合成囊性纤维化痰液培养基(SCFM2)可与共聚焦激光扫描显微镜及荧光激活细胞分选技术联用,以高分辨率观察细菌聚集体。本文详细描述了在抗菌治疗过程中评估聚集体群体的方法,为未来研究提供了一个技术平台。
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合成囊性纤维化痰液培养基(SCFM2)可与共聚焦激光扫描显微镜及荧光激活细胞分选技术联用,以高分辨率观察细菌聚集体。本文详细描述了在抗菌治疗过程中评估聚集体群体的方法,为未来研究提供了一个技术平台。
Pseudomonas aeruginosa(Pa)是与囊性纤维化(CF)相关的最常见机会性病原体之一。一旦Pa定植建立,大量感染细菌会在气道痰液中形成生物膜。Pa生物膜从CF患者痰液中分离后显示,其以约10至1,000个细胞组成的小而致密的聚集体形式生长,这些聚集体具有空间组织结构,并表现出如抗菌耐受性等具有临床相关性的表型。研究Pa聚集体如何响应痰液环境变化所面临的主要挑战之一,是缺乏营养条件相关性强且可重复促进聚集体形成的实验系统。利用合成CF痰液培养基(SCFM2),可通过共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)结合图像分析,在单细胞分辨率下观察Pa聚集体的生命周期。该体外系统可在实时、三维、微米尺度下同时观察数千个不同大小的聚集体。在个体和群体水平上,能够根据表型和位置对聚集体进行分类,从而精确区分处于不同发育阶段的聚集体及其对微环境变化(如抗生素处理)的响应。
Pseudomonas aeruginosa (Pa) 是一种机会性病原体,可在免疫功能低下个体中引发慢性感染。对于患有遗传性疾病囊性纤维化(CF)的患者而言,此类感染可能持续终生。CF 会导致气道内形成黏稠且富含营养的痰液,随着时间推移,多种微生物病原体会在其中定植。Pa 是最常见的 CF 相关病原体之一,通常在儿童早期即定植于气道,并引发难以治疗的感染1。尽管近年来治疗方案有所改善,Pa 仍然是重要的临床难题,被认为是导致 CF 患者死亡的主要原因之一2,3。由于其持续定植的表型及对抗生素耐受性不断增强,Pa 已被美国疾病控制与预防中心(CDC)和世界卫生组织(WHO)共同列为需要优先开展研究以开发新型治疗策略的病原体——即 ESKAPE 病原体之一4。
与其他 ESKAPE 病原体类似,Pa 常见获得性抗生素耐药性,但也存在许多内在特性可导致 Pa 对抗菌药物的耐受。其中之一是 Pa 形成聚集体的能力——即由约 10 至 1,000 个细胞组成的高密度簇,在多种感染中均可观察到,包括囊性纤维化(CF)患者痰液5,6。与在其他生物膜体系中研究的 Pa 类似,Pa 聚集体表现出多种具有临床相关性的表型,例如对抗生素的耐药性增强以及细胞间通讯(群体感应,QS)的激活。例如,已发现 Pa 聚集体利用受 QS 调控的行为来抑制其他微生物,同时耐受抗菌治疗,如产生绿脓菌素7。研究此类行为的能力为深入了解细菌在人体内类似环境中的生态系统提供了重要视角。
研究如何的最大挑战之一是 Pa 缺乏能够促进聚集体形成的、具有营养相关性和稳健性的系统,是目前研究聚集体如何响应痰液环境变化的主要障碍。关于这方面的大部分已知信息来自于 Pa 已通过使用……被发现 体外 细胞以浮游状态或特征性的表面附着“蘑菇状”结构生长的体系,后者尚未被观察到 体内8. 尽管传统的生物膜生长模型(如流动池或固体琼脂)已为细菌行为及抗生素耐受机制的研究提供了大量且有价值的信息,但这些发现并不总能转化 体内 许多 体外 模型模拟人类感染部位生长环境的能力有限,因此需要耗费高昂的成本 体内 研究。反过来,许多 体内 模型缺乏灵活性和分辨率,而这些是 体外 技术
合成囊性纤维化痰液培养基(SCFM2)旨在为Pa的生长提供一种类似于囊性纤维化患者肺部慢性感染期间所经历的环境。SCFM2 包含在囊性纤维化患者咳出的痰液中鉴定出的营养成分,以及黏蛋白、脂质和 DNA。Pa 在 SCFM2 中的生长所需基因集合与在真实痰液中生长所需的基因集合几乎完全相同,并且能够支持Pa天然聚集体的形成9,10。接种后,浮游细胞会形成聚集体,并通过扩张不断增大体积。个别细胞(称为迁移细胞)从聚集体中释放出来,迁移到未定植的区域,并形成新的聚集体10。这一生命历程可通过共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)和图像分析在单细胞分辨率下进行观察。在 SCFM2 中形成的Pa聚集体大小与在囊性纤维化患者肺部观察到的聚集体相似10。该模型可在微米尺度上实时、三维地观察多个不同大小的聚集体。延时显微技术使得在一个实验中可同时追踪数千个(约 50,000 个)聚集体。利用图像分析软件,可从显微图像中定量分析聚集体的表型特征,包括单个聚集体及群体水平上的三维体积、表面积以及空间位置,精度可达 0.1 μm。能够按表型和位置对聚集体进行分类,使得可以精确区分处于不同发育阶段的聚集体,并研究其对微环境变化的响应6,11。
将SCFM2应用于研究 Pa 在低体积和高通量检测中形成聚集体,使其成为一种灵活且成本效益高的模型。作为一种成分明确的培养基,SCFM2 在多种平台上具有均一性和可重复性,为研究提供了营养和物理环境上均具相关性的方法 Pa 聚集体 体外9应用包括将其与共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)联用,以高分辨率观察空间结构和抗生素耐受性(如本方法学论文所述)。该技术能够开展提供实时、微米尺度数据的实验,从而可在自然发生状态下研究种内和种间相互作用 体内例如,SCFM2 之前已被用于通过一系列系统研究聚集体群落中细胞间通讯的空间动态 帕 调控多个与毒力和致病性相关的基因6.

图1:主要实验步骤的图示。(A)在玻璃底培养皿中用Pa细胞接种SCFM2,并使其形成聚集体。(B)将聚集体转移至共聚焦显微镜下,并加入抗生素。图中显示了三个技术重复组(1–3号腔室)以及一个未接受抗生素处理的接种SCFM2对照孔(4号)。聚集体在18小时内通过CLSM进行成像。(C)初始18小时成像结束后,用碘化丙啶处理聚集体以显示死细胞,并通过CLSM成像。(D)使用FACS将具有目标表型的聚集体从SCFM2中分离。缩写:SCFM2 = 合成囊性纤维化痰液培养基;Pa = Pseudomonas aeruginosa;CLSM = 共聚焦激光扫描显微镜;FACS = 荧光激活细胞分选。 请点击此处查看该图的放大版本。
在此,展示了利用SCFM2实时研究抗生素处理对Pa聚集体影响的实用性,随后采用细胞分选方法分离具有不同表型的聚集体群体,用于后续分析(图1)。
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1. 配制合成囊性纤维化培养基(SCFM2)
注意:SCFM2 的制备包含以下三个主要步骤(图2)。详细信息和参考文献见9,10,12。

图 2:SCFM2 培养基的制备与接种。(A)使用 表 1 和 表 2 中列出的盐类和氨基酸制备缓冲基础液。缓冲基础液可在 4 °C 下保存最多 30 天,但必须避光保存。(B)将黏蛋白和 DNA 加入一份缓冲基础液中,并在 4 °C 下过夜溶解。(C)将脂质及其他储备液加入过夜溶解后的溶液中,在 37 °C 下以 250 rpm 振荡孵育 20 分钟。然后用洗涤过的对数生长期细胞以 OD600 = 0.05 的浓度接种 SFCM2 培养基。缩写:SCFM2 = 合成囊性纤维化痰液培养基。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 细菌聚集体中抗菌耐受性的实时评估
3. 使用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)观察抗生素处理过程中的聚集体
注意:本节介绍使用共聚焦激光扫描显微镜及图像采集软件对 SCFM2 中的 Pa 聚集体进行成像的方法。目的是观察和表征经抗生素处理后残留的(耐受性)细菌生物量。所述步骤也可在其他共聚焦显微镜上成功实施,但应参考仪器操作手册以获取具体指导。
4. Pa 聚集体的碘化丙啶染色
注意:碘化丙啶(PI)通常用作染色试剂,以识别培养物中的非活(死亡)细菌细胞。在此实验中,它用于识别在第3节中经抗生素处理后敏感的聚集体。在整个方案中,Pa 细胞中GFP的表达与检测被用作细胞活力的主要替代指标。此最后一步可再次利用共聚焦成像,以确定活/死聚集体之间的空间分布关系。此外,活/死聚集体的鉴定将用于第5节中的后续细胞分选。
5. 使用 FACS 方法从聚集体中分离活细胞
注意:流式细胞分选(FACS)是一种强大的平台,可根据荧光标记的表型对细胞群体进行分选和分离。此处,FACS 用于从无活力的聚集体中分离出有活力的(耐抗生素的)聚集体。
6. 图像分析
注意:延时显微镜会产生大量数据。在 SCFM2 中对 Pa 聚集体进行 18 小时观察的实验,可随时间识别出约 50,000 个聚集体,这些聚集体可被用于体积和空间位置的表征。使用图像分析软件来定量分析 SCFM2 中聚集体的动态变化:
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本研究详细描述了用于观察的实验方法 Pa 在类似于囊性纤维化肺部慢性感染的环境中,以高分辨率观察聚集体9,10,12. SCFM2 提供了一种 体外 促进自然聚集的系统 Pa 与实际感染过程中观察到的大小相似的细胞10SCFM2 作为一种成分明确的培养基,其适应性可用于探索多种研究方向。本研究旨在展示一种结合显微镜与流式细胞分选(FACS)的工作流程,以期推动其在未来研究、合作与应用中的使用。
共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)的使用可实现时间分辨的高分辨率成像,可用于研究细菌群体发育的动态过程。本研究展示了在抗生素处理后对Pa聚集体进行表征的几种潜在方法。图3A展示了抗生素处理后具有活性的Pa聚集体的整...
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本研究介绍了一种可结合使用的方法体系,用于在有或无抗生素处理条件下研究细菌聚集体群体。高分辨率共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)能够在抗生素暴露条件下实时观察聚集体生物量的变化及其结构取向。此外,还可对经抗生素处理后残留的生物量的物理与结构性特征进行量化,旨在将这些观察结果与后续利用RNA-seq技术开展的基因表达研究相关联。尽管表达绿色荧光蛋白(GFP)的细胞有助于观察耐受抗生素的细胞在群体和个体层面的行为,但这仅揭示了整体图景的一部分。通过分析在抗生素处理中未能存活的细胞的空间分布位置,无论其个体状态或相对于存活及耐受性生物量的关系,均可获得大量有价值的信息。
延时显微镜会产生大量数据。一项持续18小时、用于观察SCFM2中Pa菌聚集物的实验,可随时间识别出约50,000个聚集物,这些聚集物均可用于体积和空间位置的表征。本研究使用的共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)(见材料表)可捕获发育中聚集物的高分辨率图像以供分析。通过三维空间中单个聚集物相对于周围聚集物的位置(精度±0.1 μm),可精确测量聚集物之间的距离。细菌聚集物的物理...
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S.E.D 获得了分子生物学系提供的启动资金支持 医学,南佛罗里达大学,以及囊性纤维化基金会研究资助(DARCH19G0)、美国国立卫生研究院(5R21AI147654 - 02(项目负责人:Chen))和南佛罗里达大学微生物组研究所。我们感谢Whiteley实验室在与本手稿相关数据集方面的持续合作。我们感谢Charles Szekeres博士协助完成FACS分选。图示由A.D.G.和S.E.D.使用Biorender.com制作。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 氨基酸 | |||
| 丙氨酸 | Acros Organics | 56-41-7 | |
| 盐酸精氨酸 | MP | 1119-34-2 | |
| 天冬酰胺 | Acros Organics | 56-84-8 | 用 0.5 M NaOH 配制 |
| 盐酸胱氨酸 | Alfa Aesar | L06328 | |
| 盐酸谷氨酸 | Acros Organics | 138-15-8 | |
| 甘氨酸 | Acros Organics | 56-40-6 | |
| 盐酸组氨酸 H2O | Alfa Aesar | A17627 | |
| 异亮氨酸 | Acros Organics | 73-32-5 | |
| 亮氨酸 | Alfa Aesar | A12311 | |
| 盐酸赖氨酸 | Alfa Aesar | J62099 | |
| 甲硫氨酸 | Acros Organics | 63-68-3 | |
| 盐酸鸟氨酸 | Alfa Aesar | A12111 | |
| 苯丙氨酸 | Acros Organics | 63-91-2 | |
| 脯氨酸 | Alfa Aesar | A10199 | |
| 丝氨酸 | Alfa Aesar | A11179 | |
| 苏氨酸 | Acros Organics | 72-19-5 | |
| 色氨酸 | Acros Organics | 73-22-3 | 用 0.2 M NaOH 配制 |
| 酪氨酸 | Alfa Aesar | A11141 | 用 1.0 M NaOH 配制 |
| 缬氨酸 | Acros Organics | 72-18-4 | |
| 抗生素 | |||
| 羧苄青霉素 | Alfa Aesar | J6194903 | |
| 当日配制的储备液 | |||
| CaCl2 · 2H2O | Fisher Chemical | C79-500 | |
| 右旋糖(D-葡萄糖) | Fisher Chemical | 50-99-7 | |
| 1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱(DOPC) | Fisher(Avanti Polar Lipids) | 4235-95-4 | 在 37 °C 下振荡 15–20 分钟以蒸发氯仿 |
| FeSO4 · 7H2O | Acros Organics | 7782-63-0 | 该储备液浓度为 1 mg/mL,必须新鲜配制 |
| L-乳酸 | Alfa Aesar | L13242 | 用 NaOH 将储备液 pH 调至 7 |
| MgCl2 · 6H2O | Acros Organics | 7791-18-6 | |
| N-乙酰葡糖胺 | TCI | A0092 | |
| 已配制的固体 | |||
| 猪黏蛋白 | Sigma | M1778-100G | 紫外灭菌 |
| 鲑鱼精子 DNA | Invitrogen | 15632-011 | |
| 染料 | |||
| 碘化丙啶 | Alfa Aesar | J66764MC | |
| 盐类 | |||
| K2SO4 | Alfa Aesar | A13975 | |
| KCl | Alfa Aesar | J64189 | 将固体直接加入缓冲基础液中 |
| KNO3 | Acros Organics | 7757-79-1 | |
| MOPS | Alfa Aesar | A12914 | 将固体直接加入缓冲基础液中 |
| NaCl | Fisher Chemical | S271-500 | 将固体直接加入缓冲基础液中 |
| Na2HPO4 | RPI | S23100-500.0 | |
| NaH2PO4 | RPI | S23120-500.0 | |
| NH4Cl | Acros Organics | 12125-02-9 | 将固体直接加入缓冲基础液中 |
| 耗材 | |||
| 锥形管(15 mL) | Olympus plastics | 28-101 | |
| 锥形管(50 mL) | Olympus plastics | 28-106 | |
| 带通气盖的培养管 | Olympus plastics | 21-129 | |
| 35 mm 四室玻璃底培养皿 | CellVis | NC0600518 | |
| LB 培养基(Luria Bertani 肉汤) | Genessee Scientific | 11-118 | |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Fisher Bioreagents | BP2944100 | |
| 移液器吸头(p200) | Olympus plastics | 23-150RL | |
| 移液器吸头(p1000) | Olympus plastics | 23-165RL | |
| 刻度移液管(5 mL) | Olympus plastics | 12-102 | |
| 刻度移液管(25 mL) | Olympus plastics | 12-106 | |
| 刻度移液管(50 mL) | Olympus plastics | 12-107 | |
| 超纯水(无 RNase/DNase);纳米纯水 | Genessee Scientific | 18-194 | 表 1 中溶液配制使用纳米纯水 |
| 注射器(10 mL) | BD | 794412 | |
| 注射器(50 mL) | BD | 309653 | |
| 0.22 mm PES 注射器滤器 | Olympus plastics | 25-244 | |
| PS 比色皿(半微量) | Olympus plastics | 91-408 | |
| 软件 | |||
| Biorender | 用于制备图示 | ||
| FacsDiva6.1.3 | Becton Dickinson, San Jose, CA | ||
| Imaris | Bitplane | 版本 9.6 | |
| Zen Black | |||
| 设备 | |||
| FacsAriallu | Becton Dickinson, San Jose, CA | ||
| LSM 880 共聚焦激光扫描显微镜 | Zeiss |
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