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Research Article
Marco Cafora1,2, Francesca Forti3, Federica Briani3, Daniela Ghisotti3, Anna Pistocchi2
1Dipartimento di Scienze Cliniche e Comunità,Università degli Studi di Milano, 2Dipartimento di Biotecnologie Mediche e Medicina Traslazionale,Università degli Studi di Milano, LITA, 3Dipartimento di Bioscienze,Università degli Studi di Milano
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Aquí se presenta un protocolo para la infección por Pseudomonas aeruginosa y la aplicación de terapia de fagos en embriones de peces cebra de fibrosis quística (CF).
La resistencia a los antimicrobianos, una consecuencia importante de la incertidumbre diagnóstica y la sobrescripción antimicrobiana, es una causa cada vez más reconocida de infecciones graves, complicaciones y mortalidad en todo el mundo con un enorme impacto en nuestra sociedad y en el sistema de salud. En particular, los pacientes con sistemas inmunitarios comprometidos o patologías preexistentes y crónicas, como la fibrosis quística (CF), son sometidos a frecuentes tratamientos antibiótico para controlar las infecciones con la aparición y difusión de aislados multirresistentes. Por lo tanto, hay una necesidad urgente de abordar terapias alternativas para contrarrestar las infecciones bacterianas. El uso de bacteriófagos, los enemigos naturales de las bacterias, puede ser una posible solución. El protocolo detallado en este trabajo describe la aplicación de la terapia de fagos contra la infección por Pseudomonas aeruginosa en embriones de pez cebra CF. Los embriones de pez cebra se infectaron con P. aeruginosa para demostrar que la terapia de fagos es eficaz contra las infecciones por P. aeruginosa, ya que reduce la letalidad, la carga bacteriana y la respuesta inmunitaria proinflamatoria en embriones CF.
La terapia de fagos, el uso de los enemigos naturales de las bacterias para combatir las infecciones bacterianas, está acayendo un renovado interés a medida que la resistencia bacteriana a los antibióticos se generaliza1,,2. Esta terapia, utilizada durante décadas en Europa del Este, podría considerarse un tratamiento complementario a los antibióticos en el curado de infecciones pulmonares en pacientes con FQ y una posible alternativa terapéutica para pacientes infectados con bacterias que son resistentes a todos los antibióticos actualmente en uso2,,3. Las ventajas de la terapia antibiótica son que los bacteriófagos se multiplican en el lugar de la infección, mientras que los antibióticos se metabolizan y eliminan del cuerpo4,,5. De hecho, la administración de cócteles de fagos virulentos aislados en diferentes laboratorios ha demostrado ser eficaz en el tratamiento de las infecciones por Pseudomonas aeruginosa en modelos animales tan diferentes como insectos y mamíferos6,,7,,8. La terapia de fagos también demostró ser capaz de reducir la carga bacteriana en las heridas por quemaduras infectadas con P. aeruginosa y Escherichia coli en un ensayo clínico aleatorizado9.
El pez cebra (Danio rerio) ha surgido recientemente como un modelo valioso para estudiar infecciones con varios patógenos, incluyendo P. aeruginosa10,11, Mycobacterium abscessus y Burkolderia cepacia12,13. Mediante la microinyección de bacterias directamente en la circulación sanguínea embrionaria14 es fácil establecer una infección sistémica que es contrarrestado por el sistema inmune innato de pez cebra, que es evolutivo conservado con neutrófilos y generación de macrófagos similar a la contraparte humana. Además, durante el primer mes de vida, los embriones de pez cebra carecen de la respuesta inmune adaptativa, lo que los convierte en modelos ideales para estudiar la inmunidad innata, que es el mecanismo crítico de defensa en las infecciones pulmonares humanas15. Zebrafish surgió recientemente como un potente sistema de modelos genéticos para comprender mejor el inicio del CF y desarrollar nuevos tratamientos farmacológicos10,,16,,17. El modelo de pez cebra CF de derribo de cftr generado con inyección de morfolino en peces cebra presentó una respuesta amortiguada de ráfaga respiratoria y una migración de neutrófilos reducida10,mientras que el knock-out del cftr conduce a una alteración de la posición interna del órgano y a la destrucción del páncreas exocrino, un fenotipo que refleja la enfermedad humana16,,17. De mayor interés fue la constatación de que la carga bacteriana de P. aeruginosa fue significativamente mayor en embriones cftr-pérdida de función que en controles a las 8 horas posteriores a la infección (hpi), que es paralela a los resultados obtenidos con ratones y células epiteliales bronquiales humanas2,18.
En este trabajo, demostramos que la terapia de fagos es eficaz contra las infecciones por P. aeruginosa en embriones de pez cebra.
El pez cebra adulto (Danio rerio) de la cepa AB (European Zebrafish Resource Center EZRC) se mantiene de acuerdo con las directrices internacionales (Directiva 2010/63/UE de la UE) y nacionales (decreto italiano 4 de marzode 2014, n. 26) sobre la protección de los animales utilizados con fines científicos. Las condiciones estándar se establecen en la instalación de peces con un ciclo oscuro de 14 h de luz/10 h y una temperatura del agua del tanque a 28oC.
1. Preparación de soluciones y herramientas
2. P. aeruginosa (PAO1) preparación del inóculo
3. Preparación de material de phage
4. Preparación de cócteles de phage
5. Recolección y preparación de embriones de pez cebra para la microinyección de cftr morpholinos
NOTA: Recoger 1-2 embriones celulares de peces cebra de tipo salvaje para la microinyección cftr morpholinos (cftr-MOs).
6. Microinyección de embriones de pez cebra con bacterias y cóctel de fagos
NOTA: Para realizar una infección sistémica, el embrión debe tener circulación sanguínea que generalmente comienza después de 26 cvf.
7. Evaluación de la carga bacteriana de embriones inyectados con PAO1 y fagos
8. Evaluación de la letalidad de embriones inyectados con PAO1 y fagos
9. Preparación de embriones para imágenes de lapso de tiempo estereomicroscopio de la infección por GFP+ PAO1
10. Análisis de expresión de citoquinas proinflamatorias
Los resultados y las cifras aquí presentados se refieren a embriones CF generados a través de la inyección de cftr morpholinos como se describió anteriormente10 y en el paso 5. Para validar el fenotipo CF, se consideró la posición deteriorada de órganos internos como el corazón, el hígado y el páncreas como se describió anteriormente17 (Figura 1). Se obtuvieron resultados similares en el caso de los embriones WT, como se informó en nuestra publicación anterior19.
La carga bacteriana se redujo mediante la terapia de fagos en embriones CF infectados con PAO1. Además, evaluamos la carga bacteriana a 8 hpi mediante grupos homogeneizadores de 15 embriones: el número medio de bacterias (cfu/embryo) presentes en los embriones infectados por PAO1 se redujo a aproximadamente un 20% después del tratamiento de administración de fagos, confirmando así una infección menos grave en presencia del cóctel de fagos(Figura 2).
La letalidad se redujo mediante la terapia de fagos en embriones CF infectados con GFP+ bacteria PAO1. Los embriones de pez cebra CF a 48 cvf se inyectaron con GFP+ bacterias de la cepa PAO1 a una dosis que causó 50% de letalidad después de 20 hpi (30 cfu/embrión, Figura 3A). El lugar de la inyección fue la yema o el conducto de Cuvier para generar una infección sistémica. La terapia de phage contra la infección por PAO1 se probó inyectando 2 nL del cóctel de fago igualmente mezclado (300-500 pfu/embryo). La inyección se realizó en dos puntos de tiempo diferentes: 30 min (principios) y 7 horas (tarde) después de la inyección bacteriana. En ambos casos, la letalidad se redujo a 20 hpi, lo que indica que la terapia con fagos es eficaz(Figura 3B).
Con imágenes en vivo, utilizando un estereomicroscopio fluorescente, también seguimos la progresión de la infección en embriones CF inyectados con GFP+ PAO1 y mostramos la eficacia de la terapia de fagos en la reducción de la propagación de bacterias fluorescentes sobre el saco de yema. El embrión inyectado CF+PAO1 con multiplicación de bacterias GFP+ a 4, 9, 14 y 18 hpi se muestra en la parte superior de la Figura 4,mientras que el embrión CF+PAO1+phages con fluorescencia reducida debido a la acción del fago contra las bacterias se muestra en la parte inferior(Figura 4).
La terapia de phage redujo la respuesta inflamatoria generada por la infección por PAO1 en embriones CF. Nosotros, también, evaluamos la respuesta inmune generada por la inyección de PAO1 y PAO1 + fagos a 8 hpi. Como era de esperar, la expresión de las citoquinas proinflamatorias TNF-a e IL-1 analizadas por técnicas de qPCR se incrementó significativamente después de la inyección de PAO1 en comparación con los controles, mientras que se redujo con la coinyección del cóctel de fagos(Figura 5A,B).

Figura 1: Generación y validación de embriones CF tras inyección de cftr morpholinos(cftr-MOs). (A) Deterioro de la posición y bucle del corazón en embriones inyectados con CF en comparación con embriones de tipo salvaje (WT). El corazón se visualiza con expresión cmlc2 mediante la técnica de hibridación insitu. (B) La posición deteriorada del hígado (flechas) y el páncreas en embriones de FQ en comparación con WT. El hígado y el páncreas se visualizan con expresión prox1a mediante técnicas de hibridación in situ. Las barras de escala indican 100 m. liv: hígado; p: páncreas. La figura se reimprime a partir de19 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Carga bacteriana en embriones CF infectados con PAO1 o PAO1+fagos. Se da el porcentaje relativo de cfu/embrión en PAO1+phages vs embriones PAO1. Se informa de la media y sd de tres experimentos independientes. La figura se reimprime a partir de19. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Letalalidad de embriones de pez cebra CF infectados con PAO1 y con PAO1+fagos. (A) Determinación de LD50 en 48 hpf de embriones de pez cebra microinyectados con cftr-MO en etapa de 1 célula (embriones CF) e infectados a 48 cvf con 2 nL de un cultivo de PAO1 que contiene un número creciente de bacterias (cfu/embryo). La letalidad de los embriones se observó a 20 hpi. (B) Letalalidad a 20 hpi de embriones CF infectados con PAO1 a 48 cvf y tratados con el cóctel de fagos (PAO1+ ). La media y la SD reportadas son de seis y cuatro experimentos, respectivamente, cada uno con 25-40 embriones. La transformación angular se aplicó al porcentaje de letalidad y se utilizó ANOVA unidireccional seguido de la prueba de Duncan. La figura se reimprime a partir de19. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Imágenes de la eficacia de la terapia de fagos en peces cebra. Progresión de la infección en embriones CF después de la inyección DE PAO1 (embrión superior) y eficacia de la terapia de fagos en embriones inyectados PAO1+fagos (embrión inferior) a 4, 9, 14 y 18 hpi. La barra de escala indica 100 micras. La figura se reimprime a partir de19. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Expresión de citoquinas pro y antiinflamatorias tras la administración de PAO1 y PAO+phage. Niveles de expresión de los genes TNF-a (A) e IL-1, medidos por RT-qPCR a 8 hpi en embriones CF inyectados con PAO1 y PAO1+a 48 cvf y normalizados utilizando la expresión de rpl8. Se informa de la media y la SD de cuatro experimentos. La significación estadística fue evaluada por ANOVA seguida de la prueba de Duncan: para TNF- a (CF) vs (CF+PAO1) p a 0.015*; (CF) vs (CF+PAO1+) p a 0,019*; (CF+PAO1) vs (CF+PAO1+ á) p a 0,77 n.s.; para IL-1o (CF) vs (CF+PAO1) p a 0.00014***; (CF) vs (CF+PAO1+ ) p á 0.00068***; (CF+PAO1) vs (CF+PAO1+ á) p a 0,031*. La figura se reimprime a partir de19. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Soluciones | Preparación |
| Solución de stock anestésico 25X | 4 mg/ml de tricaína en H2O destilado. |
| Solución de trabajo anestésico 1X | diluir en H2O destilado la solución de material tricaino 25X preparación para alcanzar la concentración 1X (0,16 mg/ml) Tricaína de H2O destilada. |
| CsCl d-1,3 | 20,49 g en 50 ml de TN |
| CsCl d-1,4 | 20,28 g en 50 ml de TN |
| CsCl d-1,5 | 34,13 g en 50 ml de TN |
| CsCl d-1,6 | 41,2 g en 50 ml de TN |
| Medio embrionario E3 para embrión de pez cebra | 1 L 1 de E3 (diluir el stock 50X con H2O destilado) + 200 l de 0,05% azul metilo . Almacenar en RT. |
| Solución de stock medio embrión E3 (50X) | 73,0 g NaCl, 3,15 g KCl , 9,15 g de CaCl2 y 9,95 g de MgSO4 en 5 L de H2O. Destilado En RT. |
| Agar LB | 10 g/L de triptona, extracto de levadura de 5 g/L, 5 g/L NaCl, 10 g/L de agar |
| Caldo LB | para 1L: 950 mL H2O, 10 g de triptona, 10 g de NaCl, 5 g Extracto de levadura |
| PBST | PBS 1X + Tritón X 1% |
| Solución fisiológica | 0.9% NaCl |
| Solución de material de bloqueo de pigmentación 10X | 0,3 mg/ml de tiourea fenilo (PTU) en polvo embrionario E3 para embrión de pez cebra |
| Solución de stock de pronase 5X | 5 mg/ml de pronasa en polvo en el medio embrionario E3 para el embrión de pez cebra |
| TN buffer | 10 mM Tris HCl pH 8.0, 150 mM NaCl |
Tabla 1: Preparación de soluciones.
| Nombre geneo | Secuencia de imprimación |
| TNF-alpha Fw | 5'-TGCTTCACGCTCCAAGACC-3' |
| TNFalpha Rev | 5'-CAAGCCACCTGAAGAAAAGG-3' |
| IL1-beta Fw | 5'-TGGACTTCGCAGCACAAAATG-3' |
| IL1-beta Rev | 5'-CGTTCACTTCACGCTCTTGGATG-3' |
| rpl8 Fw | 5'-CTCCGTCTTCAAAGCCCAT-3' |
| rpl8 Rev | 5'-TCCTTCACGATCCCCTTGAT-3' |
Tabla 2: Primers utilizados para RT-qPCR.
Los autores no tienen nada que revelar.
Aquí se presenta un protocolo para la infección por Pseudomonas aeruginosa y la aplicación de terapia de fagos en embriones de peces cebra de fibrosis quística (CF).
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Italiana de Fibrosis Quística (FFC-22/2017; Associazione "Gli amici della Ritty" Casnigo y FFC-23/2019; Un respiro en piá Onlus La Mano tesa Onlus).
| Bacto Agar | BD | 214010 | |
| Cloruro de calcio | Sigma-Aldrich | 10043-52-4 | |
| CsCl | Sigma-Aldrich | 289329 | |
| Solución salina tamponada de fosfato de Dulbecco PBS | Sigma-Aldrich | D8537 | |
| 3-aminobenzoato de etilo metanosulfonato | Sigma-Aldrich | 886-86-2 | nombre común tricaína |
| Micromanipulador Femtojet | Eppendorf | 5247 | |
| Fleming/marrón P-97 | Sutter Instrument Company | P-97 | |
| LE-Agarosa | Sigma-Aldrich | 11685660001 | |
| Agarosa de bajo punto de fusión | Sigma-Aldrich | CAS 9012-36-6 | |
| Sulfato de magnesio | Sigma-Aldrich | 7487-88-9 | |
| Azul | de metiloSigma-Aldrich | 28983-56-4 | |
| Agujas de microinyección | Aparato | Harvard | |
| N-Phenylthiourea >=98% | Aldrich-P7629 | 103-85-5 | |
| Oligo Morpholino | Gene Herramientas | diseñadas por el investigador | |
| PEG6000 | Calbiochem | 528877 | |
| Solución de rojo de fenol | Sigma-Aldrich | CAS 143-74-B | |
| Cloruro de potasio | Sigma-Aldrich | 7447-40-7 | |
| Pronase | Sigma-Aldrich | 9036-06-0 | |
| Cloruro de sodio ACS reactivo, ≥ 99.0% | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| Microscopio estereoscópico | Leica | S9I | |
| Tris HCl | Sigma-Aldrich | T5941 | |
| Triton X | Sigma-Aldrich | T9284 | |
| Triptona | Oxoide | LP0042B | |
| Extracto de levadura | Oxoid | LP0021B | |
| Z-MOLDS Microinyección | Word Instrumentos de | precisión |