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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Ce protocole est utilisé dans l’établissement et le maintien des blattes américaines gnotobiotiques (Periplaneta americana) en stérilisant en surface les caisses d’œufs (oothèques) avant l’éclosion. Ces insectes gotobiotiques contiennent leurs endosymbiontes de Blattabacterium transmis verticalement mais ont des intestins axeniques.
Les animaux gnotobiotiques sont un outil puissant pour l’étude des contrôles sur la structure et la fonction du microbiome. Présenté ici est un protocole pour l’établissement et le maintien des cafards américains ginotopotiques (Periplaneta americana). Cette approche comprend des contrôles de stérilité intégrés pour un contrôle continu de la qualité. Les insectes gnotobiotiques sont définis ici comme des cafards qui contiennent encore leur endosymbiote transmis verticalement (Blattabacterium) mais manquent d’autres microbes qui résident normalement à leur surface et dans leur tube digestif. Pour ce protocole, les caisses d’œufs (oothèques) sont retirées d’une colonie (non stérile) et stérilisées en surface. Une fois recueillis et stérilisés, les oothèques sont incubées à 30 °C pendant environ 4 à 6 semaines sur gélose à perfusion de cœur cérébral (IHB) jusqu’à ce qu’elles éclosent ou soient éliminées en raison de la contamination. Les nymphes écloses sont transférées dans une fiole d’Erlenmeyer contenant un plancher BHI, de l’eau stérile et de la nourriture stérile pour rats. Pour s’assurer que les nymphes ne logent pas de microbes qui sont incapables de se développer sur BHI dans les conditions données, une mesure de contrôle de la qualité supplémentaire utilise le polymorphisme de longueur de fragment de restriction (RFLP) pour tester les microbes nonendosymbiotiques. Les nymphes gnotobiotiques générées à l’aide de cette approche peuvent être inoculées avec des communautés microbiennes simples ou complexes et utilisées comme outil dans les études du microbiome intestinal.
Les animaux gnotobiotiques se sont révélés être des outils précieux pour les études du microbiome1,2,3. Les animaux à flore définie et sans germes ont permis d’élucider les interactions hôte-microbe, y compris les réponses immunologiques de l’hôte, la maturation épithéliale intestinale et le métabolisme de l’hôte1,4,5,6,7. Les animaux gnotobiotiques inoculés avec une communauté simplifiée ont également aidé à une compréhension plus complète des interactions microbe-microbe dans une communauté intestinale, en particulier dans le démêlage des relations d’alimentation croisée et antagonistes8,9,10,11. Le système modèle actuellement préféré pour les études dans le microbiome intestinal des mammifères est le modèle murin. Bien que ce système ait été vital dans les découvertes décrites ci-dessus, une lacune clé est le coût impliqué. De l’équipement spécialisé et des techniciens hautement qualifiés sont nécessaires pour établir et entretenir une installation génotobiotique. Ceci, combiné à un soin supplémentaire qui doit être accordé à tous les aspects de l’entretien des animaux génotopotiques, fait qu’un animal gnotobiotique coûte dix à vingt fois plus cher à se reproduire qu’un modèle animal standard12. En raison des coûts élevés, de nombreux chercheurs peuvent être incapables de se permettre un modèle murin gotobiotique. En outre, bien que les modèles murins puissent être le choix le plus largement accepté pour les études qui cherchent à se traduire par la santé humaine, il existe encore de nombreuses différences physiologiques et morphologiques entre les intestins humains et murins13. Il est clair qu’aucun modèle unique n’est suffisant pour répondre au nombre sans cesse croissant de questions concernant les nombreux aspects du microbiome intestinal.
Les modèles d’insectes sont une alternative moins chère en raison de leur coût d’entretien inférieur à celui des espèces de mammifères. Des recherches approfondies sur l’utilisation de plantes exemptes de germes et de génotobiotiques sur diverses espèces d’insectes ont mené à l’élaboration de multiples modèles couramment utilisés. Les moustiques et les drosophiles sont des modèles courants de travail sans germes en raison de leur pertinence pour les maladies mondiales et de la tractabilité génétique14,15. Un autre système modèle émergent est celui de l’abeille mellifère (Apis mellifera), compte tenu de son importance dans la recherche sur la pollinisation et la socialité16. Cependant, beaucoup de ces insectes couramment utilisés n’ont pas la complexité taxonomique observée dans les communautés intestinales de mammifères17, ce qui limite leur capacité à modéliser les interactions d’ordre supérieur. Non seulement la diversité totale des microbes trouvés dans l’intestin des cafards américains ressemble davantage aux mammifères, mais de nombreux microbes présents dans l’intestin des cafards appartiennent à des familles et à des embranchements que l’on trouve couramment dans le microbiote intestinal des mammifères et des humains18. L’intestin postérieur du cafard est également fonctionnellement analogue au gros intestin des mammifères, car il s’agit d’une chambre de fermentation densément remplie de bactéries pour aider à l’extraction des nutriments19,20. Enfin, la nature omnivore des cafards permet une diversité de régimes alimentaires qui ne seraient pas possibles avec les spécialistes de l’alimentation.
Les blattes américaines peuvent être un système modèle utile pour comprendre les communautés microbiennes intestinales dans les organismes supérieurs, mais le statut de la blatte en tant que ravageur rend également ce système pertinent pour la lutte antiparasitaire21. Tirer parti des connaissances fondamentales de l’influence de la communauté intestinale sur la santé et la physiologie des blattes aide à développer de nouvelles techniques de lutte antiparasitaire.
Le but de cette méthode est de décrire une description complète de l’établissement et du maintien des blattes américaines gnotobiotiques (Periplaneta americana), mais ce protocole pourrait être utilisé pour générer des nymphes de n’importe quel cafard ovipare. Il comprend une méthode de collecte efficace et non invasive d’oothèques matures, et une technique non destructive pour surveiller l’état génotobiotique des insectes22,23,24. Alors que les méthodes précédentes d’obtention et de maintien des cafards gnotobiotiques décrivent la collection d’oothèques23,24, 25,26,27,la maturité de l’oothèque est soit interprétée en termes de signaux spécifiques à l’espèce (dans Blattella germanica22,24,25), soit non explicitement décrite27,28, ce qui rend la mise en œuvre difficile pour ceux qui ne connaissent pas le système. Étant donné que la méthode décrite ici utilise des oothèques naturellement abandonnées, l’erreur de retirer les œufs prématurément est absente. Ce protocole contient à la fois des méthodes de contrôle de la qualité dépendantes de la culture et indépendantes de la culture, et la méthode dépendante de la culture ne nécessite pas de sacrifier les insectes. Enfin, cette méthode rassemble des informations provenant de plusieurs études sur les blattes génotobiotiques pour créer un protocole complet avec toutes les informations nécessaires pour atteindre et maintenir les blattes gnotobiotiques.
1. Préparation du matériel
2. Collecte des oothèques
3. Nettoyage des oothèques
4. Stérilisation et incubation des oothèques
5. Entretien des nymphes gotobiotiques
6. Contrôle de la qualité de la stérilité
7. Suivi aseptique de la croissance nymphale
Les réservoirs de stock sont configurés comme illustré à la figure 1. Les femelles « gravides » sont identifiées par l’oothèque fixée à l’abdomen postérieur, comme illustré à la figure 2. L’incubation des oothèques sur la gélose BHI permet un contrôle de la qualité génotobiotique d’une manière non destructive. Dans certains cas, la stérilisation est infructueuse et la croissance apparaît autour de l’oothèque comme à la figure 3B. Ces oothèques doivent être enlevées et jetées. Dans nos mains, un taux d’échec moyen de 10% a été observé pour la stérilisation (n = 51). Les oothèques éclosent en moyenne 34 jours après la stérilisation sans croissance sur le milieu, comme le voit la figure 3A. Nous avons observé des taux d’éclosion typiques de 41 % (n = 46) pour les oothèques stérilisées et non contaminées, avec une moyenne de 11 nymphes par oothèque. Les nymphes plus grosses sont transférées dans des fioles BHI recouvertes de papier d’aluminium, comme à la figure 4. La feuille empêche la contamination et les nymphes ont de la place pour se développer. Rflp du rDNA 16S d’une nymphe homogénéisée est employé pour confirmer le statut gnotobiotic. On a observé que les nymphes génotobiotiques se développaient à un rythme plus lent que leurs homologues non stériles, comme le représente la figure 5. La figure 6 montre les résultats d’insectes génotobiotiques ainsi que de nymphes standard (non astériles).
Bien que ce test n’ait pas encore identifié de contamination en l’absence d’un résultat de culture positif, cette étape a été effectuée régulièrement lors d’expériences critiques pour exclure la présence de microbes contaminants sensibles à l’oxygène ou méfiants. Une croissance plus lente a été observée chez les cafards gotobiotiques par rapport aux insectes standard / non astiles.

Figure 1 : Configuration de la culture de stock de blattes.
Des tubes en carton peuvent être vus empilés à l’extrémité du réservoir. La nourriture et l’eau sont toutes deux près de l’avant du réservoir. Le couvercle en tissu de coton et la bande élastique ont été enlevés pour la visibilité. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2 : Un cafard américain « enceinte ».
La flèche indique l’oothèque. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Ill. 3 : Images de nymphes génotobiotiques ayant réussi à éclore et à stériliser sans succès des oothèques sur des pentes BHI.
Des oothèques ont été stérilisées et incubées comme décrit dans ce protocole. (A) L’absence de croissance microbienne sur l’inclinaison BHI indique que les insectes sont exempts d’organismes cultivables. (B) Les oothèques sur les pentes qui entraînent la formation de colonies doivent être rejetées comme contaminées. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4 : Appareil d’élevage gotobiotique.
Les insectes sont conservés dans des flacons stériles recouverts d’un couvercle en papier d’aluminium pour éviter toute contamination. Le récipient secondaire (couvercle vert) est stérilisé avec 2% d’eau de Javel suivie de 70% d’éthanol. Le débit d’air n’est pas limité dans le conteneur secondaire. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5 : Données représentatives sur le taux de croissance comparant la longueur du corps des nymphes génotobiotiques et non gnotoiles. Les deux groupes d’insectes ont été alimentés le régime autoclavé de rongeur. Les insectes gnotobiotiques (ici: n = 105) sont conservés sur BHI comme décrit. Les insectes non astérieux (ici: n = 50) vivent dans des flacons avec une literie en copeaux de bois autoclavés avec de petits plats pour l’eau. Les nymphes nonsteriles développent un taux moyen de 0,059 mm/jour, tandis que les nymphes génotobiotiques grandissent à 0,028 mm/jour (p < 0,0001). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6 : Image de gel représentative des résultats du RFLP pour le contrôle de la qualité.
Des amplicons de gène de Whole-16S ont été digérés avec RsaI. L’ADN pour l’ACP a été extrait des nymphes homogénéisées dans 1x PBS. Les voies « nymphes G » correspondent aux nymphes gnotobiotiques, tandis que les voies « nymphes conv » correspondent à des homologues conventionnelles non astériles. D’après le digest de restriction virtuelle, l’endosymbiote (Blattabacterium) devrait avoir des bandes aux tailles 402 pb, 206 pb et 163 pb, avec un frottis de bandes entre 163 pb et 148 pb. Un insecte génotobiotique ne doit montrer que le motif de bande de Blattabacterium. On s’attend à ce qu’une communauté bactérienne mixte ait un frottis de bandes de tailles variables, étiquetées ici « autres fragments bactériens 16S ». Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Ce protocole est utilisé dans l’établissement et le maintien des blattes américaines gnotobiotiques (Periplaneta americana) en stérilisant en surface les caisses d’œufs (oothèques) avant l’éclosion. Ces insectes gotobiotiques contiennent leurs endosymbiontes de Blattabacterium transmis verticalement mais ont des intestins axeniques.
Cette publication a été soutenue par le National Institute of General Medical Sciences des National Institutes of Health sous le numéro de prix R35GM133789. Le contenu est de la seule responsabilité des auteurs et ne représente pas nécessairement l’opinion officielle des National Institutes of Health. Les auteurs aimeraient remercier Josey Dyer pour avoir suivi les taux de stérilisation, les taux d’éclosion et les taux de croissance des blattes génotobiotiques.
| 2X master mix | New England BioLabs | M0482 | OneTaq MasterMix |
| Nourriture de rat autoclavable | Zeigler | NIH-31 Kit | d’extraction automatique d’ADN bactérien modifié|
| Omega Bio-Tek | D-3350 | E.Z.N.A. Kit d’ADN bactérien ; comprend lysozyme, billes de verre, protéinase K, tampons (protéinase K, liaison, lavage, élution), colonnes d’ADN, | tampon|
| de liaison de tube de collecte de 2 mlOmega Bio-Tek | PD099 | inclus dans le kit d’extraction d’ADN bactérien d’Omega Biotek (tampon « HBC ») | |
| perfusion cerveau-cœur (BHI) | Research Products International | B11000 | |
| Lingettes de travail délicates | KimWipe | JS-KCC-34155-PK | KimWipes |
| Kit de purification d’ADN | Omega Bio-Tek | D6492 | E.Z.N.A. Cycle Pure kit ; D6493 peut également être utilisé ; comprend des tampons (purification, lavage, élution) |
| Tampon d’élution | Omega Bio-Tek | PDR048 | inclus dans le kit d’extraction d’ADN bactérien d’Omega Biotek billes |
| de verre | Omega Bio-Tek | n/a | inclus dans le kit d’extraction d’ADN bactérien d’Omega Biotek |
| Four d’hybridation | UVP | 95-0330-01 | nous utilisons un four d’hybridation pour le préchauffage du tampon d’élution, mais un bain-marie pourrait probablement aussi être |
| armoire de sécurité biologique à flux laminaire | d’occasion NuAire, Inc. | Le protocoleNU-425-400 | fait référence à cela sous le nom de « hotte à flux laminaire » pour le |
| lysozyme | de brièvetéOmega Bio-Tek | n/a | inclus dans le kit d’extraction d’ADN bactérien d’Omega Biotek |
| solution mère d’acide peracétique (32 %) | Sigma-Aldrich | 269336 | |
| Vaseline Vaseline | n/a | ||
| protéinase K tampon | Omega Bio-Tek | PD061 | inclus dans le kit d’extraction d’ADN bactérien d’Omega Biotek (tampon TL |
| tampon purifiant | Omega Bio-Tek | PDR042 | inclus dans le kit CyclePure d’Omega Biotek (tampon « CP ») |
| RsaI | New England BioLabs | R0167 | Comprend un tampon CutSmart (digestion) |
| Récipient secondaire | n/a | n/a | un récipient en plastique avec un couvercle (comme un Kritter Keeper) fonctionne bien pour cela (25 cm de long x 15 cm de large x 22 cm de haut) ; il doit être suffisamment grand pour s’adapter aux obliques BHI et au |
| spectrophotomètre | à éprouvetteThermoFisher | ND-2000 | Les informations du catalogue sont pour l’agitateur thermique NanoDrop2000 |
| Eppendorf | EP5386000028 | Thermomixer R | |
| Tris-EDTA | Fisher | BP1338-1 | 10 nm Tris, 1 mM EDTA, pH 8 |
| tampon de lavage | Omega Bio-Tek | PDR044 | inclus dans la trousse d’extraction d’ADN bactérien d’Omega Biotek (tampon de lavage de l’ADN) |
| Litière de copeaux de bois | P.J. Murphy Forest Products | Sani-Chips |