バイオフィルム内の3つの細胞および細胞外成分の同時定量と比較のためのプロトコルが提示されます。この方法論には、共焦点レーザー走査型顕微鏡、バイオフィルム構造解析および視覚化ソフトウェア、および統計解析ソフトウェアの使用が含まれます。
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バイオフィルム内の3つの細胞および細胞外成分の同時定量と比較のためのプロトコルが提示されます。この方法論には、共焦点レーザー走査型顕微鏡、バイオフィルム構造解析および視覚化ソフトウェア、および統計解析ソフトウェアの使用が含まれます。
共焦点レーザー走査型顕微鏡(CLSM)は、バイオフィルムの調査のための強力なツールです。バイオフィルム内の2つ以上の成分の同時分布を定量化することに成功した研究はほとんどありません。その理由は、1)スペクトルの重複が最小限に抑えられる蛍光色素の選択が複雑であること、2)複数の蛍光色素の定量化が多因子の問題を引き起こすためです。目標:関連する基質上に成長したバイオフィルムの3つの細胞/細胞外成分の同時3次元分布を定量化および比較する方法論を報告します。メソッド:この方法は、バイオフィルムの成長、染色、CLSMイメージング、バイオフィルムの構造解析と可視化、構造パラメータの統計解析など、相互に関連し合った明確なステップで構成されています。Streptococcus mutans(UA159株)のバイオフィルムを、Point 4およびTPH3樹脂複合材料の無菌標本上で48時間増殖させた。その後、標本をBiotène PBF(BIO)またはListerine Total Care(LTO)のうがい薬、または水(対照群;n = 5 /グループ)のいずれかに60秒間浸しました。バイオフィルムは、CLSMでイメージングする前に、細胞外高分子物質、タンパク質、および核酸について蛍光色素で染色しました。ISA3D画像解析ソフトウェアを使用して計算されたバイオフィルム構造パラメータは、バイオボリュームと平均バイオフィルム厚さでした。混合モデルの統計解析により、マウスウォッシュ群と対照群の構造パラメータを比較した(SASソフトウェア;α=0.05)。Volocityソフトウェアにより、オーバーレイされたバイオフィルムコンポーネント(蛍光色素)の3D分布を視覚化することができました。 業績:マウスウォッシュBIOは、両方の樹脂複合材料で対照(p<0.05)と有意に異なるバイオフィルム構造を生成しましたが、LTOはどちらの製品でも差(p>0.05)を生じませんでした。結論:この方法論は、関連する基質上のS.ミュータンスバイオフィルム内の3つの主要成分の同時3D分布を効率的かつ成功裏に定量化および比較し、バイオフィルム成分の同時評価に対する2つの課題を克服しました。この方法は、うがい薬を使用して示されるように、複数のバイオフィルム成分に対する抗菌剤/防汚剤の有効性を判断するためにも使用できます。さらに、この方法は、さまざまな分野でバイオフィルムの3D構造/アーキテクチャの比較を容易にするため、幅広い用途があります。
バイオフィルムは、自己生成した細胞外マトリックスにカプセル化され、生物学的または不活性な表面1に付着した構造化された微生物群集です。バイオフィルムは、多くの細菌に共通する生活様式であり、自由浮遊(プランクトン性)細胞から複雑な多種群集へと段階的に移行することで形成されます。バイオフィルムの抗菌剤に対する固有の耐性は、経口バイオフィルム(歯垢)で示されているように、多くの持続性および慢性の細菌感染症の根源にあります1,2。ミュータンス連鎖球菌などの齲蝕原性微生物は、ショ糖やその他の炭水化物を処理して細胞外マトリックスを生成し、歯の構造を脱灰して虫歯を引き起こす可能性のある酸を生成します。ほとんどのバイオフィルムマトリックスは、エキソ多糖類(EPS)、タンパク質、核酸などの細胞および細胞外成分からなる生体高分子です3,4。
蛍光イメージングに最も広く使用されている技術である共焦点レーザー走査型顕微鏡(CLSM)は、固定せずに水和した生物学的構造の3D画像を収集する能力を備えているため、生物学における光学イメージングを根本的に変えました5,6,7。この非破壊技術では、標本上の関心領域内の薄い切片の画像を、焦点が合っていない光の寄与が取り除かれるように収集します。CLSMで撮影された画像の品質と解像度は、広視野蛍光顕微鏡で達成可能なものを超えています。CLSMの大きな欠点の1つは、画像全体が同時に収集される広視野顕微鏡技術よりも画像のスキャンが遅いことです5。しかし、蛍光色素、レーザー、フィルターの選択肢が広がるにつれ、CLSMはマルチスペクトルイメージングの主流の手法の1つになりました5,7。
以前の研究では、CLSMは、バイオフィルム内、特に細胞外マトリックス内のEPSと細胞の分布をよりよく理解するために、1つまたは2つの蛍光タグまたは染色剤を使用してバイオフィルムの構造または構造を調べるための有用なツールであることが示されています7,8。理論的には、バイオフィルム内の細胞および細胞外成分の詳細な構造と共局在を探索するためには、複数の成分の蛍光染色/標識が望ましいとされています。しかし、バイオフィルム内のさまざまな成分の同時分析は、1)スペクトルのオーバーラップが最小限に抑えられる蛍光色素の選択が複雑であること、2)複数の蛍光色素の定量化が多因子の問題を引き起こすことなどから、困難な場合があります。複数の蛍光色素を用いた共局在化では、2つの蛍光色素のスペクトルピークが大きく重なり、一方が他方の蛍光色素9よりも強く励起されるブリードスルー効果を回避するために、スペクトル干渉を最小限に抑えた特異性の高い染色剤を使用する必要があります。理想的には、励起スペクトルが重なっていない蛍光色素が最良の結果を提供しますが、この基準を満たす染色を見つけることは非常に困難です。その代わり、蛍光スペクトルの重なりが最小の蛍光色素を選択することにより、染色物の選択が最適化され、限られた観察波長帯9内で染色物を1つずつ観察することができる。
蛍光画像の重ね合わせは、蛍光色素の同時分布を評価するためにおそらく最も広く使用されている方法です。さまざまなコンポーネントの共局在は、検査対象の蛍光色素10によって作成された複数のチャネルを通じて、異なる色の重なりとして現れます。マルチチャンネル蛍光画像をマージカラー画像として表示するためのツールは、ほとんどのCLSMソフトウェアと生物学的画像解析ソフトウェアで利用できます。画像の重ね合わせは、共局在の空間評価には有用ですが、画像は視覚的分析によってのみ定性的に調べることができます。これらの表現は一般に、異なる実験条件下での共局在を定量化するのに役立たず、また、共局在がランダムな偶然性11を超えるかどうかを決定するため、これは限られた量の情報を提供する。バイオフィルムやバイオフィルム成分の3次元構造を定量的に解析した研究はこれまでほとんどなく、抗菌処理や防汚対策がバイオフィルム成分に及ぼす影響を定量化した研究はさらに少ないのが現状です。
この研究の目的は、バイオフィルムの3つの細胞および細胞外成分の同時3次元分布の定量化と比較の方法論を報告することでした。この方法は、バイオフィルムの成長、染色、バイオフィルムのCLSMイメージング、バイオフィルムの構造分析と視覚化、および構造パラメータの統計分析を含む、明確でありながら相互接続されたステップで構成されています。バイオフィルム成長アッセイは、関連する基質上でのバイオフィルム成長を可能にし、再現性のあるバイオフィルム構造を生成します。EPS、タンパク質、核酸成分の新規同時染色と3Dバイオフィルム構造パラメータの測定を組み合わせることで、バイオフィルム内の成分の分布を定量化することができます。バイオフィルムの構造パラメータの統計的分析は、次のセクションで説明するように、特定の実験条件(例えば、うがい薬による処理後)でのバイオフィルムの評価を容易にします。
1. 培地と試薬の調製
2. 試料作製
3. バイオフィルムの成長
4. 抗菌・うがい薬
5. 染色
6. 共焦点レーザー走査型顕微鏡によるイメージング

7. バイオフィルム構造解析
8. バイオフィルム構造の可視化
9. 統計分析
治療(うがい薬)と未治療の対照群の代表的な結果を表2、図1、図2に示します。表2は、ISA3Dソフトウェアを使用して計算されたバイオフィルム構造パラメータのバイオボリューム(μm3)と平均バイオフィルムの厚さ(μm)の平均値と標準偏差の値を示しています。マウスウォッシュで処理したバイオフィルムの構造パラメータが対照群のバイオフィルムの構造パラメータ(p<0.05)と有意に異なる場合、平均値と標準偏差の値は赤で強調表示されています。混合モデルの統計解析の結果、マウスウォッシュBIOは、両レジンコンポジットの対照群(p<0.05)と有意に異なるバイオフィルム構造を産生したのに対し、マウスウォッシュLTOは、いずれのレジンコンポジットでも有意差(p>0.05)を生じさせなかったことが示された。その結果、2回のうがい薬治療後に残った細胞内バイオフィルム成分と細胞外バイオフィルム成分が異なることが明確に示されました。また、2つの基板(PFおよびTP)上に成長したS.ミュータンスバイオフィルムは、同様の条件下で成長させ、両方の基板を同様の研磨剤で研磨したにもかかわらず、3D構造が異なっていたことにも留意すべきである。
バイオフィルム内のEPS、タンパク質、核酸の同時分布は、Volocityソフトウェアを使用して生成された3D再構成によって視覚化できます。図1および図2は、それぞれPFおよびTP樹脂複合材料上に成長した対照群バイオフィルムの代表的な再構成を示しています。青色の染色はS.ミュータンスのバイオフィルム内のEPSを表し、緑色の染色は核酸を示し、赤色の染色はタンパク質を示しています。介在する空間は、水または他の非蛍光標識バイオフィルム成分によって占められてもよい。

図 1. 対照群のPF樹脂複合材料上に成長したS.ミュータンスバイオフィルムの代表的な3D再構成(うがい薬で処理していない)。1つのバイオフィルム内で3つの染色を同時に重ね合わせることで、S. mutansバイオフィルム内のEPS(青色染色)、核酸(緑色染色)、およびタンパク質(赤色染色)成分を同時に可視化することができます。(1ユニット=24μm)。 大きな図を見るにはここをクリックしてください。

図 2. 対照群のTP樹脂複合材料上に成長したS.ミュータンスバイオフィルムの代表的な3D再構成(うがい薬で処理されていない)。1つのバイオフィルム内で3つの染色を同時に重ね合わせることで、S. mutansバイオフィルム内のEPS(青色染色)、核酸(緑色染色)、およびタンパク質(赤色染色)成分を同時に可視化することができます。(1ユニット=24μm)。 ここをクリックすると大きな図が表示されます。
| レジンコンポジット | ポイント4 | TPH3 | |||
| 含嗽薬 | コンポーネント | BV (μm3) | MT (μm) | BV (μm3) | MT (μm) |
| ビオテーヌPBF | 核酸 | 279,517±53,291 | 9.32±2.80 | 195,033±42,014 | 7.45±3.70 |
| EPSの | 344,902±56,386千 | 35.22±17.19 | 197,840±62,351 | 983±7月26日 | |
| タンパク質 | 298,796±62,868 | 54.21±21.65 | 216,033±66,654 | 24.33±39.64 | |
| リステリントータルケア | 核酸 | 355,707±110,444 | 26.45±14.21 | 273,296±47,323 | 13.43±2.89 |
| EPSの | 494,099±180,592 | 64.90±26.68 | 329,150±47,145 | 34.35±30.32 | |
| タンパク質 | 348,416±161,316 | 58円68±47銭28 | 303,150±54,705 | 34.18±41.46 | |
| コントロール(未処理) | 核酸 | 388,375±42,152の | 51.15±40.66 | 327,809±39,400 | 17±1月65 |
| EPSの | 660,448±173,197 | 91円37±74銭84分 | 363,850±67,612 | 7±28.33 | |
| タンパク質 | 517,274±119,475 | 127.96±73.84 | 353,161±56,518 | 21.17±4.41 | |
表 2.バイオボリューム(BV)の平均値と標準偏差の値、およびBIOまたはLTOで処理されたバイオフィルム、または未処理のまま放置されたバイオフィルムの平均バイオフィルムの厚さ(MT)(対照群)。マウスウォッシュで処理したバイオフィルムの構造パラメータが対照群のバイオフィルムの構造パラメータと有意に異なる場合(p<0.05)、平均値と標準偏差の値は赤で強調表示されています。
CLSM画像の取得は、バイオフィルムの定量化および共局在解析に必要な方法と形式で実行されなければならず、各画像のシグナル強度の分布がバイオフィルムスタック内の各蛍光色素の分布を確実に表現します。シグナル強度は、ノイズおよびバックグラウンド10,11と区別可能であり、基板からの自家蛍光の影響を受けず、使用された蛍光色素11間のスペクトル干渉によるブリードスルーが最小限でなければなりません。ノイズは蛍光顕微鏡11の避けられない制限であり、技術的またはロジスティックな理由により画質が制限される場合があります。スペクトルの重複が最小限に抑えられた蛍光色素の同定は、この方法の成功に不可欠ですが、複雑になる可能性があります。さらに、複数の蛍光色素の定量化は多因子の問題を引き起こします。したがって、バイオフィルムの構造内の2つ以上の成分の同時分布を定量化することに成功した研究がほとんどないことは驚くべきことではありません。
この研究の目的は、バイオフィルム内の3つの細胞および細胞外成分の同時3次元分布を定量化および比較するための、異なるが相互に関連するステップで構成される方法論を報告することでした。記載されているバイオフィルム成長アッセイは、 表1に報告された結果で示されているように、関連する基質上でのバイオフィルム成長を可能にし、再現性のあるバイオフィルム構造を生成します。EPS、タンパク質、核酸成分の新規同時染色と3Dバイオフィルム構造パラメータの測定の組み合わせにより、バイオフィルム内の成分の定量化可能な分布が得られます。バイオフィルム内のEPS、タンパク質、核酸の同時分布の定性的視覚分析は、各バイオフィルム内の重ねられた染色を再構築することによって可能です。ISA3Dソフトウェア12 には、バイオフィルムの3D構造の定量化を強化するために、気孔率やバイオフィルムの厚さなどの従来測定されたパラメータに加えて、フラクタル次元、均質性、バイオフィルム粗さ係数などのいくつかのユニークな構造パラメータが含まれています。バイオフィルム構造パラメータの統計分析により、抗菌/防汚効果(うがい薬による治療後など)または経時的(時間的効果)などの特定の実験条件下でのバイオフィルムの適切な比較が容易になります。
この方法論は、関連する基質上で増殖した S. mutans バイオフィルム内の 3 つの主要成分の同時 3D 分布を効率的かつ成功裏に定量化し、比較することで、バイオフィルム成分の同時評価に対する 2 つの課題を克服しました。この方法は、この研究でうがい薬を使用して示されているように、複数のバイオフィルム成分に対する抗菌処理または防汚対策の有効性を判断するためにも使用できます。さらに、上記のプロトコルの大部分は、関連する基質の作製および関連微生物のバイオフィルム成長アッセイのためのプロトコルに置き換えることができます。したがって、この方法は、医学、歯科、地質学、海洋科学を含むさまざまな分野における in vitro および in vivo バイオフィルムの 3D 構造/構造の比較を容易にするため、幅広い用途があります。
著者らは、競合する金銭的利益はないと宣言している。この記事への制作と無料アクセスは、ライカマイクロシステムズが後援しています。
この研究の資金は、国立衛生研究所/NIDCR助成金1R15DE019566-01A1によって提供されました。 Dr. Jim Henthorn (OUHSC Flow and Image Cytometry Laboratory) は、共焦点レーザー走査型顕微鏡の技術支援を提供したことで知られています。フェルナンド・エステバン・フローレス博士(歯科材料学科)は、このビデオの撮影中に技術支援を提供してくれたことで知られています。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| バクト寒天 | ベクトン、ディキンソンアンドカンパニー | 214010 | |
| バクトトッドヒューイットブロス | ベクトン、ディキンソンアンドカンパニー | 249240 | |
| 酵母エキス、粒状 | EMDミリポア | 1.03753.0500 | |
| バクトトリプトン | ベクトン、ディキンソンアンドカンパニー | 211705 | |
| OmniPurショ糖 | EMDミリポア | 8510 | |
| 塩化カリウム、ACS試薬、99.0-100.5% | Sigma-Aldrich | P3911-500G | |
| リン酸カリウム、一塩基性、≥99.0%、ACS試薬 | Sigma-Aldrich | P0662-500G | |
| 塩化ナトリウム | Sigma-Aldrich | S9888-500G | |
| リン酸ナトリウム、一塩基性、一水和 | 物 EMD Millipore | SX0710-1 | |
| トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン、99.8+%, ACS試薬 | Sigma-Aldrich | 252859-500G | |
| Concanavalin A、Alexa Fluor 647 Conjugate | Invitrogen | C21421 | |
| Syto 9 | Invitrogen | S34854 | |
| Sypro Red | Invitrogen | S12012 または S6653 | |
| Biotène PBFオーラルリンス | グラクソ・スミスクライン | N / A | |
| リステリントータルケア | マクニール-PPC株式会社 | 該当なし |
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