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方法文章

姜黄素类介导的光动力抗菌疗法在小鼠口腔念珠菌病模型中的应用

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DOI:

10.3791/65903

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2023年10月27日

本文内容

摘要

本方案描述了抗菌光动力疗法(aPDT)在小鼠口腔念珠菌病模型中的应用。aPDT 采用水溶性姜黄素类化合物混合物结合蓝光 LED 照射进行。

摘要

抗菌光动力疗法(aPDT)已得到广泛研究 体外,感染的临床前动物模型适用于在临床试验前评估替代疗法。本研究描述了光动力抗菌疗法(aPDT)在小鼠口腔念珠菌病模型中的疗效。40只小鼠通过皮下注射泼尼松龙进行免疫抑制处理,随后使用预先浸入念珠菌悬液的口腔拭子对小鼠舌部进行接种 C. albicans 细胞悬液。给予四环素 通过 实验期间,小鼠可自由饮用饮水。真菌接种后第5天,将小鼠随机分为八组;另设第九组未处理且未感染的小鼠作为阴性对照组(n = 5)。采用三种浓度(20 µM、40 µM 和 80 µM)的姜黄素类化合物混合物,并结合蓝光LED(89.2 mW/cm²)进行处理2;~455 nm)以及无光照(分别为 C+L+ 和 C+L- 组)。单独光照(C-L+)、无任何处理(C-L-)以及未感染动物作为对照组进行评估。数据采用 Welch's ANOVA 和 Games-Howell 检验进行分析(α = 0.05)。所有感染动物均成功建立口腔念珠菌病模型,并通过舌背出现典型白色斑块或假膜在宏观上得以观察。组织病理学切片显示,C-L- 组中大量酵母和菌丝局限于上皮角化层;而在接受 40 µM 或 80 µM 姜黄素类化合物介导的 aPDT 治疗的小鼠图像中,真菌细胞的存在在视觉上明显减少。80 µM 姜黄素类化合物介导的 aPDT 实现了 2.47 log 的降低10 与C-L-组相比,菌落计数减少(p = 0.008)。其他所有组均未显示菌落数量的统计学显著减少,包括仅使用光敏剂(C+L-)或仅使用光照(C-L+)的组别。姜黄素介导的抗菌光动力疗法减少了小鼠舌部的真菌负荷。

引言

口腔念珠菌病(OC)是口腔主要的真菌感染,由念珠菌属真菌过度生长引起 假丝酵母 spp. 口腔念珠菌病的易感因素包括内分泌功能障碍、广谱抗生素的使用、放疗和化疗、营养缺乏、口干症(唾液流量降低)、义齿佩戴、口腔卫生不良,尤其是免疫抑制状态。1. 在……之中 假丝酵母 物种, 白色念珠菌 是最常见且毒力最强的一种;它在人体内可作为共生菌存在,也可作为机会性病原体。 C. albicans 能够从共生酵母形态(芽生孢子)转变为致病性菌丝形态(菌丝和假菌丝)2菌丝状形态,尤其是菌丝,可通过内吞作用或主动侵入方式侵入宿主上皮细胞,从而引起感染3. 其他毒力因子 C. albicans 包括黏附、生物膜形成,以及脂肪酶、磷脂酶、蛋白酶和念珠菌溶素等脂解酶、水解酶和毒素的分泌4.

口腔念珠菌病(OC)的治疗涉及使用抗真菌药物,尤其是局部应用的多烯类和唑类药物(如制霉菌素和咪康唑)5。然而,这些药物仅表现出短期疗效,且复发频繁。此外,抗真菌药物的过度使用已导致抗真菌耐药性的产生与传播问题6。因此,亟需替代疗法,例如抗菌光动力疗法(aPDT),该疗法结合光敏剂(PS)、在适当波长(与PS吸收波长相同)的光照以及氧气的存在下发挥作用。光敏剂可与细胞结合或被细胞摄取,在光照激活后产生对敏感细胞具有毒性的活性氧(ROS)7。

在光动力疗法(aPDT)中,一种常用的光敏剂(PSs)是姜黄素(CUR),这是一种从姜黄植物(Curcuma longa L.)的根茎中提取的天然化合物。姜黄素具有多种治疗特性,包括抗炎、抗氧化、抗癌和抗菌能力8,9。先前的一项研究发现,在口腔念珠菌病的小鼠模型中,使用姜黄素的aPDT能有效减少白色念珠菌(C. albicans)的数量,且未对宿主组织造成任何损伤10。姜黄素是从姜黄中提取的主要姜黄素类化合物,但该植物中还含有其他多酚类物质,如去甲氧基姜黄素和双去甲氧基姜黄素。姜黄素类化合物介导的aPDT已被证实对导管中培养的金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)生物膜具有抗菌活性11。然而,据我们所知,其对白色念珠菌(C. albicans)的抗真菌活性仍不明确。因此,在本研究中,我们评估了姜黄素类盐介导的aPDT在中国台湾地区建立的OC小鼠模型中对白色念珠菌(C. albicans)的作用效果。

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方案

本研究使用小鼠的研究方案已获得圣保罗州立大学(UNESP)阿拉拉夸拉牙科学院动物使用伦理委员会的批准(批准编号:05/2008 和 09/2020)。实验采用白色念珠菌(C. albicans,ATCC 90028)作为参考菌株。本研究共使用45只6周龄雌性瑞士小鼠(n = 45),体重范围为20–30 g。实验动物由巴西圣保罗州立大学(UNESP)博图卡图校区提供。

1. 光动力疗法中光敏剂的制备与光源的选择

  1. 根据待测物质的规格制备光敏剂(PS)。
    注意:本研究中使用了一种水溶性姜黄素类化合物混合物(基于姜黄素的水溶性盐混合物12)作为光敏剂(参见材料表和图1)。使用前立即用超纯水配制20 µM、40 µM和80 µM(分别为15.6、29.2和58.4 mg/L)的稀释液,并于5 °C保存。
  2. 选择具有合适波长(与光敏剂吸收波长相同)、能够均匀且同时照射整个光敏化靶区而不引起组织加热的光源设备。
    ​注意:本研究使用了由巴西圣卡洛斯圣保罗大学圣卡洛斯物理研究所(Instituto de Física de São Carlos, University of São Paulo, São Carlos, SP, Brazil)设计的手持式发光二极管(LED,参见材料表)装置。光源输出功率在约455 nm的蓝光波长下为89.2 mW/cm2。

2. 准备 白色念珠菌 接种物

  1. 将标准菌株 C. albicans (ATCC 90028) 保存于含50%甘油的酵母提取物-蛋白胨-葡萄糖(YEPD,参见材料表)培养基中,置于 -80 °C 保存至使用。
  2. 在室温下解冻冻存菌株,取100 µL菌液涂布于含氯霉素的沙保葡萄糖琼脂(SDA)培养皿(参见材料表),于37 °C 培养48小时。
  3. 挑取五个单菌落接种至10 mL含2%葡萄糖的酵母氮源培养基(YNBg)中,于37 °C 需氧培养16小时。
  4. 将酵母菌液按1:10比例接种于新鲜YNBg培养基中,于37 °C 需氧培养至菌液处于对数生长中期。
    注:各实验室应预先建立标准化的微生物生长曲线。在本研究中,菌液培养约8小时,直至在540 nm处测得的光密度(OD540)达到对数生长中期,平均值为0.536 ± 0.062(均值 ± 标准差[SD])。
  5. 在室温下以5,000 x g 离心5分钟,弃上清液,用等体积无菌磷酸盐缓冲液(PBS;0.136 M NaCl,2 mM KCl,1 mM KH2PO4,10 mM Na2HPO4,pH 7.4)重悬菌体沉淀并洗涤两次。
  6. 取100 µL菌悬液用PBS进行连续4次10倍梯度稀释,将各稀释液涂布于SDA平板,于37 °C 培养48小时进行菌落计数。通常使用浓度约为4.5 × 107 菌落形成单位/毫升(CFU/mL)的真菌悬液作为标准。

3. 小鼠骨钙素(OC)的诱导

注意:以下方法先前由 Takakura 等人13描述,并由我组10,14重复实现,略有修改。

  1. 将小鼠随机分为九组(n = 5),每组对应一种处理方式(补充文件 1).
    注意:小鼠口腔应呈阴性 假丝酵母 生长情况需通过口腔拭子取样并在SDA培养基上接种培养来检测。
  2. 将动物饲养在聚丙烯盒中10(每箱最多5只小鼠) 使用木屑作为地面铺垫物, 在23 ± 2 °C的温度控制动物饲养室中,采用12/12小时明暗循环光照。无需提供特定的环境丰富化措施。
  3. 将小鼠饲养在挤压颗粒小鼠饲料和过滤水的条件下 随意摄取.
  4. 皮下注射免疫抑制药物泼尼松龙 (100 mg/kg 体重,参见 材料表),首次在第一天给予 C+L+ 20、C+L+ 40、C+L+ 80、C+L- 20 µM、C+L- 40、C+L- 80、C-L+ 和 C-L- 各组所有成员补充文件 1).
    注意:将同组小鼠饲养于同一笼内,每天监测其是否有应激或体重减轻的迹象。若发现应激或体重减轻,应咨询兽医以确定是否需要使用镇痛剂或调整食物/饮水。
  5. 从第一天开始直至实验结束,将盐酸四环素以0.83 mg/mL的浓度加入饮水中给予13.
  6. 第2天接种小鼠舌部,包括 C+L+ 20、C+L+ 40、C+L+ 80、C+L- 20、C+L- 40、C+L- 80、C-L+ 和 C-L- 组(补充文件 1),其中的 C. albicans 接种物。不要对阴性对照组(NCtrl)的小鼠进行接种。
    1. 通过肌肉注射 10 mg/kg 氯丙嗪氯化物使动物镇静(参见 材料表) 在每侧大腿肌肉上 在进行接种之前。
    2. 对小鼠进行口腔内接种 通过将无菌棉签(每只动物一支)浸入新鲜配制的(即接种前立即制备的标准化悬液 C. albicans.
    3. 将麻醉后的小鼠置于仰卧位。使用无菌镊子轻轻将其舌头拉出口外。用浸湿的棉签擦拭每只小鼠的舌头30秒。监测小鼠直至其从麻醉状态恢复。
  7. 第5天,给予泼尼松龙(100 mg/kg体重)皮下补充注射,以维持免疫抑制状态。
    ​注意:本方案适用于口腔内接种后维持感染7天。方案的时间线如下所示: 图2.

4. 抗菌光动力疗法及从口腔病变中回收C. albicans

  1. 在第七天治疗前,通过腹腔注射盐酸氯胺酮(100 mg/kg 体重)联合赛拉嗪(10 mg/kg 体重)对动物进行麻醉(参见材料表)。
  2. 将每只动物仰卧放置于带有不锈钢丝的垫板装置上14,15,不锈钢丝可绕在门齿周围以保持口腔张开。
    注意:建议使用恒温垫在动物镇静期间为其保温,防止室温下发生低体温,并避免与麻醉相关的死亡15。应通过夹捏脚趾时无回缩反射来监测每只麻醉动物,以确认麻醉深度。如需要,可追加一次维持剂量的氯胺酮(剂量为初始剂量的1/3,不含赛拉嗪)。
  3. 在下颌和面颊回缩的情况下,轻柔地将舌头移出口腔外。
  4. 对于C+L+组的小鼠,将70 µL光敏剂(PS)溶液(选择一种测试浓度)滴加至舌背表面。将小鼠置于黑暗环境中持续20分钟,作为照射前孵育期。在此期间,确保每只动物的舌头保持在口腔内,以防止光敏剂(PS)被吞咽。
  5. 光敏化阶段结束后,将舌头拉出以进行光照。将LED装置置于舌背表面,以37.5 J/cm2的剂量照射(使用当前设备需照射7分钟)(图3)。
  6. 对于C+L-组的小鼠,在舌背表面滴加70 µL光敏剂(PS)溶液(选择一种测试浓度),并将这些小鼠在黑暗环境中放置27分钟。
  7. 对于C-L+组的小鼠(仅接受光照处理,未预先进行光敏化),在舌背表面滴加70 µL无菌生理盐水。将小鼠在黑暗环境中放置20分钟后,以37.5 J/cm2的剂量进行舌部照射(使用当前设备需照射7分钟)。
  8. 对于C-L-组的小鼠(既未接受光敏剂处理也未接受光照处理),在舌背表面滴加70 µL无菌生理盐水,并在黑暗环境中放置27分钟。
  9. 治疗后立即从小鼠舌部回收C. albicans。使用无菌棉签在舌背表面擦拭1分钟。
  10. 将每根取样棉签放入含有1 mL无菌生理盐水的试管中,涡旋振荡1分钟以重悬微生物细胞。
  11. 立即在PBS中进行10倍系列稀释,取25 µL稀释液重复接种于SDA平板上。将平板置于37 °C有氧条件下培养48小时。
  12. 48小时后,使用数字菌落计数器(参见材料表)测定酵母菌落数量。计算每只动物的C. albicans载量(CFU/mL)。
  13. 将CFU/mL数值转换为log10值,并根据实验设计和数据假设进行适当的统计分析。
    注意:在本研究中,采用Welch单因素方差分析及Games-Howell事后检验(α = 0.05)16。

5. 组织病理学分析

  1. 第8天,使用100 mg/kg的氯胺酮与10 mg/kg的赛拉嗪联合麻醉小鼠 通过腹腔注射给予过量氯胺酮(200 mg/kg,腹腔注射)处死小鼠,通过检测呼吸运动消失(呼吸暂停)和心跳停止(心搏停止)确认死亡。
  2. 小心捏住舌头并将其拉出动物口腔。使用手动手术刀,在轮廓乳头前方做一切口,完整切除整个舌头,同时避免对舌前部和中部区域造成任何损伤。
  3. 用10%中性缓冲福尔马林(pH 7.2–7.4)固定舌头24小时,然后在流水下冲洗2小时。
  4. 继续进行石蜡包埋流程:脱水、透明和浸蜡10,14.
  5. 使用切片机切取连续切片(5 µm 厚),将切片贴附于玻璃载片上。随后采用过碘酸-希夫与苏木精(PAS-H)染色,以进行组织病理学检查,并在光学显微镜下观察以鉴定真菌。
  6. 请一位病理学家(最好对所研究的分组设盲)评估组织反应 C. albicans 感染
  7. 描述组织的组织学特征(上皮和结缔组织),尤其是不同程度的局部炎症反应。

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结果

小鼠OC模型显示,所有感染小鼠的舌头上均出现典型的白色斑块和假膜(图4A)。从C-L-动物中回收的C. albicans证实了该微生物对组织的定植(菌落数量范围为1.62 × 104 至 4.80 × 105 CFU/mL)。与预期一致,NCtr组动物在取样后未显示任何组织改变或菌落生长(图4B)。

当使用80 µM姜黄素类化合物作为光敏剂时,aPDT降低了白色念珠菌(C. albicans)的存活率(图5)。与C-L-组相比,80 µM光敏剂介导的aPDT实现的平均log10减少值为2.47(p = 0.008)。

在未接受光照的姜黄素处理组(C+L- 组)、仅接受光照但未进行光敏化的处理组(C-L+ 组)以及未处理组小鼠(C-L...

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讨论

C. albicans 与免疫功能低下者、糖尿病患者、长期使用抗生素者以及口腔卫生不良者的口腔和食管感染相关1,3。人类传染性疾病的研究需要在开展临床试验之前,进行体外(in vitro)和体内(in vivo)的研究,以确保试验设计的安全性和准确性。本研究描述了一种建立小鼠口腔念珠菌病(OC)模型的方法,可用于评估 C. albicans 引起的口腔感染的发病机制以及抗真菌治疗策略的有效性15,16,17,18,19。

本研究中采用的小鼠OC模型已成功建立,这通过从病灶中...

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致谢

作者感谢圣保罗研究基金会(FAPESP,项目编号 FAPESP #2013/07276-1(CePID CePOF)和 2008/00601-6)提供的资金支持。我们还要感谢 Ana Paula Silva 博士提供了有关基于 CUR 的水溶性盐的信息。  

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
C. albicans美国模式培养物集存库(ATCC,Rockville,Md,USA)90028用于制备念珠菌接种物
离心机 Eppendorf Centrifuge 5804/5804R,B. Braun,Melsungen,Hesse,德国022628146 (NA)用于制备念珠菌接种物
氯丙嗪氯化物 2 mg/mL巴西圣保罗州阿拉拉夸拉的药房配制 -  用于在接种白色念珠菌期间使动物镇静
基于姜黄素的水溶性盐PDTPharma,巴西克雷文斯 - 由53.4%的天然姜黄素组成,以及  46.6% 的其他姜黄素类物质(去甲氧基姜黄素和双去甲氧基姜黄素)。以水和N-甲基-D-葡萄糖胺配制(最终平均分子量为730.32 g·mol⁻¹)−1)
数字菌落计数器CP 600 Plus,Phoenix Ind Com Equipamentos Científicos Ltda,巴西圣保罗州阿拉拉夸拉 - 用于计数琼脂平板上的菌落
挤压成型的小鼠饲料Benelab 饲料,Industry Qualy Animal Nutrition and Commerce Ltda.,Lindóia, Sã巴西圣保罗州 -用于小鼠喂养
盐酸氯胺酮 10%氯胺酮 Agener,União Quí米卡制药ê乌蒂卡国家股份有限公司,恩布瓜ç巴西圣保罗 - 用于在动物实验前进行麻醉  治疗和安乐死
发光二极管手柄(原型)中国台湾 F研究所í西卡 de São Carlos,S大学ã圣保罗,São Carlos, SP, 巴西 - 使用LXHL-PR09型Luxeon III发光器(Lumileds Lighting,美国加利福尼亚州圣何塞)制备
醋酸甲泼尼龙 40 mgDEPO-MEDROL,辉瑞,纽约 - 用作免疫抑制剂
切片机Leica Microsystems,美国伊利诺伊州班诺克本SM2500用于切割舌组织的连续切片
丙烯箱(笼具 housing)H13 × L20 × D30 cm邦瑟设备,里贝朗ão 巴西普雷图 - 用于在整个实验过程中饲养动物  实验周期
含氯霉素的沙氏葡萄糖琼脂HiMedia,孟买,印度MM1067-500G用于酵母生长的培养基(琼脂)
分光光度计分光光度计 Kasvi K37-VIS, São José 巴西多斯皮尼亚伊斯K37-VIS 用于标准化接种物浓度
盐酸四环素 巴西圣保罗州阿拉拉夸拉的药房配制 - 用于诱导口腔菌群失调的抗生素
木屑J.R. 木屑,Comerce of Sawdust Ltda. 公司,Conchal,Sã巴西圣保罗州 -用于 housing boxes 内部的地面覆盖
2% 赛拉嗪Calmiun, União Quí米卡制药ê乌蒂卡国家股份有限公司,恩布瓜ç巴西圣保罗 - 与氯胺酮联合用于麻醉
酵母氮源肉汤 Difco,InterLab,底特律,密歇根州,美国DF0919-07-3 酵母生长培养基(液体)
酵母提取物蛋白胨葡萄糖肉汤NutriSelect Basic,Sigma AldrichY1375用于在 -80 保存菌株的培养基°C 和生长

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