Pseudomonas aeruginosa 집합체는 항생제와 면역 세포에 대한 내성이 증가하는 모습을 보입니다. 막 무결성이 집합체 생존에 미치는 역할은 현재 충분히 탐구되지 않고 있습니다. 본 연구는 P. aeruginosa 집합체 내 세포막 역학 변화를 정량화하는 방법을 제시하여 세포 완전성이 집합체의 전반적인 생존력에 어떤 영향을 미치는지 이해할 수 있습니다.
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Pseudomonas aeruginosa 집합체는 항생제와 면역 세포에 대한 내성이 증가하는 모습을 보입니다. 막 무결성이 집합체 생존에 미치는 역할은 현재 충분히 탐구되지 않고 있습니다. 본 연구는 P. aeruginosa 집합체 내 세포막 역학 변화를 정량화하는 방법을 제시하여 세포 완전성이 집합체의 전반적인 생존력에 어떤 영향을 미치는지 이해할 수 있습니다.
낭포성 섬유증(CF)과 같은 만성 감염은 면역 및 치료적 압력에도 불구하고 지속되는 작고 매우 내성적인 Pseudomonas aeruginosa 집합체에 의해 유지됩니다. 고전적인 바이오필름과 달리, 이 집합체들은 숙주 유발 스트레스 하에서도 구조적 완전성과 생리적 항상성을 유지하는 미세하고 공간적으로 조직된 독특한 병원성 군집을 나타냅니다. 그러나 이러한 조건에서 집합체가 온전하게 유지될 수 있는 메커니즘과 이러한 항상성 과정이 선택적으로 방해될 수 있는지는 여전히 명확하지 않습니다. 이 격차를 해결하는 데 있어 주요 장애물은 생리적 스트레스와 구조적 안정성 및 붕괴를 실시간으로 연결하는 역동적이고 공간적으로 해결된 과정을 포착할 수 있는 도구가 부족하다는 점입니다. 본 연구는 숙주 관련 스트레스 요인에 대한 집계 반응을 정량화하기 위한 통합 영상 및 분석 워크플로우를 제시합니다. 전압 감응 염료인 DiBAC4(5)를 사용하여 합성 낭포성 섬유증 가래 배지(SCFM2)에서 형성된 집합체 내 생리학적 교란의 초기 지표로 막 탈분극을 모니터링하였다. 고해상도 타임랩스 공초점 현미경은 안정 상태와 스트레스 유발 상태 모두에서 응집체를 시각화할 수 있게 하며, 이미지 분할과 복셀 기반 분석은 단세포 해상도로 막 완전성과 집합체 분해의 공간적 이질성을 정량적으로 매핑합니다. 이 워크플로우는 다세포 박테리아 집합체에서 생리적 스트레스를 구조적 결과와 연결하는 재현 가능하고 적응 가능한 플랫폼을 구축합니다. 집단의 무결성을 보존하거나 저해하는 과정을 정량적으로 분석할 수 있게 함으로써, 이 접근법은 집단체 회복력을 뒷받침하는 항상성 메커니즘을 식별하고 표적으로 삼는 데 중요한 토대를 제공하며, 임상적으로 중요한 박테리아 지속 방식을 교란할 새로운 전략을 발전시킵니다.
만성 박테리아 감염은 종종 표면에 부착된 큰 바이오필름이 아니라 숙주 관련 환경 내에서 형성되는 작은 다세포 집합체에 의해 유지됩니다. 낭포성 섬유증(CF) 및 기타 만성 기도 질환에서 Pseudomonas aeruginosa는 일반적으로 고전적인 바이오필름이 아닌 점액이나 가래 내에 매립된 부유 집합체로 존재합니다. 이 집합체들은 미시적 공간 조직, 뚜렷한 생리학적 이질성, 면역 및 항균 스트레스 요인에 대한 탁월한 내성을 특징으로 하는 독특한 성장 방식을 나타냅니다 1,2,3,4. 임상적 관련성에도 불구하고, 본 프로토콜에서 막의 무결성과 공간적 조직을 유지할 수 있는 능력으로 정의하는 집합 안정성을 지배하는 메커니즘은 아직 잘 이해되지 않았으며, 이전 연구들은 표면 부착 바이오필름 형성을 지원하는 매트릭스 구성 요소에 더 초점을 맞추고 있습니다 5,6.
막 탈분극 및 집합체 구조의 변화와 같이 집합체 불안정화에 기여하는 사건을 연구하는 데 큰 장애물은 실시간으로 동적 생리적·구조적 변화를 포착하는 실험 워크플로우의 부재입니다 7,8. 기존의 대량 분석법과 엔드포인트 영상 기법은 응력 반응이 집합체 내에서 어떻게 나타나는지, 이러한 반응이 공간적으로 어떻게 분포되는지, 또는 막 탈분극과 이온 항상성 상실과 같은 생리적 약화가 세포 스트레스의 초기 징후와 궁극적인 물리적 붕괴로 어떻게 연결되는지 밝혀내지 못합니다. 공초점 현미경은 표면에 부착된 바이오필름에 널리 적용되었지만, 시간 분해 영상과 세포 생리학을 집단 구조 및 막 활동과 직접 연결하는 정량적 분석과 통합하는 접근법은 드물다.
박테리아 막 전위 변화는 세포 스트레스와 항상성 상실을 조기에 그리고 민감하게 감지하는 지표가 됩니다. 비스-(1,3-디부틸바르비투르산) 펜타메틴 옥소놀(DiBAC4(5))과 같은 전압 감응 염료는 탈분극된 세포에 축적되어 막 무결성을 비파괴적이고 형광 기반 판독값을 제공합니다. DiBAC 염료는 플랑크톤 배양 및 표면 부착 바이오필름에서 막 탈분극을 평가하는 데 사용되었으나, 특히 생리학적으로 중요한 성장 조건과 시간 경과 영상 하에서 다세포 집합체에 대한 적용은 제한적이다.
여기서는 P. aeruginosa 집합체에서 막 탈분극과 구조적 파손을 실시간으로 시각화하고 정량화할 수 있는 통합 영상 및 분석 워크플로우를 제시합니다. 응집체는 합성 낭포성 섬유증 가래 배지(SCFM2)에서 형성되며, 이는 CF 기도의 주요 영양 및 이온 특성을 재현하고, 표면이나 흐름 없이 자발적 응집체 형성을 지원합니다11,12. 이러한 조건에서 P. aeruginosa는 CF 가래와 기도 샘플에서 관찰되는 것과 유사한 크기와 구조적 이질성을 가진 부유 집합체를 형성하여, 집합체 행동 연구에 생리학적으로 중요한 플랫폼을 제공합니다13.
온도 및 습도가 조절된 상태에서 타임랩스 공초점 레이저 주사 현미경을 사용하여 이 워크플로우는 장시간 영상 기간 동안 막 탈분극과 세포 항상성 상실이 증가하는 스트레스 유발 상태와 함께 안정된 집합체 상태와 스트레스 유발 상태를 모두 포착합니다. DiBAC 기반 막 전위 보고와 고해상도 z-스택 이미징을 결합함으로써, 이 방법은 단일 세포 수준에서 DiBAC₄(5) 형광을 정량화할 수 있게 하며, 개별 응집체의 공간적 맥락 내에서 값을 매핑하고 분석할 수 있게 합니다. 하위 이미지 분할과 복셀 기반 표면 분석을 통해 집합체 구조의 변화와 막 탈분극을 병렬로 정량화할 수 있습니다.
중요한 점은, 이 프로토콜이 SCFM2에서 형성된 P. aeruginosa 집합체를 사용해 시연되었지만, 작업 흐름은 대체로 일반화될 수 있다는 것입니다. 영상 전략, 염료 기반 생리학적 측정 및 분석 프레임워크는 항균제, 면역 효과체, 환경 교란 등 다른 박테리아 종, 집합체 촉진 배지, 스트레스 요인에 쉽게 적용할 수 있습니다. 따라서 이 접근법은 다양한 실험 맥락에서 박테리아 군집의 안정성을 조사할 수 있는 전이 가능하고 재현 가능한 플랫폼을 제공합니다.
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P. aeruginosa에 관한 모든 작업은 적절한 BSL-2 격리 조건과 기관 생물안전 승인 하에 수행되어야 합니다. 이 연구에 사용된 시약과 장비는 재료표에 나열되어 있습니다.
1. 합성 낭포성 섬유증 가래 배지(SCFM2)에서 Pseudomonas aeruginosa 집합체 생성
참고: 이 단계는 생리적으로 중요한 조건에서 CF 기도 환경을 모방하는 P. aeruginosa 의 배양 및 부유 다세포 집합체 형성을 설명합니다.
2. 면역 관련 스트레스 요인(인간 호중구 엘라스타제) 제제.
참고: 이 단계는 세포 스트레스와 박테리아 집합체의 불안정을 유도하기 위해 사용되는 숙주 유래 스트레스 요인의 준비를 설명합니다.
3. 막 탈분극을 보고하기 위한 DiBAC4(5) 조제 및 적용
참고: 이 단계는 응집체 내 막 탈분극을 시각화하기 위해 전압 감응 염료를 준비하고 사용하는 과정을 설명합니다.
4. P. aeruginosa 집합체의 막 탈분극의 타임랩스 공초점 영상
참고: 이 단계는 집합체의 동적 생리적·구조적 변화를 포착하기 위해 고해상도 시간 해상도 공초점 이미지를 획득하는 과정을 설명합니다.
5. 골재 구조와 DiBAC4(5) 공동배치의 정량적 이미지 분석
참고: 이 단계는 막 탈분극과 집합체 구조 및 불안정화를 연결하는 정량적 워크플로우를 설명합니다.

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위에서 설명한 프로토콜에는 낭포성 섬유증 폐 환경에서 모델링된 P. aeruginosa 집합체의 막 역학 변화를 추적하는 방법이 제공됩니다(그림 1). pMRP9-1(GFP) 플라스미드를 탑재한 야생형 PAO1 균주(그림 1A), 면역 스트레스를 시뮬레이션하는 HNE, 그리고 DiBAC4(5) 막 염료(그림 1C)를 사용하여, 막 전위 및 세포 항상성 파괴를 반영하는 막 탈분극 변화를 정량화하였다(그림 2M). 초기에는 배양물을 4시간 동안 정적으로 배양하여 자유롭게 떠다니는 집합체 형성을 보장했습니다(그림 1B). 이후 HNE에 노출된 <...
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막 전위는 세포 스트레스와 항상성 장애를 민감하고 조기에 읽어내는 역할을 합니다. 다세포 박테리아 집합체 내에서는 이러한 생리학적 변화가 이후 구조적 불안정화 이전에 일어나며, 이를 촉진할 수 있습니다. 여기서는 느린 반응과 잠재적 민감성 염료 bis-(1,3-디부틸바르비투르산) 펜타메틴 옥소놀(DiBAC4(5))을 사용하여 숙주 유래 스트레스에 노출된 Pseudomonas aeruginosa 집합체의 탈분극을 추적하는 영상 기반 워크플로우를 제시합니다. 탈분극 추적은 집합체 내 세포의 생리학에 대한 귀중한 통찰을 제공하여, 이온 항상성을 변화시키거나 막 전위를 교란하는 외부 스트레스 요인이 이러한 다세포 군집의 불안정화에 어떻게 기여하는지 더 깊이 이해할 수 있게 합니다. 이 접근법을 사용하면 생리적으로 중요한 조건에서 성장한 집합체 내 막 활성의 직접적인 시각화와 정량화가 가능합니다.
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저자들은 이해 상충이 없음을 선언합니다.
S.E.D는 사우스 플로리다 대학교 분자 의학과에서 제공하는 초기 자금과 낭포성 섬유증 재단(CFF)(DARCH19G0, DARCH22P0, DARCH25G0)의 연구 보조금으로 지원받고 있습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 1,3-디부틸바르비투르산) 펜타메틴 옥소놀 (DiBAC4(3)) | AAT 바이오퀘스트 | 21411 | 그리고 nbsp; 지질친성, 음이온 분자 |
| 1,3-디부틸바비투르산) 펜타메신 옥소놀(DiBAC4(5)) | AAT 바이오퀘스트 | 21410 | 그리고 nbsp; 지질친성, 음이온 분자 |
| 카르베니실린 | 국제 연구 결과물; | C46000-5.0 | PAO1 발현 균주를 선택하는 데 사용됨 |
| 셀비스 4실, 35mm 유리 바닥 접시 | 피셔 | NC0600518 | 유리 바닥 챔버 접시는 이미지 촬영 중 성장 배지 내 부유 골재의 관리가 가능하며, |
| 원심분리기 | 벡만 쿨터 생명과학 | B06320 | 벡만 쿨터 라이프 사이언스 SX4400 스윙 버킷 로터(부품 번호 B01425)와 함께 사용되었습니다. |
| 공초점 레이저 주사 현미경(CLSM) | 자이스 | LSM 880 | 이 프로토콜에서 설명된 실험에 사용된 CLSM 모델은 더 이상 제공되지 않지만, LSM 900은 업데이트된 동등한 옵션입니다. |
| 배양 튜브 | 제네시 | 21-130 | 불임; 폴리프로필렌 |
| 다피 | 써모피셔 | 62248 | 미래에 제안된 DiBAC4(5)로 호중구를 염색하는 데 사용됨 |
| 일회용 큐벳 | 브랜드 테크 | 759086D | 1.5mL, 세미마이크로 |
| DMSO | 밀리포어-시그마 | 276855-100ML | DiBAC4(3,5) 재구성에 사용됨 |
| 드라크5 | 써모피셔 | 65-0880-92 | 미래에 제안된 중성구 염색 용도로 DiBAC4(3) |
| CLSM을 위한 환경 상실 | PECON | LSM 880 | 이 시스템은 자이스 제품용으로 독점적으로 제작되었으며, 일반적으로 "인큐베이션 시스템 S"라고 불리며, 모든 부품은 LSM 880(또는 유사) 시스템에 추가되어 자이스를 통해 주문할 수 있습니다 |
| 겐타마이신 설페이트 | 피셔 | BP918-1 | PA1633 발현 균주를 나타내는 RFP 선별에 사용됨 |
| 글리세롤 | 제네시 | 18-205 | 장기 보관을 위해 품종을 -80 및 -nbsp 상태로 냉동하는 데 사용되었습니다; ° C |
| 인간 호중구 엘라스타제(HNE) | 밀리포어-시그마 | 324681-50UG | 재구성되면 1개월간 4 에서 안정적입니다; ° C 또는 20년 1년 정도 근무 중; ° C |
| Imaris x64 소프트웨어 | 옥스퍼드 인스트루먼트 | 버전 10.2.0 | |
| 이머전 오일 | 전자현미경 과학 및 nbsp; | 16919-12 | 건조하지 않으며; 표준화는 37 & nbsp; ° C |
| 인큐베이터 | 벤치마크 사이언티픽 | H1001-M | 흔들릴 수 있어 |
| 라이소제니 브로스 (LB) | 제네시 | 11-118 | 밀러 믹스 |
| mCherry 플라스미드 | 협업자로부터 얻었고, | ||
| PA1633 트랜스포존 돌연변이 균주 | 협업자로부터 얻었고, | ||
| 인산염 완충 식염수(PBS) | 써모피셔 | 3002 | pH 7.0 |
| 아세테이트 나트륨 | 써모피셔 | AM9740 | 3세 남자; pH 5.5; RNase 프리 |
| 염화나트륨 | 피셔 | S271-500 | HNE 재정비 임무에 사용됨 |
| 분광광도계 | VWR | 634-0882 | PAO1/PA1633을 SCFM2에 접종하기 위한 세포 밀도 측정에 사용됨 |
| 멸균 .22&마이크로; m 필터 | 제네시 | 25-244 | 재구성된 HNE 정제에 사용됨 |
| 멸균 마이크로 원심분리기 튜브 | 제네시 | 24-272LR | 0.6mL |
| 멸균 주사기 | 피셔 | 14955459 | 재구성된 HNE 정제에 사용됨 |
| SX4400 스윙 버킷 로터 | 벡만 쿨터 생명과학 | B01425 | 벡만 쿨터 생명과학 원심분리기(부품 번호 B06320)와 함께 사용됨 |
| 합성 낭포성 섬유증 가래 배지 (SCFM2) | 합성생물군계 | 10002-500 | 배치 #: 001-CF2-0724 |
| 울트라 퓨어 워터 | 제네시 | 18-195 | HNE 재구성에 사용됨 |
| 야생형 Pseudomonas aeruginosa PAO1과 pMRP9-1 플라스미드 | 이 pMRP9-1 플라스미드는 GFP를 포함하고 있으며 카르베니실린 내성을 발현합니다. | ||
| ZEN 블랙 에디션 2.3 자이스 이미징 소프트웨어 | 자이스 | LSM 880과 호환됨 |
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