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Research Article
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
この研究は、抗生物質により、皮膚や腸のmicrobiomeコミュニティ組成の変化を以下のモデル魚のホストへの影響を明らかにするためのメソッドが含まれます。
医学における抗生物質の使用の共通性は、宿主に対する結果を理解することが重要であることを意味します。抗生物質は、宿主のマイクロバイオームコミュニティの多様性を低下させ、微生物コミュニティの構成を変化させることがよくあります。抗生物質関連腸炎、炎症性腸疾患、代謝障害などの多くの疾患は、微生物叢の破壊に関連しています。宿主、マイクロバイオーム、抗生物質の複雑な相互作用には、宿主とマイクロバイオームの相互作用を研究するための扱いやすいモデルが必要です。私たちの淡水脊椎動物の魚は、粘膜マイクロバイオームの構造と機能の普遍的な側面を調査し、微生物群集の変化による宿主の影響を分析するための有用なモデルとして機能します。方法には、既知の魚病原体による感染、糞便または土壌微生物への曝露、浸透圧ストレス、硝酸塩毒性、成長分析、腸の運動性の測定などの宿主の課題が含まれます。これらの技術は、宿主の表現型を迅速に決定するための柔軟で有用なモデルシステムを実証しています。
抗生物質が微生物群集の不均衡を意味し、腸内毒素症につながる人間microbiomeを混乱させることができることが確立されています。抗生物質治療後の細菌叢の組成の変化は、特に腸管1、2に、地域社会の多様性を下げる主要メンバーを削減し、地域社会の代謝を変化させることが示されています。腸microbiomeの抗生物質の乱れがクロストリジウム・ディフィシレ 3,4及びサルモネラ 5にコロニー形成抵抗を低減することができます。
さらに、微生物の破壊は、多くの症候群およびヒトにおける疾患の発症に関連している( 例えば、抗生物質に関連する腸炎、炎症性腸疾患、代謝障害、 など )。抗生物質も広くにおける成長促進剤として農業に実装されています家畜や家禽の生産6。これらの強力なツールの使用方法は、抗生物質耐性の急速な上昇に明らかである、担保の効果がないわけではないだけでなく、破壊されたmicrobiomeの効果は、その生息ホストとされています。多くの研究は、広域スペクトル抗生物質の使用量は細菌叢の構造と機能に長期的な影響を持っていることが示されている、まだ抗生物質破壊microbiome影響を与えるホスト生理学から副作用がサポートされるには至っていない唯一の憶測です。
ホスト、微生物、および抗生物質間の相互作用ははるかに簡潔な方法で理解されているからです。したがって、簡単かつより扱いやすいモデルは、非常に複雑な哺乳動物系に光を流すことが有利です。腸を含むヒトで粘膜表面も、最高密度や微生物の多様性、および最も親密な微生物宿主相互作用を抱きます。魚の粘膜皮膚microbiomeがsを提供していますモデル系としてeveral利点。 真骨類 (硬骨魚)は、硬骨魚類は、先天性および共生細菌群集7との関係共進化してきた免疫系を獲得したの両方を持っていることを意味する脊椎動物の中に発散する最古の系統の一つです。魚皮共有生理機能、免疫コンポーネント、および粘液産生細胞8の配置のような哺乳動物の1型粘膜表面と多くの特徴。魚皮粘膜表面の外部の場所は、実験的に操作が容易とサンプルmicrobiomeを提供しています。
西カダヤシ、 カダヤシのアフィニス(G. アフィニス)は 、交配および毒物学9、10、11を研究するために過去に使用されてきたモデルの魚です。外来種として野生の小さなサイズ、人口豊かさを考えると、メートル inimalケアコスト、および丈夫な性質は、我々は、粘膜microbiomeモデルとしてG.アフィニスを開発しました。さらに、 カダヤシは、魚種では珍しいです胎生哺乳類、若い生きるために出産の生理を共有しています。私たちは、 カダヤシ 12とプロファイリング16Sを使用して、魚の皮膚の正常細菌叢の時点で最も広範な研究を完了しました。さらなる研究は、皮膚や腸の微生物叢の破壊広域スペクトル13抗生物質を使用して、次のホスト上の3つの負の効果を実証しました。
ファイブ異なる効果は、抗生物質曝露後の魚で調べました。 microbiomeの最もよく確立されたホストの利点は、病原体の競合的排除です。魚の病原体エドワードictaluriは、市販のナマズの農場14で腸溶性敗血症の発生を引き起こすことが知られています。 E. ictaluriはまた、致死的にゼブラフィッシュに感染することが示されていますクラス= "外部参照"> 15、16、 カダヤシ 17。水柱からこの病原体でのチャレンジは、除外の尺度として役立つことができます。個々の病原体に対する感受性と比較するように、混合した有機体の高密度化への暴露時に生存も行いました。糞便や有機物に富む土壌は微生物群集のよく遭遇源として使用しました。
細菌性腸コミュニティが行うもう一つの確立された役割は、このように、ホストの全体的な栄養摂取に影響を与える、栄養処理とエネルギーの収穫です。栄養の肉眼的測定としては、魚の体重は標準食を与えたことの1ヶ月前後で比較しました。平均的に制御魚は月の上に体重が増えた一方で、平均のような抗生物質で処理した魚は重量を失いました。体重増加の欠如のためのメカニズムは不明です。一つの可能性のある要因には、腸内の食物の通過時間です。 GIモティリティメソッドは通過時間を決定するためにゼブラフィッシュ(アダム・リッチ、SUNYブロックポート、私信)から適合させました。抗生物質処理した魚は、変更された通過時間を有する場合には、まだ決定されていません。
すべての生物が自然環境の中で経験した共通の課題、特に魚は、浸透圧ストレスです。 カダヤシは急性塩分18の高濃度で強調したときに迅速に対応することが示されています。驚くべきことに、展示抗生物質に変化したmicrobiomeと魚は高い塩ストレスに生存率を低下させました。この小説の表現型のメカニズムは調査中です。特に水槽内の水生動物、上の別の一般的なストレスは、有毒な窒素の形態(アンモニア、硝酸、亜硝酸)です。硝酸塩に対する生存率は、抗生物質処置群および対照魚の間で有意差はなかったです。この原稿に提示される方法は、 カダヤシや、ゼブラと同様の魚のモデル生物で使用することができます魚やメダカは、実験操作以下の魚における表現型を測定します。
全ての動物実験は、IACUCプロトコルの承認の下で行われ、14-05-05-1018-3-01 13-04-29-1018-3-01、および14-04-17-1018-3-01の番号を付けました。
1.動物コレクション、取り扱い、および倫理的ケア
すべての実験のため2.初期抗生物質暴露
3. Microbiome抽出
特定病原体の4感染モデルの準備とバース
糞便&土壌5.複数菌チャレンジ
6.浸透圧ストレスチャレンジ
7.硝酸塩毒性チャレンジ
個別またはグループ化された魚の8成長解析
9.ガットトランジットタイム
抗生物質曝露13から魚ホストの影響を研究するために用いた実験装置の全体概略図を図1Aに表され、魚の皮膚( 図1B)および腸( 図1C)microbiomesを抽出するための技術を含みます。以前のデータは、総皮膚培養可能数は、早期治療で低下している間、それは3日後に治療前のレベルに戻っていることが明らかになったので、三日は、露光の抗生物質の期間に選ばれました。一方、コミュニティの組成物は、16Sプロファイリングによって決定されるように、強く変更されています。そのため、3日の期間は、ほぼ同じ密度の変化したコミュニティからの影響を分析するために最適であるべきです。種の数を省略することが、寒天プレート上のコロニー数を使用して、その文化の分析に注意してください。皮膚microbiome分散法の効率は( 図1B 5 CFU / gの魚の重量)と同じサスペンション手順にかけ、いくつかの魚からのコロニー数に対する第2の時間(任意の残りを定量化する-栄>)は、通常、10 4の範囲で懸濁緩衝液(からプレート上のコロニー数を比較することによって分析しました。細菌)。この第二の懸濁液からのカウントは懸濁法は、(未発表)が有効である示唆、100 CFU / gより低かったです。
抗生物質に変化したmicrobiomeと魚は対照魚( 図2)よりもE. ictaluri感染に対してより感受性であるように思われました。コントロール魚のための処理魚と98.5±48時間56.1±15時間の死亡までの平均時間の差は(両側スチューデントt検定、p = 0.12)統計的に有意ではなかったです。これは、小さなグループサイズ(処理されたN = 6、制御のn = 5)に起因する可能性が高いです。少なくともダースのグループのサイズは、したがって、推奨されています。この感染モデルの利点は、Bであります感染症や食物摂取の追跡のための針を必要としないATHプロトコル。 E. ictaluriは自然に水柱からナマズに侵入します。 大腸菌ictaluriは、このように不十分なヒトへの感染温度に敏感であり、かつので安全性が高いです。他の研究は、Gアフィニスでの死亡までの時間は、細菌の初期投与量と相関することを明らかにしました。 27℃のインキュベーション温度は、細菌と魚の両方に最適として選択しました。
治療または制御の魚は、混合微生物の高いカウントで汚染された水の生存率に有意差を持っていませんでした。死亡は、制御のために4日間にわたって観察されなかった(N = 8)または土壌を微生物源として使用した(n = 9)魚処理しました。いくつかの死亡率は、微生物( 表1)の供給源としてのヒトの糞便では発生しなかったが、抗生物質治療には差は行われません。 50% - APW中の糞の濃度は20 mg / mlで、40になったとき魚で死亡しました。しかし、溶存酸素濃度は、このように低酸素状態が解釈を混乱、(バケツや水槽で> 80%と比較して)わずか10%でした。 16または10mg / mLのより低いレベルを用いた場合、生存率は、(両側フィッシャーの正確確率検定、p =群間の差のために0.95以上)一致しました。これら2つの試験における溶存酸素レベルは、上記の65%またはありました。 カダヤシは、低品質の水に住むことができる非常に丈夫な外来種です。汚染された水の攻撃に対し、他の種の生存を測定するために、天然の微生物の暴露のこれらのアッセイを使用することを興味深いものになるだろう。必要がある水質(溶存O 2、硝酸塩、塩分など )が、特定の環境のサイト、富栄養化に供特に、同様のアッセイで使用することができるからの水のサンプルは、潜在的交絡因子として、決定されます。
魚の電子リファンピシンへxposedは対照魚( 図3)よりも浸透圧ストレスに対してより感受性でした。高められた塩分でチャレンジした場合に、ログランク検定は、(両方の群についてはn = 9、コントロール群と処置群で88%の死亡における43%の死亡)の生存率に有意な差(p = 0.049)で観察しました。このアッセイの結果は、淡水20で24時間でG.アフィニスでのNaClのためのLC 50として18.1 mg / mlとの決意で合意しました。魚の出品物はえらの周りに発赤が含まれており、水泳の動きを減少させたことを生理食塩水ストレスのサイン。このアッセイでは、塩分濃度が18mg以上が/ mLでは、急速な魚の死をもたらしました。
水柱内毒素硝酸にさらされたときに、抗生物質への暴露前には生存率( 表2)には影響しませんでした。各試験のために、死は急性およびより多くの慢性影響を表す、両方の短期および長期の時点で記録しました。濃度10ミリグラム/ mlのは、それが48時間21で淡水でG.アフィニスためのLD 50であることに基づいて選択しました。このアッセイの結果は、90時間後の両方の処置群および対照群の50%致死で、このLD 50値と一致しました。硝酸塩の高い挑戦(17.5ミリグラム/ mL)を、より迅速な死に至る、検討しました。再び治療群に差はありませんでした。亜硝酸塩は48時間22で0.0015 mg / mlでのLD 50と、G.アフィニスに硝酸よりも劇的により毒性です。分析プロファイルインデックスシステム(未発表)を使用して、コミュニティの生化学的分析は、魚の皮膚微生物叢が硝酸塩を減少させる可能性を有することを示しています。しかし、両試験中APW中の亜硝酸塩レベルは検出限界(0.001ミリグラム/ mL)を下回ったまま。この課題方法は、任意の小さな可溶性の化学物質と一緒に使用することができます。
カップや摂食トンで個別とき彼は月の各魚に同じ量が、傾向は統計学的に有意差なし、体重ならびに対照魚を取得しないように、抗生物質で処理した魚のために観察された(データは示さず)。個別のストレスを回避するために、魚は1月のバケットで処理および未処理魚のグループとして一緒に飼育し、食料の一致した量を与えられました。このセットアップの制限は、魚が個別に同じ食べ物を受信できない場合があることです。しかし、グループモデルでは、平均獲得量( 表3)に平均失われた重量とコントロール魚で魚を処理しました。魚が消費された食物の量は、従来の抗生物質の曝露によって影響されていないようでしたので、食欲抑制、体重増加の欠如のための可能性は低い候補説明です。多数の他の要因は、腸の炎症の変化、粘液産生のレベルは、腸の透過性、および/または腸運動性を含めて、貢献できます。このアッセイの主な利点はnutriti測定しますonal効果は、簡単です。それは安価であり、かつ唯一の計装などの実験のバランスが必要です。メカニズムを決定するために、他の関係する実験につながる、効果をスクリーニングするのに適しています。
魚の体重増加に関連する検討する一例としての要因は、運動性腸に関係する食品の通過時間です。 FITC標識デキストランは、糊化食品に組み込まれ、魚に非致死であることができます。時間をかけて周囲の水で蛍光を測定することは、FITC-デキストランが腸を通過しているどのくらいの速の測定値を提供します。バックグラウンドを超える蛍光は、16時間後に給餌( 図4)の後に到達した最大で、できるだけ早く2時間として検出することができます。この結果は、水族館からの制御魚です。抗生物質で処理した魚からの信頼性の高い結果がまだ得られていません。この手順の1つの制限は、魚が餌を食べるようにするために2次元の飢餓期間が必要とされることです。 ADV 2セクションが食べているときにデータの一貫性であるが、魚を食べる唯一の食品部は、結果を与えることができるようなプロトコルのアンテージは、高感度(低バックグラウンド蛍光)です。このプロトコルは、マウス23のために類似しており、致命的な方法よりもより複雑です。

図1:一般的な実験プロトコルの概略概要。 Aに示すフローチャートで、魚は、水槽タンクから転送された抗生物質で処理した(赤い水で表される)または対照(青)のグループに分け、その後表現型を追跡するために、個々のカップに入れ、左から右へ。 B及びCは、魚の皮膚および腸microbiomesを抽出する処理を示しています。ボルテックス後、細菌が微生物群集の分析のために溶液中に懸濁されます。55170 / 55170fig1large.jpg "ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2:病原体に対する感受性。魚のためのE. ictaluriへの暴露リファンピシン(赤線)または未処理対照群(黒線)の魚で前処理時の生存曲線。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3:浸透圧ストレスに対する感受性。抗生物質処理および未処理群の両方での魚のための高塩分への露光中の生存曲線。 PLEASEこの図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4:食品トランジットタイム。二匹の魚から水中での経時的な蛍光は、FITCデキストランを供給しました。魚Aは2ゼラチン食品のセクションを食べ、魚Bが1を食べました。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

表1:ハイ微生物環境に対する感受性。人間の糞便への曝露は、3つの異なる濃度で評価しました。 xの死亡率は:yは実験群yの魚の総数と比較してのx、指示時点での魚の死者の合計数を示しています。

表3:成長解析。抗生物質または対照治療後の1ヶ月後の総体重の変化。最終的な平均体重と比較して(すなわち試験群における魚)の初期平均体重のパーセント差は、カラムΔweightあります。 Nは、そのグループ内の魚の数です。裁判の終わりに魚当たりの平均重量は、低体重/魚です。
著者らは開示するものは何もない。
この研究は、抗生物質により、皮膚や腸のmicrobiomeコミュニティ組成の変化を以下のモデル魚のホストへの影響を明らかにするためのメソッドが含まれます。
| リファンピシン | カルバイオケム | 557303-1GM | |
| 硝酸ナトリウム | シグマ アルドリッチ | S5506 | |
| フルオレセイン標識 70 kDa 陰イオン性デキストラン | サーモフィッシャーサイエンティフィック | D1823 | |
| リン酸緩衝生理食塩水 (PBS) 錠剤 | カルバイオケム | 6500-OP | 錠剤を水に溶かして PBS を作り |