Das vorgestellte Protokoll beschreibt ein Verfahren zur Quantifizierung lebensfähiger, aber nicht kultivierbarer Zellen (VBNC) in mit Manuka-Honig behandelten Bakterienkulturen.
Methodenartikel
Das vorgestellte Protokoll beschreibt ein Verfahren zur Quantifizierung lebensfähiger, aber nicht kultivierbarer Zellen (VBNC) in mit Manuka-Honig behandelten Bakterienkulturen.
Antibiotikaresistenz und -toleranz bei Bakterien stellen eine erhebliche Bedrohung für die globale Gesundheit dar. Zu den Mechanismen, die zur Antibiotikaresistenz und -toleranz beitragen, gehören genetische Mutationen und, der Erwerb von Resistenzgenen sowie der Übergang zu lebensfähig, aber nicht kultivierbar (VBNC) bzw. anderen Ruhezuständen. Obwohl sie genetisch identisch mit ihren nicht-antibiotikatoleranten Gegenstücken sind, entziehen sich VBNC-Zellen der antibiotischen Wirkung, indem sie metabolisch inaktiv bleiben. Antibiotika sind nur dann wirksam, wenn ihre Zielprozesse wie DNA-Replikation oder Transkription aktiv sind. Da Umweltstressoren, insbesondere Antibiotika, Bakterien in die Ruhephase treiben können, werden alternative antimikrobielle Mittel benötigt, um diese Reaktion zu minimieren oder zu verhindern. Das antimikrobielle Manuka-Honig (MH) ist gegen viele Bakterien wirksam, wobei sich selten Resistenzen entwickeln. Seine vielseitigen antimikrobiellen Mechanismen machen es zu einem wertvollen Mittel zur Behandlung von bakteriellen Infektionen. Diese Studie untersuchte die Widerspenstigkeit von MH gegenüber der Entwicklung von Antibiotikaresistenzen, indem sie die Hypothese testete, dass MH weniger VBNC-Zellen induziert als herkömmliche Antibiotika. Um dies zu untersuchen, wurde ein Protokoll entwickelt, um die wundverursachenden Bakterien Staphylococcus aureus und Pseudomonas aeruginosa mit minimalen Hemmkonzentrationen von MH oder den konventionellen Antibiotika Tobramycin oder Meropenem zu behandeln, das dann die Anzahl der lebensfähigen Platten zur Identifizierung metabolisch aktiver kultivierbarer Zellen und die Lebend-/Totfärbung zur Identifizierung aller lebensfähigen Zellen verwendete. Die Anzahl der VBNC-Zellen entsprach der Anzahl lebensfähiger Zellen abzüglich der Anzahl der kultivierbaren Zellen. In einigen Experimenten war die Anzahl der kultivierbaren Zellen höher als die Anzahl der lebensfähigen Zellen, was zu einer negativen Anzahl von VBNC-Zellen führte. daher wurden die VBNC-Zellnummern nicht direkt verglichen. Stattdessen wurden für jede Behandlung die Anzahl der kultivierbaren und lebensfähigen Zellen verglichen. Nur P. aeruginosa , das mit Tobramycin behandelt wurde, wies signifikant weniger kultivierbare Zellen als lebensfähige Zellen auf, was auf eine höhere Anzahl von VBNC-Zellen hinweist. Dieses Protokoll ist schnell und einfach und kann verwendet werden, um die MH-Induktion von VBNC-Zellen in anderen pathogenen Bakterien zu bewerten.
Bakterien im Zustand der lebensfähigen, aber nicht kultivierbaren (VBNC) Ruhephase überleben die Antibiotikabehandlung und verursachen wiederkehrende und manchmal tödliche Infektionskrankheiten 1,2,3. Bekannter ist uns die Antibiotikaresistenz, die über eine vererbbare genetische Veränderung auftritt4. Die genetische Veränderung sorgt durch mehrere Mechanismen für Resistenz gegen ein bestimmtes Antibiotikum, darunter die Begrenzung der Aufnahme eines Antibiotikums, die Erhöhung des Ausflusses des Antibiotikums, die Modifikation des Antibiotikaziels oder die Inaktivierung des Antibiotikums4. Im Gegensatz dazu weisen Bakterien im Ruhezustand eine breitere und nicht vererbbare Antibiotikatoleranz auf, indem sie ihren Stoffwechsel reduzieren 2,3. Antibiotika zielen auf spezifische Stoffwechselprozesse ab, einschließlich DNA-Replikation und Zellwandsynthese, und sind gegen metabolisch inaktive VBNC-Zellen unwirksam4. VBNC-Zellen existieren stochastisch in geringer Zahl neben ihren genetisch identischen Antibiotika-anfälligen Geschwistern in den meisten Bakterienpopulationen5. Umweltstressoren, einschließlich der Exposition gegenüber Antibiotika, veranlassen jedoch anfällige Bakterienzellen, in den antibiotikatoleranten VBNC-Zustand überzugehen 3,6. Eine Antibiotikabehandlung tötet antibiotikaanfällige Zellen in der Population ab, während ruhende VBNC-Zellen verbleiben. Wie der Name schon sagt, können VBNC-Zellen nicht auf Medien kultiviert werden, die für das Wachstum ihrer stoffwechselaktiven Geschwister geeignet sind. Ihre Membranen und ihr genetisches Material sind jedoch unbeschädigt und sie können sich vermehren 7,8. Wenn Antibiotika entfernt werden, sind spezifische Reize wie Nährstoffe, Temperatur oder Wirtsfaktoren erforderlich, um VBNC-Zellen aus ihrem Ruhezustand zu wecken und das Wachstum wiederherzustellen 3,9. VBNC-Zellen wurden in vielen pathogenen Bakterienarten dokumentiert, darunter P. aeruginosa und S. aureus, die wichtigsten ätiologischen Erreger von Wundinfektionen10,11.
Honig wird aufgrund seiner antibakteriellen Eigenschaften seit langem in medizinischen Anwendungen, einschließlich der Wundbehandlung, verwendet12. Manuka-Honig (MH), der aus den Blüten des Manuka-Busches (Leptospermum scoparium) gewonnen wird, ist für seine bakterizide Wirkung mit breitem Spektrum bekannt (überprüft in 13,14,15). Es tötet erfolgreich die Mehrheit der getesteten infektionsverursachenden Bakterien beim Menschen ab, einschließlich Bakterienstämme wie Methicillin-resistente Staphylococcus aureus und Vancomycin-resistente Enterokokken, die eine vererbbare Resistenz gegen herkömmliche Antibiotika aufweisen16,17. Darüber hinaus ist eine induzierte bakterielle Resistenz gegen MH selten und wird nur in honigexponierten P. aeruginosa-Biofilmen und Escherichia coli nachgewiesen, die in steigenden Konzentrationen einer Untergruppe des getesteten Honigs kultiviert wurden 18,19,20,21. Dies deutet darauf hin, dass sich die antimikrobiellen Mechanismen von MH von herkömmlichen Antibiotika unterscheiden und möglicherweise weniger oder keine VBNC-Zellen induzieren. Diese Hypothese wurde getestet, indem festgestellt wurde, wie sich MH im Vergleich zu herkömmlichen Antibiotika auf VBNC-Populationen auswirkt.
VBNC-Zellen müssen von ihren stoffwechselaktiven kultivierbaren Geschwistern und toten Zellen unterschieden werden. Kultivierbare Zellen werden mit der lebensfähigen Plattenzähltechnik gezählt, bei der die Zellen auf routinemäßige Kulturmedien übertragen und für einen Zeitraum inkubiert werden, der ausreicht, damit genügend Zellteilungen entstehen, um beobachtbare Kolonien zu bilden. Es wurden mehrere Methoden zur Unterscheidung von VBNC-Zellen von toten Zellen entwickelt, die auf ihren intakten Membranen und ihrer Low-Level-Transkription basieren. Die Aufnahme von Substrat und Fluoreszenzfarbstoffen in Kombination mit Mikroskopie oder Durchflusszytometrie ermöglicht eine direkte Zählung von Zellen durch Mikroskopie oder Durchflusszytometrie mit einer Farbe, die intakte Membranen anzeigt22,23. Atmungsassays, bei denen die Elektronentransportkette in einer intakten Zellmembran vorhanden sein muss, wurden auch zur Unterscheidung zwischen lebensfähigen und toten Zellen verwendet24. Quantitative PCR-Methoden (qPCR) in Kombination mit DNA-modifizierenden Farbstoffen, die eine Amplifikation verhindern, wurden ebenfalls entwickelt. Es wird nur DNA aus lebensfähigen Zellen amplifiziert, da die intakten Membranen den Farbstoff25 ausschließen. Obwohl VBNC-Zellen inaktiv sind, transkribieren sie Gene immer noch auf einem niedrigen Niveau, was auch zur Unterscheidung von toten Zellen mit Hilfe der reversen Transkriptions-PCR26 verwendet werden kann.
In dieser Arbeit wurde ein Assay zur Quantifizierung von VBNC-Zellen in zwei wundverursachenden pathogenen Bakterien, S. aureus und P. aeruginosa, entwickelt, die mit MH behandelt wurden. Sie beschreibt die Behandlung der Bakterien mit MH und herkömmlichen Antibiotika und die Verwendung der lebensfähigen Keimzelle und der Lebend-/Totfärbung zum Nachweis kultivierbarer und lebensfähiger Zellen. Dieses einfache und kostengünstige Protokoll ermöglicht die Analyse der Fähigkeit von MH, antibiotikaresistente VBNC-Zellen in vielen bakteriellen Krankheitserregern zu induzieren.
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Da P. aeruginosa (ATCC9721) und S. aureus (ATCC29213) als Wirkstoffe der Biosicherheitsstufe 2 eingestuft sind, müssen die Räume, in denen die Arbeiten durchgeführt werden, nur eingeschränkt zugänglich sein und mit einer Biosicherheitswerkbank für Manipulationen ausgestattet sein, die Spritzer oder Aerosole erzeugen können, wie z. B. Rühren und Zentrifugen von Kulturen. Tragen Sie in allen Schritten dieses Protokolls persönliche Schutzausrüstung (PSA), einschließlich eines Laborkittels, einer Schutzbrille und Handschuhen. Alle Reagenzien und Geräte, die bei den Versuchen verwendet wurden, sind in der Materialtabelle aufgeführt.
1. Herstellung von steriler Bouillon und Agar-Nährmedien
2. Abrufen der archivierten Staphylococcus aureus - und Pseudomonas aeruginosa-Stämme von -80 °C (Tag 1)
3. Vorbereitung von S. aureus und P. aeruginosa für die Behandlung mit Manuka-Honig (MH) und dem Antibiotikum (Tag 2)
4. Vorbereitung der MH und Vorbereitung der MH und Antibiotikabehandlungen von S. aureus und P. aeruginosa (T = 0) (Tag 3)
5. Bestimmung der kultivierbaren Zellen in Proben mit der Methode der lebensfähigen Keimzelle (Tag 3 - 5)
6. Bestimmung der lebensfähigen Zellen in den Proben mittels Lebend-/Totfärbung und Fluoreszenzmikroskopie (Tag 3 oder 4)
7. Bestimmung der Anzahl lebensfähiger, aber nicht kultivierbarer Zellen (VBNCs)
HINWEIS: Verwenden Sie die Anzahl der kultivierbaren Zellen, die aus der Anzahl der lebensfähigen Platten und der Anzahl der lebensfähigen Zellen aus der Lebend-/Totfärbung erhalten wurden, um die Anzahl der VBNCs zu bestimmen.
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Lebensfähige, aber nicht kultivierbare (VBNC) bakterielle Lebensformen werden durch Stressfaktoren, einschließlich Antibiotikabehandlung, induziert und verursachen aufgrund ihrer Antibiotikatoleranz wiederkehrende Infektionen. Da MH ein antimikrobielles Breitbandmittel ist, gegen das selten Resistenzen festgestellt wurden, wurde die Hypothese aufgestellt, dass MH weniger VBNCs induziert als herkömmliche Antibiotika. Die hier beschriebene Methode wurde verwendet, um VBNCs zu quantifizieren, die von zwei wundenverursachend...
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Das hier beschriebene Protokoll ermöglicht den Nachweis von VBNC-Zellpopulationen in wundverursachenden Bakterien, die mit minimalen inhibitorischen Konzentrationen (MICs) von MH und herkömmlichen Antibiotika behandelt wurden. Zu den kritischen Schritten im Protokoll gehörten die Vorbereitung der MH-Verdünnungen am Tag des Experiments, die Vermeidung von Probenverlusten während der Lebend-/Totfärbung und die korrekte Berechnung des analysierten Volumens. Für diese und andere Studien wurd...
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Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Diese Arbeit wurde durch zwei Stipendien der Eastern Washington University finanziert, den Faculty Research and Creative Works Grant an A.R.C und den Undergraduate Research & Creative Activities Grant an L.T.B. Bill und Connie Cross spendeten Geld an die EWU, um das inverse Fluoreszenzmikroskop Leica DMIL mit einer Digitalkamera zu kaufen.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Müller Hinton Bouillon | Fisher Bioreagents | B12322 | |
| Luria Bertani (LB) Brühe | Fisher Bioreagents | BP142602 | |
| BD Difco Agar | Fisher Scientific | DF0812-07-1 | |
| Natriumchlorid | Sigma | S3014-500g | |
| meropenem | TargetMol | T0224 | |
| Tobramycin | Selleck Chemicals | S2514 | |
| Staphylococcus aureus | ATCC | ATCC29213 | |
| Pseudomonas aeruginosa | ATCC | ATCC9721 | |
| Schüttelbrutator | Eppendorf | M13520000 | |
| Brutkasten | Benchmark Scientific | H2200-H | |
| Manukaguard Manuka Honey | Amazon | NA | |
| DMIL inverses Fluoreszenzmikroskop | Leica Microsystems | 11521265 | |
| Digitalkamera | Leica Microsystems | 12730522 | |
| 15 mL Falcon-Röhrchen | Genesee Scientific | 28-103 | |
| serologische Pipetten | Diagnocine | DP-LB0100005, DP-LB010010 | |
| Pipettierhilfe Pipettierhilfe Pipettierer | Drummond Scientific Company | 4-000-101 | |
| Bunsenbrenner | Fisher Scientific | S48108 | |
| Rainin-Pipetten | Pipette.com | L-20, L-200, L-1000 | |
| Waage | Mettler Toledo | XS603S | |
| 96-Well-Platte | Falcon | 351172 | |
| Impföse | Fisher Scientific | 13-104-5 | |
| Isopropanol | Fisher Scientific | BP2618-1 | |
| Glas Spreader | hausgemacht | NA | |
| Lebendto-Färbeset für Bakterien | Invitrogen | L7012 | |
| Mikrofuge-Röhrchen | Biologix Research Company | SKU 80-1500/P80-1500 | |
| Zinnfolie | Costco | NA | |
| Software zur Herstellung von Figuren | GraphPad | NA | GraphPad Prism wurde für die Erstellung von Zahlen und die Durchführung statistischer Analysen verwendet. |
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