Der Säugetierwirt, der durch den menschlichen Körper repräsentiert wird, enthält eine große Anzahl von Mikroorganismen. Diese Mikroorganismen sind im Mund, im Verdauungstrakt, im Darm und im Blut des Wirts weit verbreitet und haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Gesundheit des Wirts. Die Mundhöhle ist Wirt einer Vielzahl von Mikroben, die die Anfälligkeit des Wirts für Infektionen modulieren können. Mikroben wie Streptokokken (z . B. S. mitis/oralis, S. pseudopneumoniae und S. infantis) und Prevotella spp. besiedeln die Mundhöhle und bilden einen Multispezies-Biofilm auf der Zungenoberfläche, der Mundgeruch verursacht und als mikrobielles Reservoir für mikrobielle Infektionen fungiert. Diese Erreger können den Kieferknochen infizieren, indem sie die parodontalen Bänder infiltrieren, die die Zahnwurzel im Kieferknochen halten1. Die Charakterisierung dieser aus dem Wirtskörper isolierten Mikroben ist oft ein langwieriger Prozess, insbesondere wenn die Mikroben individuelle Merkmale aufweisen, die eine spezifische Behandlung und Wachstumsbedingungen erfordern. Mikroben wie die pathogenen Helicobacter pylori, Clostridium difficile und Fusobacterium nucleatum gedeihen in der rauen Umgebung des Darms mit spezifischen Sauerstoff-, Nährstoff- und Wachstumsanforderungen, was eine Herausforderung bei den Charakterisierungsprozessen darstellt, insbesondere bei der Untersuchung der Pathogenität dieser Mikroben. Daher ist eine standardisierte Methode zur Isolierung und Untersuchung dieser Mikroorganismen erforderlich, damit Wissenschaftler und Mediziner neue medizinische Behandlungen entwickeln können.
Dieses Protokoll verwendet Mikroben, die in der Knochenmatrix von Ratten gedeihen. Traditionell wird mit Ausnahme des knöchernen Systems, das durch den Kiefer repräsentiert wird und bei dem das Vorhandensein von Zähnen die Knochenmatrix anfälliger für Infektionen macht als andere Knochen1, allgemein angenommen, dass der gesunde Knochen des Wirts eine sterile Umgebung ist. Studien haben jedoch gezeigt, dass Mikroorganismen durch die Darmwand in den systemischen Kreislauf gelangen und letztendlich die Knochenmineralisierung beeinträchtigen2. Als Proof-of-Concept verwenden wir das beschriebene Protokoll, um die biochemischen Eigenschaften von mikrobiellen Isolaten aus dem Femur und der Tibia gesunder SD-Ratten (Corynebacterium stationis, Staphylococcus cohnii subsp. und Enterococcus faecalis) zu charakterisieren. Diese mikrobiellen Isolate wurden ausgewählt, da der Knochen eine geschlossene und hypoxische Umgebung ist und die Charakterisierung dieser Mikroben aus dem Knochen eine schwierige Aufgabe sein kann. In verschiedenen Artikeln wurden die Prozesse, die bei der Untersuchung dieser Mikroben verwendet werden, detailliert beschrieben. Es gibt jedoch nur wenige, die ein vollständiges Protokoll zur Identifizierung wirtsisolierter Mikroorganismen bieten.
Bei der Festlegung der richtigen Kulturbedingungen muss der Sauerstoffbedarf der Mikrobe durch die Verwendung von flüssigem Thioglycollatmedium (FTM) verstanden werden. Mikroben mit unterschiedlichem Sauerstoffbedarf bilden in der klaren FTM-Flüssigkeit3 geschichtete Schichten. Anhand des Schichtungsprofils wird dann der Sauerstoffbedarf der Mikrobe genutzt, um das Wachstum der Zellen zu untersuchen. Mikroben, die auf der Oberfläche der FTM-Flüssigkeit gedeihen, sind obligate Aerobier, während Mikroben, die am Boden wachsen, obligate Anaerobier sind. Mikroben, die als Suspension in der FTM-Flüssigkeit wachsen, sind entweder fakultative oder aerotolerante Anaerobier. Die mikrobielle Wachstumsrate wird durch die Beobachtung der exponentiellen Wachstumsphase der mikrobiellen Zellen ermittelt. Das Wachstumsprofil wird dann mit der Biofilmbildung der Mikrobe verglichen. Biofilme bestehen größtenteils aus mehreren Arten, die sich direkt und indirekt gegenseitig auf die Gesundheit beeinflussen. Während dieses Prozesses selektieren vorteilhafte Interaktionen zwischen mikrobiellen Gemeinschaften für die Bindung, wodurch eine räumliche Struktur entsteht, die die Evolution aktiver wechselseitiger Interaktionen begünstigt. Zum Beispiel zeigen die Co-Kulturen von Paenibacillus amylolyticus und Xanthomonas retroflexus fakultativ symbiotische Interaktionen in einer statischen Umgebung, die ein schnelles Biofilmwachstum fördern13. Mikroben passen sich über die Bildung von Biofilmen an das Wirtsgewebe an, um eine nachhaltige Lokalisierung zu gewährleisten, sich vor rauen Umgebungen zu schützen und dem Immunsystem des Wirts zu entgehen 4,5,6,7. Biofilme sind in der Regel dichte und mehrschichtige Strukturen, die Mikroorganismen helfen, externen unterkritischen Reizen zu widerstehen. zum Beispiel erhöht E. faecalis in der Zahnpulpa seine Resistenz gegen Antibiotika, indem es die Biofilmbildung erhöht, wenn es mit Unterkonzentrationen von Tetracyclin und Vancomycinkonfrontiert wird 8.
Chemotaxis ermöglicht es Mikroorganismen, sich entsprechend chemischer Gradienten zu bewegen, und Signalwege sind in einer Vielzahl von pathogenen Bakterien weit verbreitet. Einige pathogene Mikroorganismen wandern unter Anleitung chemischer Signale an bestimmte Stellen, um Infektionskrankheiten zu verursachen14. Zum Beispiel Xanthomonas spp. exprimieren 19 Chemorezeptor- und 11 Flagellin-Proteine im Wirt, was die bakterielle Bindung und schließlich die Ulzeration auslöst15. Es gibt auch spezifische Proteine in den Bakterien (Pektin-bindende Proteine), die die spezifische Migration von Bakterien zu Nährstoffen steuern, was zu einem besseren Wachstum führen kann16. Dies ist auch für Bakterien von entscheidender Bedeutung, die in nährstoffarmen Umgebungen vorkommen können. Mikrobielle Zellen verlassen sich oft auf die chemotaktische Motilität, um sich in eine förderliche Wachstumsumgebung zu ziehen und gleichzeitig anderen räuberischen Zellen und Toxinen auszuweichen, die die Lebensfähigkeit der Zellen beeinträchtigen. Aufbauend auf bereits etablierten Soft-Agar-Ansätzen zur Bestimmung der Chemotaxis entwickeln wir eine diffusionsfähige Methode zur Erzeugung eines Chemoattraktstoffgradienten zur Überprüfung der mikrobiellen Chemotaxis.
In dieser Arbeit werden die Methoden zur Bestimmung der Wachstumsbedingungen, der Biofilmbildung und des chemischen Tropismus von Bakterien am Beispiel von Corynebacterium stationis, Staphylacoccus cohnii, Enterococcus faecalis, Staphylacoccus aureus ATCC 25923 und Enterococcus faecalis V583 beschrieben (siehe Abbildung 1). Bei der Optimierung der mikrobiellen Wachstumsbedingungen wird FTM verwendet, um den Sauerstoffbedarf der Mikrobe zu bestimmen, während bei der Biofilmbildung Glasoberflächen als feste Unterlage verwendet werden und die Biofilmmasse mit Kristallviolett gegengefärbt wird. Der chemische Tropismus der Mikrobe beruht auf ihrem chemotaktischen Verhalten, bei dem durch 3D-Druck (Ergänzende Abbildung S1) eine standardisierte Methode verwendet wird, um ein chemisches Reservoir für den Chemolockstoff in einer weichen Agar-Matrix zu erzeugen (Ergänzende Abbildung S2).