本文介绍了一种利用永久性肺窗对小鼠肺部经减毒且获得生物安全二级(BSL-2)许可的结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)菌株进行活体成像的实验方案。该方法可在同一肺部微环境中,实现对宿主与病原体早期相互作用的长期、单细胞分辨率的动态分析,包括杆菌定位、血管动力学变化以及巨噬细胞摄取过程的观察。
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本文介绍了一种利用永久性肺窗对小鼠肺部经减毒且获得生物安全二级(BSL-2)许可的结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)菌株进行活体成像的实验方案。该方法可在同一肺部微环境中,实现对宿主与病原体早期相互作用的长期、单细胞分辨率的动态分析,包括杆菌定位、血管动力学变化以及巨噬细胞摄取过程的观察。
活体显微技术可直接可视化完整组织内动态的细胞过程。然而,由于结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis,Mtb)需要在生物安全三级(BSL-3)条件下进行 containment,且肺组织在高分辨率成像过程中存在技术上的稳定难题,该技术在Mtb研究中的应用受到限制。本文介绍了一种结合小鼠胸腔高分辨率肺成像窗(WHRIL)与mc27902菌株的实验方案,后者是一种基因定义的三重营养缺陷型Mtb菌株,可在生物安全二级(BSL-2)条件下使用。我们还描述了mc27902的tdTomato荧光标记衍生菌株mc28471的构建方法、静脉感染前的制备流程,及其在报告基因小鼠中用于活体成像的应用。该系统可实现对感染早期动态过程的实时可视化,包括细菌快速进入肺血管系统、聚集、扩散至肺实质以及在感染后前 3天内同一肺微环境中被巨噬细胞摄取等过程。通过实现对细菌及宿主-病原体相互作用的单细胞分辨率纵向成像,该方法克服了传统成像技术和高防护等级模型的关键局限性。本方案提供了一个实用的、符合BSL-2标准的平台,用于肺部减毒分枝杆菌的实时活体成像,并为研究细菌生理学、宿主识别机制及免疫介导的清除过程奠定了基础。
高分辨率活体显微技术通过在单细胞分辨率下直接可视化细胞迁移、血管相互作用以及免疫监视,彻底改变了对完整组织内动态细胞行为的研究1,2,3,4。尽管这些方法已在癌症研究中广泛应用3,5,但其在肺部感染研究中的应用却受到呼吸运动、组织脆弱性以及生物安全限制的制约。近年来胸腔成像平台的进步,包括真空稳定式和永久植入式光学窗口,已解决了许多技术难题,实现了对肺微环境长时间、稳定且无运动干扰的成像6,7,8,9,10。其中,可永久植入的光学窗口尤其强大,因其能够在数小时至数周的时间范围内重复观察血管血流、免疫细胞动态及单个细胞行为,并在揭示癌症转移机制、血管通透性以及免疫监视过程方面发挥了关键作用11,12。
尽管取得了这些进展,活体成像此前尚未被应用于 结核分枝杆菌 (结核分枝杆菌)感染在 体内 单细胞分辨率下的哺乳动物肺部。最接近的先例来自在其他条件下对分枝杆菌感染的活体成像。实时成像 Mycobacterium marinum 斑马鱼胚胎感染13 揭示了早期巨噬细胞相互作用及肉芽肿的启动过程,同时通过双光子成像观察小鼠肝脏中由BCG诱导的肉芽肿14,15 揭示了肉芽肿形成过程中巨噬细胞与T细胞的动态变化,并证明肉芽肿病变内部抗原呈递及T细胞效应功能受限。这些研究为分枝杆菌宿主-病原体相互作用建立了基础性认识,但未涉及完整的哺乳动物肺组织。8,16.
活体成像技术也已应用于其他感染性和生物学背景下的肺部研究,包括常规肺部成像8,揭示巡逻型肺泡巨噬细胞可将细菌隐藏于免疫系统之外的研究17,以及对人肺中SARS-CoV-2感染引发的早期髓系免疫反应的表征16。类似地,活体成像也被用于流感病毒感染的肺组织,实现了对感染肺组织内免疫细胞动态行为的直接可视化18,19。
利用光纤微内窥镜激发20和报告酶荧光技术21,22的全身体学成像方法已能够灵敏地检测小鼠肺部的结核分枝杆菌(Mtb),但无法检测单个或少量成簇的杆菌,也无法追踪细菌聚集动态或在完整肺组织中可视化分枝杆菌与宿主细胞之间的直接相互作用。在生物安全三级(BSL-3)条件下,已建立用于感染肺组织的高防护活体成像方法,包括针对SARS-CoV-2感染23和以Mtb为重点的24多光子成像平台。这些研究证明了在封闭环境中对感染肺组织进行成像的可行性,但此类系统在技术上仍具有挑战性,且尚未广泛普及。对毒力型Mtb的操作需要在BSL-3条件下进行,这为活体成像带来了重大的工程技术和生物安全挑战23,24。因此,目前大多数关于Mtb早期感染的研究仍依赖于静态终点检测方法,无法捕捉细菌在肺内行为的空间和时间动态特征。
基因定义明确且经BSL-2认证的三重营养缺陷型结核分枝杆菌(Mtb)菌株的开发为克服上述局限提供了独特机遇。mc27902菌株是H37Rv株的泛酸-亮氨酸-精氨酸营养缺陷型衍生物,完全减毒,在免疫缺陷小鼠体内无法复制,仍保持典型的抗酸染色特性,对噬菌体的敏感性正常,并可在BSL-3设施之外安全操作25。这些特性使mc27902成为在降低生物安全防护等级条件下建立活体成像方法并研究早期宿主-病原体相互作用的理想替代模型。
本研究中,我们应用肺部高分辨率成像窗(WHRIL)技术,结合表达荧光蛋白tdTomato的三重营养缺陷型结核分枝杆菌(Mtb)菌株mc27902的衍生株mc28471,对完整小鼠肺组织中早期Mtb感染过程进行可视化观察。实验在免疫缺陷的Rag2-/-小鼠与MacBlue小鼠杂交后代中进行2627,其中MacBlue小鼠的Csf1r启动子驱动单核细胞、小胶质细胞以及部分树突状细胞和巨噬细胞表达增强型青色荧光蛋白(ECFP)。MacBlue转基因使得在早期Mtb感染期间单核吞噬细胞群体得以清晰成像。我们选择使用Rag2缺陷型小鼠,旨在聚焦于最早期的固有宿主-病原体相互作用,避免在此短期成像窗口中适应性免疫应答带来的额外复杂性。需要强调的是,该技术并不局限于Rag2缺陷型小鼠,亦可在免疫功能健全的动物中实施。
通过结合永久性肺部成像窗与一种符合生物安全二级(BSL-2)标准的荧光减毒结核分枝杆菌(Mtb)菌株,该技术平台可在同一肺部微环境中,以单细胞分辨率对细菌与宿主细胞的相互作用进行连续多日的活体成像。尽管本文演示的是早期感染阶段的应用,但该平台本身并不局限于感染早期,原则上也可根据实验模型和研究设计应用于感染后期。由于该成像平台的成功应用依赖于本文所述的特定荧光菌体制剂,因此我们将该试剂的制备与处理所需的关键步骤纳入完整实验方案中。该平台可实现对结核分枝杆菌行为的直接、实时成像。 关键词:肺部成像窗,结核分枝杆菌,活体成像,宿主-病原体相互作用,单细胞分辨率,荧光菌株,生物安全二级,Mtb 体内 为未来对细菌生理学、宿主识别以及免疫介导清除机制的研究奠定了基础。
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所有实验操作均按照机构生物安全和动物护理指南进行,并经阿尔伯特·爱因斯坦医学院动物护理与使用委员会(IACUC)批准。菌株 mc28471 是 mc27902 的 pYUB1169 转化子,后者为经批准可用于 BSL-2 实验室的三重营养缺陷型结核分枝杆菌菌株。所有涉及活菌的操作均采用处理分枝杆菌的标准预防措施进行。
1. 构建符合BSL-2标准的表达tdTomato的结核分枝杆菌菌株mc28471
2. 小鼠活体成像用永久性肺窗植入术
3. 活体成像
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经过电穿孔和卡那霉素筛选后,mc28471 的分离菌落表现出明亮的红色荧光,证实了 tdTomato 的稳定表达。扩增 mc28471 杆菌,制备成单细胞悬液,并通过静脉注射给予携带手术植入 WHRIL 的小鼠。通过活体成像技术观察肺微环境中早期结核分枝杆菌(Mtb)感染的动态过程。在本研究中,感染前首先获取肺血管系统的基线图像(图 1A),随后在注射 mc28471 后 60 分钟内、6 小时和 3 天时对 Rag2-/- × MacBlue 小鼠进行活体成像(图 1B-D,图 2A-B,图 3A-C,补充视频 1,补充视频 2,补充视频 3)。选择这些时间点旨在捕捉杆菌在肺部定位、重新分布以及与巨噬细胞结合的最...
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该平台通过在BSL-2条件下直接可视化完整哺乳动物肺组织中的分枝杆菌与宿主细胞相互作用,填补了结核病研究领域的一项真实空白。此前 体内 成像策略,包括使用光纤微内窥镜激发的全身光学检测20报告酶荧光成像21,以及表达近红外荧光蛋白的 Mtb22,实现了对细菌负荷量和药物反应的高灵敏度纵向监测,但这些方法仅能测量总体细菌载量,无法分辨单个或小簇的分枝杆菌,不能追踪聚集体动态,也无法揭示分枝杆菌与宿主细胞在完整组织结构中的空间关系。尽管已证明符合BSL-3标准的多光子系统可用于肺部强毒力Mtb成像的原理验证24,此类实施需要专门的 containment 基础设施,而大多数实验室仍无法获得。本研究建立在活体分枝杆菌成像技术的发展脉络之上,该技术始于对实时可视化 M. marinum 斑马鱼感染13 并继续对小鼠肝脏中的BCG肉芽肿进行双光子成像
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作者声明不存在竞争性财务利益或其他利益冲突。
本工作获得了以下资助:AI26170;Evelyn-Lipper 家族基金会以及 Gruss Lipper 生物光子学中心。我们感谢分析成像中心提供的支持,该中心由美国国家癌症研究所癌症中心资助项目 P30 CA013330 支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 15 ml 离心管 | 康宁 | 430790 | |
| 2-0 丝线结 | Ethicon, Inc | LA55G | |
| 5 mm 盖玻片 | 电子显微镜科学公司 | 72296-05 | |
| 5 mm 一次性活检打孔器 | Integra | 33-35-SH | |
| 5-0 丝线荷包缝合 | Ethicon, Inc | 640G | |
| 钝头显微解剖剪 | Roboz | RS-5980 | |
| 布托啡诺 | Hospira | 0409-2012-32 | 注射 10 μL-布洛芬(0.3 mg/mL 储备液)用 90 稀释 μ无菌 PBS 溶液(最终剂量 = 0.1 mg/kg) |
| 压缩空气罐 | Falcon | DPSJB-12 | |
| 氰基丙烯酸酯粘合剂 | Loctite | 234790 | |
| D-泛酸钙 | 阿克罗斯 | 243305000 | |
| ECM 630 电穿孔系统完整套装,含安全支架 | BTX Harvard Apparatus | 45-0051 | |
| 电穿孔比色皿 | Fisher Scientific | FB102 | |
| FITC-葡聚糖 | Sigma-Aldrich | FD150S-1G | 150 kDa |
| 甘油 | Fisher Chemicals | G33-1 | |
| 格拉夫镊 | Roboz | RS-5135 | 在肺窗植入手术过程中抓握并抬高肋骨 |
| 异氟烷 | Pivetal | 78949580 | |
| 异氟烷蒸发器 | SurgiVet | VCT302 | |
| 卡那霉素 | Goldbio.com | K-120-25 | |
| L-精氨酸盐酸盐 | Sigma-Aldrich | A5131-100G | |
| L-亮氨酸 | Sigma-Aldrich | L8000 | |
| MacBlue小鼠 | 杰克逊实验室 | 品系编号:026051 | |
| Middlebrook 7H10 琼脂 | Difco | 262710 | |
| Middlebrook 7H9 肉汤 | Difco | 271310 | |
| Middlebrook OADC 增菌液 | Becton Dickinson | 212351 | |
| 小鼠呼吸机 | Kent Scientific | PS-02 | PhysioSuite |
| Nair | 教堂 & Dwight Co., Inc. | 40002957 | |
| PBS | 康宁 | 21-031-CV | |
| PETG 培养基墨水瓶 | 赛默飞世尔科技 | 342020 | |
| PhysioSuite | Kent Scientific | PS-5623 | 监测小鼠’手术期间经气管插管给予的潮气量 |
| 质粒 pYUB1169 | 定制质粒 | ||
| Rag2 基因敲除小鼠 | 杰克逊实验室 | 品系编号:008449 | |
| 小型动物肺部膨胀球囊 | 哈佛仪器 | 72-9083 | |
| 丙酸钠 | 赛默飞世尔科技 | A17440.36 | |
| 超声波破碎仪 | Fisher Scientific | FB705 | |
| Sorval 离心机 X pro 系列 | 赛默飞世尔科技 | 75009020 | |
| 分光光度计 Genesys 10 UV | 赛默飞世尔光谱公司 | 335903 | |
| SurgiSuite | Kent Scientific | SURGI-M02 | 用于小鼠的多功能手术平台(带加热功能) |
| 气管导管 | Exelint International | 26746 | 22G |
| Tyloxapol | Sigma-Aldrich | T0307-50G | |
| 真空拾取系统金属探针 | Ted Pella, Inc. | 528-112 |
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