小鼠通常对脓肿分枝杆菌(Mycobacterium abscessus)感染具有抗性,这给针对肺部感染的急需抗生素的研发和发现带来了困难。本文介绍了一种接种物制备及气管内感染的方法,该方法已被证实可在免疫功能健全的小鼠中建立持续性感染。
方法文章
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小鼠通常对脓肿分枝杆菌(Mycobacterium abscessus)感染具有抗性,这给针对肺部感染的急需抗生素的研发和发现带来了困难。本文介绍了一种接种物制备及气管内感染的方法,该方法已被证实可在免疫功能健全的小鼠中建立持续性感染。
迫切需要建立稳定的Mycobacterium abscessus(一种主要感染肺部的环境致病菌)慢性感染小鼠模型。临床上,长达一年的多药联合治疗方案治愈率极低,仅约50%,因此亟需可预测的临床前工具以开发更有效的抗生素。然而,免疫功能健全的小鼠通常对M. abscessus的肺部感染具有抗性。文献中已报道多种在免疫功能健全小鼠中建立持续性M. abscessus感染的尝试。其中,将包埋于琼脂珠中的细菌通过气管内途径接种至C57BL/6小鼠的方法显示出最大的潜力。该方法的主要局限在于技术上的挑战:需制备大小一致、含菌量可重复的琼脂珠,并完成气管内接种。本文首先详细描述了一种优化后的方案,可制备出直径适宜且载菌量可重复的M. abscessus琼脂珠。随后,我们提供了一种优化的气管内接种操作流程,旨在避免琼脂珠和细菌因黏附于接种装置表面而造成损失,并实现肺部M. abscessus琼脂珠沉积的可重复性。本方法的目标是确保操作简便,并具备优异的实验室间可重复性。
脓肿分枝杆菌(Mycobacterium abscessus,Mab)肺病的治疗选择有限,通常需要长达一年的多药联合治疗方案,包括口服、肠外给药以及偶尔使用吸入性抗生素,其中大多数药物缺乏理想的杀菌活性,且具有显著的毒性1,2,3,4,5。目前迫切需要更短程、更安全且更有效的治疗方法。分枝杆菌感染的小鼠模型在有效药物及治疗方案的发现与优化过程中发挥了重要作用6,7。然而,由于难以在小鼠体内建立持续进展性的肺部感染,针对Mab感染的抗生素临床前评估面临挑战8,9。
在免疫功能健全的小鼠品系中,Mab 感染通常仅导致短暂定植,随后病原体被迅速清除10,11。 为实现临床上所观察到的慢性感染,已有研究使用琼脂糖或琼脂等固定剂,以促进机会性病原体(如Pseudomonas aeruginosa或Haemophilus influenza)在免疫功能健全小鼠体内的持续存在及其引发的免疫病理反应12,13,14。该模型近期已被改进,用于在免疫功能健全的 C57BL/6N 小鼠中建立 Mab ATCC 19977 慢性呼吸道感染15,16,17,18。该方法通过气管内接种约 1 × 104 至 1 × 106 菌落形成单位(CFU)的病原体,可在接种后维持持续感染达 45 天,感染小鼠中慢性感染的发生率为 90%–100%19,并在降解中的琼脂珠周围形成结构化的肉芽肿18。研究表明,将 Mab 包埋于微珠中可使其免受先天免疫系统的快速清除,而负载细菌的微珠则成为免疫细胞募集的焦点,进而诱导肉芽肿形成并建立慢性感染18。琼脂/琼脂糖微珠是一种相对惰性的生物材料,仅引发轻微的炎症反应。此外,微珠降解缓慢,可避免异物过敏反应或诱导性纤维化等问题。通过气管内接种(无论是否使用微喷雾装置)可确保接种物有效沉积于肺部8,20,21,相较于静脉注射或鼻内接种,更能真实模拟临床暴露与感染过程。
因此,该模型具有诸多优势。然而,它也存在一些技术上的挑战,即:(i)获得可重复的微球大小,(ii)获得可重复的微球细菌载量,以及(iii)确保接种物经气管内递送的一致性。本文中,我们提供了详细的实验方案,以可靠地实现这些目标,并确保实验室之间的可重复性。
所有动物实验均依照美国国立卫生研究院(NIH)《实验动物护理和使用指南》进行,并获得美国国家过敏与传染病研究所(NIAID,NIH)机构动物护理和使用委员会(IACUC)的批准,贝塞斯达,马里兰州。所有实验程序均已通过机构动物护理和使用委员会的审批。所有涉及M. abscessus的研究均在生物安全二级防护实验室中进行。
1. 制备包埋于琼脂珠的 M. abscessus 接种物
2. 包埋于琼脂珠中的 M. abscessus 接种物的滴定
3. 通过注射器和针头进行微珠分配测试
注意:以下步骤旨在确保微珠不会黏附在注射器或针头表面。研究发现,使用玻璃注射器和24 G金属喂养针至关重要,可防止微珠因黏附于塑料表面而损失。
4. 小鼠气管内接种
微珠大小与细菌载量
为观察琼脂微珠及其携带的细菌,将mCherry红色荧光蛋白在Mab标准菌株ATCC 19977中由组成型 Hsp60启动子驱动表达,并如上所述将该菌株包埋于琼脂微珠中。图1A显示了微珠的尺寸范围(比例尺 = 200 μm)。图1B展示了6次独立制备的微珠中的细菌载量,表明该实验方法具有良好的可重复性。
注射器推注接种与细菌植入的涂布操作,继以气管内接种
气管内接种的方案经过两步优化。在接种物通过玻璃注射器前后,分别测定其每毫升菌落形成单位(CFU/mL),以确保微珠或细菌在通过注射器及连接导管时无损失。表1展示了两次独立制备的微珠样品(试验1和试验2)的初始细菌滴度,以及单次注射器装载量中每100 mL“推注通过”样品所回收的CFU数量。为避免微珠和细菌的损失,必须使用连接金属导管的玻璃注射器。因为琼脂微珠易黏附于塑料表面。
在珠粒制备物中随时间变化的菌落形成单位(CFU)计数显示,珠粒中的细菌载量在 4 °C 条件下可保持稳定达 1 周,此后每 2 周细菌载量约下降 2 倍,且肺部沉积能力未受影响。接下来,使用三种独立制备的珠粒分别感染 5 至 8 只小鼠,以验证经气管接种操作的可重复性。表 2 列出了感染后 24 小时每只小鼠肺组织中的 CFU 数量,计数方法如前所述。
最后,通过三组不同的操作者分别对三组各10只CD-1小鼠进行感染,以评估操作者间的感染可重复性。感染后24小时的肺部菌落形成单位(CFU)计数结果如图2所示。

图1:评估微珠大小、可视化并定量 M. abscessus 细菌载量的预实验。(A) 含有 M. abscessus ATCC 19977 菌株的琼脂微珠,该菌株经基因工程改造,可在组成型 hsp60 启动子驱动下表达 mCherry 红色荧光蛋白。将 5 µL 微珠悬液涂布于载玻片上,使用配备相机的荧光显微镜(10倍物镜)成像。每个红色斑点为一个荧光标记的细菌细胞,包裹在直径约为 70–250 µm 的琼脂微珠中。(B) 6 次独立制备的微珠样品中细菌载量(以 CFU/mL 表示),显示该方法具有良好的可重复性。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:感染操作的实验者间可重复性。 三名独立操作者按照前述方法,使用相同的珠子制备物,分别对10只CD-1雌性小鼠进行气管内感染。图中显示感染后24小时的肺组织菌落形成单位(CFU)计数。O1、O2、O3:分别代表操作者1、2和3。请点击此处查看该图的放大版本。
| CFU/100 μL | ||
| 微珠制备 | 试验 1 | 试验 2 |
| 1.13E+05 | 2.40E+05 | |
| 注射器推过样品 | ||
| 1 | 1.14E+05 | 5.10E+05 |
| 2 | 1.36E+05 | 4.10E+05 |
| 3 | 9.30E+04 | 3.90E+05 |
| 4 | 9.80E+04 | 3.60E+05 |
| 5 | 1.14E+05 | |
| 平均值 | 1.11E+05 | 4.18E+05 |
| 标准差 | 1.69E+04 (15%) | 6.50E+04 (16%) |
表1:经过玻璃注射器和金属饲喂针后,每100 µL样本中的菌落形成单位(CFU)。
| 试验 1 | 试验 2 | 试验 3 | |||
| 小鼠编号 | 每只小鼠肺部 CFU | 小鼠编号 | 每只小鼠肺部 CFU | 小鼠编号 | 每只小鼠肺部 CFU |
| M-1 | 6.50E+03 | M-6 | 2.20E+05 | M-11 | 6.80E+04 |
| M-2 | 1.10E+04 | M-7 | 2.70E+05 | M-12 | 1.70E+05 |
| M-3 | 1.40E+04 | M-8 | 8.10E+04 | M-13 | 2.10E+05 |
| M-4 | 3.20E+03 | M-9 | 1.40E+05 | M-14 | 4.40E+04 |
| M-5 | 4.50E+03 | M-10 | 1.30E+05 | M-15 | 7.50E+04 |
| M-16 | 1.01E+05 | ||||
| M-17 | 7.00E+04 | ||||
| M-18 | 5.80E+03 | ||||
| 平均值 | 7.84E+03 | 平均值 | 1.68E+05 | 平均值 | 9.30E+04 |
| 标准差 | 4.54E+03 (58%) | 标准差 | 7.57E+04 (45%) | 标准差 | 6.67E+04 (72%) |
表2:接种后24小时将含M. abscessus的琼脂珠植入小鼠肺部
为确保细菌在琼脂珠中均匀分布,在将熔化的琼脂-细菌混合物加入油相之前,必须将其充分混匀。油相与琼脂-细菌混合物体积之比是控制珠粒大小的关键因素。较高的油-琼脂比例会形成更小的琼脂珠。在将琼脂-细菌悬液与油相混合时,温度控制至关重要:混合物的温度必须足够高以利于乳化和液滴形成,但又不能过高以免损伤细菌。在持续搅拌下将混合物冷却至室温或更低温度,可使琼脂液滴形成并固化。
搅拌板的正确校准、搅拌子的尺寸以及烧瓶的形状和大小是形成均匀旋涡的重要决定因素。将搅拌子置于烧瓶中心可产生对称的旋涡,确保混合均匀。搅拌子偏离中心可能导致旋涡不稳定,从而产生形状不规则的微珠,并使气泡进入微珠内部。建议实时监测并调整搅拌子的位置。烧瓶的容积需与油-琼脂混合物的体积成比例。使用500 mL烧瓶旋转90 mL油-琼脂混合物最为理想,可形成可见的旋涡。当使用较大的烧瓶时,需相应调整油-琼脂混合物的体积、搅拌子的尺寸以及旋涡速度,以在有效混合与旋涡稳定之间达到平衡。在整个过程中以及不同批次微珠制备之间保持一致的旋涡速度,对于批间重复性至关重要。
琼脂珠制备过程中的涡旋速度和油-琼脂比例参照文献16,22进行,并做了少量修改。旋转涡流内部的剪切力本身会产生不同大小的珠粒。为了尽量减少这种尺寸差异,在珠粒收集步骤中引入了多次洗涤操作,采用逐渐降低离心速度和时间的梯度方法,以确保去除小尺寸珠粒(以及游离细菌)。使用微孔滤网对目标尺寸的珠粒进行富集,有效滤除较大珠粒以及可能因随机聚集而形成的珠粒。为了避免珠粒悬液在通过注射器和连接管进行小鼠气管接种过程中造成珠粒或细菌损失,必须使用玻璃注射器、24 G金属喂养针和金属连接管。
该方法的主要局限性在于微球制备和经气管接种的技术复杂性,难以实现可重复的微球负荷量和肺部植入效果。操作时需注重细节并具备排除故障的能力。此外,该模型尚未通过测试标准护理抗生素以及临床上最常用于Mab患者治疗的抗生素组合的疗效来进行充分验证。
目前,尚无慢性 Mab 感染的小鼠模型经过充分验证,能够合理地通过模型预测药物单剂或联合用药在患者中的疗效9。已有研究利用琼脂珠嵌入的 C57BL/6 小鼠系统来评估抗菌治疗的效果15,19,23。与琼脂珠嵌入的 C57BL/6 小鼠系统最接近的替代模型是 C3HeB/FeJ 小鼠模型,该模型依赖地塞米松诱导的免疫抑制以建立持久的慢性感染24,25。本文所述方案的优势在于:(i)可使用免疫功能完整的、成本最低的 C57BL/6 小鼠;(ii)可利用特征明确的标准菌株 ATCC 19977 建立有效且持续的慢性感染;(iii)无需化学诱导的免疫抑制,避免了每日注射地塞米松的需要,从而规避了潜在的药物相互作用及其对肺部免疫病理的影响。
鉴于目前缺乏经过验证的慢性Mab感染小鼠模型来评估新的候选药物和药物治疗方案8,9该技术有望推动领域发展,提高临床前疗效数据的预测价值,有助于优先筛选出最具潜力实现持久治愈的药物方案,并整体加速针对Mab肺病的药物发现与开发进程。该方法可应用于其他肺部病原体,且已有成熟的应用记录 铜绿假单胞菌或流感嗜血杆菌本方案的主要目标是提供充分的细节和建议,以确保易于实施以及良好的实验室间可重复性。
本工作由囊性纤维化基金会资助,授予TD和VD的奖项编号为DICK24XX0,以及美国国立卫生研究院下属国家过敏与传染病研究所授予TD和VD的R01-AI132374项目。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 125 mL 瓶 | Corning | 8388 | 无菌 |
| 3 x 3 管架 | Fisher | 5972-0030PK | 使用前已消毒 |
| 3D 打印小鼠支架 | Transworld Marketing | 定制设计与生产 | 使用前已消毒 |
| 48 孔稀释板 | Celltreat | 229192 | 无菌 |
| 50 mL 离心管 | Greiner Bio-One | 227261 | 无菌 |
| 麻醉机 | E-Z Systems | EZ-AF9000 SYSTEM | 不适用 |
| Avanti J-15R | Beckman Coulter | B99517 | 离心机 |
| 带掀盖架的屏障式移液器吸头 1000G | Thermo Scientific ART | 21-236-2A | 无菌 |
| 生物危害袋 | Fisherbrand | 22-044561 | |
| 连接环 | pluriSelect | 41-50000-03 | |
| 棉签 | Puritan | 22-029-571 | 无菌 |
| 一次性接种环 黄色 无菌 100 个/自封袋 | Cole-Parmer Essentials | 03-391-562 | 无菌 |
| 一次性带衬里毛巾巾单 | Dynarex | 19-310-671 | 无菌 |
| 杜氏磷酸盐缓冲液 | Thomas Scientific | 21-031-CM | 无菌 |
| 漏斗 | pluriSelect | 42-50000 | 无菌 |
| GE Ultrospec 10 | Sigma-Aldrich | GE80211630 | 分光光度计 |
| GentleMACS 组织解离仪 | Miltenyi Biotec | 130-096-427 | 非热激活 |
| Hamilton 注射器 | Hamilton | 80801 | 使用前已消毒 |
| 重矿物油 | Sigma-Aldrich | 330760-1L | 无菌 |
| 异氟烷溶液 250 mL 瓶装 | Covetrus | 29405 | 皮肤腐蚀/刺激:类别 2,严重眼损伤/眼刺激:类别 2A,特定靶器官系统毒性(单次接触):类别 3 可引起嗜睡和头晕,造成严重眼刺激,造成皮肤刺激。切勿吸入,应在通风良好处使用。 |
| M 管(gentleMACS) | Miltenyi Biotec | 130-096-335 | 无菌 |
| 磁力搅拌器 MR Hei-Connect | Heidolph | 505-40000-13-1 | |
| 磁力搅拌子 | Thomas Scientific | 1181L08 | 无菌 |
| 机械移液器 100–1000 µL–µ | Gilson PIPETMAN L | FA10006M | 使用前已消毒 |
| 机械移液器 20–200 µL–µ | Gilson PIPETMAN L | FA10003MG | 使用前已消毒 |
| 金属动物喂食针 24 G | Braintree Scientific | N-VP 24G-1S | 必须灭菌(高压灭菌) |
| Middlebrook 7H10 琼脂 | Sigma-Aldrich | M0303-500G | 已灭菌(高压灭菌) |
| Middlebrook 7H11 琼脂 | Thermo Fisher | R4554002 | 已灭菌(高压灭菌) |
| Middlebrook 7H9 培养基 | Beckton Dickinson | 271310 | 已灭菌(高压灭菌) |
| 小鼠支架部件 | TriMech Solutions | SRV-AMS-FDM | 使用前已消毒 |
| 不可吸收丝线缝合线 | Fisher Scientific | 18020-50 | 不适用 |
| 用于 Middlebrook 培养基的 OADC 液体增补剂 500 mL | Thermo Scientific Remel | R450605 | 无菌 |
| PBS (10x),pH 7.4,无菌过滤 500 mL | Gibco | 70-011-044 | 无菌 |
| Peroxiguard 消毒湿巾 | Peroxigard | 29221 | 不适用 |
| 带透明盖的圆形培养皿 100 mm × 15 mm | Fisherbrand | FB0875712 | 无菌 |
| PluriStrainer 200 µm | pluriSelect | 43-50200-03 | 无菌;细胞筛 |
| 滚瓶 | Corning | 430165 | 无菌 |
| 血清移液管 | Corning | 4489 | 无菌 |
| 分光光度计比色皿 1.5 mL | Fisher Scientific | 14955127 | 已灭菌(高压灭菌) |
| 注射器塞子或夹子(尼龙) | Trimech | SRV-AMS-MJF | 使用前已消毒 |
| 胰蛋白胨大豆肉汤 | Sigma-Aldrich | T8907-500G | 无菌 |
| Tween 80 | Fisher | 170793 | 过滤除菌 |
| 宽口带掀盖架滤芯移液器吸头 200G | Thermo Scientific ART | 21-236-1A | 无菌 |
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