体外 培养是一种直接检测活菌存在的方法。本方案描述了多种细菌的培养方法 伯氏疏螺旋体 螺旋体, 包括那些 Borrelia burgdorferi 广义复合体,回归热 伯氏疏螺旋体 物种,以及 Borrelia miyamotoi这些物种营养要求苛刻且生长缓慢,但可进行培养。
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体外 培养是一种直接检测活菌存在的方法。本方案描述了多种细菌的培养方法 伯氏疏螺旋体 螺旋体, 包括那些 Borrelia burgdorferi 广义复合体,回归热 伯氏疏螺旋体 物种,以及 Borrelia miyamotoi这些物种营养要求苛刻且生长缓慢,但可进行培养。
的 伯氏疏螺旋体 由三组物种组成,其中包括莱姆病(Lyme borreliosis,LB)组,也被称为 B. burgdorferi 广义(s.l.)并最近被重新分类为 Borreliella,回归热(RF)组 伯氏疏螺旋体,以及第三类与爬行动物相关的螺旋体。基于培养的方法仍然是实验室检测细菌感染的金标准,广泛应用于科研和临床工作,因为从体液或组织中培养出病原体可直接检测到正在复制的病原微生物,并为研究提供原始材料。 伯氏疏螺旋体 和 Borreliella 螺旋体 对培养条件要求苛刻且生长缓慢,因此通常不用于临床培养;然而,培养对于研究而言是必要的。本方案展示了成功培养LB和RF密螺旋体所需的方法学及培养基配方,包括所有已知物种 B. burgdorferi s.l. 复合群,包括 B. afzelii,B. americana,B. andersonii,B. bavariensis,B. bissettii/bissettiae,B. burgdorferi 狭义 (s.s.) 加州伯氏疏螺旋体、卡罗莱纳伯氏疏螺旋体、智利伯氏疏螺旋体、芬兰伯氏疏螺旋体、加里尼伯氏疏螺旋体、日本伯氏疏螺旋体、库尔滕巴赫伯氏疏螺旋体、莱氏伯氏疏螺旋体、卢西塔尼亚伯氏疏螺旋体、海洋伯氏疏螺旋体、梅氏伯氏疏螺旋体、斯皮尔曼伯氏疏螺旋体、田贯伯氏疏螺旋体、乌鸫伯氏疏螺旋体、中华伯氏疏螺旋体、瓦莱西斯伯氏疏螺旋体、扬子伯氏疏螺旋体 和射频螺旋体,B. anserina,B. coriaceae,B. crocidurae,B. duttonii,B. hermsii,B. hispanica,B. persica,B. recurrentis 和 B. miyamotoi培养LB和RF螺旋体的基本培养基是Barbour-Stoenner-Kelly(BSK-II或BSK-H)培养基,该培养基可稳定支持已建立的螺旋体培养物的生长。为了能够培养新分离的 伯氏疏螺旋体 从蜱虫或宿主来源的样本中分离螺旋体时,若接种物中螺旋体初始数量较少,首选改良凯利-佩滕科弗(MKP)培养基。该培养基 также 支持螺旋体的生长 B. miyamotoi RF螺旋体的培养成功与否在很大程度上取决于培养基成分的质量。
Borrelia 是一种螺旋体细菌的属,包含三个主要进化枝:莱姆病(LB)群、回归热(RF)群,以及一个特征尚不明确且似乎仅限于爬行动物的类群。Borrelia 的分类体系正随着分子技术的发展而不断变化,这些技术使得基因组和蛋白质组的比较成为可能,这一点与其他大多数分类群的情况一致1,2,3,4,5,6,7。LB 群(也称为莱姆病相关群)传统上以其特征最明确的成员 Borrelia burgdorferi sensu stricto 命名,统称为 Borrelia burgdorferi sensu lato。 本文采用目前最广泛使用的术语:LB 群、RF 群以及与爬行动物相关的类群,并描述了 LB 群和 RF 群的培养方案。
正如对该家族成员的预期一样 螺旋体科, 伯氏疏螺旋体 可呈现独特的细长螺旋形态,通常长度为20-30 µm,宽度为0.2-0.3 µm。然而 伯氏疏螺旋体属 细胞具有高度多形性,在培养和体内均可呈现多种其他形态 体内1,8 由于其复杂的细胞和遗传结构,螺旋体在平面正弦波形态下,其周质空间内位于内膜和外膜之间的轴向端鞭毛旋转,从而形成该形态。这种结构使细胞具有高度运动能力,且外膜含有使细胞能够与宿主组织相互作用的蛋白质。9,10外膜蛋白的表达受到严格调控,不仅影响对宿主组织的侵袭,还影响与宿主免疫系统的相互作用11该复杂的基因表达使得 伯氏疏螺旋体 细胞在脊椎动物宿主和无脊椎动物媒介截然不同的环境之间穿梭。该基因组 伯氏疏螺旋体 在原核生物中较为罕见,其染色体为线性而非环状。除了线性染色体外, 伯氏疏螺旋体 物种含有7至21个质粒,部分为线性,部分为环状。这些质粒携带了大多数介导宿主适应性和毒力所必需的基因,而来源于前噬菌体的环状质粒被认为在螺旋体细胞间的大部分水平基因转移中起主要作用。12,13. 与在宿主适应中的作用一致,莱姆病包柔氏菌群中的某些成员(可能为许多或全部)在培养过程中会丢失质粒14研究最为深入的 "实验室适应的" 菌株 B. burgdorferi,B31仅含有该物种野生分离株中常见的九个质粒中的七个15同样地, B. garinii 在培养中丢失质粒16一些研究已表明,RF物种及 B. miyamotoi 在培养时保留质粒14,17,但近期研究显示,长期情况下质粒发生变化且感染性发生改变 体外 培养18.
基于培养的方法仍然是实验室检测细菌感染的金标准,广泛应用于科研和临床工作14,17。从体液或组织中培养病原体可直接检测正在复制的病原微生物,并为研究提供原始材料14,17。本实验方案展示了成功培养莱姆病(LB)组螺旋体以及回归热(RF)Borrelia 和 B. miyamotoi 所需的方法和培养基配方。培养 Borrelia 螺旋体的基本培养基为 Barbour-Stoenner-Kelly 培养基(BSK-II 或商业化 BSK-H),可添加或不添加抗生素以抑制污染性原核生物的生长。该培养基最初源自用于培养回归热 Borrelia 的培养基19,后经 Stoenner20 和 Barbour21 进一步改良。此后又发展出多种改良版本,每种改良均可能影响细菌的生理特性,从而影响其生长、感染性和致病性22。该培养基能稳定支持已建立的螺旋体培养物的生长,并已被用于从蜱、哺乳动物及临床样本中分离螺旋体23。近年来发展的改良 Kelly-Pettenkofer(MKP)培养基在从环境样本中分离新的 Borrelia 分离株时表现出更优的分离成功率、形态保持和运动能力,尤其适用于可用于接种培养的螺旋体数量较少的情况23,24。在所有情况下,培养的成功关键取决于新鲜配制的培养基和适当成分的使用;并非所有商业来源的试剂均能制备出高质量的培养基。接种后的培养物可方便地置于常规 32–34 °C 培养箱中静置培养,环境中保留少量残余氧气即可。Borrelia 螺旋体为厌氧菌,但在自然环境中会暴露于氧气和二氧化碳浓度的波动,并通过基因表达的变化作出响应26,27,28,29。因此,在进行基因表达、生长及其他代谢研究时,应使用控氧培养箱或厌氧培养舱来精确控制氧气和二氧化碳水平。在培养过程中,应每周或更频繁地通过暗视野显微镜或相差显微镜检查螺旋体的存在。培养物涂片可通过银染法、免疫组织化学染色或使用荧光标记菌株进行染色检测29,30。PCR 结合 DNA 测序是一种灵敏且特异的方法,可用于检测并从遗传学上鉴定或确认 Borrelia 物种30,31,32,33。
BSK-II 培养基存在多种微小的变体,其中一些已有商业化产品。本文第1节所述方案改编自 Barbour(1984)21。液体 MKP 培养基是一种较新开发的培养基,详见第2节。其制备依据先前报道的方案33,34,与 BSK 培养基类似,分为两个步骤:基础培养基的制备和完全培养基的制备。Borrelia 培养基可按需添加或不添加抗生素,如第3节所述;抗生素的作用是减少接种临床或环境样本时引入的污染细菌,如第4节所述;若接种的是纯的 Borrelia sp. 培养物,则可能无需使用抗生素。制备长期保存的 Borrelia 菌种通常十分重要,第5节描述了相应的操作方案。第6节介绍了如何利用这些培养基从临床或环境样本中分离出纯的 Borrelia sensu lato 克隆。目前已有多种可行方法36;以下介绍一种被证实有效的方法。本方案所用的平板培养基是对 BSK-II 平板培养基37 和 MKP 培养基34(兔血清浓度提高至 10%38)的改良版本。
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所有涉及从人类受试者获取样本的研究均经相关大学和/或医疗机构的机构审查委员会批准,并在采集样本前获得参与者的书面知情同意。所有涉及从动物获取样本的研究均经机构动物伦理委员会批准,并在其指导下进行。在适用的情况下,已获得环境采样的相关批准。
注意:培养的成功与否在很大程度上取决于试剂的质量。市面上有商业化的BSK培养基,可用于接种高剂量的实验室适应型纯种B. burgdorferi及相关物种,能有效支持其生长。但对于来自原始生物材料的菌株分离物,建议使用新鲜配制的培养基,且通常必不可少。
Borrelia 属是已知或疑似病原体,未经筛查的人体或动物组织也可能构成生物危害。处理潜在感染性材料时,为确保研究人员安全,必须使用个人防护装备并采用无菌技术。此外,由于培养基营养极为丰富,容易导致培养物污染。此类工作通常需要在生物安全二级条件下进行,所有涉及 Borrelia 属的操作或样本处理均应在生物安全柜中进行。
1. BSK-II 培养基制备说明
| 成分 | 用量 (/L) |
| BSA fraction V | 50 g |
| CMRL-1066 (10x) | 100 mL |
| Neopeptone | 5 g |
| Hepes | 6 g |
| 柠檬酸三钠二水合物 | 0.7 g |
| 葡萄糖 | 5 g |
| TC Yeastolate | 2 g |
| 丙酮酸(钠盐) | 0.8 g |
| N-乙酰-D-葡萄糖胺 | 0.4 g |
| 碳酸氢钠 | 2.2 g |
| 水(高纯度) | 900 mL |
表1:1 L BSK-II 培养基的成分。
| 来源 | 适用性 |
| Serva GmbH, Heidelberg, Germany | 是 |
| Proliant Biologicals, Boone IA, USA | 是 |
| Sigma (Millipore-Sigma & Sigma- Aldrich), St. Louis, MO, United States | 否 |
表2:牛血清白蛋白(BSA)的来源及其在BSK-II培养基中的适用性。
2. 制备MKP的说明
| 成分 | 用量 (/L) |
| CMRL-1066 (10x 无谷氨酰胺) | 100 mL (若为液体)/9.7 g/L (若为粉末) |
| 新胨 (Neopeptone) | 3 g |
| Hepes | 6 g |
| 柠檬酸 (Citric acid) | 0.7 g |
| 葡萄糖 (Glucose) | 3 g |
| 丙酮酸 (Pyruvic acid) | 0.8 g |
| N-乙酰氨基葡萄糖 (N-acetylglucoseamine) | 0.4 g |
| 碳酸氢钠 (Sodium bicarbonate) | 2 g |
表3:1 L基础MKP(改良Kelly-Pettenkofer)培养基的组成。
| 成分 | 体积 (mL) |
| 基础培养基 | 500 |
| 7% 明胶(溶于 H2O,新鲜高压灭菌但不加热) | 100 |
| 兔血清 | 36 |
| 35% BSA | 17.5 |
表4:MKP(改良凯利-佩滕科弗)完全培养基的成分。
3. 培养 伯氏疏螺旋体,无论是否含有抗生素
4. 伯氏疏螺旋体(Borrelia)培养物的长期保存
5. 从环境或临床样本中分离螺旋体
注意:若从人类、动物或环境来源分离材料,须根据具体情况获得相应的研究伦理、动物护理或生态认证许可。
6. 单克隆细胞群体的分离 B. burgdorferi 广义螺旋体属螺旋体和 B. miyamotoi 通过在固体培养基上培养从液体培养物中分离
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Borrelia 培养基 BSK 和 MKP 及其变体为富含营养的培养基,其成分需按顺序配制和灭菌。正确配制的 BSK 培养基应呈红橙色且澄清透明(图 1)。若培养基在加热后仍存在浑浊或沉淀,则提示原料、培养基制备过程或存在污染问题;此类培养基最好弃用。若在 BSK 或 MKP 中添加明胶,冷藏时培养基会呈凝胶状;加热后则变为液体,但略带黏稠。
纯培养的Borrelia生长不会改变培养基的浑浊度。然而,由于pH指示剂的存在,细菌培养物Borrelia以及污染物的生长均会导致培养基颜色发生变化。其他细菌过度生长会产生浑浊和团块状物质(图2)。
可通过相差显微镜或暗视野显微镜监测培养物的生长情况(图3 和 图4)。处于对数生长期的 B...
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细菌的实验室培养是科研工作的起点。培养能力所带来的巨大优势,体现在长达一个多世纪、直至近期才取得成功的Treponema pallidum培养研究中;这种螺旋体是梅毒的致病因子44。Borrelia属螺旋体的培养同样具有挑战性,但已实现体外培养23,24,34,44,45,46,47,48,49。
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未声明任何利益冲突。
本工作部分得到了加拿大自然科学与工程研究理事会和加拿大莱姆病基金会(AB 和 VL)、瑞典研究理事会(SB、M-LF 和 IN)、TAČR GAMA 2 项目——"支持生物学研究中心 CAS 应用潜力验证 2.0"(TP01010022)(MG 和 NR),以及捷克共和国卫生部资助项目 NV19-05-00191(MG 和 NR)的支持。我们感谢 S. Vranjes(2021 年,Rudenko 实验室)提供图 4 中的图像,以及 J. Thomas-Ebbett(2021 年,Lloyd 实验室)提供图 5 中的图像。我们感谢所有为该领域做出贡献的研究人员,并对因篇幅限制未能引用其研究成果的学者表示歉意。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.7 mL 离心管 | VWR | 87003-294 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 0.2 µm 无菌注射器滤器 | VWR | 28145-501 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 10 µL型屏障吸头 | 海王星 | BT10XLS3 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 10 mL 血清移液管 | Celltreat | 229011B | 标准物品——任何供应商均可 |
| 1000 µL型屏障吸头 | 海王星 | BT1000.96 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 15 mL 离心管 | Celltreat | 188261 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 20 µL型屏障吸头 | 海王星 | BT20 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 20 mL 无菌注射器 | BD | 309661 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 200 µL型屏障吸头 | 海王星 | BT200 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 25 mL 螺口培养管 | Fisher Scientific | 14-933C | 标准物品——任何供应商均可 |
| 25 mL 血清移液管 | Celltreat | 229025B | 标准物品——任何供应商均可 |
| 3 mL 无菌注射器 | BD | 309657 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 35% BSA | Sigma | A-7409 | 来源很重要——参见注释 |
| 5 mL 血清学移液管 | Celltreat | 229006B | 标准品——任意供应商均可 |
| 50 mL 离心管 | Celltreat | 229421 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 6.5 ml MKP 玻璃管 | Schott | Schott Nr. 26 135 115 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 阿米卡星 | Sigma | PHR1654 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 两性霉素B | Sigma | A9528-100MG | 标准物品——任何供应商均可 |
| 复方新诺明/甲氧苄啶/磺胺甲噁唑 | Sigma | PHR1126-1G | 标准物品——任何供应商均可 |
| BBL 布氏菌肉汤 | BD | 211088 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 生物安全柜 | Labconco | 302419100 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 血液采集管(黄色管帽 - ACD) | Fisher Scientific | BD 含酸性枸橼酸葡萄糖(ACD)的真空采血管玻璃采血管 | 标准物品——任何供应商均可 |
| BSK-H 培养基 [含 6% 兔血清] | 达尔林生物制品 | BB83-500 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 离心机 | Eppendorf | model 5430 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 柠檬酸三钠二水合物 | Sigma | C-8532 100 g | 标准物品——任何供应商均可 |
| CMRL | Gibco BRL | 21540 500 mL | 标准物品——任何供应商均可 |
| CMRL-1066 | Gibco | 21-510-018 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 低温冻存管(Nalgene) | Fisher Scientific | 5000-0020 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 带堆叠环的深型培养皿 100 mm × 25 mm | Sigma | P7741 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 数字培养箱 | VWR | model 1545 | 标准物品——任何供应商均可 |
| DMSO | 赛默飞世尔科技 | D12345 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 用于过滤除菌的滤器 | Millipore 0.22μm GPExpressPLUS 膜 | SCGPU05RE | 标准物品——任何供应商均可 |
| 明胶 | Difco BD | 214340 500 g | 标准物品——任何供应商均可 |
| 玻璃培养管 | Fisher Scientific | 99449-20 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 葡萄糖 | Sigma | G-7021 1 kg | 标准物品——任何供应商均可 |
| 甘油 | Sigma | G5516 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 血细胞压积离心机(Hematocrit) && 免疫血液学离心机 | 实验室知识 | Model 3220 | 标准物品——任何供应商均可 |
| HEPES | Sigma | H-3784 100 g | 标准物品——任何供应商均可 |
| N-乙酰氨基葡萄糖 | Sigma | A-3286 25 g | 标准物品——任何供应商均可 |
| Neopeptone | Difco BD | 211681 500 g | 标准物品——任何供应商均可 |
| 血细胞计数板 | Sigma | Z359629 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 相差显微镜 | Leitz | 标准品——任意供应商均可 | |
| 磷霉素 | Sigma | P5396-1G | 标准物品——任何供应商均可 |
| 磷霉素 | Sigma | P5396 | 标准物品——任何供应商均可 |
| Pipetboy | Integra | 标准物品——任何供应商均可 | |
| 精密标准天平 | OHAUS | model TS200S | 标准物品——任何供应商均可 |
| 丙酮酸(钠盐) | Sigma | P-8574 25 g | 标准物品——任何供应商均可 |
| 兔血清 | Gibco | 16-120-032 | 来源很重要 |
| 兔血清 | Sigma | R-4505 100 mL | 来源很重要 |
| 利福平 | Sigma | R3501-1G | 标准物品——任何供应商均可 |
| 碳酸氢钠 | Sigma | S-5761 500 g | 标准物品——任何供应商均可 |
| Sufametaxazole | Sigma | PHR1126 | 标准物品——任何供应商均可 |
| TC酵母提取物 | Difco BD | 255752 100 g | 标准物品——任何供应商均可 |
| 移液管 | VWR | 470225-044 | 标准物品——任何供应商均可 |
| 甲氧苄啶 | Sigma | PHR1056 | 标准物品——任何供应商均可 |
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