Het gepresenteerde protocol beschrijft een procedure om levensvatbare maar niet kweekbare cellen (VBNC) te kwantificeren in met Manuka-honing behandelde bacterieculturen.
Methodenartikel
Het gepresenteerde protocol beschrijft een procedure om levensvatbare maar niet kweekbare cellen (VBNC) te kwantificeren in met Manuka-honing behandelde bacterieculturen.
Antibioticaresistentie en tolerantie onder bacteriën vormen een aanzienlijke bedreiging voor de wereldwijde gezondheid. Mechanismen die bijdragen aan antibioticaresistentie en -tolerantie zijn onder meer genetische mutaties en verwerving van resistentiegenen en overgang naar respectievelijk Viable But Not Culturable (VBNC) en andere rusttoestanden. Hoewel genetisch identiek aan hun niet-antibioticatolerante tegenhangers, omzeilen VBNC-cellen antibiotica-effecten door metabolisch inactief te blijven. Antibiotica zijn alleen effectief als hun doelprocessen, zoals DNA-replicatie of transcriptie, actief zijn. Omdat omgevingsstressoren, met name antibiotica, bacteriën in rust kunnen brengen, zijn alternatieve antimicrobiële middelen nodig om deze reactie te minimaliseren of te voorkomen. De antimicrobiële Manuka Honing (MH) is effectief tegen veel bacteriën, met een zeldzame ontwikkeling van resistentie. De veelzijdige antimicrobiële mechanismen maken het een waardevol middel voor de behandeling van bacteriële infecties. Dit onderzoek onderzocht de recalcitrantie van MH voor de ontwikkeling van antibioticaresistentie door de hypothese te testen dat MH minder VBNC-cellen induceert dan conventionele antibiotica. Om dit te onderzoeken, werd een protocol ontwikkeld om de wondveroorzakende bacteriën Staphylococcus aureus en Pseudomonas aeruginosa te behandelen met minimale remmende concentraties van MH of de conventionele antibiotica tobramycine of meropenem, die vervolgens het levensvatbare aantal platen gebruikten om metabolisch actieve kweekbare cellen te identificeren en levende/dode kleuring om alle levensvatbare cellen te identificeren. Het aantal VBNC-cellen was gelijk aan het aantal levensvatbare cellen minus het aantal kweekbare cellen. In sommige experimenten was het aantal kweekbare cellen hoger dan het aantal levensvatbare cellen, wat een negatief aantal VBNC-cellen opleverde; het aantal VBNC-cellen werd dus niet direct vergeleken. In plaats daarvan werden voor elke behandeling kweekbare en levensvatbare celaantallen vergeleken. Alleen P. aeruginosa behandeld met tobramycine had significant minder kweekbare cellen dan levensvatbare cellen, wat wijst op een hoger aantal VBNC-cellen. Dit protocol is snel en eenvoudig en kan worden gebruikt om MH-inductie van VBNC-cellen in andere pathogene bacteriën te evalueren.
Bacteriën in de levensvatbare maar niet kweekbare (VBNC) rusttoestand overleven een antibioticabehandeling en veroorzaken terugkerende en soms dodelijke infectieziekten 1,2,3. Meer vertrouwd voor ons is antibioticaresistentie, die optreedt via een erfelijke genetische verandering4. De genetische verandering zorgt voor resistentie tegen een specifiek antibioticum door verschillende mechanismen, waaronder het beperken van de opname van een antibioticum, het verhogen van de uitstroom van het antibioticum, het wijzigen van het antibioticumdoelwit of het inactiveren van het antibioticum4. Bacteriën in rusttoestanden vertonen daarentegen een bredere en niet-erfelijke antibioticatolerantie door hun metabolisme te verminderen 2,3. Antibiotica richten zich op specifieke metabolische processen, waaronder DNA-replicatie en celwandsynthese, en zijn niet effectief tegen metabolisch inactieve VBNC-cellen4. VBNC-cellen bestaan stochastisch in lage aantallen naast hun genetisch identieke antibioticagevoelige broers en zussen in de meeste bacteriepopulaties5. Omgevingsstressoren, waaronder blootstelling aan antibiotica, zorgen er echter voor dat gevoelige bacteriële cellen de antibioticatolerante VBNC-toestand binnengaan 3,6. Behandeling met antibiotica zal antibioticavatbare cellen in de populatie doden, terwijl slapende VBNC-cellen achterblijven. Zoals hun naam al doet vermoeden, zijn VBNC-cellen niet kweekbaar op media die geschikt zijn voor de groei van hun metabolisch actieve broers en zussen. Hun membranen en genetisch materiaal zijn echter onbeschadigd en ze kunnen zich voortplanten 7,8. Wanneer antibiotica worden verwijderd, zijn specifieke stimuli zoals voedingsstoffen, temperatuur of gastheerfactoren nodig om VBNC-cellen uit hun rusttoestand te wekken en de groei te herstellen 3,9. VBNC-cellen zijn gedocumenteerd in veel pathogene bacteriesoorten, waaronder P. aeruginosa en S. aureus, belangrijke etiologische verwekkers van wondinfecties10,11.
Honing wordt al lang gebruikt in medische toepassingen, waaronder wondbehandeling, vanwege zijn antibacteriële eigenschappen12. Manukahoning (MH), afgeleid van bloemen van de Manuka-struik (Leptospermum scoparium), staat bekend om zijn bacteriedodende activiteit met een breed spectrum (besproken in 13,14,15). Het doodt met succes de meeste geteste menselijke infectieveroorzakende bacteriën, waaronder bacteriestammen zoals meticillineresistente Staphylococcus aureus en vancomycine-resistente enterococcus die erfelijke resistentie vertonen tegen traditionele antibiotica16,17. Bovendien is geïnduceerde bacteriële resistentie tegen MH zeldzaam en wordt deze alleen gedetecteerd in aan honing blootgestelde P. aeruginosa biofilms en Escherichia coli gekweekt in toenemende concentraties van een subset van de geteste honing 18,19,20,21. Dit suggereert dat de antimicrobiële mechanismen van MH verschillen van conventionele antibiotica en mogelijk minder of geen VBNC-cellen induceren. Deze hypothese werd getest door te bepalen hoe MH VBNC-populaties beïnvloedt in vergelijking met conventionele antibiotica.
VBNC-cellen moeten worden onderscheiden van hun metabolisch actieve kweekbare broers en zussen en dode cellen. Kweekbare cellen worden geteld met behulp van de levensvatbare plaattellingstechniek, waarbij cellen worden overgebracht naar routinematige kweekmedia en gedurende een periode worden geïncubeerd die voldoende is om voldoende celdelingen te hebben om waarneembare kolonies te vormen. Er zijn verschillende methoden ontwikkeld om VBNC-cellen van dode cellen te onderscheiden op basis van hun intacte membranen en transcriptie op laag niveau. De opname van substraat en fluorescerende kleurstof, gecombineerd met microscopie of flowcytometrie, maakt het mogelijk om cellen direct te tellen door middel van microscopie of flowcytometrie met een kleur die intacte membranen aangeeft22,23. Ademhalingstesten die vereisen dat de elektronentransportketen aanwezig is in een intact celmembraan, zijn ook gebruikt om onderscheid te maken tussen levensvatbare en dode cellen24. Er zijn ook kwantitatieve PCR (qPCR)-methoden ontwikkeld in combinatie met DNA-modificerende kleurstoffen die amplificatie voorkomen; alleen DNA van levensvatbare cellen zal worden geamplificeerd omdat de intacte membranen de kleurstof25 uitsluiten. Hoewel VBNC-cellen slapend zijn, transcriberen ze nog steeds genen op een laag niveau, en dit kan ook worden gebruikt om ze te onderscheiden van dode cellen met behulp van reverse transcriptie PCR26.
In dit werk werd een test ontwikkeld om VBNC-cellen te kwantificeren in twee wondveroorzakende pathogene bacteriën, S. aureus en P. aeruginosa, behandeld met MH. Het beschrijft de behandeling van de bacteriën met MH en conventionele antibiotica en het gebruik van het aantal levensvatbare platen en levende/dode kleuring om kweekbare en levensvatbare cellen te detecteren. Dit eenvoudige en goedkope protocol maakt het mogelijk om het vermogen van MH om antibioticaresistente VBNC-cellen te induceren in veel bacteriële pathogenen te analyseren.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Aangezien P. aeruginosa (ATCC9721) en S. aureus (ATCC29213) zijn geclassificeerd als middelen van bioveiligheidsniveau 2, moeten de ruimtes waar het werk wordt uitgevoerd beperkt toegankelijk zijn en uitgerust zijn met een bioveiligheidskast voor manipulaties die spatten of aerosolen kunnen veroorzaken, zoals agitatie- en centrifugeerculturen. Draag in alle stappen van dit protocol persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM), waaronder een laboratoriumjas, een veiligheidsbril en handschoenen. Alle reagentia en apparatuur die in de experimenten worden gebruikt, staan vermeld in de materiaaltabel.
1. Bereiding van steriele bouillon en agarcultuurmedia
2. Het ophalen van de gearchiveerde stammen Staphylococcus aureus en Pseudomonas aeruginosa van -80 °C (dag 1)
3. Preparaat van S. aureus en P. aeruginosa voor behandeling met Manuka Honing (MH) en het antibioticum (Dag 2)
4. Bereiding van MH en opzetten van MH- en antibioticabehandelingen van S. aureus en P. aeruginosa (T = 0) (dag 3)
5. Bepaling van de kweekbare cellen in monsters met behulp van de levensvatbare plaattellingsmethode (dag 3 - 5)
6. Bepaling van de levensvatbare cellen in de monsters met behulp van levende/dode kleuring en fluorescerende microscopie (dag 3 of 4)
7. Bepaling van het aantal levensvatbare maar niet kweekbare cellen (VBNC's)
OPMERKING: Gebruik het aantal kweekbare cellen verkregen uit het aantal levensvatbare platen en het aantal levensvatbare cellen verkregen uit levende/dode kleuring om het aantal VBNC's te bepalen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Levensvatbare maar niet kweekbare (VBNC) bacteriële levensvormen worden geïnduceerd door stressoren, waaronder antibioticabehandeling, en veroorzaken terugkerende infecties vanwege hun antibioticatolerantie. Omdat MH een breedspectrum antimicrobieel middel is waartegen resistentie zelden is gedetecteerd, werd verondersteld dat MH minder VBNC's induceerde dan conventionele antibiotica. De hier beschreven methode werd gebruikt om VBNC's te kwantificeren die worden gevormd door twee wondver...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Het hier beschreven protocol maakt de detectie van VBNC-celpopulaties mogelijk in wondveroorzakende bacteriën die worden behandeld met minimale remmende concentraties (MIC's) van MH en conventionele antibiotica. Kritieke stappen in het protocol waren onder meer het bereiden van de MH-verdunningen op de dag van het experiment, het voorkomen van monsterverlies tijdens levende/dode kleuring en het correct berekenen van het geanalyseerde volume. Voor deze en andere studies werden de MH MIC's...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben geen belangenconflicten te onthullen.
Dit werk werd gefinancierd door twee beurzen van de Eastern Washington University, de Faculty Research and Creative Works Grant aan A.R.C en de Undergraduate Research & Creative Activities Grant aan L.T.B. Bill en Connie Cross schonken geld aan EWU om de Leica DMIL omgekeerde fluorescerende microscoop met een digitale camera aan te schaffen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Mueller Hinton bouillon | Fisher Bioreagents | B12322 | |
| Luria Bertani (LB) bouillon | Fisher Bioreagents | BP142602 | |
| BD Difco Agar | Fisher Scientific | DF0812-07-1 | |
| natriumchloride | Sigma | S3014-500g | |
| meropenem | TargetMol | T0224 | |
| tobramycine | Selleck Chemicals | S2514 | |
| Staphylococcus aureus | ATCC | ATCC29213 | |
| Pseudomonas aeruginosa | ATCC | ATCC9721 | |
| schudkweekincubator | Eppendorf | M13520000 | |
| incubator | Benchmark Scientific | H2200-H | |
| Manukaguard Manuka Honing | Amazon | NA | |
| DMIL omgekeerde fluorescentiemicroscoop | Leica Microsystems | 11521265 | |
| Digitale camera | Leica Microsystems | 12730522 | |
| 15 mL falconbuisjes | Genesee Scientific | 28-103 | |
| serologische pipetten | Diagnocine | DP-LB0100005, DP-LB010010 | |
| Pipet Aid Pipettor | Drummond Scientific Company | 4-000-101 | |
| Bunsenbrander | Fisher Scientific | S48108 | |
| Rainin pipetten | Pipette.com | L-20, L-200, L-1000 | |
| weegschaal | Mettler Toledo | XS603S | |
| 96-well plate | Falcon | 351172 | |
| inoculeerlus | Fisher Scientific | 13-104-5 | |
| isopropanol | Fisher Scientific | BP2618-1 | |
| glasverspreider | zelfgemaakt | NA | |
| Live dode kleuringskit voor bacteriën | Invitrogen | L7012 | |
| microfugebuisjes | Biologix Research Company | SKU 80-1500/P80-1500 | |
| tinfolie | Costco | NA | |
| Figuur makende software | GraphPad | NA | GraphPad Prism werd gebruikt voor het maken van figuren en het uitvoeren van statistische analyses. |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen