RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
he_IL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
זיהומי ביופילם מראים סבילות גבוהה לכימותרפיה. אין בדיקה אחת שתופסת את המורכבות של ביופילמים. במקום זאת, יש צורך בבדיקות משלימות. אנו מציגים פלטפורמת סינון (שפותחה עבור S. aureus) המשלבת מבחני כדאיות, ביומסה ומטריצת ביופילם. זה מאפשר גילוי תרופות אנטי-ביופילם, כולל הערכה של השפעות כימותרפיות ארוכות טווח.
Biofilms נחשב אחד הנושאים המאתגרים ביותר של רפואה המודרנית, והם בעלי פוטנציאל אחראים על 80% של זיהומים אנטיביוטיים סובלנית. Biofilms הפגין סובלנות גבוהה במיוחד עבור כימותרפיה, אשר נחשבה מולטיפקטוריאלית. למשל, המטריצה מספקת מכשול פיזי מקטין את חדירת אנטיביוטיקה לתוך ביופילם. כמו כן, תאים בתוך biofilms הם phenotypically מגוונים. סביר, החוסן ביופילם נובע משילוב של אלה ואחרים, עדיין לא ידועים, מנגנונים. כל האנטיביוטיקה הקיימים כיום פותחו נגד חיידקים חד תאיים (planktonic). לכן, עד כה, רפרטואר מצומצם מאוד של מולקולות קיים שיכול לפעול באופן סלקטיבי על biofilms הבוגרת. מצב זה מונע שינוי פרדיגמה מתקדם לגילוי תרופות, שבה מחפש-biofilms אנטי כבר דחק לתפוס מקום בולט יותר. אתגר נוסף הוא כי ישמאוד מוגבל במספר השיטות הסטנדרטיות למחקר ביופילם, במיוחד אלה שיכולים לשמש הקרנה גדולה תפוקה של ספריות כימיות. הנה, פלטפורמה אנטי biofilm ניסיון להקרנה כימית מוצגת. היא משתמשת שלושה מבחנים למדוד כדאיות ביופילם (עם מכתים resazurin), ביומסה הכולל (עם מכתים סגול קריסטל), מטריצת ביופילם (באמצעות agglutinin ניבט חיטה, מכתים WGA-קרינה מבוססת של N -acetyl-גלוקוזאמין פולי, PNAG , שבריר). כל המבחנים פותחו באמצעות Staphylococcus aureus כמו חיידקי המודל. דוגמאות לאופן שבו הפלטפורמה יכולה לשמש לסינון ראשוני וכן אפיון פונקציונלי של להיטים אנטי biofilm המזוהים מוצגות. רצף ניסיוני זה מאפשר נוסף לסיווג הלהיטים המבוססים על נקודות קצה הנמדדות. הוא גם מספק מידע על אופן הפעולה שלהם, במיוחד על לטווח ארוך בניגוד לתופעות כימותרפיות לטווח קצר. לכן, זה מאוד אדוהntageous לזיהוי המהיר של תרכובות להיט באיכות גבוהה שיכול לשמש נקודות התחלה עבור יישומים ביו שונים.
חיידקים יכולים לעבור בין שני סגנונות חיים שונים מאוד, planktonic ו נייחים, מתוכם ביופילם היא הדוגמה הנפוצה ביותר. ב biofilms, חיידקים ליצור קהילות מובנהיות משוקעות בתוך הגוש בהפקה עצמית 1. מטריקס בהפקה עצמית זו הוא חסם בין חיידקי הסביבה החיצונית שלהם, והוא מגן על תאי חיידקים, שמירה על אותם בקרבת המקום. הרכב של מטריקס ביופילם משתנה בין ואף בתוך מינים, אבל זה מורכב בעיקר רשת הדוקה של lipopolysaccharides, DNA התאי, וחלבונים. המטריצה משמשת כמחסום פיזי עיכוב הכניסה של סוכנים מזיקים, אבל זה גם מגן על ביופילם מהתייבשות ומונע הזנה לברוח התא 2.
Biofilms נחשב אחד הנושאים המאתגרים ביותר של רפואה המודרנית, והם כביכול אחראים על 80% של זיהומים אנטיביוטיים סובלני 3. הם חד פעמייםשכב סובלנות גבוהה מטבעם מפני איומים חיצוניים: לחות, לחץ האוסמוטי, לחץ מכאני 4, חום, קרינת UV 5, חומרי חיטוי, סוכני מיקרוביאלית, ומערכת החיסון של פונדקאי 1. לדוגמה, ריכוז סוכן מיקרוביאלית נדרש נדרש להרוג biofilm הוכח להיות עד 1,000 פעמים גבוה בהשוואה לזה הנדרש כדי להרוג חיידקים planktonic. הסבר סובלנות גבוהה יותר זה נראה מולטיפקטוריאלית. המטריצה מספקת מכשול פיזי מקטין את חדירת אנטיביוטיקה לתוך ביופילם. כמו כן, תאים בתוך biofilms הם phenotypically מגוונים; שהם מעבר בין מדינות שונות מטבולית בשל שיפוע הקיים של חמצן, חומרי הזנה, מטבוליטים בין החלקים הפנימיים והחיצוניים של ביופילם 6. לפיכך, באזורים מסוימים ביופילם, כגון הליבה, חיידקים ללא חמצן וחומרים מזינים חיים פעילים מבחינה מטבולית פחות או במצב רדום לחלוטין 8 טיפולים קונבנציונליים מיקרוביאלית. לפיכך, סביר להניח כי החוסן ביופילם נובע משילוב של הציעו כיום ואחרים, עדיין לא ידוע, מנגנונים. Spp Staphylococcus. הם עדיין בין חיידקים גראם-חיוביים הבעייתי ביותר, גרימת 4 חמורים, לעיתים קרובות הקשורים biofilm, זיהומים. הוא הציע כי עד 99% מכלל החיידקים קשורים בתוך biofilms, מה שהופך אותו אורח חי חיידקי שולט 3. עם זאת, כל האנטיביוטיקה הקיימים כיום פותחו נגד חיידקים חד תאיים (planktonic). עד כה, רפרטואר מצומצם מאוד של מולקולות קיים שיכול לפעול באופן סלקטיבי על biofilms הבוגרת. מצב זה מונע שינוי פרדיגמה מתקדם לגילוי תרופות, שבה מחפש-biofilms אנטי כבר דחק לתפוס מקום בולט יותר.
מנקודת methodologפרספקטיבת iCal, אתגרים נוספים קיימות, כמו שרק מספר מצומצם של שיטות ביופילם פותח על ידי ארגונים תקינים, במיוחד לאלו החלימו על הקרנת התפוקה הגבוהה של ספריות כימיות. כל המבחנים הסטנדרטיים (עם רק חריג אחד) מבוססים על כורי biofilm, ושיטות אלה דורשים כמויות עבודה גדולות וכמויות גדולות של תרכובות להיבדק, אשר בדרך כלל אינן זמינים בשלב המחקר מוקדם 9-12. ההקרנה ניתן ליישמן הסטנדרטי הקיימים רק assay הוא ההתקן שנקרא קלגרי Biofilm, שממנו ריכוז ביטול biofilm מינימום הזמין המסחרי (MBEC) המערכת פותחה 13-15. עם זאת, המגבלה של assay זה היא כי biofilms גדל על יתדות, ולא כל מיני החיידקים או אפילו זנים בתוך אותו המין מסוגלים ליצור biofilms במכשיר זה. יתר על כן, שיטות שניתן ליישם במיוחד למשימות של תרכובות טבעיות הןנָחוּץ. מוצרים טבעיים היו המקור העיקרי בזכות חדשנותה בתחום גילוי תרופות מיקרוביאלית במאה השנים האחרונות 16. הם יכולים לספק תרכובות אנטי biofilm רומן עם מנגנוני פעולה ייחודיים כי גם יכול להיות יעיל נגד תאי persister. לפיכך, החקר של ספריות טבעיות ובאופן טבעי השראה שקיים הסתברות גבוהה של ייצור ידיעה אנטי biofilm מבטיחה וייחודית.
כאן, אנו מציגים את הפרטים הניסיונות של פלטפורמה של מבחנים אשר פותחה עבור ההקרנה הכימית של תרכובות אנטי biofilm באמצעות שלושה מבחנים למדוד את ההשפעות על הכדאיות, ביומסה מוחלטת, מטריצה של biofilms Staphylococcus aureus. את assay הראשון מודד כדאיות ביופילם, והיא מבוססת על מכתים resazurin. Resazurin היא כתם חיזור כי הוא כחול ללא ניאון במצב מחומצן שלה והופך ורוד, resorufin פלורסנט מאוד כאשר מופחת על ידי פעילות מטבולית של חיידקים. זהו מ 'מאוד פשוטים ומהיריםethod המתאים וניפוי ראשוני 17-20. את assay השני, המבוסס על מכתים סגול קריסטל, מודד את המסה ביופילם הכולל. סגול קריסטל הוא כתם בשימוש נרחב ללימוד חיידקים וחיידקים biofilms 19,21-23. Assay הוא מבוסס על חומרים כימיים זולים ויש לו קריאת סיום הספיג פשוטה. לבסוף, assay השלישי מתמקד חומר פולימרי תאיים (EPS) -matrix של ביופילם באמצעות נבט חיטה agglutinin (WGA), הנקשר באופן פולי N שאריות -acetyl-גלוקוזאמין (PNAG) הנוכחי במטריצה של biofilms staphylococcal 24. של WGA היא מצומדת עם fluorophore כי ניתן לאתר באמצעות קוראי עוצמת הקרינה 25. אנו מציגים כאן את הרציונל ופרטים של הפלטפורמה שפתחנו, כולל דוגמאות של יישומים.
1. גידול החיידקים
2. כינונה Biofilm: לפני ואחרי חשיפה
3. Resazurin מכתים Protocol עבור הערכת הכדאיות של Biofilms
4. קריסטל ויולט מכתים פרוטוקול כימות ביומסה של Biofilms שימוש פלייט זהה שלב 3
5. בוחנת את השפעת חיידקים על חיידקים planktonic שימוש פלייט מדגם זהה עבור Biofilms
6. נבט חיטה agglutinin מכתים עבור כימות מטריקס והדמיה מיקרוסקופ פלואורסצנטי של Biofilms
7. מכתים תאים קיימא ואת המלח בתוך Biofilms הדמיה עם הקרינה מיקרוסקופית וכימות של אותות הירוק אל אדום-יחס (G / R)
בשנת הפלטפורמה המוצעת, את ההשפעות על הכדאיות, ביומסה, ומטריקס ביופילם הן לכמת. בסיקוונס העבודה (איור 1), צלחת דגימה אחת מוכתמת resazurin ובהמשך עם סגול קריסטל כדי להעריך את ההשפעות זמנית על הכדאיות biofilm חיידקים על ביומסה biofilm הכולל. מבחני שניהם יכולים להתבצע ברצף באותו צלחת כי זה היה הפגינו מוקדם יותר כי מכתים הראשון עם resazurin לא היתה השפעה משמעותית סטטיסטית על התוצאה מכתים קריסטל סגול (p = 0.4149 להשוואה יחידות ספיגת אות מקסימאלית בין לוחות סגול קריסטל מוכתם בנפרד או לאחר resazurin מכתים, n = 20) 26. ההשפעה על חיידקים planktonic ניתן להעריך בו זמנית.
כאשר להיטים מזוהים מאחדים את הכדאיות או assay המבוסס על ביומסה, צלחת שנייה הוא st ained עם החללית WGA לכמת את ההשפעה של תרכובות על מרכיב פוליסכריד (PNAG) של המטריצה ביופילם. עבודה זו יכולה להיות מיושמת על ההקרנה של ספריות כימיות, כמו גם מחקר מעקב תפקודי למדידות עצמה של תרכובות להיט, כפי שהודגמה בהמשך.

איור 1: Workflow של פלטפורמת תלת assay. ייצוג סכמטי של זרימת העבודה המשלבת את השלושה מבחנים על דגימות biofilm. הפלטפורמה כוללת מכתים עבור השפעה על כדאיות, ביומסה, ושכבת EPS; הדמיה באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי; והערכת ההשפעה על שלב planktonic. "A" ו- "NA" לעמוד "פעיל" ו "לא פעיל", בהתאמה. שונה מ ואח Skogman. 26jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
ביצועים של הפלטפורמה תלת assay למטרות הקרנה
הנה, שתי ריצות הקרנה מוצגות כתוצאות תצגנה את הביצועים של הפלטפורמה. במערכה הראשונה (איור 2 א), ספרייה קטנה של נגזרי אלקלואיד כינין הוקרנה לפעילות אנטי biofilm נגד S. aureus biofilms 27, ואילו בדוגמא השנייה (התרשים 2B), ספרייה טבעית ובאופן טבעי השראה של סוג abietane diterpenoids ונגזר שנחקר 28,29. הלהיטים הפעילים נקבעו באמצעות מגבלות ביקור חושב (סף; משוואת 6, טבלת 1). בכל מחקר הקרנה, תוצאות שני המבחנים הראשונים בקורלציה היטב; המכות היו כל יכולים להפחית את הכדאיות ואת ביומסה biofilm, while התרכובות הפעילות לא הראו כל השפעה משני assay. כל הנפילות נבדקו מכן על השלישי (WGA) assay, אך הם לא היו-פירוק מטריקס (או מטריצה משפילה) אפקטים (תוצאות לא מוצגות).

איור 2: תוצאות נציג של קמפייני הקרנה באמצעות הפלטפורמה עם S. aureus biofilms. שתי דוגמאות של מסכי אימות הוכחה של קונספט בוצעו באמצעות פלטפורמת assay. התוצאות מוצגות כאחוז השליטה ביופילם מטופל, תרכובות הלהיט מסומנות באדום, ואת הקווים מייצגים את גבולות להיט המחושבים. (א) הקרנת ספרייה נגזרת כינין-אלקלואיד מזוהה מתחם פעיל אחד. (ב) הקרנת ספריה של diterpenoids ונגזרים abietane מסוג זיהה חמישה מעשהתרכובות אייב. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
הביצועים של פלטפורמת תלת assay למחקרי מעקב
נציג התוצאות ניתן לראות באיור 3, שבו שני סוגי אנטיביוטיקה ידוע נבדקו מגוון רחב מאוד של ריכוזים (0.5 ננומטר-5 מ"מ) נגד biofilms S. aureus. ריכוז מעכבות מינימום (MIC) ערכים של תרכובות התייחסות נגד חיידקים planktonic (בין אם בספרות או ביצע במעבדה) לשמש הנחיות לבחירת ריכוזים לבדוק נגד biofilms מאותו המין. בנוסף, ידע בעולם ערכי הריכוז שבו לא cytotoxicity מזוהה בתאי יונקים גם יכול לעזור בבחירה של הריכוז כדי לבדוק קופצים בצעו אנטי ביופילם. באופן אידיאלי,אם שני נתונים מיקרוביאלית cytotoxicity עבור תרכובת מסוימת זמינים, פרמטר המכונה "מדד Biocompatibility" (BI) ניתן לחשב, כפי שהוגדר על ידי מולר וקרמר 30. כאן, ערכי MIC נגד planktonic S. aureus עבור פניצילין G ו- ciprofloxacin נקבעו 0.04 מיקרומטר ו -6 מיקרומטר, בהתאמה (תוצאות לא מוצגות). לפיכך, המרווח ריכוז נע בין כ -10 5 x MIC עד 10 -2 x MIC ו -10 3 x MIC עד 10 -4 x MIC עבור פניצילין ciprofloxacin, בהתאמה. אנטיביוטיקה שניהם יכול להפחית באופן משמעותי את הכדאיות, ביומסה, ותוכן ביופילם מטריקס PNAG כאשר הם נחשפו לחיידק תא בודד לפני תחילת תהליך היווצרות ביופילם (איור 3 א). עם זאת, למרות ריכוז גבוה מאוד של אנטיביוטיקה נבדק על preformed (18 שעות) biofilms, את הכדאיות ואת ביומסה הופחתו רק כ 50% של tצינור של biofilms מטופלים (איור 3B). התוצאה הבולטת ביותר כאן היא העלייה של מטריקס ביופילם (מעל 200%) כאשר biofilms מתבצעת טופלו ריכוזים גבוהים של פניצילין G. אין שינויים בתוכן של מטריקס ביופילם התגלו כאשר biofilms מתבצעת טופלה ciprofloxacin.

איור 3: דוגמה של מחקר מעקב של השפעות אנטי biofilm באמצעות שני סוגי אנטיביוטיקה מודל נגד biofilms S. aureus. ההשפעות של פניצילין G ו- ciprofloxacin מוצגים כאן: (א) לפני biofilm היווצרות (חשיפה מראש) ו- (ב) שלאחר biofilm היווצרות (לאחר חשיפה). לשם בהירות דמות, רק הנמוך ביותר המרכזות הנבדקות מוצגות. סטיות התקן לא יעלה על 20%. *** equals p <0.01. שונה מ ואח Skogman. 26 אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
הדמיה מבוססת מיקרוסקופ פלואורסצנטי
התוצאה כי G פניצילין ב 400 מיקרומטר (וכן ריכוזים גבוהים יותר, כפי שמוצג באיור 3 ב) הורג כ -50% של אוכלוסיית חיידקי ביופילם מתבצעות S. aureus אושר עם אחר assay מכתים הכדאיות. הממוצע של ירוק-עד-אדום (G / R) יחסי קרינה עבור בארות ביופילם המטופל היה 2.75, מה שמעיד על דומיננטיות של תאי חיים (ירוקים מוכתמים), על תאים מתים (אדום מוכתם). עם זאת, בתאים שטופלו פניצילין היחס G / R ירד ל 1.54, המקביל ל 56% מהבארות שליטה. התאים הנותרים בחיים לאחר פרו טיפול פניציליןduced כמות גבוהה יותר של EPS, כמו להישפט מהגידול זוהה פלואורסצנטי ירוק (WGA) בהשוואה biofilms מטופלים (איור 4 ב). אנו ממליצים, בכל הזדמנות אפשרית, כדי לבצע את הניסויים האלה מבוססות הדמיה להמשיך לאשר את התוצאות של הפלטפורמה, במיוחד בשלב האפיון של מועמדים פגע.

איור 4: מיקרוסקופ פלואורסצנטי. השפעת בנוסף פניצילין (400 מיקרומטר) על ייצור כדאיות EPS מוצגת כאן. התמונות העליונות (א) מתאימות biofilms מטופל biofilms שטופל פניצילין, שבו תאי קיימא הם תאים ירוקים מת מוכתם מהגואלות אדומים. הגרף המוכנס ממחיש את חישובי יחסי קרינת G / R. התמונות התחתונות (B) מתאימות biofilms מטופל פניציליןתאי -treated מוכתמים חללית WGA. הגרף מוכנס מציג כימות של אותות WGA עבור דגימות biofilm מטופלים ואינם מטופלים, וברים שגיאה מייצגים את סטיית התקן. שונה מ ואח Skogman. 26 אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
עיבוד וניתוח נתונים סטטיסטיים
פרמטרים סטטיסטיים מחושבים לאפיין את איכות המבחנים לעקוב ביצועיהם במהלך ריצות הקרנה. המשוואות של הפרמטרים החשובים ביותר בשימוש, כמו גם את הערכים שהתקבלו וקהל יעד שונה מפורטים בטבלה 1. בכל המשוואות, דקות SD, דקות μ, מקסימום SD, ו מיקרון מקסימום מייצגים סטיות התקן ואמצעי מינימלי(דקות) מקסימאליים (מקסימום) אותות, בהתאמה. בתוצאות המוצגות כאן, לזווג השוואות של הערכים המקוריים נעשו עם מבחן t מזווג עם התיקון של וולש, כאשר p <0.05 נחשב משמעותי מבחינה סטטיסטית.

טבלת 1: פרמטרים סטטיסטיים להשתמש כדי להעריך את הביצועים של המבחנים. בכל המשוואות, דקות SD, דקות μ, SD מקסימום, ואת מיקרון מקסימום מייצג סטיות ההתקן ואמצעים של (דקות) המינימאליות מקסימאליים (מקסימום) אותות, בהתאמה. שיטות מכתים, resazurin, סגול קריסטל, ונבטי חיטה agglutinin, הם RES מקוצר, CRV, ו WGA, בהתאמה. RFU: יחידות קרינה יחסיות; ראה: יחידות ספיגות יחסית. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.
למחברים אין ניגודי אינטרסים לחשוף.
זיהומי ביופילם מראים סבילות גבוהה לכימותרפיה. אין בדיקה אחת שתופסת את המורכבות של ביופילמים. במקום זאת, יש צורך בבדיקות משלימות. אנו מציגים פלטפורמת סינון (שפותחה עבור S. aureus) המשלבת מבחני כדאיות, ביומסה ומטריצת ביופילם. זה מאפשר גילוי תרופות אנטי-ביופילם, כולל הערכה של השפעות כימותרפיות ארוכות טווח.
המחברים מודים פרופסור פול קוס ו LMPH, אוניברסיטת אנטוורפן, בלגיה על תמיכתו בתהליך הצילומים במעבדתו. עבודה זו מומנה על ידי האקדמיה פרויקטים פינלנד (פרויקטי 272,266 ו 282,981) ו Svenska Tekniska Vetenskapsakademien אני פינלנד. התרומות הטכניות של MSc יאני Kujala מוכרים.
| Resazurin | Sigma Aldrich | R7017 | |
| קריסטל סגול | סיגמא אולדריץ' | HT90132 | |
| נבט חיטה אגלוטינין, Alexa Fluor 488 מצומד | תרמו פישר מדעי | W11261 | |
| חי/מת BacLight | בדיקות מולקולריות | L7012 | SYTO 9 לצביעה של תאים ברי קיימא ירוק ופרופידיום יודיד לצביעה של תאים מתים |
| אדום פוספט חוצץ | |||
| טריפטון אגר סויה | מעבדה M, Neogen | LAB011 | |
| טריפטין מרק סויה | מעבדה M, Neogen | LAB004 | |
| F96 באר צלחת פוליסטירן סטרילי שקוף שטוח תחתון | תרמו פישר מדעי | 161093 | |
| כובעי מותג, רצועות של 8 | סיגמא אולדריץ' | BR781413-300EA | |
| ברנסון CPX סדרת אמבט קולי | סיגמא אולדריץ' | Z769428-1EA | |
| Multipipette | תרמו פישר מתקן | מולטיפה מדעי||
| תרמו פישר סיינטיפיק | |||
| ביומק 3000 | בקמן קולטר | ||
| Varioskan פלאש Multiplate קורא Thermo | Fisher Scientific | ||
| Staphylococcus aureus | ATCC | ברקוד 25923 |