本论文描述了通过膀胱内给予携带lux操纵子的尿路致病菌以在小鼠中诱导尿路感染,并利用生物发光成像对细菌载量进行后续的纵向体内分析。
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本论文描述了通过膀胱内给予携带lux操纵子的尿路致病菌以在小鼠中诱导尿路感染,并利用生物发光成像对细菌载量进行后续的纵向体内分析。
尿路感染(UTI)是人类最常见的细菌感染之一,通常采用经验性抗生素治疗。然而,由于微生物耐药性日益增加,最常用抗生素的疗效已有所下降。为了寻找替代治疗方案,迫切需要更深入地了解尿路感染的发病机制以及决定其易感性的相关机制。为了在动物模型中开展相关研究,建立一种可重复且非侵入性的检测方法以观察尿路感染的病程至关重要。
多年来,细菌载量计数的金标准一直是测定特定样本体积中的菌落形成单位(CFU)。该技术需要进行死后器官匀浆及系列稀释,限制了数据产出和可重复性。作为一种替代方法,生物发光成像(BLI)正逐渐被用于测定细菌载量。通过将病原体标记含有lux操纵子的基因,可实现灵敏、无创的检测与定量,从而支持纵向追踪观察。然而至今,BLI在尿路感染(UTI)研究中的应用仍然有限。
本文描述了生物发光成像(BLI)在小鼠尿路感染模型中的实际应用。文中提供了细菌培养、膀胱内灌注及成像的逐步操作指南。 体内 通过比较未经治疗的感染动物与抗生素治疗动物的细菌载量,检验其与CFU的相关性,并提供概念验证。此外,还探讨了在实施BLI时特有的优势、局限性和注意事项 体内 讨论了尿路感染模型。生物发光成像技术在尿路感染研究领域的应用将极大促进对尿路感染发病机制的研究,并推动预防和治疗尿路感染新方法的发现。
尿路感染(UTI)是人类最常见的细菌感染之一。几乎一半的女性在一生中都会经历一次有症状的尿路感染。1局限于膀胱的感染可引起尿频、尿急、血尿、尿失禁和疼痛等泌尿系统症状。当感染上行至 upper urinary tract 时,患者可发展为肾盂肾炎,出现全身不适、发热、寒战和腰痛。此外,高达 20% 的 UTI 患者会经历反复感染,导致抗生素敏感性显著下降2,3,4近年来,人们对治疗和预防复发性尿路感染(UTI)的新疗法日益关注。尽管对下尿路的先天性和适应性免疫机制以及细菌侵袭和定植所必需的毒力因子有了更深入的理解,但这些进展尚未转化为泌尿科日常实践中的根本性治疗改变。2为了研究尿路感染的发病机制和易感性 在体内一种可重复且无创的检测方法是必不可少的。
已报道的多种动物尿路感染模型涵盖从线虫到灵长类动物的范围,但目前主要使用小鼠模型5,6。该模型通过经尿道插管(雌性)小鼠,并将细菌悬液直接注入膀胱腔内建立,最常用的病原菌为尿路致病性Escherichia coli(UPEC)7。接种后,传统上通过测定菌落形成单位(CFU)来定量细菌载量。该方法需处死动物以获取死后器官匀浆并进行系列稀释,限制了数据产出和可重复性。此外,该技术无法对单个动物的细菌载量进行纵向追踪观察。
1995年,Contag 等人. 建议使用生物发光标记的病原体来监测活体动物中的疾病进程8,9自那时起,生物发光成像(BLI)已被应用于多种感染模型,如脑膜炎、心内膜炎、骨髓炎、皮肤及软组织感染等。10,11,12在小鼠尿路感染模型中,一种具有完整 lux 操纵子luxCDABE)来自 Photorhabdus luminescens 可用于13细菌荧光素酶催化一种酶促反应,该反应依赖于长链醛在氧气存在下与还原型黄素单核苷酸发生氧化反应,生成氧化型黄素、长链脂肪酸和光12。该 lux 操纵子编码荧光素酶及其他合成底物所需的酶。因此,所有代谢活跃的细菌将持续发出蓝绿色(490 nm)光,无需外源底物的加入。12. 光子由 lux-标记的细菌可使用高灵敏度冷却电荷耦合器件(CCD)相机进行捕获。
在尿路感染(UTI)模型中使用生物发光细菌,可实现对细菌负荷的纵向、无创定量,从而无需在随访期间的固定时间点通过菌落形成单位(CFU)测定而处死动物。尽管该生物发光成像(BLI)技术在其他领域已展现出广泛的应用前景,并积累了证明其稳健性的证据,且相较于传统的UTI模型具有诸多优势,但其在UTI研究中的应用尚未普及。本文提供的方案详细阐述了操作步骤,突出了BLI技术的优势,可为今后所有UTI研究提供参考。
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所有动物实验均按照欧盟共同体指南进行,并已获得鲁汶大学动物伦理委员会(P158/2018)的批准。
1. 细菌培养(改编自7,13,14)
2. 动物接种(改编自7,16)
3. 生物发光成像
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在体 BLI 与接种时接种物的 CFU 相关。
评估BLI的检测限 体内 以及与接种物CFU的相关性,用不同浓度的UTI89感染小鼠lux 以及 PBS 作为阴性对照。灌注前,对未感染动物进行扫描以确定背景发光值。随后的图像在灌注后立即获取(图1A)。在灌注UTI89-后lux,生物发光信号在2 x 10以上可被强烈检测到4 菌落形成单位(CFU),并建立了接种物的CFU与生物发光之间的线性相关性(图1B)。相比之下,用PBS灌注的动物以及在最低细菌浓度(2 x 10)下,总光子通量与背景信号相当3 菌落形成单位
生物发光成像作为治疗过程中纵向随访的工具
为了确定是否可以通过纵向生物发光成像(BLI)来展示已验证抗生素治疗的疗效,研究...
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与CFU计数相比,生物发光成像(BLI)的优势
纵向数据
采用菌落形成单位(CFU)计数来量化微生物负荷的传统方法存在一个主要缺点,即需要制备动物的死后器官匀浆,因而每只动物仅能获得一个横断面数据点。相比之下,BLI可实现对感染动物的无创性纵向追踪。动物每天可被成像2至3次,从而提供关于感染动力学的详细信息。此外,对同一只动物进行重复测量可显著减少为达到足够统计效能实验所需的动物数量。同时,研究人员能够关注个体间的差异,并可在使用新型药物处理或检测动物之前,根据实时数据选择具有预设细菌负荷的动物。另一方面,利用实验的曲线下面积(AUC)可使研究人员关注整体细菌负荷,而非单一的横断面数值。在尿路感染(UTI)研究背景下,纵向和实时数据所带来的附加价值不可估量。
感染播散的鉴定
生物发光成像(BLI)所获得图像的空间分辨率足以识别由携带lux-或FLuc-标记的病原体定植的其他部位19。对于尿路感染(UTI),病原体...
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作者声明无利益冲突。
本工作获得了佛兰德研究基金会(FWO Vlaanderen;G0A6113N)、鲁汶大学研究委员会(C1-TRPLe;T.V. 和 W.E.)以及VIB(授予T.V.)的资助。W.E. 是佛兰德研究基金会(FWO Vlaanderen)的高级临床研究员。菌株UTI89-lux 由Seed教授实验室慷慨惠赠13。
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