La fibrosis quística (FQ) es una enfermedad genética caracterizada por una incapacidad para eliminar el moco espeso de los pulmones, lo que lleva a infecciones repetidas y disminución progresiva de la función pulmonar que a menudo resulta en la necesidad de un trasplante de pulmón o la muerte. El microbioma de las vías respiratorias de los pacientes con fibrosis quística (PTCF) parece rastrear la actividad de la enfermedad1,con una reducción de la diversidad microbiana asociada con resultados adversos a largo plazo2,3. En estudios clínicos de pwCF, la oxigenoterapia suplementaria se ha asociado con una enfermedad más avanzada4,5, aunque tradicionalmente, el uso de la oxigenoterapia se ha visto simplemente como un marcador de la gravedad de la enfermedad6. Estudios recientes de un ensayo clínico de pacientes con insuficiencia respiratoria han demostrado que los niveles más altos de oxígeno en los pacientes se asocian paradójicamente con un aumento de las infecciones bacterianas graves y una mayor mortalidad7,lo que sugiere que el oxígeno suplementario puede contribuir a la patogénesis de la enfermedad. El efecto del oxígeno suplementario sobre el microbioma pulmonar de la fibrosis quística y las comunidades microbianas pulmonares y respiratorias asociadas no se ha estudiado bien.
Los estudios mecanicistas a menudo no se pueden realizar directamente en sujetos humanos debido a dificultades logísticas y posibles problemas éticos asociados con intervenciones de beneficio o daño médico desconocido. Los enfoques traslacionales que integran bioespecímenes humanos en sistemas modelo pueden ofrecer importantes conocimientos biológicos en estos casos. Si bien la capacidad de usar o tolerar el oxígeno ha sido tradicionalmente un componente importante de la clasificación microbiana, se sabe poco sobre cómo la introducción terapéutica de oxígeno suplementario en el medio ambiente podría perturbar las comunidades microbianas de las vías respiratorias. Para arrojar luz sobre los efectos desconocidos del oxígeno suplementario en los microbiomas de las vías respiratorias de pwCF, necesitábamos abordar dos desafíos principales; primero, la creación de un medio de cultivo que se aproxime fisiológicamente a la composición del esputo cf; segundo, la creación de un sistema modelo que permita el mantenimiento de concentraciones elevadas de oxígeno en cultivo durante largos períodos de tiempo.
Los medios de esputo artificial (MAPE) se utilizan ampliamente para emular el esputo pulmonar ex vivo8,9,10,pero no hay un consenso claro sobre una receta específica. Este protocolo describe una receta de medio de esputo artificial y una estrategia de preparación cuidadosamente diseñada para aproximarse fisiológicamente al esputo de pwCF. La Tabla 1 describe los valores de la receta elegida en función de la literatura publicada. Los componentes químicos básicos y el pH se compararon con los valores identificados por los estudios de esputo de FQ humana11,12,13. Se añadieron nutrientes fisiológicos de baja concentración utilizando yema de huevo, que se incluyó como 0,25% del volumen final10,así como mezclas de vitaminas y metales traza14,15. La mucina, el componente clave del esputo16,se incluyó al 1% p/v14. Aunque requiere más mano de obra, se eligió la esterilización por filtro sobre la práctica más convencional de esterilización por calor para reducir los problemas potenciales de la desnaturalización inducida por el calor de los componentes esenciales de los medios10. Un beneficio adicional de la esterilización por filtro es que genera medios que son transparentes (la esterilización por calor puede crear medios turbios debido a la precipitación y coagulación de sales y proteínas), lo que permite que este medio de esputo artificial se utilice para seguir el crecimiento microbiano basado en aumentos en la turbidez.
Este sistema modelo para el cultivo hiperóxico se basa en técnicas de cultivo anaeróbico donde se agrega oxígeno en lugar de eliminarse, creando un modelo para el efecto del uso de oxígeno suplementario para pwCF. La Figura 1 y el protocolo de ahorro de oxígeno asociado describen los componentes de un sistema de ahorro de oxígeno, que se pueden obtener a bajo costo de proveedores generales de laboratorios y hospitales. Este sistema permite la mezcla de oxígeno comprimido y aire a concentraciones fijas que van desde el 21% hasta el 100% de oxígeno. La integración de un sensor de oxígeno permite verificar la concentración de la mezcla de gas de salida, así como verificar la composición del gas de salida de las botellas de suero previamente escasas para verificar que las condiciones de oxígeno se hayan mantenido dentro del rango deseado.
Este protocolo describe los procedimientos para crear un medio de esputo artificial, la construcción y el uso de un sistema de ahorro de oxígeno y la aplicación de ambos para cultivar esputo cf en condiciones diferenciales de oxígeno.