Dit protocol beschrijft een kwantitatieve benadering om microbiële autoaggregatie te meten met behulp van beeldvormende flowcytometrie.
Method Article
Dit protocol beschrijft een kwantitatieve benadering om microbiële autoaggregatie te meten met behulp van beeldvormende flowcytometrie.
Nuttige en probiotische bacteriën spelen een essentiële rol in hun gastheren en bieden verschillende gezondheidsvoordelen, waaronder immuniteit tegen infectieziekten. De familie Lactobacillaceae bestaat uit Gram-positieve bacteriën met bevestigde probiotische eigenschappen. Deze studie maakt gebruik van Lactobacillaceae-soorten als model om de effectiviteit van single-cell high throughput-analyse aan te tonen bij het bestuderen van cellulaire aggregatie. De focus ligt op het analyseren van de reactie van deze nuttige soorten op enkelvoudige koolhydraten uit de voeding.
De studie laat zien hoe Imaging Flow Cytometry (IFC) de fundamentele verschillen in de assemblage van probiotische bacteriën in de aan- en afwezigheid van koolhydraten kan overwinnen. IFC combineert de kracht en snelheid van conventionele flowcytometrie met de ruimtelijke resolutie van microscopie, waardoor complexe morfometrische metingen met hoge snelheid op een fenotypisch gedefinieerde manier mogelijk zijn in een bibliotheek van gunstige bacteriestammen en omstandigheden. Dit protocol geeft inzicht in de autoaggregatie van Lactobacillaceae-soorten en werpt licht op hun reactie op koolhydraten in de voeding, en draagt bij aan het begrijpen van de mechanismen achter de gunstige effecten van deze probiotische bacteriën.
Bacteriële autoaggregatie wordt beschouwd als een primaire stap in de vorming van biofilm. In dit proces (soms ook autoagglutinatie of flocculatie genoemd) vormen bacteriën van hetzelfde type meercellige klonten die zich uiteindelijk op de bodem van kweekbuisjes nestelen of zich hechten aan hun doelweefsel of oppervlak1.
Autoaggregatie is een veel waargenomen fenomeen en is tot nu toe aangetoond bij Gram-negatieve pathogenen zoals de opportunistische ziekteverwekker Acinetobacter baumannii2, de tandpathogeen Aggregobacter actinomycetemcomitans3 en de opkomende ziekteverwekker Burkholderia pseudomallei4. Autoaggregatie is ook beschreven in verschillende probiotische Gram-positieve stammen 5,6,7,8. In Lactobacillus (L.) acidophilus werd autoaggregatie gedeeltelijk gemedieerd door S-laageiwitten en gecorreleerd met een adhesie aan xylaan7. Evenzo vonden we een correlatie tussen glucose-afhankelijke autoaggregatie en inductie van de adhesieve eigenschappen (zoals beoordeeld door hechting aan mucine) van de probiotische soorten Lacticaseibacillus rhamnosus GG, Lacticaseibacillus casei, L. acidophilus, Lacticaseibacillus paracasei en Lactiplantibacillus plantarum5. De verhoogde autoaggregatie weerspiegelde hoogstwaarschijnlijk veranderingen in de expressie van cellulaire adhesinen als reactie op glucose en zijn katabolieten9. Hoewel de moleculaire mechanismen van autoaggregatie nog moeten worden bepaald, is aangetoond dat dit proces het fenotype van de geaggregeerde bacteriën verandert en hen een verhoogde tolerantie voor omgevingsstressoren1 geeft, evenals een verhoogde gevoeligheid voor quorum sensing-moleculen10.
Er zijn verschillende benaderingen gebruikt om autoaggregatie te meten; Een experimentele benadering is om culturen een bepaalde tijd statisch in smalle kweekbuizen te laten staan. Controleculturen blijven troebel, terwijl autoaggregatieculturen zich op de bodem van de buis zullen nestelen. Een meer kwantitatieve benadering meet autoaggregatie door sedimentatie of bezinkingstest11.
Flowcytometrie wordt de laatste jaren ook steeds vaker gebruikt om bacteriële autoaggregatie te onderzoeken. Deze methode is geschikt voor het analyseren van deeltjes met een grootte tussen ongeveer 0,5 en 1000 μm. De enkele bacterie of gevormde aggregaten worden in vloeistof gesuspendeerd, in een stroom gevoerd en kunnen één voor één worden gedetecteerd11. Door voorwaarts verstrooid licht op te nemen, kan de relatieve grootte van de cel of het aggregaat worden gemeten. Het is relatief snel en eenvoudig, maar kan verschillende parameters niet detecteren, zoals de aggregaatgrootte of het gemiddelde aantal cellen in aggregaten. Daarom kan deze aanpak microscopisch worden aangevuld, waardoor meer parameters kunnen worden gecontroleerd12. Traditionele microscopie is echter tijdrovend en beperkt daardoor het aantal geteste monsters en de statistische kracht van de analyse. Over het algemeen biedt beeldvormende flowcytometrie verschillende functies in vergelijking met traditionele flowcytometrie, zoals gelijktijdige analyse van celmorfologie en fenotype, het uitvoeren van beeldgebaseerde analyse, het detecteren van zeldzame gebeurtenissen en het valideren van flowcytometriegegevens13. Deze voordelen verbeteren de mogelijkheden van flowcytometrie en vergemakkelijken een gedetailleerder onderzoek van celpopulaties.
Deze studie biedt een waardevol protocol voor beeldvorming van flowcytometrie om autoaggregatie in melkzuurbacteriën (LAB) te monitoren. Deze Gram-positieve staafjes zijn facultatieve anaëroben en behoren tot de LAB-groep. Deze efficiënte glucosefermentoren genereren melkzuur als hun belangrijkste eindproduct van het koolhydraatmetabolisme14. Deze bacteriën zijn nuttige kernleden van het microbioom en komen van nature voor in het maagdarmkanaal (GIT) van mens en dier, evenals in het urogenitale kanaal van vrouwen15. Daarom is de exacte karakterisering van hun autoaggregatie-eigenschappen van groot biotechnologisch en klinisch belang.
Onze eerdere bevindingen gaven aan dat het basale niveau van autoaggregatie verschilt tussen verschillende probiotische stammen. Deze heterogeniteit wordt beïnvloed door de verschillende koolhydraten die als koolstofbron worden gebruikt5. Om deze fundamentele eigenschap van probiotische bacteriën te overwinnen, werden de effecten van koolhydraten uit de voeding gecontroleerd op autoaggregatie op het niveau van één cel met behulp van IFC. Deze op IFC gebaseerde aanpak combineert de kracht en snelheid van traditionele flowcytometers met de resolutie van de microscoop. Daarom maakt het complexe morfometrische metingen met hoge snelheid mogelijk op een fenotypisch gedefinieerde manier 16,17. Deze aanpak kan worden uitgebreid naar andere probiotische en pathogene bacteriën, gecombineerd met fluorescerende reporters om genexpressie te monitoren, en fluorescerend gelabelde stammen om de aanwezigheid en overvloed van specifieke bacteriesoorten in heterogene aggregaten te monitoren.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Het .ast-bestand, met het sjabloon voor Lacticaseibacillus rhamnosus GG (LGG) als voorbeeld, wordt geleverd in aanvullend coderingsbestand 1.
1. Voorbereiding van de media
2. Bereiding van de monsters
OPMERKING: Deze stap omvat de evaluatie van cellulaire aggregatie als reactie op fermenteerbare of niet-fermenteerbare suiker uit onze voeding. Een schematische weergave van het monstervoorbereidingsproces is weergegeven in figuur 1.
3. Data-acquisitie
4. Analyse van de gegevens
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
De resultaten tonen aan dat deze methode gemakkelijk de verschillen in autoaggregatie als reactie op voedingssuikers in LAB-bacteriën kan meten. Door individuen te scheiden van aggregaten, maakt de methode het mogelijk om het percentage van de populatie van de aggregatiegebeurtenissen uit alle gebeurtenissen te berekenen als reactie op fermenteerbare of niet-fermenteerbare suikers uit het dieet. Bovendien was het mogelijk om te meten of er verschillen zijn in de gemiddelde grootte van de populatie van het aggregaat tusse...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Flowcytometrie is een veelgebruikte methode voor het kwantificeren van fluorescentie-intensiteiten in eukaryote cellen, maar het levert mogelijk geen nauwkeurige metingen op voor bacteriële cellen vanwege hun grotere omvang of kleine aggregaten. Deze factoren kunnen een aanzienlijke invloed hebben op de precieze kwantificering van autoaggregatie en het basale niveau van aggregaatvorming in verschillende omstandigheden. Om dit aan te pakken, werd beeldvormende flowcytometrie (IFC) gebruikt om een betere resolutie te krijg...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Dit werk werd ondersteund door de Israeli Science Foundation (Grant 119/16) en IMoh grant (3-15656) aan IKG. R.S. ondersteund door de Kreitman fellowship.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 14 mL culture tubes | Falcon | 352051 | |
| 15 mL centrifuge tube | Falcon | 352096 | |
| Bacto Agar | Baeton,Dickinson and Company | 214010 | |
| Bacto Typtic Soy Broth | Baeton,Dickinson and Company | 211825 | |
| D-(+)-Glucose | Sigma | G7021-1KG | |
| D-(+)-Raffinose pentahydrate | Sigma | 83400-25G | |
| Difco Lactobacilli MRS broth | Baeton,Dickinson and Company | 288130 | |
| EASY-LOCK MICROPR. 1.5 mL (Eppendorf) | FL medical | 23053 | |
| IDEAS Software | Amnis/EMD Millipore | N/A | Details beschikbaar op: https://www.merckmillipore.com/INTL/nl/20150212_144049?ReferrerURL=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F&bd=1 |
| ImageStream X Mark II | Amnis/EMD Millipore | N/A | Details beschikbaar op: https://www.merckmillipore.com/INTL/nl/20150121_205948?ReferrerURL=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F |
| MOPS, 3-(N-morpholino)propaansulfonzuur | Fisher bioreagents | BP308-500 | |
| Kaliumfosfaat dibasisch | Fisher Scientific, 174,18 g/mol | BP363-1 | |
| Kaliumfosfaat monobasisch | Sigma, 136,09 g/mol | P0662-500G |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission