このプロトコルは、その中のハイブリダイゼーションおよび共焦点顕微鏡における16S rRNAによる患者生検における組織関連細菌の公平な検出のためのものです。
方法論記事
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このプロトコルは、その中のハイブリダイゼーションおよび共焦点顕微鏡における16S rRNAによる患者生検における組織関連細菌の公平な検出のためのものです。
宿主粘膜表面および組織との細菌の相互作用の可視化は、病因のメカニズムに関する貴重な洞察を提供することができる。感染の動物モデルにおける細菌病原体の可視化は、GFPなどの蛍光タンパク質を発現するように設計された細菌株に依存することができますが、ヒト患者から得られた生検または組織の粘膜内の細菌の可視化が必要です。公平な方法。ここでは、ヒト生検部における組織関連細菌の検出のための効率的な方法について説明する。この方法は、16S rRNA用の蛍光標識されたユニバーサルオリゴヌクレオチドプローブを用いたそのサイトハイブリダイゼーション(FISH)における蛍光を利用して、再発に苦しむ患者から得られた膀胱生検セクション内の組織関連細菌を標識する。尿路感染症。ユニバーサル16S rRNAプローブを用いることで、免疫蛍光実験による検出に必要となるリポ多糖類(LPS)などの種、属、または生化学的特性を事前に知らずに細菌を検出することができます。生検固定から共焦点顕微鏡によるイメージングまで、16S rRNA FISHの完全なプロトコルについて述べます。このプロトコルは、ほぼすべてのタイプの組織での使用に適応することができ、患者組織における臨床的に関連する細菌宿主相互作用の公平な視覚化のための強力なツールを表します。さらに、種または属特異的プローブを使用して、このプロトコルは、患者組織内の特定の細菌病原体の検出に適合させることができる。
尿道、膀胱、尿管、腎臓からなる尿路は、尿中微生物叢を含む細菌や、尿病原性大腸菌(UPEC)のような尿病原性大腸菌(UPEC)を消化管から常に曝露する。1,2.グリコサミノグリカンと表在細胞の表面に発現されるグリコシル化ウロプラキンタンパク質の不透過性プラークからなる水和粘液の層は、日常的に付着性による膀胱上皮の侵入から膀胱上皮を保護する障壁を形成する。細菌3、4.尿路感染症(UTI)の間、これらの障壁は乱されるか破壊され、尿路原性細菌5、6による膀胱上皮への付着および侵入を促進する。マウスモデルでの研究は、UPEC、クレブシエラ肺炎、および腸球菌を含む多くの泌尿器原性細菌が表在細胞の細胞質内で複製性細胞内コミュニティ(IBC)を形成できることを明らかにした。過渡性上皮細胞内の静止細胞内貯留部(QIR)7,8,9.UPECはヒトUTI患者からの上皮細胞内で同定されているが、ヒトにおけるウロパチオゲンと膀胱粘膜との相互作用は、以前に視覚化されていなかった10.
我々は、経閉後の患者から得られた膀胱生検の粘膜内の細菌を検出するために、一般的な技術である蛍光(FISH)を適応させ、高度な三角炎(CEFT)の電気フルグレーションを有する膀胱鏡検査を受けた患者から得られた細菌を検出した。抗生物質難治性再発UTI11の管理.16S rRNAのユニバーサルプローブを用いて、再発UTI患者の膀胱粘膜に関連する細菌種を客観的に検出し、膀胱壁12内での位置を決定することができた。ユニバーサル16S rRNAヌクレオチドプローブは、以前に細菌16S rRNA13の保存領域を標的として設計されており、これは大腸菌16s rRNAの位置388〜355に相当する。16S rRNAおよびスクランブルプローブ配列は、マウス消化管14,15で使用するために以前に検証され、公開されている。プローブのシーケンスとプロパティについては、表 1に示します。このプロトコルでは、16S rRNAプローブ用とスクランブルプローブ用の2つの順次セクションを使用することが不可欠であり、膀胱上皮、コラーゲンおよびエラスチンは自己蛍光を示す真のシグナルとバックグラウンドシグナルを区別することが不可欠です16.このプロトコルでは、16S rRNAおよびスクランブルプローブは、N-ヒドロキシクシニミド(NHS)エステルリンケージを介して3'および5'ターミニの両方で蛍光Alexa Fluor 488標識を使用して設計され、蛍光シグナルを増加させる。
このプロトコルは、ヒト膀胱生検セクションでの使用のために開発されたが、細菌が存在すると考えられている任意の組織からのパラフィン埋め込みセクションでの使用のために容易に適応することができる。細菌表面の特定の抗原(例えば、リポ多糖類)を標的とする免疫組織化学実験とは異なり、この方法は、組織関連細菌10、17によって発現される抗原の事前知識を必要としない.普遍的な16S rRNAの調査の使用はサンプル内のすべての細菌種の公平な検出を可能にするが、彼らの同一性の決定を可能にしない。検出された細菌、種または属特異的な16Sまたは23S rRNAプローブの同定を決定するために使用する必要があります。このプロトコルはまた、宿主組織に関連するカンディダ・アルビカンスなどの真菌病原体を検出しない。真菌病原体の検出のために、28Sまたは18S rRNAプローブは18を使用する必要があります。
研究プロトコルは、UTダラスおよびUTサウスウエスタン医療センターの機関バイオセーフティおよび化学安全委員会のガイドラインによって承認され、それに従いました。このプロトコルにおけるヒト被験者からの生検の使用は、UTダラスおよびUTサウスウエスタン医療センターの機関審査委員会のガイドラインによって承認され、それに従った。生検の収集と処理に関与するすべての個人は、現在のヒト被験者保護(HSP)とHIPPAトレーニングを持っています。
1. 固定およびパラフィン埋め込みのための組織製剤
注:生検は、再発性尿路感染症(rUTI)の高度な管理のための三価状炎の電気フルグレーションを有する膀細胞鏡検査を受けている女性の同意から採取された。rUTI は、12 か月の期間で 3 つの UTI として定義されます。生検回収は、UTSW IRBプロトコルSTU 0TU 082010-016に基づいてインフォームされた患者の同意を得た後、患者が麻酔下にある間に手術室で行われた。すべてのサンプルは、実験前にコード化され、識別解除されました。
2. ユニバーサル16S rRNAプローブを用した在分事ハイブリダイゼーションにおける蛍光
注:生検ごとに2枚のスライドが必要です。ユニバーサル16S rRNAプローブには1つのスライド、スクランブルシーケンスを持つ制御プローブには1つのスライドが必要です。膀胱上皮は複数のチャネルで自動蛍光であるため、顕微鏡検査中に真の信号とバックグラウンド信号を区別するために重要です。スクランブルプローブに加えて、取り付け前に0.1%スーダンブラックBでブロッキングは、組織20に内在するバックグラウンド自己蛍光を減少させる可能性がある。
3. 共焦点顕微鏡による16S rRNA FISHの可視化
注:このプロトコルのために、最良の結果は63xおよび100xの目的のレーザー走査の共焦点顕微鏡によって達成される。Hoechst、Alexa-488、およびAlexa-555蛍光の可視化のための適切なフィルタセットが必要です。ただし、共焦点顕微鏡が使用できない場合は、標準的な蛍光顕微鏡を使用できます。このプロトコルはレーザー走査共焦点顕微鏡用である。
このプロトコルは、パラフィン埋め込み膀胱生検セクションにおける膀胱粘膜に関連する細菌の公平な検出のために最適化されています。図1は、再発性尿路感染症の女性から得られた膀胱生検のセクションにこのプロトコルを用いた実験からの代表的な共焦点顕微鏡写真を示す。2つのシリアルセクションをユニバーサル16S rRNA(上パネル)またはスクランブル(下パネル)プローブとハイブリダイズしました。組織の同じ領域からの画像を撮影し、細菌(緑色)は、スクランブルプローブではなく16S rRNAプローブとハイブリダイズされた組織に明確に見える。図 2は、偽陽性の結果を表しています。自己蛍光コラーゲンまたはエラスチンに対応するシグナルは、16S rRNAおよびスクランブルプローブハイブリダイズ生検セクションの405および488チャネルで検出され、常にスクランブルプローブ制御を使用することの重要性を強調しています。
| プローブ | シーケンス | Tm | フルオロフォア | リンケージ |
| ユニバーサル 16S rRNA | 5'-GCTGCCTCc グタグガート-3' | 54.9 | アレクサ-488(5'と3') | NHS エステル |
| スクランブル | 5'-アクトコッグ ガグGC-3' | Na | アレクサ-488(5'と3') | NHS エステル |
表 1: FISH プローブシーケンスおよび特性。Tmは溶融温度を示し、NHSはN-ヒドロキシスチニミドの略語である。

図1:ヒト膀胱生検におけるユニバーサル16S rRNAおよびスクランブルプローブのFISHの代表的な共焦点顕微鏡写真。アクチンとムチンは赤色で標識され、細胞核は青色で、細菌は緑色で標識されています。組織関連細菌は、スクランブルではなく、16SrRNAプローブでのみ検出されます。63倍の倍率で撮影した画像。スケールバー = 20 μm.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:ヒト膀胱生検における偽陽性緑色自己蛍光の代表的な共焦点顕微鏡写真。アクチンおよびムチンは赤色で標識され、細胞核は青色で標識され、細胞外マトリックスの細菌および自己蛍光成分(例えば、コラーゲンおよびエラスチン)は緑色である。緑色蛍光は、偽陽性の結果を示す16S rRNAおよびスクランブルプローブの両方で観察される。画像は63倍の倍率で撮影されます。スケールバー = 20 μm.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
ここでは、16S rRNA FlSHによるヒト膀胱生検における組織関連細菌の検出のためのプロトコルについて説明する。このプロトコルは、消化管や皮膚などの他の組織から採取された生検に容易に適合することができ、様々な哺乳類モデル生物から採取された組織に拡張することができる。ここで説明するプロトコルは、複数の固定(例えば、ホルマリン、エタノール、メタカーン)および組織調製技術(例えば、パラフィンまたは樹脂埋め込み、および凍結保存組織)の使用に適合させることができる。二重標識されたユニバーサル16S rRNAプローブは、組織内に存在するすべての細菌種の公平な検出を可能にし、病原体と微生物叢が疾患および健康な粘膜表面と空間的にどのように相互作用するかについての貴重な洞察を提供することができます状態。種または属特異的な16Sまたは23S rRNAプローブの選択または設計のためのARBソフトウェアパッケージのprobeBase、PhylOPDbまたはPROBE_DESIGNツールなどのリソースを使用して、このプロトコルは、特定の細菌種または属の検出に適応することができます組織内 15,21,22.この方法の重要な将来の方向性は、膀胱粘膜内の微生物多様性の評価のために、異なる離散的な蛍動体で標識された種または系統特異的プローブを用いて多重化することです。
ヒト標本での使用のためのこの方法の主な制限は、生検組織の利用可能性である。組織レビュー委員会の承認と情報に基づいた患者の同意は、生検を得るために必要であり、最適なサンプル収集と患者メタデータへのアクセスのために必要な手順を実行する臨床医との直接的なコラボレーションが必要です。CEFT手順自体が膀胱上皮を破壊するので、我々は処置の前にこれらの領域の生検を正当化することができた。このプロトコルには、脱パラフィン化工程で有毒なキシレンを使用し、手順を通じて無菌環境を維持する必要があるため、ヒュームフードまたは適切に適合したバイオセーフティキャビネットが必要です。このプロトコルには、好ましくは63xまたは100xの客観的かつ適切なフィルタセットを用いて、Hoechst、Alexa-555、およびAlexa-488を可視化するための蛍光顕微鏡が必要です。図1に示す代表的な結果を、レーザー走査共焦点顕微鏡を用いて画像化した。同様のレーザー走査顕微鏡は、同等の画像を生成する必要があります。このプロトコルは、組織関連細菌のみを検出する能力によって制限され、例えば真菌は検出しない。真菌18Sまたは28S rRNA特異的プローブは、組織18内の真菌病原体を同定するために使用されなければならない。
このプロトコルに対する重要なステップには、手順全体を通して無菌環境を維持し、組織がハイブリダイゼーションと染色工程の間で乾燥しないようにすることが含まれます。手術中に組織が乾燥した場合、信号が湿らせたり、洗浄工程中に組織がスライドから脱落したりすることがある。また、このプロトコルには常に 2 つのシリアル セクション (16S rRNA プローブ用とスクランブル プローブ用のシリアル セクション) を使用することも重要です。このコントロールがなければ、誤検知を区別することは非常に困難であり、得られたデータは有用でないか、有益でない可能性があります。このプロトコルがユニバーサル16S rRNAプローブ以外のプローブで使用するように適合している場合、プローブの予測溶融温度よりも約5°C低い適切なハイブリダイゼーション温度を選択するように注意する必要があります。信号強度を維持するために、プローブが追加された後、組織が長時間光にさらされてはならず、顕微鏡検査中に過度に露出してはなりません。最後に、顕微鏡検査中に、FISHプローブに結合された蛍光蛍に対応するチャネルの同じ設定は、実験(16S rRNAプローブ)と制御(スクランブルプローブ)スライドの間で一貫性を保たなければなりません。患者由来組織の粘膜表面内の細菌の空間的関係を可視化することは、感染症の根底にある宿主病原体相互作用に関する臨床的に関連する仮説を理解し、構築するために重要である。
著者は何も開示していない。
キム・オルスとマルセラ・デ・ソウザ・サントスに対するプロトコルのアドバイスと、テクニカルサポートを提供してくれたアマンダ・アルテに感謝します。この研究は、K.P.が保有するシステム生物学のセシル・Hとアイダ・グリーン・チェアによって部分的に支援されました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Alexa-555 ファロイジン | Invitrogen | A34055 | 染色アクチン |
| Alexa-555 小麦胚芽凝集素 (WGA) | Invitrogen | W32464 | 染色 ムチン |
| ボトルトップフィルター | フィッシャーサイエンティフィック | 09-741-07 | 滅菌 |
| コプリンジャー | スインポート | M900-12W | 脱パラフィン/洗浄 |
| カバースリップ | ッシャーサイエンティフィック | 12-548-5M | 顕微鏡 |
| エタノール | フィッシャー・サイエンティフィ | 04-355-224 | 再水和 |
| エチレンジアミン四酢酸、二ナトリウム塩二水和物 | フィッシャー・サイエンティフィック | S311-500 | TE |
| フロストスライド | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 12-550-343 | |
| ヘキスト 33342、三塩酸塩、三水和物 | Invitrogen | H21492 | 染色核 |
| 疎水性マーカー | Vector Laboratories | H-4000 | 疎水性バリア |
| Kimwipes | Fisher Scientific | 06-666-11 | |
| Oil Immersol 518 F | Fisher Scientific | 12-624-66A | 顕微鏡 |
| パラホルムアルデヒド (16%) | Thermo Scientific | TJ274997 | Fixation |
| ProLong Gold 退色防止試薬 | Invitrogen | P36934 | 封入剤 |
| 塩化ナトリウム | フィッシャーサイエンティフィ | BP358-10 | ハイブリダイゼーションバッファー/PBS |
| ドデシル硫酸ナトリウム | フィッシャーサイエンティフィ | BP166-500 | ハイブリダイゼーションバッファー |
| リン酸二塩基性肝水和物 | フィッシャーサイエンティフィック | S373-500 | PBS |
| リン酸ナトリウム 一塩基性 一水和物 | フィッシャーサイエンティフィック | S369-500 | PBS |
| シリンジ | VWR | 75486-756 | |
| Tris-HCl | Fisher Scientific | BP152-5 | TE /ハイブリダイゼーションバッファー |
| キシレン | フィッシャーケミカル | X3P-1GAL | 脱パラフィン |
| 0.22 μmシリンジフィルター | フィッシャーサイエンティフィック | 09-754-29 | 滅菌 |
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