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Research Article
Ewerton Garcia de Oliveira Mima1, Ana Cláudia Pavarina1, Cláudia Carolina Jordão1, Sâmmea Martins Vieira2, Lívia Nordi Dovigo2
1Department of Dental Materials and Prosthodontics, School of Dentistry, Araraquara,São Paulo State University (UNESP), 2Department of Social Dentistry, School of Dentistry, Araraquara,São Paulo State University (UNESP)
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
이 프로토콜은 구강 칸디다증의 쥐 모델에서 항균 광역학 요법(aPDT)의 적용을 설명합니다. aPDT는 커큐미노이드와 청색 LED 조명의 수용성 혼합물을 사용하여 수행되었습니다.
항균 광역학 요법(aPDT)은 체외에서 광범위하게 조사되었으며, 감염의 전임상 동물 모델은 임상 시험 전에 대체 치료법을 평가하는 데 적합합니다. 이 연구는 구강 칸디다증의 쥐 모델에서 aPDT의 효능을 설명합니다. 40마리의 마우스에게 프레드니솔론(prednisolone)을 피하 주사하여 면역을 억제하고, C. 알비칸스(C. albicans) 세포 현탁액에 미리 담근 구강 면봉을 사용하여 혀를 접종하였다. 테트라사이클린은 실험 과정에서 식수를 통해 투여되었습니다. 진균 접종 5일 후, 마우스는 무작위로 8개 그룹으로 분포되었습니다. 치료되지 않은 감염되지 않은 마우스의 아홉 번째 그룹은 음성 대조군으로 포함되었습니다(n=5). 커큐미노이드 혼합물의 세 가지 농도(20μM, 40μM 및 80μM)를 청색 LED 조명(89.2mW/cm2; ~455nm)과 조명 없음(각각 C+L+ 및 C+L- 그룹)으로 테스트했습니다. 가벼운 단독(C-L+), 무처리(C-L-), 감염되지 않은 동물을 대조군으로 평가했습니다. 데이터는 Welch의 ANOVA 및 Games-Howell 검정(α=0.05)을 사용하여 분석되었습니다. 구강 칸디다증은 감염된 모든 동물에서 확립되었으며 혀의 등쪽에 특징적인 흰색 반점 또는 가성막의 존재를 통해 거시적으로 시각화되었습니다. 조직병리학적 절편은 C-L-그룹 내 상피의 각질화된 층에 국한된 효모와 필라멘트의 다량의 존재를 확인했으며, 40μM 또는 80μM 커큐미노이드를 사용하여 aPDT를 투여한 마우스에서 얻은 이미지에서 진균 세포의 존재가 시각적으로 감소했습니다. 80μM 커큐미노이드에 의해 매개된 aPDT는 C-L-그룹에 비해 콜로니 수가 2.47 log10 감소하는 것을 촉진했습니다(p=0.008). 다른 모든 그룹은 광감작제(C+L-) 또는 빛 단독(C-L+) 그룹을 포함하여 콜로니 수에서 통계적으로 유의한 감소를 보이지 않았습니다. 커큐미노이드 매개 aPDT는 쥐의 혀에서 나오는 곰팡이 부하를 줄였습니다.
구강 칸디다증(OC)은 구강의 주요 곰팡이 감염입니다. 그것은 칸디다 종(Candida spp)의 과잉 증식으로 인해 발생합니다. 난소염의 발병 원인으로는 내분비 기능 장애, 광범위 항생제 사용, 방사선 및 화학 요법, 영양 결핍, 구강 건조증(낮은 타액 흐름), 의치 사용, 위생 불량, 특히 면역 억제등이 있다 1. 칸디다 종 중에서 칸디다 알비칸스(Candida albicans )가 가장 널리 퍼져 있고 독성이 강합니다. 그것은 인체에서 공생 종으로 발견되며 기회 병원체로 발견됩니다. C. albicans 는 공생 효모(blastopores)에서 병원성 필라멘트(균사 및 pseudohyphae)로 형태를 변경할 수 있는 능력이 있습니다.2. 사상체, 특히 균사는 세포내이입(endocytosis) 또는 능동적 침투를 통해 숙주 상피에 침입하여 감염을 일으킬 수 있다3. 알비칸스(C. albicans )의 다른 독성 인자로는 리파아제(lipase), 포스포리파제(phospholipase), 단백질 분해 효소(proteinase), 칸디다리신(candidalysin)과 같은 지방 분해 및 가수분해 효소 및 독소의 부착, 생물막 형성, 분비 등이 있다4.
OC 치료에는 항진균제, 특히 국소 폴리엔 및 아졸(니스타틴 및 미코나졸)의 사용이 포함됩니다5. 그러나 단기적인 효능만 보이며 재발이 잦다. 또한 항진균제의 남용은 항진균제 내성 발달 및 확산 문제를 야기하고있다 6. 따라서 산소가 있는 상태에서 적절한 파장(PS 흡수와 동일)에서 광감작제(PS)와 빛을 결합하는 항균 광역학 요법(aPDT)과 같은 대체 요법이 필요합니다. PS는 세포에 결합하거나 세포에 흡수되며, 빛에 의해 활성화되면 감작된 세포에 독성이 있는 활성산소종(ROS)을 생성한다7.
aPDT에서 사용되는 광감작제(PSs) 중 하나는 강황 식물(Curcuma longa L.)의 뿌리줄기에서 추출한 자연 발생 화합물인 커큐민(CUR)입니다. 커큐민은 항염증, 항산화, 항암 및 항균 기능을 포함한 수많은 치료 특성을 가지고 있습니다 8,9. 선행 조사에 따르면 CUR을 활용한 aPDT는 숙주의 조직에 해를 끼치지 않으면서 구강 칸디다증의 쥐 모델에서 C. 알비칸스를 효과적으로 감소시켰다10. CUR은 강황에서 추출한 주요 커큐미노이드이지만 데메톡시커큐민 및 비스-데메톡시커큐민과 같은 다른 폴리페놀도 이 식물에서 발견됩니다. 커큐미노이드 매개 aPDT는 카테터에서 성장한 황색포도상구균의 생물막에 대한 항균 활성을 입증했다11. 그러나 우리가 아는 한, C. albicans에 대한 항진균 활성은 불분명합니다. 따라서 이 연구에서는 OC의 쥐 모델에서 C. albicans에 대해 커큐미노이드 염에 의해 매개되는 aPDT를 평가했습니다.
마우스 사용에 대한 연구 프로토콜은 UNESP의 Araraquara에 있는 School of Dentistry의 동물 사용 윤리 위원회(사례 번호 05/2008 및 09/2020)의 승인을 받았습니다. C. albicans (ATCC 90028)를 기준 균주로 사용하였다. 20-30g의 체질량 범위를 가진 6주 된 암컷 스위스 마우스(n=45)가 본 연구에 사용되었습니다. 동물들은 상파울루 주립 대학, UNESP, 보투카투에서 제공했습니다.
1. PS 준비 및 aPDT용 광원 선택
2. C. albicans 접종물의 제조
3. 생쥐에서 OC 유도
참고 : 다음 방법론은 이전에 Takakura et al.13에 의해 설명되었으며 일부 수정을 거쳐 그룹10,14에 의해 재현되었습니다.
4. 항균 광역학 요법 및 구강 병변에서 C. albicans의 회복
5. 조직병리학적 분석
OC의 쥐 모델은 모든 감염된 쥐의 혀에 전형적인 흰색 반점과 가성막을 보여주었습니다(그림 4A). C-L- 동물로부터 회수 된 C. 알비칸스는 이 미생물에 의한 조직 집락화를 확인하였다(값은 1.62 x 104 내지 4.80 x 105 CFU/mL 범위였다). 예상대로, NCtr 그룹의 동물은 샘플링 후 조직 변화나 콜로니 성장을 나타내지 않았습니다(그림 4B).
aPDT는 광감작을 위해 커큐미노이드를 80μM에서 사용했을 때 C. 알비칸의 생존력을 감소시켰습니다(그림 5). 80μM PS 매개 aPDT로 달성된 평균 로그10 감소는 2.47로, C-L- 그룹(p =0.008)과 비교되었습니다.
생쥐 혀에서 회수된 C. 알비칸스 콜로니의 수는 조명을 사용하지 않고 커큐미노이드를 처리한 마우스(C+L- 그룹), 빛으로 처리했지만 이전에 광감작되지 않은 마우스(C-L+ 그룹) 및 처리하지 않은 마우스(C-L- 그룹) 간에 유의한 차이가 없었습니다(p ≥ 0.210).
감염되지 않은 동물의 혀(NCtr)의 조직학적 특징은 온전한 lamina propria, 기저막 및 filiform papillae를 포함한 정상/건강한 조직을 보여주었습니다(그림 6A). 대조적으로, C-L- 그룹에서 쥐의 혀의 조직 병리학적 이미지를 조사했을 때, 곰팡이의 침투는 없었지만 효모와 필라멘트가 상피의 각질화된 층 내에 존재한다는 것이 분명했습니다. 기저 결합 조직에서는 주로 단핵 세포에 의해 매개되는 경미한 염증 반응이 관찰되었으며 선모 유두가 현저하게 없었습니다(그림 6B). C+L- 및 C-L+ 그룹 모두에서 쥐의 혀에 대한 조직학적 분석은 유사한 특성을 나타냈습니다. 대조적으로, 80μM 커큐미노이드 매개 aPDT로 처리한 마우스의 혀 절편은 주로 상피의 각질화된 층에 국한된 진균 세포의 수가 감소한 것으로 나타났습니다(그림 6C).

그림 1: 감광제의 화학 구조. 53.4%의 천연 커큐민과 46.6%의 다른 커큐미노이드(데메톡시커큐민 및 비스-데메톡시커큐민)를 포함하는 광감작제로 사용되는 수용성 염 혼합물의 화학 구조. 최종 평균 분자량은 730.32g/mol입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 구강 칸디다증 및 aPDT의 쥐 모델에 대한 프로토콜 타임라인. 구강 칸디다증 및 항균 광역학 요법(aPDT)의 쥐 모델에 대한 프로토콜을 설명하는 타임라인. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 광감작 후 생쥐 혀의 조명. 광감작(광감작제로 감염된 조직을 배양) 후, 청색(~455nm) LED 조명을 사용하여 혀를 37.5J/cm2로 조명했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 쥐 구강 칸디다증 모델의 백색 병변. (A) 구강 칸디다증의 쥐 모델에서 관찰된 백색 병변을 묘사한 대표 이미지. (B) 음성(감염되지 않은) 대조군. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 쥐의 혀에서 회수된 칸디다 알비칸스(Candida albicans ). 데이터는 치료군에서 로그10(CFU/mL)의 표준 편차 ± 평균값을 나타냅니다. 웰치(Welch)의 일원 분산 분석(one-way ANOVA)은 치료의 효과가 그룹 간에 통계적으로 유의하게 다르다는 것을 나타냈다(p < 0.001). 평균 옆에 있는 다른 소문자(a, b, c)는 Games-Howell 검정(p≤ 0.030)에 따라 통계적으로 유의한 차이를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6: 쥐 혀의 조직학적 단면의 대표 이미지. 마우스 혀의 조직학적 절편을 PAS-H로 염색하고 이미지를 200x에서 캡처했습니다. (A) 유도된 구강 칸디다증, 광감작 및 조명이 없는 음성 대조군 마우스(NCtr 그룹). (B) 광감작되거나 LED 조명에 노출되지 않은 유도된 구강 칸디다증이 있는 마우스(C-L-그룹). (C) 80μM 커큐미노이드 및 37.5J/cm2 LED 조명(C+L+ 80 그룹)에 노출된 유도된 구강 칸디다증이 있는 동물. 스케일 바 = 100 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 1: 실험군. 본 연구에서 활용된 실험군 목록. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
C. albicans has been associated with oral and esophageal infections in individuals with an immunocompromised state, diabetes mellitus, prolonged use of antibiotics, and poor oral hygiene1,3. The study of human infectious diseases requires both in vitro and in vivo investigations before clinical trials can be safely and accurately designed. The present study describes a method for establishing a murine model of OC, which can be used to evaluate the pathogenesis of oral infections by C. albicans and the efficacy of antifungal approaches15,16,17,18,19.
The murine model of OC employed here was successfully established, as evidenced by the substantial fungal load recovery from lesions as well as by the characteristic infection features observed in the macroscopic and histopathological analyses of the tongues of infected mice. Many studies have used similar murine models of OC. In such models, female mice are immunosuppressed and inoculated with C. albicans, resulting in lesions on the tongue10,13,14,15,20,21. Immunosuppression with prednisolone, a glucocorticoid, inhibits the activity of neutrophils against C. albicans22. In this study, female mice were immunosuppressed with two subcutaneous injections of prednisolone, one day prior to and three days after infection with C. albicans13. In addition, the administration of tetracycline in drinking water during the course of the experiment caused oral dysbiosis by disturbing oral bacteria and helping C. albicans to thrive23,24. Furthermore, the sedation caused by the intramuscular injection of chlorpromazine chloride prevented the animals from drinking water and eating immediately after inoculation. Thus, fungal cells stayed in contact with the dorsum of the tongue for a longer time, enabling the development of germ tubes and the transition from yeasts to filaments (hyphae and pseudohyphae), which are the pathogenic morphologies of C. albicans that can invade the human epithelium. Teichert et al.25 used an immunodeficiency protocol to induce OC in mice and recovered only 2 x 102 CFU/mL of C. albicans.
While Totti et al.26 utilized sialoadenectomized mice and conducted four separate inoculations with a C. albicans suspension, it's noteworthy that, in their case, the infection was not sustained in most animals over the course of the experiment. In contrast, in the present study, the inoculation with fungal cells was carried out only once, and it resulted in the recovery of 104 CFU/mL of C. albicans from the oral cavity. This study employed the murine model of candidiasis described by Takakura et al.13, who performed oral inoculation with a clinical strain isolated from a patient with cutaneous candidiasis (106 CFU/mL). Three to seven days post-inoculation, 105-106 CFU/mL of C. albicans were recovered from the oral cavity of mice13. The differences between the method of Takakura et al.13 and this study include the use of different fungal concentrations in the inoculum (this study used 107 CFU/mL of C. albicans) and different C. albicans strains for oral inoculation (the reference strain ATCC 90028 was used here). Carmello et al.20 employed a similar protocol, which involved using immunosuppressed animals. However, they administered two additional subcutaneous injections of prednisolone to the animals on days 1, 5, 9, and 13 of the experiment. Their study revealed a positive correlation between the scores assigned to the oral lesions of the infected animals and the number of CFU/mL over a period ranging from 5 to 16 days post-infection. It has been well-established in previous research that it is crucial to closely monitor animals under anesthesia to prevent hypothermia. Additional maintenance doses of ketamine should be administered with discretion, only when necessary27.
Regarding the efficacy of aPDT application, the results showed that the irradiation of tongues previously treated with an 80 µM curcuminoid salt mixture caused a significant reduction (2.47 log10) in the viability of C. albicans. Histological analyses revealed that sections from tongues treated with 80 µM curcuminoid-mediated aPDT showed a reduced number of fungal cells, which were limited to the keratinized layer, and a low inflammatory response. It is worth emphasizing that an inflammatory response was detected in all mice that were infected with C. albicans. This observation implies that the inflammation observed in all the aPDT groups might be linked to Candida infection rather than being attributed to aPDT, a consistent finding in line with our prior investigations10,13,14,15.
Previous investigations used CUR, methylene blue, and photodithazine (PDZ) as PSs and obtained promising results10,20,24,25,27. In a similar study10, a combined exposure to CUR and LED light caused a significant reduction in the viability of C. albicans; however, the use of 80 µM CUR and light reduced fungal viability by 4.0 log10. Dovigo et al.10 used only CUR as PS, whereas we used a salt containing the three main curcuminoids from C. longa. When CUR (260 µM) and LED light were used for five consecutive days in the treatment of oral candidiasis in mice, the authors observed a reduction of 1.11 log10 in fungal viability21. When methylene blue was used as PS at 450 µg/mL and 500 µg/mL, aPDT totally eradicated C. albicans from the oral cavity of mice25. Moreover, when aPDT was mediated by PDZ (100 mg/L), a 3.0 log10 reduction and complete remission of oral lesions were observed20. In addition, aPDT increased TNF-α expression in comparison with that in the untreated group20. In a study where a fluconazole-resistant strain was used, aPDT mediated by PDZ (200 mg/L) promoted a reduction equivalent to 1.3 log1027. Moreover, the combination of aPDT with nystatin resulted in a substantial reduction in fungal viability, amounting to a decrease of 2.6 log10, along with notable improvements in oral lesions and a reduction in the inflammatory response27. Collectively, these studies provide compelling evidence for the effectiveness of aPDT in reducing fungal burden within the murine model of oral candidiasis, underscoring its potential as a clinical treatment option due to its antimicrobial efficacy without causing harm to host tissues.
In conclusion, the murine model of OC used in this study is appropriate for mimicking infection and evaluating aPDT efficacy. As a limitation, the OC model used here employed only one reference strain of C. albicans (other strains, clinical isolates, and non-albicans Candida species were not evaluated). In addition, the corticosteroid-induced immunosuppression used in mice to develop oral infection may not mimic other immunodeficiency states, such as that due to HIV infection. There may also be differences in the host conditions for developing OC, such as the oral microbiota of mice and humans. This protocol should be expanded further to evaluate mixed biofilms formed by more than one species or by different strains from the same species. Furthermore, keeping mice adequately sedated and preventing hypothermia while avoiding anesthesia-related mortality are the most difficult steps of the protocol.
저자들은 FAPESP(São Paulo Research Foundation, 프로세스 번호 FAPESP #2013/07276-1 (CePID CePOF) 및 2008/00601-6)의 재정적 지원에 감사를 표합니다. 또한 CUR 기반 수용성 염에 대한 정보를 제공해 주신 Ana Paula Silva 박사님께도 감사드립니다.
| C. albicans | ATCC (Rockville, Md, USA) | 90028 | Candida inoculum |
| Centrifuge를 준비하는 데 사용됩니다 | 에펜도르프 Centrifuge 5804/5804R,B. Braun, Melsungen, Hesse, Germany | 022628146 (NA) | Candida inoculum |
| Chlorpromazine chloride 2 mg/mL | Compounding pharmacy, Araraquara, SP, Brazil | 을 준비하는 데 사용됩니다 - | 칸디다 접종 중 동물을 진정시키는 데 사용됩니다. |
| 커큐민 기반 수용성 염 | PDTPharma, Cravinhos, Brazil | - | 천연 커큐민 53.4%와 기타 커큐미노이드(데메톡시커큐민 및 비스-데메톡시커큐민) 46.6%로 구성되어 있습니다. 물과 N-MethylD-Glucamine (최종 평균 분자량 730.32 g.mol− 1) |
| 디지털 식민지 카운터 | CP 600 플러스, Phoenix Ind Com Equipamentos Cientí ficos Ltda, Araraquara, SP, 브라질 | - | 한천 플레이트의 식민지를 계산하는 데 사용됩니다 |
| 압출 마우스 차우 | Benelab 식품, Industry Qualy Animal Nutrition and Commerce Ltda., Lind ó ia, Sã o 브라질 파울루 주. | - | 생쥐의 먹이를 위해 사용됩니다 |
| : Ketamine Hydrochloride 10% | Ketamina Agener, Uniã o Quí 운모 Farmacê utica Nacional S/A, Embu-Guaç u, SP, 브라질 | - | 치료 전과 안락사를 위해 동물을 마취시키는 데 사용됩니다 |
| 발광 다이오드 핸드피스 (프로토타입) | Instituto de Fí sica de Sã o Carlos, Sã 대학교; o 파울로, Sã o Carlos, SP, 브라질 | - | LXHL-PR09, Luxeon III 이미터, Lumileds Lighting, 산호세, 캘리포니아, 미국으로 제작 |
| 메틸프레드니솔론 아세테이트 40mg | DEPO-MEDROL, 화이자, 뉴욕 | - | 면역억제제로 사용 |
| 마이크로톰 | 라이카 Microsystems, Bannockburn, IL, USA | SM2500 | 혀의 연속 섹션을 절단하는 데 사용 |
| 프로필렌 상자 (케이지 하우징) H13 x L20 x D30 cm | Bonther Equipaments, Ribeir ã o Preto, SP, 브라질 | - | 실험 기간 동안 동물을 유지하는 데 사용됩니다. |
| Sabouraud 포도당 한천 Chloramphenicol | HiMedia, 뭄바이, 인도 | MM1067-500G | 효모 성장을위한 배양 배지 (한천) |
| 분광 광도계 | 분광 광도계 Kasvi K37-VIS, S ã o 조스&에아큐트; dos Pinhais, PR, 브라질 | K37-VIS | 접종물 농도를 표준화하는 데 사용됩니다. |
| 테트라사이클린 하이드로클로라이드 | 조제 약국, Araraquara, SP, 브라질 | - | 구강 세균 불균형(oral dysbiosis)을 유도하기 위해 투여된 항생제 |
| 목재 부스러기 | J.R. Wood Shavings, Comerce of Sawdust Ltda., Conchal, Sã o 파울로 주, 브라질 | - | 하우징 박스 내부 바닥재로 사용 |
| Xylazine 2% | Calmiun, Uniã o Quí 운모 Farmacê utica Nacional S/A, Embu-Guaç u, SP, 브라질 | - | 마취를 위해 케타민과 함께 사용 |
| 효모 질소 육수 | Difco, InterLab, 디트로이트, 미시건, 미국 | DF0919-07-3 | 효모 성장용 배양 배지(육수) |
| 효모 펩톤 포도당 육수 | NutriSelect Basic, Sigma Aldrich | Y1375 | 균주를 -80°C로 유지하기 위한 배양 배지; C와 성장 |