in 针头 | Fisher | 14823434 | 连接至 1 mL 注射器使用 |
| 氨苄青霉素钠盐 | Fisher | BP1760-5 | 配制 50 mg/mL 储存液,并向 10 mL LB 肉汤中加入 100 µL,用于过夜培养和传代培养 |
| 淀粉酶 | MP Biomedicals | 2100447 | 配制 5% w/v 溶液,涡旋混合——也可使用其他分散剂 |
| Buprenorphine SR-LAB 5 mL (1 mg/mL) | ZooPharm | RX216118 | 用于疼痛管理——也可选用其他替代方案 |
| 纤维素酶 | MP Biomedicals | 2150583 | 将 5% w/v 加入 5% w/v 淀粉酶溶液中,涡旋混合,在 37 °C 激活 30 分钟——也可使用其他分散剂 |
| 脱毛膏 | Walmart | 287746 | 取少量按摩至动物背部毛囊处,静置 10 分钟后去除毛发 |
| 带齿镊子,尖端带齿 | Fisher | 12-460-536 | 也可使用其他类型的镊子 |
| 带挡板锥形瓶,125 mL | Fisher | 101406 | 用于细菌的过夜培养和传代培养 |
| FastPrep-24 台式均质仪 | MP Biomedicals | 6VFV9 | 以 5 m/s 速度均质 60 秒,重复两次以均质组织 |
| Fatal Plus | Vortech Pharmaceuticals | 0298-9373-68 | 每只小鼠腹腔注射 0.2 mL |
| 均质管(2 mL 珠管,2.4 mm 金属珠) | Fisher | 15340151 | 用于样品均质以进行涂板 |
| 异氟烷 | Diamond Back Drugs | ||
| 盐酸氯胺酮/盐酸赛拉嗪溶液 C-IIIN | Sigma Aldrich | K4138 | 用作麻醉剂——也可使用其他麻醉方案以获得手术麻醉状态 |
| LB 肉汤,Miller 配方 | Fisher | BP1426-2 | 添加 25 g/L,高压灭菌 |
| 2% 利多卡因注射液 | Diamond Back Drugs | 2468 | 在标记的创面区域侧边注射 0.05 mL,使药物沉积于标记中心区域。切割前等待 10 分钟 |
| 美罗培南 | Sigma Aldrich | PHR1772-500MG | 配制 5 mg/mL 溶液加入 GH 溶液中用于局部涂抹,另配制 15 mg/mL 溶液,在治疗前 4 小时和治疗后 6 小时腹腔注射 |
| 非无菌棉质纱布垫 | Fisher | 13-761-52 | 用于去除脱毛膏 |
| PAO1 pQF50-lux 细菌菌株 | Ref [13] | N/A | 本研究代表性结果中使用 PAO1 pgF50-lux 作为铜绿假单胞菌的目标菌株 |
| 培养皿 | Fisher | PHR1772-500MG | |
| 磷酸盐缓冲液 10x | Fisher | BP3991 | 使用前稀释 10 倍至 1x |
| 聚氨酯敷料 | Mckesson | 66024007 | 剪去圆角,将剩余方形部分切成四个相等的小块 |
| 假单胞菌选择性琼脂 | VWR | 90004-394 | 向水中加入 20 mL/L 甘油和 45 g/mL 琼脂,高压灭菌后倒入培养皿,每皿 20 mL |
| Refresh P.M. | Walmart | 用于术中眼部,以减少干燥 | |
| 无菌酒精棉片 | Fisher | 22-363-750 | 在造伤前立即用于清洁皮肤,以消毒该区域 |
| 直型精细剪刀 | Fisher | 89515 | 也可使用弯头剪刀 |
| Swiss Webster 小鼠 | Charles River | 551NCISWWEB | 也可使用其他品系小鼠 |
| 1 mL 滑动式针筒 | Fisher | 14823434 | 用于给药和酶处理 |
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