真菌性日和見病原体は、生命を脅かす感染症だけでなく軽度の感染症を引き起こすこともありますが、病原性を研究する際には、非致死的な表現型はしばしば無視されます。そこで、宿主の生存と繁殖の両面をモニタリングする線虫モデルを開発し、真菌の病原性を調査しました。
方法論記事
真菌性日和見病原体は、生命を脅かす感染症だけでなく軽度の感染症を引き起こすこともありますが、病原性を研究する際には、非致死的な表現型はしばしば無視されます。そこで、宿主の生存と繁殖の両面をモニタリングする線虫モデルを開発し、真菌の病原性を調査しました。
病原体は人間にとって致命的となる可能性がありますが、それらの多くは非致死的な表現型を持つさまざまな感染タイプを引き起こします。カンジダ・アルビカンスは、ヒトの日和見真菌病原体であり、院内感染の4番目に多い原因であり、~40%の死亡率をもたらします。しかし、他のC.アルビカンス感染症はそれほど深刻ではなく、致死的になることはめったになく、女性の~75%に影響を与える外陰膣カンジダ症や、主に乳児、エイズ患者、がん患者に影響を与える中咽頭カンジダ症が含まれます。マウスモデルはC.アルビカンスの病因を研究するために最も頻繁に使用されますが、これらのモデルは主に宿主の生存を評価し、費用と時間がかかり、複製に制限があります。そのため、C. albicansを研究するために、Drosophila melanogaster、Danio rerio、Galleria mellonella、Caenorhabditis elegansなど、いくつかのミニモデルシステムが開発されています。これらのミニモデルは、C. albicansの変異体ライブラリーや多様な遺伝的背景のスクリーニングに適しています。ここでは、C.エレガンスを用いてC.アルビカンス感染を研究するための2つのアプローチについて説明します。1つ目は、宿主の繁殖を測定し、個々の宿主の生存を監視する繁殖力アッセイです。2つ目は、C.アルビカンスの感染が複数世代にわたる宿主の個体数増加にどのように影響するかを測定する系統拡大アッセイです。これらのアッセイを組み合わせることで、C. albicansの病原性を迅速に評価するためのシンプルで費用対効果の高い方法が提供されます。
カンジダ・アルビカンスは、口腔、胃腸、泌尿生殖器など、さまざまなニッチに生息するヒトの日和見病原体です1。通常、C.アルビカンスは共生しますが、粘膜感染症と血流感染症の両方を引き起こし、後者は致命的となる可能性があります。C. albicans感染の重症度は宿主の免疫機能に依存しており、免疫不全の人は健康な人よりも感染しやすい1。宿主関連因子に加えて、C. albicansは、菌糸、バイオフィルム形成、宿主上皮細胞へのC. albicansの接着と浸潤を促進する機能を持つ分泌型アスパルチルプロテイナーゼ(SAP)の産生2、細胞溶解性ペプチド毒素であるカンジダリシン3,4など、いくつかの病原性形質を持っています。まとめると、これは、C. albicansの病原性が病原体とその宿主環境との間の相互作用から生じる複雑な表現型であることを示唆しています。したがって、病原性の調査は、in vitroアプローチとは対照的に、宿主環境として機能するモデル生物を使用して研究するのが最適です。
脊椎動物と無脊椎動物の両方の生物を含むいくつかの宿主モデルが、C. albicans感染を研究するために開発されました。ゴールドスタンダードと考えられているマウスモデルは、その適応免疫系と自然免疫系、および全身および特定の臓器の両方で疾患の進行を監視する能力のためによく使用されます5。ただし、このホストモデルには、メンテナンスコスト、子孫の数が少ない、サンプルサイズが小さいことに伴う検出力と再現性の低下など、大きな制限があります5。そのため、ゼブラフィッシュ(Danio rerio)、ショウジョウバエ(Drosophila melanogaster)、ワックスガ(Galleria mellonella)、線虫(Caenorhabditis elegans)など、より単純なモデル生物が開発されています。これらの非哺乳類モデル生物は、マウスモデルと比較して、より小さく、実験室のメンテナンスが少なくて済み、サンプルサイズが大きいため、より大きな検出力と再現性が得られます。これらの各モデルには、感染モデルを選択する際に考慮する必要がある特定の長所と短所があります。G. mellonellaは、37°Cで増殖でき、さまざまな食細胞を持っているため、人間と最も生理学的に類似した環境を提供します7。さらに、このモデルでは、特定の接種物7を直接注入することができます。しかし、完全に配列決定されたゲノムはなく、変異株を作成する確立された方法もありません。G. mellonellaと同様に、D. rerioモデルでは、特定の接種物5,7を直接注入することができます。また、適応免疫系と自然免疫系の両方5を持ち、これはこの非哺乳類モデルに特有のものですが、維持するためには水生繁殖タンクが必要です。D. melanogasterおよびC. elegansは、同様の長所と短所を有しており、これには、操作が容易で変異株を生成する完全配列決定されたゲノム7が含まれるが、適応免疫またはサイトカイン7を有していない。これらすべての非哺乳類モデルの中で、C.エレガンスは最も迅速なライフサイクルを持ち、遺伝的に同一の子孫を大量に生成するために自家受精し、大規模なスクリーニングに最も適している6,7,8。C.エレガンスは、抗真菌薬9,10のハイスループットスクリーニング、病原性因子7の特性評価、およびC.アルビカンス特異的宿主防御ネットワーク11の同定に非常に強力である。C.エレガンスの自然免疫系は、ヒトと高度に保存された複数の要素を持っています12。宿主の自然防御には、抗菌ペプチド13(AMP)および活性酸素種14,15,16の産生が含まれます。
C. albicans感染の重症度は、主に宿主の生存率によって測定されますが、非致死性の病原性の表現型を捕捉することはできません。宿主の適応度について見落とされがちな側面は繁殖ですが、いくつかの研究は、C.アルビカンスが精子の生存率を低下させることによって生殖に影響を与えることを示唆しています17,18、これは研究すべき宿主の適応度の重要な側面である可能性があることを示唆しています。したがって、C. albicans感染が宿主の繁殖力に与える影響は、非致死性の病原性の表現型を研究するための有用な方法です。我々は、健康な宿主の生存と繁殖の両方の表現型を調査するために、C.エレガンスを用いた2つの感染アッセイを開発した19,20。ここでは、繁殖力と系統拡大アッセイの両方について説明します。繁殖力は、単一の宿主の子孫と生存の両方を測定し、系統拡大は3つの宿主世代にわたる感染の影響を評価します。これらのアッセイを利用して、C. albicansの欠失変異体をスクリーニングし、致死的および非致死的な病原性表現型の劇的な違いと微妙な違いの両方を捉える方法を示します。
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1. 実験の準備手順
2. 繁殖力アッセイ
注: 補足表1 に示す代表的なデータと、 図1Aに示す概略図を示します。
| 1回のレプリケートの場合 | 大腸菌(OP50)制御条件 | C.アルビカンs&大腸菌(OP50)の治療状態 | |||||
| OP50 | H2O(ヘリウム2O) | トータル | OP50 | C.アルビカンス | H2O(ヘリウム2O) | トータル | |
| 0日目 | 6.25 UL | 43.75 UL | 50 UL | 6.25 UL | 1.25 UL | 42.5 UL | 50 UL |
| 2-7日目 | 1.25 UL | 8.75 UL | 10 UL | 1.25 UL | .25 UL | 8.5 ul | 10 UL |
表2: 繁殖力アッセイのために線虫に感染するために必要な大腸菌およびC.アルビカンスの培養物のマスターミックス量。
実験日(0日目)
3. リネージュ拡張アッセイ
注: 代表的なデータを補足表2 に、図 2Aに概略図を示します。
| 大腸菌(OP50)制御条件 | C. albicansおよびE. coli(OP50)。治療条件 | ||||||
| 1回のレプリケートの場合 | OP50 | H2O(ヘリウム2O) | トータル | OP50 | C.アルビカンス | H2O(ヘリウム2O) | トータル |
| 1.25 UL | 8.75 UL | 10 UL | 37.5 UL | 7.5 UL | 255 UL | 300 UL | |
表3: 系統拡大アッセイのために線虫に感染するために必要な大腸菌およびC.アルビカンスの培養物のマスターミックス量。
線虫の個体数増加:0日目
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ここでは、C.エレガンスを感染モデルとして使用して、C.アルビカンスの病原性を非致死的な表現型として測定する2つのアッセイを紹介します。 最初のアッセイである繁殖力は、C. albicansの感染が子孫の生産と生存のために単一の宿主にどのように影響するかをモニターします。2つ目のアッセイである系統拡大は、C.アルビカンスの感染が複数世代にわたる個体数の増加にどのように影響するかを測定するものです。
繁殖力アッセイには、 C. albicans 感染中の宿主適応度の複数の測定値があります。 C. albicans の感染が宿主の適応度、生存率、繁殖の2つの異なる尺度にどのように影響するかを評価するために、個々の宿主を監視する繁殖力アッセイ19を開発しました。簡単に説明すると、単一の宿主をコントロールプレート(未感染)または C.アルビカンス...
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ここでは、真菌の病原性を測定する2つの簡単なアッセイを紹介します。どちらのアッセイも、C .エレガンス を宿主システムとして活用し、致死的および非致死的な宿主表現型の両方のモニタリングを含みます。例えば、繁殖力アッセイでは、個々の感染した宿主の繁殖成功を調査しながら、個々の生存率も測定します。毎日のモニタリングでは、総雛のサイズだけでなく、繁殖のタイミングや死亡時刻も把握できます。系統拡大アッセイは、繁殖力アッセイの簡易版として開発されました。これは、宿主の移動と毎日のカウントが少なくて済むため、煩雑さが軽減されます。系統拡大アッセイは、宿主の適応度の複数の側面を組み合わせた多世代にわたる定量的な尺度を提供します。これらのアッセイを組み合わせることで、変異株や多様な臨床分離株を含む C.アルビカンス 株の病原性を迅速にスクリーニングする強力な方法となります。さらに、宿主が病原体を食物源として飼育する感染アッセイの容易さを考えると、これにより、他の微生物病原体に適用してその病原性を評価することが容易になります。
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著者らには、開示すべき競合する利害関係はありません。
Dorian Feistel氏、Rema Elmostafa氏、McKenna Penley氏には、アッセイとデータ収集の開発にご協力いただき、誠意を表します。この研究は、NSF DEB-1943415 (MAH) の支援を受けています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL エッペンドルフ マイクロチューブ 3810X | ミリポア シグマ | Z606340 | |
| 100 mm x 15 mm ペトリプレート | シグマ-アルドリッチ | P5856-500EA | |
| 15 mL ファルコン コニカルズ | フィッシャー・サイエンティフィック | 14-959-70C | |
| 50 mL ファルコン コニカルズ | フィッシャー・サイエンティフィ | 14-432-22 | |
| アデニン | ・ミリポア シグマ | A8626 | |
| 寒天(粒状、細菌学グレード) | Apex BioResearchは | 、20-248 | |
| アルミニウムワイヤー(95%Pt、32ゲージ) | Genesee Scientific | 59-1M32P | |
| 塩化アンモニウム | ミリポアシグマ | 254134 | |
| 細菌細胞スプレッダーSP | サイエンスウェア | 21TP50 | |
| クトペプトン | フィッシャーBioReagants | BP1420-500 | |
| ディスポーザブル培養チューブ (20 x 150 mm) | FIsherブランド | 14-961-33 | |
| 解剖顕微鏡 (NI-150 高輝度イルミネーター) | ニコンインスツルメント株式会社 | ||
| 大腸菌 | Caenorhabditis Genetics Center | OP50 | |
| Glucose | Millipore Sigma | 50-99-7 | |
| ミディアム ペトリ皿 (35 X 10 mm) | Falcon | 353001 | |
| Metal Spatula | SP Scienceware | 8TL24 | |
| 線虫増殖培地 (NGM) | Dot Scientific | DSN81800-500 | |
| カリウムリン酸塩モノベーシック | シグマ | P0662-500G | |
| 塩化ナトリウム | ッシャーサイエンティフィック | BP358-1 | |
| ナトリウム | ッシャーサイエンティフィ | BP332-500 | |
| レプトマイシン硫酸塩 | サーモフィッシャーサイエンティフィ | 11860038 | |
| トリプトン | ミリポアシグマ | 91079-40-2 | |
| ウリジン | ミリポアシグマ | U3750 | |
| 野生型 C. elegans | Caenorhabditis Genetics Center | N2 | |
| 酵母エキス | ミリポア Sigma | 8013-01-2 |
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