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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Presentato qui è un protocollo per l'infezione da Pseudomonas aeruginosa e l'applicazione della terapia del fago negli embrioni di zebrafish della fibrosi cistica (CF).
La resistenza antimicrobica, una delle principali conseguenze dell'incertezza diagnostica e della sovraprescrizione antimicrobica, è una causa sempre più riconosciuta di infezioni gravi, complicazioni e mortalità in tutto il mondo con un enorme impatto sulla nostra società e sul sistema sanitario. In particolare, i pazienti con sistema immunitario compromesso o patologie preesistenze e croniche, come la fibrosi cistica (CF), sono sottoposti a frequenti trattamenti antibiotici per controllare le infezioni con l'aspetto e la diffusione di isolati multifarmacologici resistenti. Pertanto, vi è l'urgente necessità di affrontare terapie alternative per contrastare le infezioni batteriche. L'uso di batteriofagi, i nemici naturali dei batteri, può essere una possibile soluzione. Il protocollo dettagliato in questo lavoro descrive l'applicazione della terapia del fago contro l'infezione da Pseudomonas aeruginosa negli embrioni di zebrafish CF. Gli embrioni di zebrafish sono stati infettati da P. aeruginosa per dimostrare che la terapia del fago è efficace contro le infezioni da P. aeruginosa in quanto riduce la letalità, il peso batterico e la risposta immunitaria pro-infiammatoria negli embrioni CF.
La terapia del fago, l'uso dei nemici naturali dei batteri per combattere le infezioni batteriche, sta raccogliendo rinnovato interesse man mano che la resistenza batterica agli antibiotici diventadiffusa 1,,2. Questa terapia, utilizzata da decenni nell'Europa orientale, potrebbe essere considerata un trattamento complementare agli antibiotici nella cura delle infezioni polmonari nei pazienti con CF e una possibile alternativa terapeutica per i pazienti infetti da batteri resistenti a tutti gli antibiotici attualmente in uso2,,3. I vantaggi della terapia antibiotica sono che i batteriofagi si moltiplicano nel sito di infezione, mentre gli antibiotici vengono metabolizzati ed eliminati dalcorpo 4,5. In effetti, la somministrazione di cocktail di fagi virulenti isolati in diversi laboratori si è dimostrata efficace nel trattare le infezioni da Pseudomonas aeruginosa in modelli animali diversi come insetti e mammiferi6,,7,,8. La terapia del fago ha anche dimostrato di essere in grado di ridurre il carico batterico nelle ferite da ustione infettate da P. aeruginosa ed Escherichia coli in uno studio clinico randomizzato9.
Zebrafish (Danio rerio) è recentemente emerso come un modello prezioso per studiare le infezioni con diversi agenti patogeni, tra cui P. aeruginosa10,,11, Mycobacterium abscessus e Burkolderia cepacia12,,13. Microiniettando batteri direttamente nella circolazione sanguignadell'embrione 14 è facile stabilire un'infezione sistemica che viene contrastata dal sistema immunitario innato zebrafish, che è evolutivo conservato con neutrofili e generazione di macrofagi simile alla controparte umana. Inoltre, durante il primo mese di vita, gli embrioni di zebrafish mancano della risposta immunitaria adattiva, rendendoli modelli ideali per studiare l'immunità innata, che è il meccanismo di difesa critico nelle infezioni polmonariumane 15. Zebrafish è recentemente emerso come un potente sistema di modelli genetici per comprendere meglio l'insorgenza della CF e sviluppare nuovi trattamentifarmacologici 10,,16,,17. Il modello cf zebrafish di cftr knock-down generato con iniezione di morfolino nel pesce zebra ha presentato una risposta di scoppio respiratorio smorzato e una ridotta migrazione neutrofila10, mentre il knock-out cftr porta a una posizione interna dell'organo compromessa e alla distruzione del pancreas esocrina, un fenotipo che rispecchia la malattia umana16,,17. Di maggiore interesse è stato il risultato che il carico batterico P. aeruginosa è stato significativamente più elevato negli embrioni cftr-perdita di funzione che nei controlli a 8 ore dopo l'infezione (hpi), che è parallelo ai risultati ottenuti con topi e cellule epiteliali bronchialiumane 2,18.
In questo lavoro, dimostriamo che la terapia del fago è efficace contro le infezioni da P. aeruginosa negli embrioni di zebrafish.
I pesci zebra adulti (Danio rerio) del ceppo AB (European Zebrafish Resource Center EZRC) sono mantenuti secondo le linee guida internazionali (Direttiva UE 2010/63/UE) e nazionali (decreto italiano 4marzo 2014, n. 26) sulla protezione degli animali utilizzati a fini scientifici. Le condizioni standard sono fissate nell'impianto ittico con un ciclo di buio di 14 ore /10 h e una temperatura dell'acqua del serbatoio a 28 °C.
1. Preparazione di soluzioni e strumenti
2. P. aeruginosa (PAO1) preparazione dell'inoculo
3. Preparazione stock di fago
4. Preparazione cocktail di fago
5. Raccolta e preparazione di embrioni di zebrafish per la microiniezione di cftr morpholinos
NOTA: Raccogliere 1-2 embrioni cellulari da zebrafish di tipo selvatico per la microiniezione di cftr morpholinos (cftr-MOs).
6. Microiniezione di embrioni di zebrafish con batteri e cocktail di fago
NOTA: Per eseguire un'infezione sistemica, l'embrione deve avere una circolazione sanguigna che di solito inizia dopo 26 HPF.
7. Valutazione del carico batterico degli embrioni iniettati con PAO1 e fagi
8. Valutazione della letalità degli embrioni iniettati con PAO1 e fagi
9. Preparazione dell'embrione per l'imaging stereomicroscopio time-lapse dell'infezione da GFP+ PAO1
10. Analisi di espressione delle citochine pro-infiammatorie
I risultati e le cifre qui presentati sono riferiti agli embrioni di CF generati attraverso l'iniezione di cftr morpholinos come descritto inprecedenza 10 e nella fase 5. Per convalidare il fenotipo CF, è stata presa in considerazione la posizione compromessa di organi interni come cuore, fegato e pancreas come descritto in precedenza17 (Figura 1). Risultati analoghi sono stati ottenuti nel caso degli embrioni WT, come riportato nella nostra precedente pubblicazione19.
Il carico batterico è stato ridotto dalla terapia del fago negli embrioni CF infetti da PAO1. Inoltre, abbiamo valutato il carico batterico a 8 hpi omogeneizzando gruppi di 15 embrioni: il numero medio di batteri (cfu/embrione) presenti negli embrioni infetti pao1 è stato ridotto a circa il 20% dopo il trattamento di somministrazione del fago, confermando così un'infezione meno grave in presenza del cocktail difago (Figura 2).
La letalità è stata ridotta dalla terapia del fago negli embrioni CF infetti da GFP+ batteri PAO1. Embrioni di zebrafish CF a 48 hpf sono stati iniettati con GFP+ batteri del ceppo PAO1 a una dose che ha causato il 50% di letalità dopo 20 hpi (30 cfu / embrione, Figura 3A). Il sito di iniezione era il tuorlo o il condotto di Cuvier per generare un'infezione sistemica. La terapia del fago contro l'infezione da PAO1 è stata testata iniettando 2 nL del cocktail di fago altrettanto misto (300-500 pfu / embrione). L'iniezione è stata eseguita in due diversi punti di tempo: 30 minuti (presto) e 7 ore (in ritardo) dopo l'iniezione batterica. In entrambi i casi, la letalità è stata ridotta a 20 hpi, indicando che la terapia del fago è efficace (Figura 3B).
Con l'imaging dal vivo, utilizzando uno stereomicroscopio fluorescente, abbiamo anche seguito la progressione dell'infezione negli embrioni CF iniettati con GFP+ PAO1 e abbiamo mostrato l'efficacia della terapia del fago nel ridurre la diffusione di batteri fluorescenti sul sacco del tuorlo. L'embrione iniettato CF+PAO1 con moltiplicazione batterica GFP+ a 4, 9, 14 e 18 hpi è mostrato nella parte superiore della Figura 4, mentre l'embrione CF+PAO1+phages con ridotta fluorescenza dovuta all'azione del fago contro i batteri è mostrato nella parte inferiore (Figura 4).
La terapia del fago ha ridotto la risposta infiammatoria generata dall'infezione da PAO1 negli embrioni CF. Inoltre, abbiamo valutato la risposta immunitaria generata dall'iniezione di PAO1 e PAO1 + fagi a 8 hpi. Come previsto, l'espressione delle citochine pro-infiammatorie TNF-a e IL-1β analizzate con tecniche qPCR è stata significativamente aumentata a seguito dell'iniezione di PAO1 rispetto ai controlli, mentre è stata ridotta con la co-iniezione del cocktail di fago(Figura 5A,B).

Figura 1: Generazione e convalida di embrioni di CF su iniezione di cftr morpholinos(cftr-MOs). (A) Posizione compromessa e looping del cuore negli embrioni iniettati di CF rispetto agli embrioni di tipo selvatico (WT). Il cuore viene visualizzato con l'espressione cmlc2 con la tecnica di ibridazione in situ. (B) La posizione compromessa del fegato (frecce) e del pancreas negli embrioni di CF rispetto a WT. Il fegato e il pancreas sono visualizzati con espressione di prox1a mediante tecniche di ibridazione in situ. Le barre di scala indicano 100 μm. liv: fegato; p: pancreas. La cifra viene ristampata da19 Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Carico batterico negli embrioni CF infetti da PAO1 o PAO1+phages. Viene data la percentuale relativa di cfu/embrione negli embrioni PAO1+phages vs PAO1. Viene riportata la media e l'SD di tre esperimenti indipendenti. La cifra viene ristampata a partireda 19. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Letalità degli embrioni di zebrafish CF infettati da PAO1 e da PAO1+phages. (A) Determinazione dell'LD50 in embrioni di zebrafish da 48 HPF microiniettati con cftr-MO allo stadio a 1 cella (embrioni CF) e infettati a 48 HPF con 2 nL di una coltura di PAO1 contenente un numero crescente di batteri (cfu/embrione). La letalità degli embrioni è stata osservata a 20 hpi. (B) Letalità a 20 hpi di embrioni CF infettati da PAO1 a 48 hpf e trattati con il cocktail di fago (PAO1+ Φ). La media e l'SD riportati provengono rispettivamente da sei e quattro esperimenti, ciascuno con 25-40 embrioni. La trasformazione angolare è stata applicata alla percentuale di letalità e a un solo senso è stata utilizzata ANOVA seguita dal test di Duncan. La cifra viene ristampata a partireda 19. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Imaging dell'efficacia della terapia del fago nel pesce zebra. Progressione dell'infezione negli embrioni CF a seguito dell'iniezione di PAO1 (embrione superiore) ed efficacia della terapia del fago negli embrioni iniettati PAO1 + fagi (embrione inferiore) a 4, 9, 14 e 18 hpi. La barra di scala indica 100 micron. La cifra viene ristampata a partireda 19. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Espressione di citochine pro e antinfiammatorie dopo la somministrazione di PAO1 e PAO+phage. Livelli di espressione dei geni TNF-a (A) e IL-1β misurati da RT-qPCR a 8 hpi in embrioni CF iniettati con PAO1 e PAO1+Φ a 48 hpf e normalizzati usando l'espressione di rpl8. Vengono riportati la media e l'SD di quattro esperimenti. La significatività statistica è stata valutata da ANOVA seguita dal test di Duncan: per 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.; per 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*. La cifra viene ristampata a partireda 19. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Soluzioni | Preparazione |
| Soluzione di stock anestetico 25X | 4 mg/mL di Tricaina in H2O distillato. |
| Soluzione di lavoro anestetico 1X | diluire in H2O distillato la soluzione di stock di Tricaine preparazione 25X per raggiungere la concentrazione 1X (0,16 mg/mL) Tricaine di H2O distillato. |
| CsCl d=1,3 | 20,49 g in 50 mL TN |
| CsCl d=1,4 | 20,28 g in 50 mL TN |
| CsCl d=1,5 | 34,13 g in 50 mL TN |
| CsCl d=1,6 | 41,2 g in 50 mL di TN |
| Mezzo embrione E3 per embrione zebrafish | 1 L 1 di E3 (diluire lo stock 50X con H2O distillato) + 200 μl di 0,05% blu metile . Negozio presso RT. |
| Soluzione embrionale a medio stock E3 (50X) | 73,0 g NaCl, 3,15 g KCl , 9,15 g CaCl2 e 9,95 g MgSO4 in 5 L di H2O. Distillato Negozio presso RT. |
| Agar LB | 10 g/L di triptono, 5 g/L estratto di lievito, 5 g/L NaCl, 10 g/L di agar |
| Brodo LB | per 1L: 950 mL H2O, 10 g Triptono, 10 g NaCl, 5 g Estratto di lievito |
| Pbst | PBS 1X + Tritone X 1% |
| Soluzione fisiologica | 0,9% NaCl |
| Soluzione di blocco del materiale di blocco della pigmentazione 10X | 0,3 mg/mL di tiourea fenile (PTU) in polvere nel mezzo embrionale E3 per l'embrione zebrafish |
| Soluzione stock Pronase 5X | 5 mg/mL di pronasi in polvere in embrione E3 per embrione zebrafish |
| Buffer TN | 10 mM Tris HCl pH 8.0, 150 mM NaCl |
Tabella 1: Preparazione delle soluzioni.
| Nome genico | Sequenza primer |
| TNF-alfa Fw | 5'-TGCTTCACGCTCCATAAGACC-3' |
| TNFalpha Rev | 5'-CAAGCCACCTGAAGAAAGG-3' |
| IL1-beta Fw | 5'-TGGACTTCGCAGCACACAAAATG-3' |
| IL1-beta Rev | 5'-CGTTCACTTCACGCTCTTGGATG-3' |
| rpl8 Fw | 5'-CTCCGTCTTCAAAGCCCAT-3' |
| rpl8 Rev | 5'-TCCTTCACGATCCCCTTGAT-3' |
Tabella 2: Primer utilizzati per RT-qPCR.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Presentato qui è un protocollo per l'infezione da Pseudomonas aeruginosa e l'applicazione della terapia del fago negli embrioni di zebrafish della fibrosi cistica (CF).
Questo lavoro è stato supportato dalla Fondazione Italiana Fibrosi Cistica (FFC#22/2017; Associazione "Gli amici della Ritty" Casnigo e FFC#23/2019; Un respiro in più Onlus La Mano tesa Onlus).
| Bacto Agar | BD | 214010 | |
| Cloruro di calcio | Sigma-Aldrich | 10043-52-4 | |
| CsCl | Sigma-Aldrich | 289329 | |
| soluzione salina tamponata con fosfato di Dulbecco PBS | Sigma-Aldrich | D8537 | |
| Etile 3-amminobenzoato metansolfonato | Sigma-Aldrich | 886-86-2 | nome comune tricaina |
| Micromanipolatore Femtojet | Eppendorf | 5247 | |
| Fleming/marrone P-97 | Sutter Instrument Company | P-97 | |
| LE-Agarosio | Sigma-Aldrich | 11685660001 | |
| Agarosio a basso punto di fusione | Sigma-Aldrich | CAS 9012-36-6 | |
| Solfato di magnesio | Sigma-Aldrich | 7487-88-9 | |
| Blu | metilicoSigma-Aldrich | 28983-56-4 | |
| Aghi per microiniezione | Apparecchio | di Harvard | |
| N-Phenylthiourea >=98% | Aldrich-P7629 | 103-85-5 | |
| Oligo Morpholino | Gene Strumenti | progettati dal ricercatore | |
| PEG6000 | Calbiochem | 528877 | |
| Soluzione di rosso fenolo | Sigma-Aldrich | CAS 143-74-B | |
| Cloruro di potassio | Sigma-Aldrich | 7447-40-7 | |
| Pronasi | Sigma-Aldrich | 9036-06-0 | |
| Reagente ACS cloruro di sodio, ≥ 99.0% | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| Stereomicroscopio | Leica | S9I | |
| Tris HCl | Sigma-Aldrich | T5941 | |
| Triton X | Sigma-Aldrich | T9284 | |
| Triptone | Ossoide | LP0042B | |
| Estratto di lievito | Ossoide | LP0021B | |
| Z-MOLDS Microiniezione | Word Strumenti di | precisione |