이 프로토콜은 박테리아 종간 상호 작용의 영향을 탐구하는 데 사용할 수 있는 낭포성 섬유증(CF) 폐 관련 4종 다미생물 생물막 모델을 설명합니다.
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이 프로토콜은 박테리아 종간 상호 작용의 영향을 탐구하는 데 사용할 수 있는 낭포성 섬유증(CF) 폐 관련 4종 다미생물 생물막 모델을 설명합니다.
대부분의 in vitro 모델은 실제 환경에서 관찰되는 복잡한 상호 작용에서 발생하는 박테리아 표현형을 완전히 조사할 수 있는 능력이 부족합니다. 이는 다기관 유전 질환인 낭포성 섬유증(CF)을 앓고 있는 개인의 기도에서 발견되는 치료하기 어려운 만성 다미생물 생물막 기반 감염의 맥락에서 특히 그렇습니다. 여러 마이크로바이옴 연구에서 CF(pwCF) 환자의 기도에서 검출된 미생물 조성을 정의했지만, 현재까지 중요한 CF 관련 폐 기능을 완전히 통합한 시험관 모델은 없습니다. 그러므로, 혼합종 CF 폐 감염의 발병기전을 주도하는 기전을 조사할 수 있는 능력에는 상당한 지식 격차가 존재합니다. 여기에서는 CF와 유사한 조건에서 자란 녹농균(Pseudomonas aeruginosa), 황색포도상구균(Staphylococcus aureus), 연쇄상구균 상귀니스(Streptococcus sanguinis) 및 프레보텔라 멜라니노제니카(Prevotella melaninogenica )를 포함하여 최근에 개발된 4종 미생물 군집 모델에 대해 설명합니다. 이 시스템의 활용을 통해 여러 병원체의 항균 저항과 같은 임상적으로 관련된 표현형을 분자 수준에서 관찰하고 탐구했습니다. 이 in vitro 모델의 유용성은 만성 CF 폐 감염의 맥락에서 종간 상호 작용에 대한 연구를 촉진할 수 있는 표준화된 워크플로우에 있습니다.
다기관 유전 질환인 낭포성 섬유증(CF) 기도에서 발견되는 것과 같은 질병을 유발하는 미생물을 근절하기 위한 전략은 종종 실패합니다1. 즉, 점액이 풍부한 CF 폐 환경에서 자라는 탄력적인 생물막과 같은 미생물 군집의 존재는 수십 년에 걸친 만성 감염을 유발할 수 있습니다2. 또한, 일선 항균제(Abx) 및 조절제의 활용으로 CF(pwCF) 환자의 결과가 개선되었지만, 녹농균(Pseudomonas aeruginosa) 및 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)과 같은 표준 CF 병원체에 대해 일반적으로 사용되는 "하나의 벌레, 하나의 감염" 임상 접근법은 이러한 개인의 폐에서 발견되는 치료하기 어려운 감염을 해결하는 데 효과적이지 않았습니다 3,4, 5,6,7입니다.
지난 20년 동안 여러 연구가 만성 CF 폐 질환에 대한 우리의 이해를 바꾸어 놓았다8. 즉, 보고에 의하면 pwCF의 기도에서 검출된 감염은 단일 병원체에 의해서만 발생하는 것이 아니라 본질적으로 다미생물에 의한 것이다8. 또한, 혼합종 CF 폐 감염의 발병 기전은 아직 잘 알려져 있지 않지만, 임상적 증거에 따르면 기도에서 S. aureus 및 P. aeruginosa 와 동시 감염된 pwCF는 이 두 병원체 중 하나에 감염된 개체보다 폐 기능이 악화된 것으로 나타났습니다9.
CF 병원체 간의 종간 상호작용은 CF 치료제의 활용을 통해 다균생물 생물막 기반 감염이 쉽게 근절되지 않고 궁극적으로 환자 결과에 영향을 미치는 원인으로 가설화되어 있습니다3. 이를 뒷받침하는 시험관 내 연구는 녹농균(P. aeruginosa), 황색포도상구균(S. aureus) 등과 같은 미생물 간의 상호 작용이 반코마이신 및 토브라마이신 6,10,11을 포함한 일선 CF 약물에 대한 Abx 반응성과 같은 임상적으로 관련된 표현형에 영향을 미칠 수 있음을 입증했습니다. 그러므로, 혼합종 감염의 맥락에서 CF 병원체를 근절하기 위한 현재의 치료 전략을 재검토하는 것은 달성되어야 할 과제로 남아 있다.
미생물 기반 CF 폐 감염 관리의 황금 표준은 임상적 중재를 안내하기 위해 항생제 감수성 검사(AST)의 활용에 크게 의존한다12. 그러나, AST는 전형적으로 풍부하고 잘 혼합된 배양에서 성장한 박테리아 단일배양을 사용하여 수행되며, 이는 CF 기도(3,13)에서 검출된 미생물 성장 조건을 반영하지 않는다. 환자 결과와 치료 성공 사이의 상당한 단절을 감안할 때, 임상 보고서는 이제 CF 폐의 중요한 기능을 통합하는 새로운 접근법의 개발을 지지합니다12,14.
두 개 이상의 병원체를 포함하는 CF 관련 세균 다종 in vitro 시스템을 개발한 연구는 거의 없다15,16. 그러나, 이러한 모델들은 (1) CF 폐의 다미생물 및 생물막과 같은 성질을 완전히 반영하지 못하고, (2) CF 기도에서 검출된 것과 유사한 영양 및 환경 조건을 사용하지 않는다(15,16). 대형 CF-폐 유래 16S rRNA 유전자 데이터 세트의 채굴 및 계산을 통해 Jean-Pierre와 동료들은 최근 위에서 언급한 기능10을 통합하는 시험관 내 공동 배양 모델을 개발했습니다. 이 시스템에는 녹농균(P. aeruginosa), 황색포도상구균(S. aureus), 연쇄상구균(Streptococcus spp.) 및 프레보텔라(Prevotella spp.)가 포함되며 CF 기도와 유사한 조건에서 성장하며 최대 14일 동안 안정적입니다. 저자들은 또한 Prevotella spp.의 지역사회 특이적 성장과 이러한 CF 병원체의 Abx 반응성의 여러 변화를 보고했으며, 이는 아직 확인되지 않은 메커니즘을 통해 이루어졌다10. 이 다루기 쉬운 체외 시스템은 또한 pwCF10의 기도에서 자주 발견되는 녹농균의 일반적인 변이체에 대한 Abx 난치성과 관련된 기계론적으로 초점을 맞춘 질문을 탐구할 수 있는 가능성을 제공했습니다. 따라서 이 프로토콜의 목표는 CF 연구 커뮤니티에 여러 CF 관련 질문을 해결하기 위해 더욱 확장될 수 있는 잠재력을 가진 체외 생물막을 성장시킬 수 있는 표준화된 실험 워크플로우를 제공하는 것입니다.
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모든 시약 및 장비의 세부 사항은 재료 표에 나열되어 있습니다.
1. 인공 객담 배지 준비
참고: 이 프로토콜 전반에 걸쳐, 인공 객담 배지(ASM)는 Turner와 동료들에 의해 이전에 발표된 SCFM2에서 변형된 CF 관련 배지로 정의된다17. 다음은 이 매체를 준비하는 단계에 대한 설명입니다. 재고 솔루션 및 보관 조건을 만들기 위해 재료 테이블을 참조하십시오. 이 버전의 ASM은 Turner et al.,17 과 다른데, 이는 원래 버전의 버퍼링 용량이 시간이 지남에 따라 안정적인 pH를 허용하지 않기 때문입니다. 즉, 연쇄상구균(Streptococcus spp.) 및 프레보텔라 종(Prevotella spp.)과 같은 혐기성 생물에 의해 수행되는 발효 활동은 성장 배지의 산성화를 초래합니다(미공개 관찰). 따라서 3-모르폴리노프로판-1-술폰산(MOPS) 농도를 10mM에서 100mM로 조정했습니다.
참고: 2x ASM 염기(ASMb) 원액을 준비하면 ASM10,18에 존재하는 분자의 최종 농도에 영향을 주지 않고 뮤신, 한천, 물 등과 같은 성분의 첨가를 용이하게 할 수 있습니다. 2x ASMb는 미리 준비하여 어두운 곳에서 최대 2주 동안 4°C에서 보관할 수 있습니다. 매체가 노랗게 변하면 버리십시오.
2. 다균 군집 선택적 배지 준비
참고: 다음은 1L의 매체를 준비하는 데 필요한 양입니다.
3. 박테리아 액체 배지 준비 및 성장 조건
4. 공동 배양 실험 준비
참고: 그림 1 은 요약된 실험 워크플로우를 보여줍니다. 준비 시간이 1시간 미만인 경우 산소 조건에서 실험 설정을 수행할 수 있습니다. 그보다 더 오래 걸릴 것으로 예상되는 경우 혐기성 챔버 (10 % CO2, 10 % H2 및 80 % N2 혼합 가스 포함)를 사용하여 실험을 수행하는 것이 좋습니다. 혐기성 항아리는 실험 샘플을 배양하는 데에도 사용할 수 있습니다.
5. 표본 수집 및 도금
6. 선택적 플레이트 및 콜로니 형성 단위(CFU) 계수 배양
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그림 2에서 볼 수 있듯이, (1) 단일 배양에 비해 혼합 플랑크톤 군집을 성장시켰을 때 P. aeruginosa 및 S. aureus 생존 가능한 세포 수의 감소, (2) S. sanguinis 세포의 다미생물 성장 증가, (3) Jean-Pierre와 동료들이 이전에 보고한 P. melaninogenica의 혼합 군집 성장 등 여러 표현형이 보고되었습니다10.
게다가, 그림 1에서 묘사된 것과 같이 생체외 체계는 일단 biofilm 군집이 설치되면 관심사 분자 (예를들면, Abx, 대사 산물, 등)를 시험하기 위하여 또한 이용될 수 있습니다. 즉, 공동 배양에서 성장한 미생물은 (1) 감수성의 증가(P. aeruginosa-
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이 임상적 정보에 입각한 in vitro co-culture 시스템의 유용성은 다미생물 특이적 박테리아 기능을 검출할 수 있는 능력에 있습니다. 즉, 이 모델의 활용을 통해 Prevotella spp.의 군집 특이적 성장(그림 2)에서 녹농균(P. aeruginosa), 황색포도상구균(S. aureus 및 S. sanguinis)의 일선 CF Abx에 대한 감수성의 변화에 이르기까지 다양한 미생물 표현형을 보고했습니다(그림 3). 또한, 그림 2에 제시된 데이터가 실험실 균주를 대표하지만, 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA) 균주, SMG, P. 인터매개체 및 녹농균의 임상 분리체...
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저자는 공개하지 않음을 선언합니다.
우리는 체외 다미생물 군집 모델의 설계 및 개발에 중요한 역할을 한 George A. O'Toole 박사와 Thomas H. Hampton 박사에게 감사를 표합니다. 원고에 대한 유용한 의견을 제시해 주신 Sophie Robitaille 박사님께 감사드립니다. 이 연구는 F.J-P에 JEAN21F0 낭포성 섬유증 재단(Cystic Fibrosis Foundation)의 보조금으로 지원되었습니다. 원고의 그림 1 은 BioRender를 사용하여 생성되었습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) | Fisher Scientific | NC0387928 | 병에 직접 클로로포름 250mg/mL 스톡을 준비합니다. -20°C. 최종 농도 200 μ 2x ASM 베이스의 g/mL. |
| 3-모르폴리노프로판-1-설폰산(MOPS) | Sigma | M1254 | 최종 농도 2X ASM 베이스에서 200mM. |
| 96핀 리플리케이터 | Fisher Scientific | 05-450-9 | 일회용 리플리케이터도 사용할 수 있습니다. 고양이 #NC1567338. |
| 뚜껑이 있는 96웰 멸균 표준 플레이트 | Fisher Scientific | 62406-081 | |
| Agar | Fisher Scientific | DF0145-17-0 | |
| AnaeroPack 2.5 L 직사각형 항아리 | Fisher Scientific | 23-246-385 | |
| CaCl2*2H2O | Fisher Scientific | C79-500 | 물에 1M 스톡을 준비하고 0.22 μ로 살균 필터를 걸러냅니다. M 필터. 최종 농도 3.5 mM, 2x ASM 염기. |
| Defribrinated 양의 혈액 | 연쇄상 구균 및 Prevotella의 성장판을 준비합니다. | ||
| 청어 정자의 디옥시리보 핵산 | Sigma | D7290 | 최종 농도 2x ASM 염기에서 1.2mg/mL. |
| FeSO4*7H2O | Fisher Scientific | AA1449830 | 1 mg/mL 스톡(3.6 mM)을 물에 준비하고 0.22 μ로 멸균 필터를 여과합니다. M 필터. 알루미늄 호일에 싸서 보관하십시오. 최종 농도 2x ASM 염기에서 0.0072mM. |
| GasPaks | Fisher Scientific | B260678 | |
| Glucose | Fisher Scientific | D16-3 | 물에 20% 스톡(1.1m)으로 준비하고 오토클레이브로 멸균합니다. 최종 농도는 2x ASM 베이스에서 6mM입니다. |
| 헤민 | 시그마 | 51280 | 헤민 100mg을 1M NaOH 2mL에 녹인 다음 물과 함께 200mL로 부피를 높입니다. 호박색 병 또는 알루미늄 호일로 싸인 일반 병에 4°C에서 보관하십시오. |
| K2SO4 | Fisher Scientific | P304-500 | 물에 0.25M 스톡을 준비하고 0.22 &mu로 살균 필터를 필터링합니다. M 필터. 최종 농도 0.54 mM, 2x ASM 염기. |
| Kanamycin | 물에 50 mg/mL 재고 용액을 준비합니다. 필터는 0.22 &mu로 살균합니다. m 필터를 걸러서 4°C에서 보관합니다. | ||
| KCl | Fisher Scientific | P217-500 | 최종 농도 2x ASM 염기에서 30.0mM. |
| KNO3 | Fisher Scientific | P263-500 | 물에 1M 스톡을 준비하고 0.22 &mu로 살균 필터를 준비합니다. M 필터. 최종 농도 0.70 mM, 2x ASM 염기. |
| L-시스테인 염산염 | Fisher Scientific | AAA1038922 | |
| L-젖산 | Sigma | L1750 | 물에 1M 스톡을 준비하고 0.22 μ로 필터 살균합니다. M 필터. pH는 7.0으로 조정됩니다. 최종 농도: 2x ASM 염기에서 18.6mM. |
| L-트립토판 | 시그마 | T0254 | 0.2 M NaOH에 0.1 M 스톡을 준비하고 0.22 μ로 필터 살균; M 필터. 4°C에서 냉장 보관하십시오. C는 알루미늄 호일로 싸여 있습니다. 최종 농도 0.132 mM, 2x ASM 염기. |
| 만니톨 소금 한천 | Fisher Scientific | B11407 | 제조업체의 권장 사항에 따라 준비하십시오. |
| Menadione | Sigma | M5625 | 96-100% 에탄올에 용해된 10mg/mL 원액을 준비합니다. 4 °에서 보존하십시오. C는 알루미늄 호일로 싸여 있습니다. 사용하기 전에 소용돌이. |
| MgCl2*6H2O | Fisher Scientific | AA12288A9 | 물에 1M 스톡을 준비하고 0.22μ로 필터 멸균합니다. M 필터. 최종 농도 1.21 mM, 2x ASM 염기. |
| 돼지 위에서의 점액 - 유형 II | Sigma | M2378 | 물에 10 mg/mL (2x) 스톡을 준비하십시오. 오토클레이빙 전에 철저히 혼합하십시오. 4 °C로 유지하십시오. |
| Na2HPO4 | Fisher Scientific | S375-500 | 물에 0.2M 스톡을 준비하고 0.22 &mu로 살균 필터를 필터링합니다. M 필터. 최종 농도 2x ASM 베이스에서 2.5mM. |
| N-아세틸글루코사민 | Sigma | A8625 | 물에 0.25M 스톡을 준비하고 0.22 μ로 필터 살균합니다. M 필터. 재고는 4°C에서 냉장 보관합니다.최종 농도는 2x ASM 베이스에서 0.6mM입니다. |
| NaCl | Fisher Scientific | S271-500 | 최종 농도 2x ASM 염기에서 103.7mM. |
| NaH2PO4*H2O | Fisher Scientific | S369-500 | 물에 0.2M 스톡을 준비하고 0.22 &mu로 살균 필터를 걸러냅니다. M 필터. 최종 농도 2x ASM 베이스에서 2.6mM. |
| NaOH | Fisher Scientific | S318-500 | 5M 원액을 준비합니다. 2x ASM 기유의 pH를 조정하는 데 사용합니다. |
| NH4Cl | Fisher Scientific | A661-500 | 최종 농도 2x ASM 염기에서 4.6mM. |
| 옥솔린산 | : 10mg/mL 원액 0.5M NaOH를 준비합니다. 필터는 0.22 &mu로 살균합니다. m 필터를 걸러서 4°C에서 보관합니다. | ||
| 폴리믹스인 B | : 물에 10mg/mL의 스톡 용액을 준비합니다. 필터는 0.22 &mu로 살균합니다. m 필터를 걸러서 4°C에서 보관합니다. | ||
| Pseudomonas Isolation Agar | Fisher Scientific | DF0927-17-1 | 제조업체의 권장 사항에 따라 준비합니다. |
| Todd Hewitt Broth | Fisher Scientific | DF0492-17-6 | 제조업체의 권장 사항에 따라 준비하십시오. |
| Tryptic Soy Broth | Fisher Scientific | DF0370-17-3 | 제조업체의 권장 사항에 따라 준비하십시오. |
| 반코마이신 | : 물에 50mg/mL의 원액을 준비합니다. 필터는 0.22 &mu로 살균합니다. m 필터를 걸러서 4°C에서 보관합니다. | ||
| 효모 추출물 | Fisher Scientific | B11929 | |
| 트립토판 없는 효모 합성 드롭아웃 | Sigma | Y1876 | 최종 농도 2x ASM 염기에서 8.0 mg/mL. |
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