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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Présenté ici est un protocole pour l’infection de Pseudomonas aeruginosa et l’application de thérapie de phage dans les embryons de poisson zèbre de fibrose kystique (CF).
La résistance aux antimicrobiens, une conséquence majeure de l’incertitude diagnostique et de la surprescription antimicrobienne, est une cause de plus en plus reconnue d’infections graves, de complications et de mortalité dans le monde entier, avec un impact énorme sur notre société et sur le système de santé. En particulier, les patients dont le système immunitaire est affaibli ou qui souffrent de pathologies préexistantes et chroniques, comme la fibrose kystique (FK), sont soumis à des traitements antibiotiques fréquents pour contrôler les infections par l’apparition et la diffusion d’isolats multirésistants. Par conséquent, il est urgent de s’attaquer aux thérapies alternatives pour contrer les infections bactériennes. L’utilisation de bactériophages, ennemis naturels des bactéries, peut être une solution possible. Le protocole détaillé dans ce travail décrit l’application de la thérapie de phage contre l’infection de Pseudomonas aeruginosa dans les embryons de zebrafish de CF. Les embryons de poisson zèbre ont été infectés par P. aeruginosa pour démontrer que la thérapie par phage est efficace contre les infections à P. aeruginosa, car elle réduit la létalité, la charge bactérienne et la réponse immunitaire pro-inflammatoire chez les embryons atteints de FK.
La thérapie par phages, l’utilisation des ennemis naturels des bactéries pour combattre les infections bactériennes, suscite un regain d’intérêt à mesure que la résistance bactérienne aux antibiotiques segénéralise 1,2. Cette thérapie, utilisée depuis des décennies en Europe de l’Est, pourrait être considérée comme un traitement complémentaire aux antibiotiques dans le traitement des infections pulmonaires chez les patients atteints de FK et une alternative thérapeutique possible pour les patients infectés par des bactéries qui sont résistantes à tous les antibiotiquesactuellement utilisés 2,3. Les avantages de la thérapie antibiotique sont que les bactériophages se multiplient au site de l’infection, tandis que les antibiotiques sont métabolisés etéliminés du corps 4,5. En effet, l’administration de cocktails de phages virulents isolés dans différents laboratoires s’est avérée efficace dans le traitement des infections pseudomonas aeruginosa chez des modèles animaux aussi différents que les insectes et lesmammifères 6,7,8. Il a également été démontré que la thérapie par phages était en mesure de réduire le fardeau bactérien des brûlures infectées par P. aeruginosa et Escherichia coli dans le cadre d’un essai cliniquerandomisé 9.
Zebrafish (Danio rerio) a récemment émergé comme un modèle précieux pour étudier les infections avec plusieurs agents pathogènes, y compris P. aeruginosa10,11, Mycobacterium abccessus et Burkolderia cepacia12,13. En microinjectant les bactéries directement dans la circulation sanguine de l’embryon14, il est facile d’établir une infection systémique qui est contrecarrée par le système immunitaire inné du poisson zèbre, qui est évolutif conservé avec des neutrophiles et la génération de macrophages similaires à la contrepartie humaine. En outre, au cours du premier mois de vie, les embryons de poisson zèbre n’ont pas la réponse immunitaire adaptative, ce qui en fait des modèles idéaux pour étudier l’immunité innée, qui est le mécanisme de défense critique dans les infections pulmonaireshumaines 15. Zebrafish a récemment émergé comme un système de modèle génétique puissant pour mieux comprendre l’apparition des FC et de développer de nouveaux traitements pharmacologiques10,16,17. Le modèle cf zebrafish de cftr knock-down généré par injection de morpholino chez le poisson zèbre présentait une réponse d’éclatement respiratoire amortie et une diminution de la migration des neutrophiles10, tandis que le knock-out cftr conduit à une altération de la position interne des organes et à la destruction du pancréas exocrine, un phénotype qui reflète la maladie humaine16,17. Le plus grand intérêt était la conclusion que la charge bactérienne de P. aeruginosa était sensiblement plus élevée dans cftr-perte-de-fonction embryons que dans les contrôles à 8 heures après infection (hpi), qui fait le parallèle avec les résultats obtenus avec des souris et des cellules épithéliales bronchiqueshumaines 2,18.
Dans ce travail, nous démontrons que la thérapie de phage est efficace contre des infections de P. aeruginosa dans les embryons de zebrafish.
Le poisson zèbre adulte (Danio rerio) de la souche AB (European Zebrafish Resource Center EZRC) est maintenu selon les directives internationales (directive européenne 2010/63/UE) et nationales (décret italien du4 mars 2014, n° 26) sur la protection des animaux utilisés à des fins scientifiques. Les conditions normales sont fixées dans l’installation de pêche avec un cycle sombre de 14 h/10 h et une température de l’eau du réservoir à 28 °C.
1. Préparation de solutions et d’outils
2. P. aeruginosa (PAO1) préparation inoculum
3. Préparation des stocks de phages
4. Préparation de cocktail de Phage
5. Collecte et préparation d’embryons de poisson zèbre pour la microinjection de cftr morpholinos
REMARQUE : Recueillir 1 à 2 embryons cellulaires à partir de poissons zèbres de type sauvage pour la microinjection de cftr morpholinos(cftr-MOs).
6. Microinjection d’embryons de poisson zèbre avec des bactéries et cocktail de phages
REMARQUE : Pour effectuer une infection systémique, l’embryon doit avoir une circulation sanguine qui commence habituellement après 26 hpf.
7. Évaluation de la charge bactérienne des embryons injectés avec pao1 et phages
8. Évaluation de la létalité des embryons injectés avec pao1 et phages
9. Préparation embryonnaire pour l’imagerie en accéléré stéréomicroscope de l’infection à GFP+ PAO1
10. Analyses d’expression des cytokines pro-inflammatoires
Les résultats et les chiffres présentés ici sont renvoyés aux embryons de FK générés par l’injection de cftr morpholinos tel que décritprécédemment 10 et à l’étape 5. Pour valider le phénotype de CF, la position altérée des organes internes tels que le coeur, le foie, et le pancréas commeprécédemment décrit 17 (figure 1) ont été considérées. Des résultats similaires ont été obtenus dans le cas des embryons wt tels que rapportés dans notre publication précédente19.
Le fardeau bactérien a été réduit par la thérapie de phage dans les embryons de CF infectés par PAO1. De plus, nous avons évalué la charge bactérienne à 8 hpi en homogénéisant des groupes de 15 embryons : le nombre moyen de bactéries (cfu/embryon) présentes dans les embryons infectés par l’OAP1 a été réduit à environ 20 % après le traitement d’administration des phages, confirmant ainsi une infection moins grave en présence du cocktail de phages (figure 2).
La létalité a été réduite par la thérapie de phage dans les embryons de CF infectés par GFP+ bactéries PAO1. Les embryons de poisson zèbre cf à 48 hpf ont été injectés avec GFP+ bactéries de la souche PAO1 à une dose qui a causé 50% de létalité après 20 hpi (30 cfu/embryon, figure 3A). Le site d’injection était le jaune ou le conduit de Cuvier pour générer une infection systémique. La thérapie de phage contre l’infection de PAO1 a été examinée en injectant 2 nL du cocktail tout aussi mélangé de phage (300-500 pfu/embryon). L’injection a été effectuée à deux moments différents : 30 min (tôt) et 7 heures (en retard) après injection bactérienne. Dans les deux cas, la létalité a été réduite à 20 hpi, ce qui indique que la thérapie par phage est efficace (figure 3B).
Avec l’imagerie en direct, à l’aide d’un stéréomicroscope fluorescent, nous avons également suivi la progression de l’infection chez les embryons de FK injectés avec GFP+ PAO1 et montré l’efficacité de la thérapie par phages en réduisant la propagation des bactéries fluorescentes sur le sac jaune. L’embryon injecté CF+PAO1 avec multiplication des bactéries GFP+ à 4, 9, 14 et 18 hpi est montré dans le côté supérieur de la figure 4, tandis que l’embryon CF+PAO1+phages avec fluorescence réduite due à l’action des phages contre les bactéries est montré dans la partie inférieure (figure 4).
La thérapie de phage a réduit la réponse inflammatoire produite par l’infection de PAO1 dans les embryons de CF. Nous avons également évalué la réponse immunitaire générée par l’injection pao1 et PAO1 + phages à 8 hpi. Comme prévu, l’expression des cytokines pro-inflammatoires TNF-a et IL-1β analysées par les techniques qPCR a été considérablement augmentée après l’injection de PAO1 par rapport aux contrôles, alors qu’elle a été réduite avec la co-injection du cocktail de phage (figure 5A,B).

Figure 1 : Génération et validation des embryons de FK lors de l’injection de cftr morpholinos(cftr-MOs). (A) Position altérée et boucle du cœur dans les embryons injectés par la FK par rapport aux embryons de type sauvage (WT). Le cœur est visualisé avec l’expression cmlc2 par la technique d’hybridation insitu. (B) La position altérée du foie (flèches) et du pancréas chez les embryons de FK par rapport aux WT. Le foie et le pancréas sont visualisés avec l’expression prox1a par des techniques d’hybridation in situ. Les barres d’échelle indiquent 100 μm. liv: foie; p: pancréas. Le chiffre est réimprimé à partirde 19 S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2 : Fardeau bactérien chez les embryons de FK infectés par pao1 ou PAO1+phages. Le pourcentage relatif de cfu/embryon dans les embryons PAO1+phages vs PAO1 est donné. La moyenne et le DD de trois expériences indépendantes sont rapportés. Le chiffre est réimprimé à partirde 19. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3 : Létalité des embryons de poisson zèbre des FC infectés par l’AAP1 et par pao1+phages. (A) Détermination du LD50 chez les embryons de poisson zèbre de 48 hpf microinjectés de cftr-MO au stade 1 cellule (embryons de FK) et infectés à 48 hpf avec 2 nL d’une culture de PAO1 contenant un nombre croissant de bactéries (cfu/embryon). La létalité des embryons a été observée à 20 hpi. (B) Létalité à 20 hpi d’embryons de FK infectés par pao1 à 48 hpf et traités avec le cocktail phage (PAO1+ Φ). La moyenne et le DD signalés proviennent respectivement de six et quatre expériences, chacune avec 25 à 40 embryons. La transformation angulaire a été appliquée au pourcentage de létalité et anova uni-sens suivi du test de Duncan a été employé. Le chiffre est réimprimé à partirde 19. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4 : Imagerie de l’efficacité de la thérapie par phage chez le poisson zèbre. Progression de l’infection chez les embryons atteints de FK à la suite de l’injection pao1 (embryon supérieur) et efficacité de la thérapie par phage dans les embryons injectés pao1+phages (embryon inférieur) à 4, 9, 14 et 18 hpi. La barre d’échelle indique 100 microns. Le chiffre est réimprimé à partirde 19. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5 : Expression des cytokines pro et anti-inflammatoires suivant l’administration de PAO1 et de PAO+phage. Niveaux d’expression des gènes TNF-a (A) et IL-1β mesurés par RT-qPCR à 8 hpi chez les embryons de FK injectés avec PAO1 et PAO1+Φ à 48 hpf et normalisés à l’aide de l’expression du rpl8. La moyenne et le DD de quatre expériences sont rapportés. La signification statistique a été évaluée par ANOVA suivie du test de Duncan : pour TNF- a (CF) vs (CF+PAO1) p = 0,015*; (CF) vs (CF+PAO1+Φ) p = 0,019*; (CF+PAO1) vs (CF+PAO1+ Φ) p = 0,77 n.s.; pour IL-1β (CF) vs (CF+PAO1) p = 0,00014***; (CF) vs (CF+PAO1+ Φ) p = 0,00068***; (CF+PAO1) vs (CF+PAO1+ Φ) p = 0,031*. Le chiffre est réimprimé à partirde 19. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
| Solutions | Préparation |
| Solution de stock anesthésique 25X | 4 mg/mL de Tricaine en H2O distillé. |
| Solution de travail anesthésique 1X | diluer dans le H2O distillé la solution tricaine stock 25X préparation pour atteindre la concentration de 1X (0,16 mg/mL) Tricaine de distillé H2O. |
| CsCl d=1,3 | 20,49 g en TN de 50 mL |
| CsCl d=1,4 | 20,28 g en TN de 50 mL |
| CsCl d=1,5 | 34,13 g en 50 mL TN |
| CsCl d=1,6 | 41,2 g dans 50 mL de TN |
| E3 milieu embryonnaire pour embryon de poisson zèbre | 1 L 1of E3 (diluer le stock 50X avec distillé H2O) + 200 μl de 0,05% bleu méthyle . Magasinez chez RT. |
| Solution de stock moyen embryonnaire E3 (50X) | 73,0 g de NaCl, 3,15 g de KCl, 9,15 g de CaCl2 et 9,95 g de MgSO4 en 5 L de H2O. Distillé au RT. |
| Agar LB | Tryptone 10 g/L, extrait de levure de 5 g/L, 5 g/L NaCl, 10 g/L d’agar |
| Bouillon LB | pour 1L: 950 mL H2O, 10 g Tryptone, 10 g NaCl, 5 g Extrait de levure |
| PBST (PBST) | PBS 1X + Triton X 1% |
| Solution physiologique | 0,9% NaCl |
| Pigmentation bloquant la solution de stock 10X | 0,3 mg/mL de poudre de phényl thiourea (PTU) dans le milieu embryonnaire E3 pour l’embryon de poisson zèbre |
| Pronase solution stock 5X | Poudre de pronase de 5 mg/mL dans le milieu embryonnaire E3 pour l’embryon de poisson zèbre |
| Tampon TN | 10 mM Tris HCl pH 8.0, 150 mM NaCl |
Tableau 1 : Préparation des solutions.
| Nom du gène | Séquence d’amorce |
| TNF-alpha Fw | 5'-TGCTTCACGCTCCATAAGACC-3' |
| TNFalpha Rev | 5'-CAAGCCACCTGAAGAAAAGG-3' |
| IL1-beta Fw | 5'-TGGACTTCGCAGCACAAAATG-3' |
| IL1-beta Rev | 5'-CGTTCACTTCTCTCTTGGATG-3' |
| rpl8 Fw | 5'-CTCCGTCTTCAAAGCCCAT-3' |
| rpl8 Rev | 5'-TCCTTCACGATCCCCTTGAT-3' |
Tableau 2 : Amorce utilisée pour rt-qPCR.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Présenté ici est un protocole pour l’infection de Pseudomonas aeruginosa et l’application de thérapie de phage dans les embryons de poisson zèbre de fibrose kystique (CF).
Ces travaux ont été soutenus par la Fondation italienne de la fibrose kystique (FFC#22/2017; Associazione « Gli amici della Ritty » Casnigo et FFC#23/2019; Un respiro in più Onlus La Mano tesa Onlus).
| Bacto Agar | BD | 214010 | |
| Chlorure de calcium | Sigma-Aldrich | 10043-52-4 | |
| CsCl | Sigma-Aldrich | 289329 | |
| Phospate de Dulbecco solution saline tamponnée PBS | Sigma-Aldrich | D8537 | |
| Ethyl 3-aminobenzoate méthanesulfonate | Sigma-Aldrich | 886-86-2 | nom commun tricaïne |
| Micromanipulateur Femtojet | Eppendorf | 5247 | |
| Fleming/brown P-97 | Sutter Instrument Company | P-97 | |
| LE-Agarose | Sigma-Aldrich | 11685660001 | |
| Agarose à bas point de fusion | Sigma-Aldrich | CAS 9012-36-6 | |
| Sulfate de magnésium | Sigma-Aldrich | 7487-88-9 | |
| Bleu | de méthyleSigma-Aldrich | 28983-56-4 | |
| Aiguilles de micro-injection | Appareilde Harvard | ||
| N-Phénylthiourée >=98 % | Aldrich-P7629 | 103-85-5 | |
| Oligo Morpholino | Gene Outils | conçus par le chercheur | |
| PEG6000 | Calbiochem | 528877 | |
| Phenol Red Solution | Sigma-Aldrich | CAS 143-74-B | |
| Chlorure | de potassium Sigma-Aldrich | 7447-40-7 | |
| Pronase | Sigma-Aldrich | 9036-06-0 | |
| Chlorure de sodium réactif ACS, &ge ; 99.0 % | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| Stéréomicroscope | Leica | S9I | |
| Tris HCl | Sigma-Aldrich | T5941 | |
| Triton X | Sigma-Aldrich | T9284 | |
| Tryptone | Oxoid | LP0042B | |
| Extrait de levure | Oxoid | LP0021B | |
| Z-MOLDS Microinjection | Word Instruments de | précision |