このプロトコルの目的は、嚢胞性線維症の気道微生物群集に対する高酸素の効果に対するモデルシステムを開発することです。 人工喀痰培地は痰の組成をエミュレートし、高酸素培養条件は肺微生物群集に対する補足的な酸素の影響をモデル化する。
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このプロトコルの目的は、嚢胞性線維症の気道微生物群集に対する高酸素の効果に対するモデルシステムを開発することです。 人工喀痰培地は痰の組成をエミュレートし、高酸素培養条件は肺微生物群集に対する補足的な酸素の影響をモデル化する。
気道微生物群集は、嚢胞性線維症(CF)および他の慢性肺疾患の進行に重要な役割を果たすと考えられている。微生物は、伝統的に酸素を使用または許容する能力に基づいて分類されてきました。補足酸素は嚢胞性線維症(pwCF)を持つ人々に投与される一般的な医療療法である;しかし、酸素と気道マイクロバイオームに関する既存の研究は、高酸素(高酸素)ではなく低酸素(低酸素)が主に好気性および栄養性嫌気性肺微生物群集に及ぼす影響に焦点を当てている。この重要な知識のギャップに対処するために、このプロトコルはpwCFからの痰の組成を模倣する人工痰媒体を使用して開発された。透明な媒体をもたらすフィルター殺菌の使用は、光学的方法が懸濁培養中の単細胞の微生物の成長に従うことを可能にする。高酸素状態を作り出すために、このモデルシステムは、高酸素状態を研究するために確立された嫌気性培養技術を利用する;酸素を除去する代わりに、酸素は、圧縮された酸素と空気の混合物と血清ボトルの毎日のスパージングによって培養物に追加されます。50 pwCFの痰は、このモデルが微分酸素状態を維持する能力を検証するために、72時間の間毎日のスペアリングを受けました。ショットガンメタゲノムシーケンシングは、嚢胞性線維症痰に一般的に見られる昏睡および病原性微生物の増殖をサポートするこの培地の能力を検証するために、11 pwCFの培養および未培養痰サンプルに対して行われた。成長曲線は、一般的な嚢胞性線維症病原体の増殖をサポートするこの人工痰培地の能力を検証するためにpwCFから得られた112の分離株から得られた。このモデルは、CF痰中の多種多様な病原体および分性を培養し、ノルモキシ状態下で未培養痰に非常に類似したコミュニティを回収し、様々な酸素条件下で異なる培養機種を作り出すことを発見した。この新しいアプローチは、気道微生物群集および一般的な呼吸器病原体にpwCFの酸素の使用によって誘発される予期せぬ影響のより良い理解につながる可能性があります。
嚢胞性線維症(CF)は、肺から厚い粘液を取り除くことができないことを特徴とする遺伝性疾患であり、繰り返し感染し、肺移植または死亡の必要性を引き起こす進行性肺機能の低下につながる。嚢胞性線維症(pwCF)を有する人々の気道マイクロバイオームは、疾患活性1を追跡するように見えるが、有害な長期的な結果2、3に関連する微生物多様性の減少を伴う。pwCFの臨床研究では、補足的な酸素療法は、より高度な疾患4、5と関連しているが、伝統的に、酸素療法の使用は、単に疾患の重症度のマーカーとして見られてきた6。呼吸器不全患者の臨床試験の最近の研究では、患者の酸素レベルが高いほど、重篤な細菌感染の増加と死亡率の上昇に逆説的に関連することが示されており、補足的な酸素が病原発に寄与する可能性があることが示唆されている。嚢胞性線維症肺マイクロバイオームおよび関連する肺および気道微生物群集に対する補足酸素の影響は十分に研究されていない。
多くの場合、機械学的研究は、未知の医学的利益または害の介入に関連する物流上の困難および潜在的な倫理的問題のために、人間の被験者に直接行うことができない。ヒトの生体標本をモデルシステムに統合するトランスレーショナルアプローチは、これらの場合に重要な生物学的洞察を提供することができる。酸素を使用または許容する能力は、伝統的に微生物分類の重要な構成要素であったが、環境への補足酸素の治療的導入が気道微生物群集をどのように摂動させるかについてはほとんど知られていない。pwCFの気道マイクロバイオームに対する補助酸素の未知の影響に光を当てるには、2つの大きな課題に取り組む必要がありました。まず、CF痰の組成を生理学的に近似する培養培地の作成。第二に、培養中の酸素濃度の上昇を長期間にわたって維持できるモデルシステムの作成である。
人工喀痰培地(ASM)は肺痰ex vivo8,9,10をエミュレートするために広く使用されていますが、特定のレシピに関する明確なコンセンサスはありません。このプロトコルは、pwCFから生理学的に近似的な痰に設計された人工痰培地のレシピと準備戦略を記述する。表 1に、公開された文献に基づいて選択したレシピ値の概要を示します。基礎化学成分およびpHは、ヒトCF痰11、12、13の研究によって同定された値に一致した。低濃度の生理学的栄養素を、最終体積10の0.25%として含まれていた卵黄、ならびにビタミンおよび微量金属混合14、15を用いて添加した。痰16の主要成分であるムチンは、1%w/v14に含まれていた。より労働集約的であるが、必須培地成分10の熱誘発性変性による潜在的な問題を低減するために、より従来の熱滅菌の実施よりもフィルタ滅菌が選択された。フィルター滅菌の追加の利点は、透明な媒体を生成することです(熱殺菌は、塩やタンパク質の沈殿と凝固に起因する濁った媒体を作成することができます)、この人工痰培地は、濁度の増加に基づいて微生物の成長に従うために使用することができます。
この高酸素培養モデルは、酸素を除去するのではなく、酸素を添加する嫌気性培養技術に基づいており、pwCFの酸素補充使用の効果を示すモデルを作成する。 図1 と関連する酸素スペアリングプロトコルは、一般の実験室および病院のサプライヤーから低コストで得ることができる酸素スペアリングシステムの成分を概説しています。このシステムは21%から100%の酸素の範囲の固定された濃度に圧縮された酸素および空気の混合を可能にする。酸素センサーの統合は出力ガス混合物の集中の確認、ならびに酸素状態が所望の範囲内で維持されていることを確認するために前にスパージされた血清びんの流出ガスの組成を確認することを可能にする。
このプロトコルは、人工痰培地を作成する手順、酸素スペアリングシステムの構築と使用、および微分酸素条件下での培養CF痰への両方の適用を概説する。
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この研究は、パートナー機関審査委員会(プロトコル#2018P002934)から承認を受けました。包含基準には、研究のための書面によるインフォームド・コンセントを提供した嚢胞性線維症の成人患者が含まれていた。除外基準はありませんでした。プロトコルガイドラインによると、すべての痰サンプルは、臨床提供者との予定外来訪問中に嚢胞性線維症患者から採取された。
1. 人工痰培地製剤
注:ここに記載されている数量は、最終的な人工痰培地の1 Lの生産のためのものであり、 材料表に記載されている特定の試薬を想定しています。同じ最終製品を確保するために、他のボリュームや異なる試薬の使用に対して、数値を調整する必要があります。目標濃度については 表1 を参照してください。
2. 酸素スパージング
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これらのプロトコルは、マサチューセッツ州ボストンのマサチューセッツ総合病院の外来嚢胞性線維症クリニックに定期的なケアのために提示するpwCFから50の期待痰サンプルに適用されました。各患者の痰は、人工痰培地を用いて21%、50%、および100%の酸素条件下で培養され、各培養から0.5mLのアリコートを24時間、48時間、および72時間の培養時間で試験用に採取した。文化は、視覚的な変化を追跡するために抽出されたときに撮影されました。さらに、培養前に各々の一次痰試料の0.5mLのアリコートを採取した。その結果、患者1人あたり10個の離散サンプルと500サンプルの最終Nが得られた。このうち、11人の患者の痰(11人の未培養痰、48時間のインキュベーションで21%の酸素から11の培養スプータ)が核酸抽出17を受け、シーケンシングライブラリを市販のDNAライブラリ調製キットを用いて生成し、メタゲノムシーケンシングプラットフォーム全体で行った ペアエンド読み取り。生の読み取りは、MetaPhlAn3プロファイラ19を使用して、人間の「汚染物質」配列と分類...
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本研究では、肺微生物群集に対する高酸素の影響を研究するために 、in vitro モデルが開発された。このモデルは、人工喀痰媒質および血清瓶の毎日のスパージングに基づいて、上昇した酸素濃度を維持し、pwCFから痰で同定された微生物の成長をサポートする。
このアプローチには、いくつかの重要なステップがあります。まず、人工痰培地の熱殺菌ではなく、フィルター滅菌を使用する選択である。フィルター滅菌は、培地のムチンおよび他の熱感受性成分の変性を防止し、微生物の成長の光学的測定に使用できる透明な媒体を生み出す。フィルター滅菌は他のプロトコル10でも提案されているが、濾過プロセス中の軌道揺れの添加は、調製された培地の最小量が濾過されたときに発生するフィルタの目詰まりを防ぐために不可欠であることがわかった。濾過された人工痰培地は、フィルタ中のムチンの衝撃による意図より低い最終ムチン濃度を有し得るが、pwCFからの痰は嚢胞性線維症21を有さない人々からの痰よりも低いムチン濃度を有するこ...
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著者らは開示する利益相反はない。
この作業の一部は、海洋生物学研究所、DOE(DE-SC0016127)、NSF(MCB1822263)、HHMI(助成金番号5600373)、サイモンズ財団からの贈り物の支援を受けて海洋生物学研究所で行われました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| BMEビタミン(100x)溶液 | MilliporeSigma | B6891 | ビタミンの濃縮溶液。 |
| クリンパー、30 mm | DWK Life Sciences | 224307 | 血清ボトルにアルミニウムシールを取り付けるためのクリンパー。 |
| D-(+)-グルコース | ミリポアSigma | G7021 | 固体グルコース粉末(右旋性異性体)。 |
| ダイヤフラムポンプ ME 2 NT | VACUUBRAND | 20730003 | 真空ろ過用真空ポンプです。 |
| 卵黄エマルジョン | HiMedia | FD045 | 生理食塩水に30%卵黄の滅菌エマルジョン。 |
| MilliporeSigma | F7879 | フェリチン(鉄貯蔵タンパク質)溶液 | からカチオン化されたフェリチン |
| FIREBOYプラス 安全ブンゼンバーナー | インテグラ・バイオサイエンス | 144000 | ユーザーインターフェースと安全機能を備えたブンゼンバーナー。 |
| Hydrion pHペーパー(1.0–14.0) | Micro Essential Laboratory | 94 | pH試験紙、1.0–14.0の範囲。 |
| Hydrion pHペーパー(4.0–9.0) | マイクロエッセンシャルラボ55 | pH試験紙、4.0〜ndash;9.0の範囲。 | |
| Hydrion pHペーパー(6.0–8.0) | Micro Essential Laboratory | 345 | pH試験用紙、6.0–8.0の範囲。 |
| 皮下注射針-Pro EDGE安全装置、18G | ミスメディカル | 401815 | 18G針、安全キャップ付き。 |
| インライン圧力計 | ミリポアシグマ | 20469 | ボトルの圧力を監視するためのガス圧力計です。 |
| Innova 42 インキュベートシェーカー | エッペンドルフ | 2231000756 | コンビネーションインキュベーター/オービタルシェーカー。 |
| 針付きルアーロックシリンジ | ベクトン・ディキンソン | 309580 | 3mLシリンジと18G針の組み合わせ。 |
| ルアーバルブの品揃え | ワールド精密機器 | 14011 | ガスフローチューブ用バルブ。 |
| LSEオービタルシェーカー | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 6780-NP | ろ過中に媒体を攪拌するためのオービタルシェーカー。 |
| 硫酸マグネシウム七水和物 | ミリポアシグマ | M2773 | 固体エプソム塩(硫酸マグネシウム七水和物)。 |
| 流量計付き医療用エアシングルステージレギュレータ | ー ウエスタンエンタープライズ | M1-346-15FM | 15 L / minメーター付きエア流量レギュレーター。 |
| MEMアミノ酸(50x)溶液 | ミリポアシグマ | M5550 | 必須アミノ酸の濃縮溶液。 |
| MEM 非必須アミノ酸 (100x) 溶液 | MilliporeSigma | M7145 | 非必須アミノ酸の濃縮溶液。 |
| Millex-GPフィルター、0.22 µm | ミリポアシグマ | SLMP25SS | 0.22 & マイクロ;Mポリエーテルスルホン膜滅菌シリンジフィルター。 |
| ミリQアカデミック | ミリポアシグマ | ZMQS60E01 | ミリQ滅菌水ろ過システム。 |
| MiniOX 3000 酸素モニター | MSA | 814365 | ガス流量酸素パーセンテージモニター。 |
| MOPSバッファー(1 M、pH 9.0) | Boston BioProducts | BBM-90 | 培地のpHを調整するためのMOPSバッファーです。 |
| ブタ胃 | ミリポアの | M2378 | ムチン(グリコシル化ゲル形成タンパク質)粉末。 |
| の流れの管のための | 自然なポリプロピレンの有刺鉄線の付属品のキット | ハーバードの器具 | 72-1413 |
| Nextera XT DNAライブラリ調製キット | Illumina | FC-131-1096 | シーケンシング中の同定のためのライブラリ調製。 |
| NovaSeq 6000 シーケンシングシステム | Illumina | 770-2016-025-N | サンプルリードを生成するためのショットガンシーケンシングプラットフォーム。 |
| 流量計付き酸素単段レギュレータ | ウエスタンエンタープライズ | M1-540-15FM | 15 L/minメーター付き酸素流量レギュレーター。 |
| 2つの標準コネクタ付き酸素チューブ | SunMed | 2001-01 | ガスシステムコンポーネントを接続するためのチューブ。 |
| リン酸緩衝生理食塩水、10x、pH 7.4 | Molecular Biologicals International | MRGF-6235 | 濃縮リン酸緩衝生理食塩水。 |
| PC 420 ホットプレート/スターラー | マーシャル・サイエンティフィック | CO-PC420 | ホットプレート/スターラーの組み合わせ。 |
| 塩化カリウム | ミリポアシグマ | P9541 | 固体塩化カリウム塩。 |
| PTFEの使い捨て可能な攪拌棒 | ThermoFisher Scientific | 14-513-95 | 使い捨て可能な磁気攪拌棒。 |
| PTFEの糸のシールのテフロン テープ | VWR | 470042-938 | ガス システム関係を補強するためのテフロン テープ。 |
| Q-Gard 2 ピュリフィケーションカートリッジ | MilliporeSigma | QGARD00D2 | Milli-Q システム用のピュリフィケーションカートリッジです。 |
| 再利用可能な培地保存ボトル | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 06-423A | 培養培地を混合・保存するためのボトルです。 |
| ラバーストッパー、30 mm、グレーブロモブチル | DWKライフサイエンス | 224100-331 | 血清ボトル用ラバーストッパー。 |
| 成形目盛り付き血清ボトル、500 mL | DWK Life Sciences | 223952 | 密封培養用のガラス製血清ボトル。 |
| スモールボアエクステンションセット | ブラウンメディカル | 471960 | ルアーロックコネクタ付きチューブエクステンション。 |
| 塩化ナトリウム | ミリポアシグマ | S3014 | 固体塩化ナトリウム塩。 |
| スパイクインコントロール I (高微生物負荷) | ZymoBIOMICS | D6320 | スパイクイン微生物 (I. halotolerans and A. halotolerans) 絶対微生物負荷計算用 |
| Stericup クイックリリース 滅菌真空ろ過システム | MilliporeSigma | S2GPU02RE | 250 mL 0.22 µm真空ろ過チャンバー。 |
| スーパーサニクロス殺菌使い捨てワイププロフェッショナル | 使い捨てワイプ国際 | H04082 | のための使い捨て殺菌ワイプ。 |
| 微量金属混合物、1000x | ThermoFisher Scientific | NC0112668 | 生理学的微量金属の濃縮溶液。 |
| 非裏地アルミニウム シール、30 mm | DWK Life Sciences | 224187-01 | ゴム製ストッパーの上に圧着されたアルミニウム シール。 |
| USP医療グレードのエアタンク | エアガス | AI USP200 | 散布システムへの入力用の圧縮空気タンク。 |
| USP医療グレードの酸素タンク | エアガス | OX USP200 | 散布システムへの入力用の圧縮酸素タンク。 |
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