緑緑膿菌(Pseudomonas aeruginosa)は抗生物質および免疫細胞に対する耐性の増加を示します。膜の完全性が骨材の生存に果たす役割は、現在十分に解明されていません。本研究は、P. aeruginosa集合体内の細胞膜動態の変化を定量化し、細胞の完全性が集合体の生存率にどのように影響するかを理解する方法を示します。
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緑緑膿菌(Pseudomonas aeruginosa)は抗生物質および免疫細胞に対する耐性の増加を示します。膜の完全性が骨材の生存に果たす役割は、現在十分に解明されていません。本研究は、P. aeruginosa集合体内の細胞膜動態の変化を定量化し、細胞の完全性が集合体の生存率にどのように影響するかを理解する方法を示します。
嚢胞性線維症(CF)のような慢性感染症は、免疫や治療の圧力にもかかわらず持続する小さく高い寛容性 緑膿菌(Pseudomonas aeruginosa )の集合体によって維持されます。古典的なバイオフィルムとは異なり、これらの集合体は明確な病原単位、すなわちミクロスケールで空間的に組織された群集を表し、宿主によるストレス下でも構造的な完全性と生理的恒常性を維持します。しかし、これらの条件下で集合体が完全な状態を保つ仕組みや、これらの恒常性プロセスが選択的に破壊されるかどうかは、依然として不十分に定義されていません。このギャップを克服する上での主な障壁は、生理的ストレスと構造的安定性および崩壊をリアルタイムで結びつける動的で空間的に解決されたプロセスを捉えるツールの欠如でした。本研究は、宿主関連ストレッサーに対する総合的な反応を定量化するための統合イメージングおよび分析ワークフローを提示します。電圧感受性染料DiBAC4(5)を用いて、合成嚢胞性線維化痰培地(SCFM2)内で形成される集合体内の生理学的障害の早期指標として膜脱分極を監視しました。高解像度のタイムラプス共焦点顕微鏡は安定状態および応力誘導状態の両方の集合体の可視化を可能にし、画像セグメンテーションやボクセルベースの解析は膜の完全性および骨材分解の空間的異質性を定量的にマッピングし、単一細胞解像度で実現します。このワークフローは、多細胞細菌集合体における生理的ストレスと構造的結果を結びつける再現可能かつ適応可能なプラットフォームを確立します。集合体の完全性を維持または損なうプロセスを定量的に解析可能にすることで、このアプローチは集合体のレジリエンスを支える恒常性メカニズムを特定し標的化する重要な基盤を提供し、この臨床的に重要な細菌持続モードを破壊するための新たな戦略を推進します。
慢性細菌感染は、表面に付着した大きなバイオフィルムではなく、宿主に関連する環境内で形成される小さな多細胞集合体によって維持されることが多いです。嚢胞性線維症(CF)やその他の慢性気道疾患において、Pseudomonas aeruginosaは上皮表面に伝統的なバイオフィルムとして付着するのではなく、粘液や痰中に埋め込まれた懸浮集合体として存在することが一般的です。これらの集合体は、微小な空間的組織、顕著な生理学的異質性、免疫および抗菌ストレスに対する卓越した耐性を特徴とする独自の成長様式を表します(1,2,3,4)。臨床的関連性があるにもかかわらず、このプロトコルでは膜の完全性と空間的組織を維持する能力と定義される集合安定性を支配するメカニズムは依然として十分に解明されておらず、過去の研究は表面付着バイオフィルム形成を支えるマトリックス成分に重点を置いています。
膜の脱分極や骨材構造の変化など、骨材の不安定化に寄与する事象を研究する上で大きな障壁は、リアルタイムで動的な生理学的・構造的変化を捉える実験的ワークフローが不足していることです7,8。従来のバルクアッセイやエンドポイントイメージング手法では、ストレス応答が凝集体内でどのように現れるか、これらの応答が空間的にどのように分布しているか、また膜の脱分極やイオン恒常性の喪失といった生理学的弱化が細胞ストレスの初期兆候や最終的な物理的崩壊にどのように結びつくかを解明できません。共焦点顕微鏡は表面付着バイオフィルムに広く応用されていますが、時間分解イメージングと細胞生理学を集合構造や膜活動と直接結びつける定量解析を統合する手法は少ないです。
細菌膜電位の変化は、細胞ストレスや恒常性の喪失を早期かつ敏感に示す指標となります。ビス(1,3-ジブチルバルビツ酸)ペンタメチンオキソノール(DiBAC4(5))などの電圧感受性染料は脱分極細胞内に蓄積し、膜の完全性を示す非破壊的蛍光ベースの読み取りを提供します。DiBAC染料はプランクトニック培養や表面付着バイオフィルム9,10における膜脱分極の評価に用いられてきましたが、特に生理学的に重要な成長条件やタイムラプスイメージング下での多細胞集合体への応用は限定的です。
ここでは、P. aeruginosa集合体における膜脱分極および構造破壊のリアルタイム可視化と定量化を可能にする統合イメージングおよび分析ワークフローを提示します。集合体は合成嚢胞性線維化痰液培地(SCFM2)で形成されます。SCFM2は化学的に定義された培地で、CF気道の主要な栄養およびイオン的特徴を再再現し、表面や流れを強制することなく自発的な骨材形成をサポートします11,12。これらの条件下で、P. aeruginosaはCFの痰や気道サンプルで観察されるものと同等の大きさと構造的異質性を持つ懸浮凝集体を形成し、集合行動の研究に生理学的に重要なプラットフォームを提供します13。
温度と湿度が制御された環境でのタイムラプス共焦点レーザー走査顕微鏡を用い、このワークフローは安定した集合状態と、膜の脱分極増加や細胞恒常性の喪失を伴うストレス誘発状態の両方を撮影します。DiBACベースの膜電位報告と高分解能のzスタックイメージングを組み合わせることで、この手法は単一細胞レベルでDiBAC₄(5)蛍光を定量化し、個々の集合体の空間的文脈内で値をマッピング・解析することを可能にします。下流の画像セグメンテーションとボクセルベースの表面解析により、集合体構造の変化と膜脱分極を並行して定量化することが可能になります。
重要なのは、このプロトコルはSCFM2で形成された P. aeruginosa 集合体を用いて実証されているものの、ワークフローは広く一般化可能である点です。画像戦略、染料ベースの生理学的読み取り、分析フレームワークは、他の細菌種、骨材促進培地、抗微生物剤、免疫効果因子、環境的攪乱などのストレス要因に容易に適応可能です。したがって、このアプローチは多様な実験文脈における細菌群集の安定性を検証するための移転可能かつ再現可能なプラットフォームを提供します。
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P. aeruginosaに関するすべての作業は、適切なBSL-2封じ込め条件および機関のバイオセーフティ承認のもとで行われなければなりません。本研究で使用される試薬および機器は材料表に記載されています。
1. 合成嚢胞性線維化痰培地(SCFM2)における 緑膿菌(Pseudomonas aeruginosa )の集合体の生成
注:このステップは、C . aeruginosa の培養およびCF気道環境を模倣した生理学的に重要な条件下での懸濁多細胞集合体の形成について説明します。
2. 免疫関連ストレッサー(ヒト好中球エラスターゼ)の調製
注:このステップは、細胞ストレスや細菌集合体の不安定化を誘発するために用いられる宿主由来のストレッサーの調製について説明します。
3. 膜脱分極を報告するためのDiBAC4(5)の調製および応用
注:このステップでは、集合体内の膜脱分極を可視化するために電圧感応染料の調製と使用について説明します。
4. P. aeruginosa 集合体の膜脱分極のタイムラプス共焦点イメージング
注:このステップは、集合体の動的な生理学的および構造的変化を捉えるために、高解像度かつ時間分解能のある共焦点画像を取得する方法を説明します。
5. 骨材構造およびDiBAC4(5)共局在の定量的画像解析
注:このステップでは、膜脱分極とアグリゲートアーキテクチャおよび不安定化を結びつける定量的なワークフローを説明しています。

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上記のプロトコルには、嚢胞性線維症の肺環境でモデル化されたP. aeruginosaの集合体の膜動態の変化を追跡する方法が提供されています(図1)。pMRP9-1(GFP)プラスミドを運ぶ野生型PAO1株(図1A)、免疫ストレスを模擬するHNE、およびDiBAC4(5)膜染料(図1C)を用いて、膜電位の破壊と細胞恒常性の破壊を反映した膜脱分極の変化を定量化しました(図2M)。当初、培養は4時間の静的培養で、自由浮遊凝集の形成を確保していました(図1B)。その後、PHNE曝露されたP. aeruginosa培養液をDiBAC4(5)染料を用いたCLSMを用いて6時間...
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膜電位は細胞ストレスやホメオスタシスの乱れを早期に敏感に読み取ります。多細胞細菌集合体内では、これらの生理的変化はその後の構造的不安定化の前から起こり、またそれを引き起こすことがあります。ここでは、反応が遅く潜在的に敏感な染料ビス(1,3-ジブチルバルビツル酸)ペンタメチンオキソノール(DiBAC4(5))を用いて、宿主由来ストレスにさらされた 緑膿菌 の集合体の脱分極を追跡するイメージングベースのワークフローを紹介します。脱分極の追跡は、集合体内の細胞の生理学に関する貴重な洞察を提供し、イオン恒常性を変化させたり膜電位を乱す外部ストレス要因がこれらの多細胞群集の不安定化にどのように寄与するかをより深く理解することを可能にします。このアプローチを用いることで、生理学的に関連した条件下で培養された骨材内の膜活動を直接可視化・定量化することが可能です。
DiBAC染料はこれまでP. aeruginosa20,21<...
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著者たちは利益相反を一切認めていない。
S.E.Dは、サウスフロリダ大学分子医学科からのスタートアップ資金および嚢胞性線維症財団(CFF)(DARCH19G0年、年DARCH22P0年、DARCH25G0年)からの研究助成金によって支えられています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1,3-ジブチルバルビツル酸)ペンタメチンオキソノール(DiBAC4(3)) | AATバイオクエスト | 21411 | 脂溶性・陰イオン分子 |
| 1,3-ジブチルバルビツル酸)ペンタメチンオキソノール(DiBAC4(5)) | AATバイオクエスト | 21410 | 脂溶性・陰イオン分子 |
| カルベニシリン | 国際的な研究成果など; | C46000-5.0 | PAO1のGFP発現株の選定に用いられます |
| セルヴィス4室35mmガラス底皿 | フィッシャー | NC0600518 | ガラス底チャンバーディッシュは、画像撮影中に成長培地中の懸浮骨材の管理を可能にする。 |
| 遠心分離機 | ベックマン・コールター生命科学 | B06320 | ベックマン・コールター ライフサイエンス SX4400 スイングバケットローター(部品番号 B01425)と組み合わせて |
| 共焦点レーザー走査顕微鏡(CLSM) | ツァイス | LSM 880 | このプロトコルで記述された実験で使用されたCLSMモデルは現在は利用できませんが、LSM 900は更新された同等の選択肢です。 |
| 培養チューブ | ジェネシー | 21-130 | 不妊、ポリプロピレン |
| ダピ | サーモ・フィッシャー | 62248 | 将来の好中球染色の提案用途に使用されます。DiBAC4(5) |
| 使い捨てのキュベット | ブランドテック | 759086D | 1.5mL、セミマイクロ |
| DMSO | ミリポール・シグマ | 276855-100ML | DiBAC4(3,5)の再編成に使用されました。 |
| ドラク5 | サーモ・フィッシャー | 65-0880-92 | 将来の好中球染色にDiBAC4(3)で使用されます。 |
| CLSMの環境会議所 | PECON | LSM 880 | このシステムはツァイス製品専用に製造され、一般に「インキュベーションシステムS」と呼ばれ、すべての部品はLSM 880(または類似)システムの追加としてツァイスを通じて発注可能です |
| ゲンタマイシン硫酸塩 | フィッシャー | BP918-1 | PA1633の発現株を発現するRFPの選別に使用されます |
| グリセロール | ジェネシー | 18-205 | 長期保存用の株を-80度から-nbspで凍結するために使用されていました。°C |
| ヒト好中球エラスターゼ(HNE) | ミリポール・シグマ | 324681-50UG | 再構成されると、1か月間は4 で安定しています。°Cまたは20歳で1年;°C |
| Imaris x64ソフトウェア | オックスフォード・インストゥルメンツ | バージョン 10.2.0 | |
| イマージョンオイル | 電子顕微鏡科学など; | 16919-12 | 乾燥しない;標準化は37 °C |
| インキュベーター | ベンチマーク・サイエンティフィック | H1001-M | 揺れ動く能力がある |
| 溶菌ブロス(LB) | ジェネシー | 11-118 | ミラーミックス |
| mCherry plasmid | コラボレーターから取得しました。 | ||
| PA1633 トランスポゾン変異株 nbsp; | コラボレーターから取得しました。 | ||
| リン酸塩緩衝生理食塩水(PBS) | サーモ・フィッシャー | 3002 | pH 7.0 |
| 酢酸ナトリウム | サーモ・フィッシャー | AM9740 | 3歳の男性;pH 5.5;RNaseフリー |
| 塩化ナトリウム | フィッシャー | S271-500 | HNEの再建に使用されました |
| 分光光度計および | VWR | 634-0882 | 細胞密度を測定し、PAO1/PA1633をSCFM2に接種するために用いられます。 |
| 滅菌.22&マイクロ;mフィルター | ジェネシー | 25-244 | 再構成されたHNEの精製に使用されました |
| 無菌マイクロ遠心分離機チューブ | ジェネシー | 24-272LR | 0.6mL |
| 滅菌注射器 | フィッシャー | 14955459 | 再構成されたHNEの精製に使用されました |
| SX4400スイングバケットローター | ベックマン・コールター生命科学 | B01425 | ベックマン・カウルター生命科学遠心分離機(部品番号B06320)とのペアリング |
| 合成嚢胞性線維症痰培地(SCFM2) | シンセバイオーム | 10002-500 | バッチ#:001-CF2-0724 |
| ウルトラピュアウォーター | ジェネシー | 18-195 | HNEの再編成に使用されました |
| 野生型Pseudomonas aeruginosa PAO1とpMRP9-1プラスミド | このpMRP9-1プラスミドはGFPを含み、カルベニシリン耐性を発現します。 | ||
| ZEN Black Edition 2.3 Zeiss イメージングソフトウェア | ツァイス | LSM 880と互換性があります |
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