Las infecciones bacterianas crónicas a menudo se mantienen no por grandes biopelículas unidas a la superficie, sino por pequeños agregados multicelulares que se forman en ambientes asociados al huésped. En la fibrosis quística (FQ) y otras enfermedades crónicas de las vías respiratorias, Pseudomonas aeruginosa suele existir como agregados suspendidos incrustados en el moco o el esputo, en lugar de como biopelículas clásicas adheridas a superficies epiteliales. Estos agregados representan un modo de crecimiento distinto, caracterizado por una organización espacial a microescala, una marcada heterogeneidad fisiológica y una tolerancia excepcional a factores de estrés inmunitario y antimicrobiano 1,2,3,4. A pesar de su relevancia clínica, los mecanismos que rigen la estabilidad de agregados, que en este protocolo se define como la capacidad de mantener la integridad de la membrana y la organización espacial bajo tales factores de estrés, siguen siendo poco comprendidos, ya que estudios previos se centran más en los componentes matriciales que soportan la formación de biopelículas unidas a la superficie 5,6 .
Una barrera importante para estudiar eventos que contribuyen a la desestabilización de agregados, como los cambios en la despolarización de membranas y la arquitectura de agregados, es la falta de flujos de trabajo experimentales que capturen cambios fisiológicos y estructurales dinámicos en tiemporeal 7,8. Los ensayos masivos tradicionales y los enfoques de imagen de punto final no pueden resolver cómo surgen las respuestas al estrés dentro de los agregados, cómo estas respuestas se distribuyen espacialmente o cómo el debilitamiento fisiológico, como la despolarización de membranas y la pérdida de la homeostasis iónica, se traduce en signos tempranos de estrés celular y eventual colapso físico. Aunque la microscopía confocal se ha aplicado ampliamente a biopelículas adheridas a superficies, menos enfoques integran imágenes resueltas en el tiempo con análisis cuantitativo que vinculan directamente la fisiología celular con la arquitectura agregada y la actividad de membranas.
Los cambios en el potencial de membrana bacteriana proporcionan un indicador temprano y sensible del estrés celular y la pérdida de homeostasis. Los colorantes sensibles al voltaje, como el bis-(1,3-dibutilbarbitúrico) y la pentametina oxonol (DiBAC4(5)) se acumulan en las células despolarizadas y ofrecen una lectura no destructiva basada en fluorescencia de la integridad de la membrana. Aunque los tintes DiBAC se han utilizado para evaluar la despolarización de membranas en cultivos planctónicos y biopelículas unidas asuperficies 9,10, su aplicación a agregados multicelulares, especialmente bajo condiciones de crecimiento fisiológicamente relevantes e imágenes en lapso de tiempo, ha sido limitada.
Aquí presentamos un flujo de trabajo integrado de imagen y análisis que permite la visualización y cuantificación en tiempo real de la despolarización de membranas y la falla estructural en agregados de P. aeruginosa. Los agregados se forman en un medio sintético para fibrosis quística (SCFM2), un medio definido químicamente que recapitula características nutricionales e iónicas clave de la vía aérea de la fibrosis quística y favorece la formación espontánea de agregados sin superficies impuestas ni flujo11,12. En estas condiciones, P. aeruginosa forma agregados suspendidos de tamaños y heterogeneidad estructural comparables a los observados en muestras de esputo y vías respiratorias de FQ, proporcionando una plataforma fisiológicamente relevante para estudiar el comportamientoagregado 13.
Utilizando microscopía láser confocal de lapso de tiempo bajo temperatura y humedad controladas, este flujo de trabajo captura tanto estados agregados estables como estados inducidos por estrés, caracterizados por un aumento de la despolarización de membrana y pérdida de homeostasis celular durante períodos de imagen prolongados. Al combinar la información de potencial de membrana basada en DiBAC con imágenes z-stack de alta resolución, este método permite cuantificar la fluorescencia de DiBAC₄(5) a nivel de célula única, con valores mapeados y analizados dentro del contexto espacial de agregados individuales. La segmentación de imágenes aguas abajo y el análisis superficial basado en vóxeles permiten cuantificar en paralelo los cambios en la arquitectura de agregados y la despolarización de membrana.
Es importante destacar que, aunque este protocolo se demuestra utilizando agregados de P. aeruginosa formados en SCFM2, el flujo de trabajo es ampliamente generalizable. La estrategia de imagen, la lectura fisiológica basada en colorantes y el marco analítico pueden adaptarse fácilmente a otras especies bacterianas, medios promotores de agregados y factores estresantes, incluidos agentes antimicrobianos, efectores inmunes o perturbaciones ambientales. Por ello, este enfoque proporciona una plataforma transferible y reproducible para interrogar la estabilidad de las comunidades bacterianas en diversos contextos experimentales.