פרוטוקול זה מתאר שיטה חזקה לפיתוח ביופילם כדורי. השיטה ניתנת להרחבה לנפחי תרבות שונים, ומאפשרת אימוץ קל למטרות ניסוי שונות. תכנון השיטה מאפשר הערכה איכותית או כמותית של פוטנציאל יצירת הביופילם של מספר מינים מיקובקטריאליים.
מאמר שיטה
פרוטוקול זה מתאר שיטה חזקה לפיתוח ביופילם כדורי. השיטה ניתנת להרחבה לנפחי תרבות שונים, ומאפשרת אימוץ קל למטרות ניסוי שונות. תכנון השיטה מאפשר הערכה איכותית או כמותית של פוטנציאל יצירת הביופילם של מספר מינים מיקובקטריאליים.
חיידקים רבים משגשגים בקהילות טבעיות מורכבות, ומפגינים תכונות מפתח של רב-תאיות כגון תקשורת, שיתוף פעולה ותחרות. הביטוי השכיח ביותר של התנהגות רב-תאית חיידקית הוא היווצרות ביופילמים, הקשורים לעתים קרובות לפתוגנים. ביופילמים מציעים מקלט מפני חומרים אנטי-מיקרוביאליים, ומטפחים את הופעתה של עמידות מיקרוביאלית. הפרקטיקה המקובלת של גידול חיידקים בתרביות נוזליות של בקבוקים לנער אינה מייצגת את הצמיחה הפיזיולוגית הנכונה שלהם בטבע, וכתוצאה מכך מגבילה את הבנתנו את הדינמיקה המורכבת שלהם. יש לציין כי הפרופילים המטבוליים והשעתוק של חיידקים השוכנים בביופילמים דומים מאוד לאלה של תאים הגדלים באופן טבעי. הקבלה זו מדגישה את חשיבותם של ביופילמים כמודל אידיאלי למחקר יסודי ותרגומי. מאמר זה מתמקד בשימוש ב-Mycobacterium smegmatis כאורגניזם מודל כדי להדגים טכניקה לטיפוח ביופילמים כדוריים. הגישה ניתנת להתאמה לנפחי תרבית שונים, מה שמקל על יישומה למטרות ניסוי מגוונות כגון מחקרים מיקרוביאליים. יתר על כן, תכנון השיטה מאפשר הערכה איכותית או כמותית של יכולות יצירת הביופילם של מינים מיקובקטריאליים שונים עם התאמות קלות.
חיידקים מסוגלים לשרוד כישויות חד-תאיות; עם זאת, ברוב התנאים הרלוונטיים מבחינה פיזיולוגית, הם מתארגנים למימטיקה קהילתית. ביופילם הוא ארגון קהילתי מוכר של חיידקים הנוצרים על ידי תאים מצטברים העטופים במטריצה1 בייצור עצמי. הרכבה כזו היא בעלת חתימות של רב-תאיות מוקדמת ומספקת עמידות גבוהה יותר ללחץ למערכות חיידקים. ביופילמים הם לעתים קרובות סובלניים לאנטי-מיקרוביאליים, ומעריכים כי הם אחראים לכמעט 80% מהזיהומים המיקרוביאליים 2,3.
שייק בקבוקים ותרביות מבוססות צלחות היו באופן מסורתי השיטות הרגילות לגידול חיידקים. ניתן לייחס את המקובלות וההצלחה העצומות שלהם לקלות הטיפול, יכולת השחזור והמדרגיות שלהם. עם זאת, היעדר הקשר פיזיולוגי מגביל את הפוטנציאל התרגומי של הידע שנוצר באמצעות מערכות כאלה4. לכן, ביופילמים הופכים למערכת מודל אטרקטיבית לחקר פתופיזיולוגיה חיידקית. ביופילמים מספקים מערכת מודל דינמית, המשקפת באופן הדוק תנאים טבעיים, ומאפשרת לחוקרים לשכפל היבטים פיזיולוגיים כגון שיפועים תזונתיים והטרוגניות מרחבית 5,6.
אורח החיים של הביופילם רלוונטי במיוחד במחקרים מיקובקטריאליים, שכן מיקובקטריה, כולל Mycobacterium tuberculosis הידוע לשמצה, הם יוצרי ביופילם מיומנים7. היכולת שלהם לשגשג בתוך ביופילמים תורמת להתמדה שלהם ברקמות המארחות במהלך זיהומים. הוא מציב אתגר עצום בטיפול במחלות מיקובקטריאליות, בהתחשב בעמידות האינהרנטית לאנטיביוטיקה הקשורה לאורח חיים של ביופילם8. ביופילמים מספקים גם מערכת מודל אידיאלית לחקר מטבוליזם מיקובקטריאלי, שכן הם מאפשרים לחקור את ההתאמות המטבוליות הייחודיות ואת אסטרטגיות ניצול החומרים המזינים המשמשות מיקובקטריה בתוך קהילות מיקרוביאליות מורכבות9.
בעוד שהביופילם מתקבל יותר ויותר כמודל טוב יותר למחקרים מיקובקטריאליים10, יש צורך בהליכי פעולה סטנדרטיים עקביים וניתנים לשחזור, במיוחד כדי ליצור הקבלה בין מחקרים שנערכו במעבדות שונות. השיטה המתוארת כאן מתארת הליכי היווצרות ביופילם עבור מין מיקובקטריאלי, M. smegmatis. M. smegmatis הוא מודל נגיש יותר לחקר ביופילמים מיקובקטריאליים, בהתחשב באי-פתוגניות שלו ובקינטיקה מהירה יותר של היווצרות ביופילם. ניתן לשנות את השיטה כך שתתאים ליישומים כמו סינון אנטי-מיקובקטריאלי, מיצוי מטבוליטים ומחקרי אומיקס.
הפרטים של כל הריאגנטים והציוד ששימשו למחקר מפורטים בטבלת החומרים.
1. ההכנה התקשורתית של סאוטון
2. הכנת מסנן מעוקר 5% Tween-80
3. הכנת התרבות הראשונית
4. הכנת התרבות המשנית
5. הגדרת הביופילם
6. הגדרת ביופילמים לתצפיות תלויות שלב
הערה: הגדרת הביופילם הכוללת זהה לזו המתוארת בשלב 5. כדי לקצור או לצלם ביופילם בנקודות זמן שונות, מוצע שאותו ביופילם יוצב במספר סטים על לוחות נפרדים.
7. הערכת התפתחות הביופילם
8. בדיקת סבילות לאנטיביוטיקה בביופילמים
כדורי ביופילם הופכים גלויים לעין בלתי מהיום השלישי ואילך. למרות שביופילם גדל על המדיה של סאוטון ללא 2% גלוקוז, נצפה שיפור ברטיקולציה כאשר הוא הוסף. השגנו 10.48 מ"ג ± 3.13 מ"ג (n = 4) של משקל יבש של ביופילם מכל באר של צלחת 24 בארות עם 1.5 מ"ל של מדיה של סאוטון (בתוספת 2% גלוקוז) גדל במשך ארבעה ימים. באיור 2, התפתחות הביופילם נראתה מהיום השלישי עד היום השישי. הוא מתחיל ליצור סרט עם רטיקולציה קלה ביום 3, וביום 5 הוא כבר בשל לחלוטין. מהיום השישי ואילך, הביופילם מתחיל להתפורר. MIC90 של ריפמפיצין (64 מיקרוגרם/מ"ל) הפחית את ה-CFU של הביופילם ב-25% ±-12% (n = 3) בלבד.

איור 1: ביופילמים של M. smegmatis לאחר 4 ימים של דגירה במדיה של סאוטון. (1) ללא גלוקוז ומחוסן בחיסון 2%. (2) ללא גלוקוז ומחוסן בחיסון 4%. (3) עם 2% גלוקוז ומחוסן עם 2% חיסון. (4) עם 2% גלוקוז ומחוסן עם 4% חיסון. (5) ו-(6) הם פקדי מדיה. כאן, הדגימות הן בצלחות סטנדרטיות של 6 בארות. הצילומים מצולמים ללא כל הגדלה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: מורפולוגיית ביופילם M. smegmatis מהיום השלישי לאחר החיסון ועד היוםהשישי. כאן, הדגימות הן בצלחות סטנדרטיות של 24 בארות. הצילומים מצולמים ללא כל הגדלה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
| ס. לא. | רכיב | ריכוז עבודה (w/v) | ריכוז תמיסת מלאי | נפח / משקל של פתרון מלאי | |||||
| 1 | אשלגן דימימן פוספט | 0.05% | 2.50% | 20 מ"ל | |||||
| 2 | מגנזיום גופרתי | 0.05% | 2.50% | 20 מ"ל | |||||
| 3 | ברזל אמוניום ציטראט | 0.01% | 5% | 1 מ"ל | |||||
| 4 | גליצרול | 6% | 100% | 60 מ"ל | |||||
| 5 | L- אספרגין | 0.40% | נה | 4 גרם | |||||
| 6 | חומצת לימון | 0.20% | נה | 2 גרם | |||||
טבלה 1: מרכיבים להכנת המדיה של סאוטון.
אורח החיים הרב-תאי של מיקרובים תואר לפני כמעט מאה שנה; עם זאת, המחקרים הקליניים נותרו דלילים, בעיקר בשל היעדר שיטות חזקות14. שיטות המתוארות בעבודות על ביולוגיה של ביופילם הן לעתים קרובות קשות להסתגלות. כאן, המתודולוגיה המפורטת, בסיוע הדגמות של צעדים קריטיים, צפויה לשפר את יכולת השחזור של הפרוטוקולים.
שיטת ייצור הביופילם המתוארת במאמר זה ניתנת להרחבה, ודורשת גידול פרופורציונלי בנפח בינוני ובגודל החיסון. יישומים כמו מיצוי מטבוליטים דורשים נפח תרבית גבוה יותר, בעוד שמבחני רגישות מיקרוביאלית דורשים ביומסה קטנה יותר12. בנוסף, ניתן להתאים את גודל החיסון כדי להתאים את קצב היווצרות הביופילם. גמישות זו מאפשרת לחוקרים לשלוט כראוי במשך הניסויים.
תנאי הגדילה והמיקרו-סביבה ממלאים תפקידים מכריעים בפיזיולוגיה של ביופילם15. יש לציין כי נוכחות גלוקוז אינה חובה ליצירת ביופילם; עם זאת, הכללת 2% גלוקוז נצפתה כדי לשפר את הרשתית ואת היציבות של הביופילם. תצפית מעניינת נוספת היא פוטנציאל השבחת הביופילם של הצבת כיסוי זכוכית בתחתית בארות התרבית. התוספת של Tween-80 הן בתרביות ראשוניות והן בתרביות משניות חיונית למיתון צבירת תאים.
התפתחות ביופילם כרוכה בשלבי גדילה מובחנים כגון התקשרות, הבשלה ופיזור. בעוד מערך הביופילם המתואר כאן מודגר בדרך כלל במשך 7 ימים, הכדוריות הופכות גלויות לעין בלתימהיום השלישי ואילך. מערך זה מאפשר לחקור את הדינמיקה הטמפורלית של התפתחות ביופילם. בעוד מאמר זה מתאר את הערכת המשקל היבש להערכת ביומסה של ביופילם, ההתקנה מקובלת גם על צביעה סגולה גבישית קונבנציונלית או הערכה מבוססת מיקרוסקופיה 12,16.
ייצור ביופילמים על ידי מיקובקטריה ממלא תפקיד משמעותי בפתוגניות שלהם ומקנה עמידות מוגברת לתרופות 8,17. נצפתה סבילות גבוהה פי שבעה עד שמונה לאנטיביוטיקה בתרביות ביופילם בהשוואה לתרביות של בקבוקוני שייק. מספר קבוצות משתמשות בביופילמים כמערכת מודל לחקר הפיזיולוגיה של חיידקים; אימוץ רחב יותר של אופן גידול זה על ידי קהילת המחקר המיקובקטריאלי יכול לספק תובנות חדשות יותר על הפתופיזיולוגיה של מינים פתוגניים שונים בסוג זה.
המחברים מצהירים כי אין אינטרסים מתחרים.
עבודה זו נתמכה על ידי מלגת DBT-Ramalingaswami שהוענקה לעמית אנאנד.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 0.2 ומיקרו; מסנן מזרק M PVDF | Axiva | SFNY04 R | |
| 1 מ"ל טיפים | Genetix | GXM-611000 C | |
| 10 ומיקרו; טיפים | L Genetix | GXM-6110 C | |
| 200 ומיקרו; L טיפים | Genetix | GXM-61200C | |
| 6 בארות לוחות פוליפרופילן | Tarsons | 980010 | |
| צינורות ענבר | Tarsons | 546051 | |
| Autoclave | Hospharma | ||
| Biosafety Cabinet A II | MSET | ||
| נייר ספיגה | כל ספק | ||
| צנטריפוגה | Eppendorf | ||
| חומצת לימון | Sigma | 251275 | |
| Cuvettes | Bio-Rad | 2239955 | |
| ברזל אמוניום ציטראט | |||
| תיעוד ג'ל | Bio-Rad | ||
| חרוזי זכוכית | סיגמא | G8772 | |
| גלוקוז | סיגמא | 49139 | |
| גליצרול | Sigma | G5516 | |
| לולאות חיסון | Genaxy | HS81121C | |
| L-Aspargine | Sigma | A0884 | |
| LB-agar | Himedia | M1151 | |
| LB-media | Himedia | M575 | |
| M. smegmatis mc2155 מלאי קריו | ATCC | 700084 | |
| מגנזיום גופרתי | סיגמא | M2643 | |
| מיקרופיפטות | גילסון | ||
| פרפילם | טרסונס | ||
| צלחת פטרי | טרסונס | 460020 | |
| מד pH | Labman Scientific Instruments | ||
| קורא צלחות | מבחנות Tecan | ||
| פוליפרופילן | Genaxy | GEN-14100-PS | |
| אשלגן פוספט מונו-בסיסי | סיגמא | P5379 | |
| ריפמפיצין | MedchemExpress | HY-B0272 | |
| פיפטה סרולוגית | SPL מדעי החיים | 95210 | |
| חממת שייקר | אפנדורף | ||
| מרית | |||
| ספקטרופוטומטר | תרמו סיינטיפיק | ||
| חממה סטטית | CARON | ||
| מזרק סטרילי 10 מ"ל בקטון | דיקינסון | 309642 | |
| סטרילי 50 מ"ל | בקטון דיקינסון | 309653 | |
| Tween-80 | Sigma | P1754 | |
| איזון שקילה | Sartorius | ||
| אבץ גופרתי | Sigma | Z0251 |