本文介绍了一种用于分离和鉴定宿主内微生物的实用方法。通过该方法,可清晰描述微生物的理化特性及其在宿主内的可能生存方式。
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本文介绍了一种用于分离和鉴定宿主内微生物的实用方法。通过该方法,可清晰描述微生物的理化特性及其在宿主内的可能生存方式。
由于在宿主体内生长的微生物通常具有促进其存活的适应能力,因此对这些微生物进行分类和鉴定的方法将有助于其特性表征。目前大多数研究仅关注某一种特定的表征方法;然而,从宿主体内分离和鉴定微生物是一个连续的过程,通常需要多种组合表征方法。本文介绍了用于鉴定微生物生物膜形成能力、微生物呼吸状态及其趋化行为的方法。这些方法被用于鉴定五种微生物,其中三种分离自Sprague-Dawley(SD)大鼠的骨组织(Corynebacterium stationis、Staphylococcus cohnii subsp. urealyticus 和 Enterococcus faecalis),另外两种来自美国典型培养物保藏中心(ATCC)——Staphylococcus aureus ATCC 25923 和 Enterococcus faecalis V583。从SD大鼠骨组织中分离的微生物均为革兰氏阳性菌。这些微生物已适应在骨基质中具有应激性和营养受限的环境中生长。本文旨在为读者提供在实验室条件下确定分离微生物特性和行为的具体技术方法。
人体作为哺乳动物宿主,含有大量微生物。这些微生物广泛分布于宿主的口腔、消化道、肠道和血液中,对宿主健康产生不同影响。口腔中栖息着多种多样的微生物,可调节宿主对感染的易感性。例如,某些微生物如 链球菌 例如, S. mitis/oralis, S. pseudopneumoniae,以及 S. infantis)和 普雷沃氏菌属 spp. 定植于口腔,在舌面形成多物种生物膜,导致口臭,并作为微生物感染的储存库。这些病原体可通过侵入将牙根固定于颌骨中的牙周韧带,进而感染颌骨1从宿主体内分离出的这些微生物的鉴定通常是一个繁琐的过程,尤其是当微生物表现出需要特定处理和培养条件的个体特征时。例如,某些病原性微生物 幽门螺杆菌,艰难梭菌 和 具核梭杆菌在肠道严苛的环境中生存的微生物具有特定的氧气、营养和生长需求,这给其表征过程带来了挑战,尤其是在研究这些微生物的致病性时。因此,科学家和医学工作者亟需一种标准化的方法来分离和研究这些微生物,以推动新型医学治疗手段的开发。
本实验方案利用在大鼠骨基质中生长的微生物。传统上,除颌骨(作为骨骼系统的特例)外,一般认为宿主健康的骨骼是无菌环境;由于牙齿的存在,颌骨的骨基质比其他骨骼更易受到感染1。然而,研究发现微生物可通过肠壁进入体循环,最终影响骨矿化过程2。作为概念验证,我们采用本方案对健康SD大鼠股骨和胫骨中分离的微生物(Corynebacterium stationis、Staphylococcus cohnii subsp. 和 Enterococcus faecalis)进行生化特性表征。由于骨骼是一个封闭且缺氧的环境,从骨骼中分离和表征这些微生物具有较大挑战性。已有多种文献详细描述了研究此类微生物的方法,但能够提供完整流程以鉴定宿主来源微生物的报道仍较为罕见。
在建立适当的培养条件时,需要通过使用流体硫乙醇酸盐培养基(FTM)来了解微生物的氧气需求。具有不同氧气需求的微生物会在透明的FTM液体中形成分层结构3。根据分层特征,可进一步研究微生物细胞的生长情况。在FTM液体表面生长旺盛的微生物为专性需氧菌,而在底部生长的微生物为专性厌氧菌。在FTM液体中呈悬浮状态生长的微生物则属于兼性厌氧菌或耐氧厌氧菌。通过观察微生物细胞的指数生长期,可确定其生长速率。随后将生长特征与微生物的生物膜形成能力进行比较。生物膜通常由多种微生物组成,它们之间会直接或间接地影响彼此的生理状态。在此过程中,微生物群落间的有益相互作用促进了细胞的附着,形成有利于主动互惠关系演化的空间结构。例如,Paenibacillus amylolyticus 与 Xanthomonas retroflexus 在静态环境中共培养时表现出兼性共生关系,从而促进生物膜的快速形成13。微生物通过形成生物膜以适应宿主组织,实现长期定植,同时保护自身免受恶劣环境的影响并逃避免疫系统的攻击4,5,6,7。生物膜通常为致密的多层结构,有助于微生物抵抗外界亚致死性刺激;例如,牙髓中的 E. faecalis 在接触低于抑制浓度的四环素和万古霉素时,会增强生物膜的形成,从而提高其对抗生素的耐受性8。
趋化性使微生物能够根据化学梯度进行移动,这种信号通路在多种致病菌中广泛存在。一些致病性微生物在化学信号的引导下迁移到特定部位,从而引发感染性疾病14。例如,Xanthomonas spp. 在宿主中表达19种趋化受体和11种鞭毛蛋白,触发细菌黏附并最终导致溃疡形成15。细菌中还存在某些特定蛋白(如果胶结合蛋白),可引导细菌向营养物质定向迁移,从而促进其更优生长16。这对于可能存在于贫营养环境中的细菌尤为重要。微生物细胞通常依赖趋化运动趋向有利于生长的环境,同时避开有害的捕食细胞和损害细胞活力的毒素。在已有软琼脂方法测定趋化性的基础上,我们开发了一种可扩散的方法,用于建立化学引诱物梯度,以检测微生物的趋化性。
本文描述了利用以下方法测定细菌的生长条件、生物膜形成及化学趋向性的实验方案 棒状杆菌属星状种,科氏葡萄球菌,粪肠球菌,金黄色葡萄球菌 ATCC 25923,以及 Enterococcus faecalis V583 作为示例(参见 图1)。微生物生长条件的优化采用FTM来确定该微生物的氧气需求,而生物膜形成则使用玻璃表面作为固体支撑,生物膜量通过结晶紫染色进行反染。该微生物的化学趋向性依赖于其趋化行为,通过3D打印(补充图 S1),采用标准化方法在软琼脂基质中为趋化因子生成化学储库(补充图 S2).
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注意:有关本实验方案中使用的所有材料和设备的详细信息,请参见材料表。请采用无菌技术操作,避免污染。
1. 细菌复苏以获得单菌落
2. 细菌液体培养至对数生长期
3. FTM 实验与生长曲线测定
4. 生物膜形成能力检测
5. 细菌趋化性实验
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本研究描述了对宿主微生物组中分离出的微生物进行表征所采用的方法图1)。作为概念验证,从SD大鼠宿主中分离出三种微生物(C. stationis,S. cohnii 和 E. faecalis),以及两种 commercially 获得的微生物(S. aureus ATCC 25923 和 E. faecalis V583) 使用该方案测试了这些微生物。为了利用FTM确定单个微生物的氧气需求,我们添加了两种对照生物体,一种专性厌氧菌(具核梭杆菌 ATCC 25586)和一种兼性厌氧菌(铜绿假单胞菌 PAO1)。结果表明,所测试的五种微生物均为兼性厌氧菌(图2A),与先前报道的这些微生物的特征一致11为了阐明其对氧气的需求,将微生物在有氧和无氧条件下进行培养。所有测试的微生物在有氧和无氧条件下均表现出S形生长曲线;然而,微生物密度(以OD值表示)
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我们通过连续的方法分离并鉴定了五种细菌。细菌的生长对营养需求极低:最低培养基是指仅含有无机盐、碳源和水的培养基。尽管实验组中的细菌是在MH固体平板上发现的,但我们使用半剂量MH培养基验证了细菌的趋化性,并取得了良好的结果。同时,我们也使用最低培养基进行了对照实验。实验中采用了M9基础培养基(其成分和含量见表1),而营养琼脂块仍使用5x TB琼脂。实验结果如补充图S3所示。尽管这些细菌(除E. faecalis外)在M9培养基中生长缓慢且运动缓慢,但在这些实验中仍表现出总体相似的趋势(即趋向于向营养琼脂生长)。然而,E. faecalis V583在M9最低培养基中无法生长,可能是由于M9培养基中缺乏E. faecalis生长所需的某些组分。因此,我们建议使用半剂量MH培养基作为营养缺乏的基质,以模拟细菌在营养缺乏条件下的生长和迁移情况。这也有利于使用ImageJ软件测量细菌趋向迁移的距离。
生物膜通常被定义为与表面相关的微生物群落,是微生物重要的生存策略。例如<...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本技术的开发得到了中国国家自然科学基金国际青年科学家研究基金(22050410270)、深圳市海外高层次人才孔雀团队创新创业专项资金(KQTD20170810111314625)以及广东省创新创业研究团队项目(2019ZT08Y191)的资助。我们衷心感谢陈欣怡女士在文档校对和实验室管理方面提供的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 化学试剂/溶液 | |||
| 1% 结晶紫染色液 | Solarbio | G1062 | 100 mL |
| 琼脂 | Sigma-Aldrich | V900500 | 用于制备半固体培养基,20 g |
| 离心管 | Corning | 430790 | 15 mL |
| 液体硫乙醇酸盐培养基 | Kinghunt | K0001 | 29.3 g |
| MHⅡ肉汤培养基(Mueller Hinton II Broth medium) | Solarbio | NO.11865 | 100 g |
| 培养皿 | Bkman | B-SLPYM90-15 | 塑料培养皿,圆形,90 mm × 15 mm |
| 氯化钾 | VETEC | WXBC4493V | 0.2 g |
| 磷酸二氢钾 | aladdin | 04-11-7758 | 0.24 g |
| 氯化钠 | Macklin | S805275 | 8.0 g |
| 磷酸氢二钠 | aladdin | 7558-79-4 | 1.44 g |
| 优质肉汤培养基(Terrific Broth medium) | Solarbio | LA2520 | 200 g |
| 试剂盒/仪器 | |||
| 厌氧培养箱 | Longyue | ||
| 生化培养箱 | Blue pard | LRH-70 | |
| 酶标仪 | Spark | ||
| Tanon 5200multi 成像系统 | Tanon | 5200CE | |
| 恒温水浴箱 | Jinghong | DK-S28 |
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