Il protocollo presentato descrive una procedura per quantificare le cellule vitali ma non coltivabili (VBNC) in colture batteriche trattate con miele di Manuka.
Articolo metodologico
Il protocollo presentato descrive una procedura per quantificare le cellule vitali ma non coltivabili (VBNC) in colture batteriche trattate con miele di Manuka.
La resistenza agli antibiotici e la tolleranza tra i batteri rappresentano una minaccia significativa per la salute globale. I meccanismi che contribuiscono alla resistenza e alla tolleranza agli antibiotici includono mutazioni genetiche e l'acquisizione di geni di resistenza e la transizione rispettivamente a stati vitali ma non coltivabili (VBNC) e ad altri stati di dormienza. Sebbene geneticamente identiche alle loro controparti non tolleranti agli antibiotici, le cellule VBNC eludono gli effetti degli antibiotici rimanendo metabolicamente inattive. Gli antibiotici sono efficaci solo quando i loro processi bersaglio, come la replicazione o la trascrizione del DNA, sono attivi. Poiché i fattori di stress ambientale, in particolare gli antibiotici, possono portare i batteri in dormienza, sono necessari antimicrobici alternativi per ridurre al minimo o prevenire questa risposta. L'antimicrobico Miele di Manuka (MH) è efficace contro molti batteri, con un raro sviluppo di resistenza. I suoi molteplici meccanismi antimicrobici lo rendono un agente prezioso per il trattamento delle infezioni batteriche. Questa ricerca ha studiato la recalcitranza dell'MH allo sviluppo della resistenza agli antibiotici testando l'ipotesi che l'MH induca meno cellule VBNC rispetto agli antibiotici convenzionali. Per indagare su questo, è stato sviluppato un protocollo per trattare i batteri patogeni Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa con concentrazioni inibitorie minime di MH o gli antibiotici convenzionali tobramicina o meropenem, che hanno poi utilizzato la conta delle piastre vitali per identificare le cellule coltivabili metabolicamente attive e la colorazione viva/morta per identificare tutte le cellule vitali. Il numero di cellule VBNC è uguale al numero di cellule vitali meno il numero di cellule coltivabili. In alcuni esperimenti, il numero di cellule coltivabili era superiore al numero di cellule vitali, dando un numero negativo di cellule VBNC; pertanto, i numeri di cellule VBNC non sono stati confrontati direttamente. Invece, sono stati confrontati i numeri di cellule coltivabili e vitali per ciascun trattamento. Solo P. aeruginosa trattata con tobramicina aveva un numero significativamente inferiore di cellule coltivabili rispetto alle cellule vitali, indicando un numero più elevato di cellule VBNC. Questo protocollo è semplice e veloce e può essere utilizzato per valutare l'induzione MH di cellule VBNC in altri batteri patogeni.
I batteri in stato di dormienza vitale ma non coltivabile (VBNC) sopravvivono al trattamento antibiotico e causano malattie infettive ricorrenti e talvolta mortali 1,2,3. Più familiare a noi è la resistenza agli antibiotici, che si verifica attraverso un cambiamento genetico ereditario4. Il cambiamento genetico fornisce resistenza a un antibiotico specifico attraverso diversi meccanismi, tra cui la limitazione dell'assorbimento di un antibiotico, l'aumento dell'efflusso dell'antibiotico, la modifica del bersaglio antibiotico o l'inattivazione dell'antibiotico4. Al contrario, i batteri in stato di dormienza mostrano una tolleranza agli antibiotici più ampia e non ereditabile riducendo il loro metabolismo 2,3. Gli antibiotici mirano a specifici processi metabolici, tra cui la replicazione del DNA e la sintesi della parete cellulare, e sono inefficaci contro le cellule VBNC metabolicamente inattive4. Le cellule VBNC esistono stocasticamente in numero ridotto insieme ai loro fratelli geneticamente identici sensibili agli antibiotici nella maggior parte delle popolazioni batteriche5. Tuttavia, i fattori di stress ambientale, tra cui l'esposizione agli antibiotici, inducono le cellule batteriche sensibili a entrare nello stato VBNC tollerante agli antibiotici 3,6. Il trattamento antibiotico ucciderà le cellule sensibili agli antibiotici all'interno della popolazione, mentre le cellule VBNC dormienti rimangono. Come suggerisce il nome, le cellule VBNC non sono coltivabili su terreni adatti alla crescita dei loro fratelli metabolicamente attivi. Tuttavia, le loro membrane e il materiale genetico non sono danneggiati e possono riprodursi 7,8. Quando gli antibiotici vengono rimossi, sono necessari stimoli specifici come i nutrienti, la temperatura o i fattori dell'ospite per risvegliare le cellule VBNC dal loro stato di dormienza e ripristinare la crescita 3,9. Le cellule VBNC sono state documentate in molte specie batteriche patogene, tra cui P. aeruginosa e S. aureus, principali agenti eziologici delle infezioni delle ferite10,11.
Il miele è stato a lungo utilizzato in applicazioni mediche, compreso il trattamento delle ferite, grazie alle sue proprietà antibatteriche12. Il miele di Manuka (MH), derivato dai fiori del cespuglio di Manuka (Leptospermum scoparium), è stato notato per la sua attività battericida ad ampio spettro (recensito in 13,14,15). Uccide con successo la maggior parte dei batteri umani che causano infezioni testati, compresi ceppi batterici come lo Staphylococcus aureus resistente alla meticillina e l'enterococcus resistente alla vancomicina che mostrano una resistenza ereditaria agli antibiotici tradizionali16,17. Inoltre, la resistenza batterica indotta all'MH è rara, essendo rilevata solo nei biofilm di P. aeruginosa esposti al miele e nell'Escherichia coli coltivati in concentrazioni crescenti di un sottogruppo del miele testato 18,19,20,21. Ciò suggerisce che i meccanismi antimicrobici dell'MH sono distinti dagli antibiotici convenzionali e possono indurre meno o nessuna cellula VBNC. Questa ipotesi è stata testata determinando l'impatto dell'MH sulle popolazioni VBNC rispetto agli antibiotici convenzionali.
Le cellule VBNC devono essere distinte dai loro fratelli coltivabili metabolicamente attivi e dalle cellule morte. Le cellule coltivabili vengono contate utilizzando la tecnica del conteggio su piastra vitale, in cui le cellule vengono trasferite in terreni di coltura di routine e incubate per un periodo sufficiente a consentire divisioni cellulari sufficienti per produrre colonie osservabili. Sono stati sviluppati diversi metodi per distinguere le cellule VBNC dalle cellule morte in base alle loro membrane intatte e alla trascrizione a basso livello. L'assorbimento del substrato e del colorante fluorescente, combinato con la microscopia o la citometria a flusso, consente il conteggio diretto delle cellule mediante microscopia o citometria a flusso con un colore che indica membrane intatte22,23. I saggi di respirazione che richiedono la presenza della catena di trasporto degli elettroni in una membrana cellulare intatta sono stati utilizzati anche per distinguere tra cellule vitali e morte24. Sono stati inoltre sviluppati metodi di PCR quantitativa (qPCR) combinati con coloranti modificanti il DNA che impediscono l'amplificazione; solo il DNA proveniente da cellule vitali sarà amplificato poiché le membrane intatte escludono il colorante25. Sebbene le cellule VBNC siano dormienti, trascrivono ancora i geni a un livello basso, e questo può anche essere utilizzato per distinguerle dalle cellule morte utilizzando la PCR26 a trascrizione inversa.
In questo lavoro, è stato sviluppato un test per quantificare le cellule VBNC in due batteri patogeni che causano ferite, S. aureus e P. aeruginosa, trattati con MH. Descrive il trattamento dei batteri con MH e antibiotici convenzionali e l'uso della conta su piastra vitale e della colorazione viva/morta per rilevare cellule coltivabili e vitali. Questo protocollo semplice ed economico consentirà l'analisi della capacità dell'MH di indurre cellule VBNC resistenti agli antibiotici in molti patogeni batterici.
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Poiché P. aeruginosa (ATCC9721) e S. aureus (ATCC29213) sono classificati come agenti di Biosicurezza di Livello 2, i locali in cui viene condotto il lavoro devono avere un accesso limitato ed essere dotati di una cabina di biosicurezza per manipolazioni che potrebbero creare schizzi o aerosol, come l'agitazione e la centrifugazione di colture. In tutte le fasi di questo protocollo, indossare dispositivi di protezione individuale (DPI), tra cui camice da laboratorio, occhiali protettivi e guanti. Tutti i reagenti e le attrezzature utilizzate negli esperimenti sono elencati nella Tabella dei Materiali.
1. Preparazione di brodo sterile e terreni di coltura di agar
2. Recupero dei ceppi archiviati di Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa a partire da -80 °C (Giorno 1)
3. Preparazione di S. aureus e P. aeruginosa per il trattamento con il miele di Manuka (MH) e l'antibiotico (giorno 2)
4. Preparazione di MH e messa a punto di MH e trattamenti antibiotici di S. aureus e P. aeruginosa (T = 0) (Giorno 3)
5. Determinazione delle cellule coltivabili nei campioni utilizzando il metodo della conta su piastra vitale (giorni 3 - 5)
6. Determinazione delle cellule vitali nei campioni mediante colorazione viva/morta e microscopia a fluorescenza (giorno 3 o 4)
7. Determinazione del numero di cellule vitali ma non coltivabili (VBNC)
NOTA: Utilizzare il numero di cellule coltivabili ottenuto dalla conta su piastra vitale e il numero di cellule vitali ottenute dalla colorazione viva/morta per determinare il numero di VBNC.
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Le forme di vita batteriche vitali ma non coltivabili (VBNC) sono indotte da fattori di stress, incluso il trattamento antibiotico, e causano infezioni ricorrenti a causa della loro tolleranza agli antibiotici. Poiché l'MH è un antimicrobico ad ampio spettro a cui è stata raramente rilevata resistenza, è stato ipotizzato che l'MH inducesse meno VBNC rispetto agli antibiotici convenzionali. Il metodo qui descritto è stato utilizzato per quantificare le VBNC formate da due batteri che causano ferite, S. aureus e <...
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Il protocollo qui descritto consente il rilevamento di popolazioni cellulari VBNC in batteri che causano ferite trattati con concentrazioni inibitorie minime (MIC) di MH e antibiotici convenzionali. Le fasi critiche del protocollo includevano la preparazione delle diluizioni MH il giorno dell'esperimento, la prevenzione della perdita di campione durante la colorazione viva/morta e il calcolo corretto del volume analizzato. Per questo e altri studi, le MIC MH per S. aureus e ...
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Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.
Questo lavoro è stato finanziato da due sovvenzioni della Eastern Washington University, la Faculty Research and Creative Works Grant ad A.R.C e la Undergraduate Research & Creative Activities Grant a L.T.B. Bill e Connie Cross hanno donato fondi a EWU per l'acquisto del microscopio a fluorescenza invertita Leica DMIL con fotocamera digitale.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Mueller Hinton brodo | Fisher Bioreagents | B12322 | |
| Luria Bertani (LB) brodo | Fisher Bioreagents | BP142602 | |
| BD Difco Agar | Fisher Scientific | DF0812-07-1 | |
| cloruro di sodio | Sigma | S3014-500g | |
| meropenem | TargetMol | T0224 | |
| tobramicina | Selleck Chemicals | S2514 | |
| Staphylococcus aureus | ATCC | ATCC29213 | |
| Pseudomonas aeruginosa | Incubatore | ||
| Eppendorf | incubatore M13520000 | ||
| Benchmark Scientific | H2200-H | ||
| Manukaguard Manuka Honey | Amazon | NA | |
| DMIL microscopio a fluorescenza invertito | Leica Microsystems | 11521265 | |
| Fotocamera digitale | Leica Microsystems | 12730522 | |
| provette per falco da 15 mL | Genesee Scientific | 28-103 | |
| pipette sierologiche | Diagnocine | DP-LB0100005, DP-LB010010 | |
| Pipet Aid Pipettor | Drummond Scientific Company | 4-000-101 | |
| Bruciatore Bunsen | Fisher Scientific | S48108 | |
| Pipette Rainin | Pipette.com | bilancia L-20, L-200, L-1000 | |
| Mettler Toledo | XS603S | ||
| a 96 pozzetti | Falcon | 351172 | |
| ansa di inoculazione | Fisher Scientific | 13-104-5 | |
| isopropanolo | Fisher Scientific | BP2618-1 | |
| vetro divaricatore | in casa | NA | |
| Kit di colorazione per morti vivi per batteri | Invitrogen | L7012 | |
| Biologix Research Company | SKU 80-1500/P80-1500 | ||
| foglio di stagnola | Costco | NA | |
| Software per la creazione di figure | GraphPad | NA | GraphPad Prism è stato utilizzato per la creazione di figure e l'esecuzione di analisi statistiche. |
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