We presenteren een methode voor een schimmelpathogenesemodel dat de natuurlijke positionering van schimmelsporen in de longluchtwegen behoudt voor analyse via fluorescentiemicroscopie.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
We presenteren een methode voor een schimmelpathogenesemodel dat de natuurlijke positionering van schimmelsporen in de longluchtwegen behoudt voor analyse via fluorescentiemicroscopie.
Schimmels infecteren mensen wanneer sporen uit de omgeving in de longen worden ingeademd. De long is een heterogeen orgaan. Geleidende luchtwegen, inclusief bronchiën en bronchiolen, vertakken zich totdat ze eindigen in het alveolaire luchtruim waar gasuitwisseling plaatsvindt. Infecties die hun oorsprong vinden in de bronchiolen of longblaasjes lokken verschillende gastreacties en ziektemanifestaties uit. Daarom vergroot het precies begrijpen waar sporen van nature in de longen zich bevinden, vooral kort na infectie, de mogelijkheden voor onderzoek naar interacties tussen gastheer en ziekteverwekker. Hierin beschrijven we een in-situ analyse van longen van muizen die besmet zijn met Coccidioides posadasii cts2/ard1/cts3Δ arthroconidia. Conventionele methoden voor histologische conservering omvatten het vloeibaar opblazen van de luchtwegen met een fixatieve oplossing, die de natuurlijke locatie van opgezogen schimmeldeeltjes verplaatst en sporen van proximale bronchiolen naar terminale luchtruimten duwt.
Omgekeerd behoudt deze methode van luchtinflatie met perfusiefixatie van het bloedvaatstelsel de fysiologische positie van schimmelsporen in de bronchiolen. Bovendien beschrijven we een eenvoudige benadering voor het cryopreserveren, inbedden en in beeld brengen van longmonsters. We delen ook high-throughput computationele technieken via het open-source QuPath-programma om de ruimtelijke verdeling van schimmelsporen in de long te analyseren. De hier gepresenteerde methode is eenvoudig en snel, vereist minimale apparatuur om uit te voeren en kan gemakkelijk worden aangepast voor gebruik met veel modellen van respiratoire schimmelinfecties.
Mensen kunnen tot miljarden sporen per dag inademen van een verscheidenheid aan schimmels uit de omgeving1. Om onze barrièreafweer tegen deze ingeademde sporen te begrijpen, moeten we de precieze micro-anatomische omgevingen waarderen waar deze sporen in de luchtwegen en het longparenchym terechtkomen. De cellulaire samenstelling van de luchtwegen (d.w.z. epitheelcellen) transformeert aanzienlijk langs de luchtpijp, bronchiën, bronchiolen en longblaasjes. Elk van deze verschillende regio's is samengesteld uit verschillende celtypen met discrete functies die gebruik maken van een arsenaal aan verdedigingsmechanismen om pathologische infectie te voorkomen.
De precieze locatie van de afzetting van pulmonale schimmelsporen kan variëren tussen de luchtweglumen van zuilvormige epitheelbeklede bronchiolen, alveolaire kanalen of longblaasjes2. De meeste klinisch relevante schimmelsoorten produceren sporen tussen 1 μm en 10 μm in diameter3. De afzetting van deze sporendeeltjes in de longen hangt af van verschillende factoren, zoals aerodynamica, dichtheid, elektrische lading en phoretische krachten, die het mechanisme van sedimentatie na inademing kunnen beïnvloeden4. Over het algemeen zetten grote deeltjes (> 6 μm) zich af in de bovenste luchtwegen, middelgrote deeltjes (2-6 μm) kunnen zich afzetten in kleinere luchtwegen en kleine deeltjes (<2 μm) bereiken het alveolaire gebied5. Er is gemeld dat aspergillussporen (2-3 μm) de alveolaire ruimten bereiken, maar klinische pathologierapporten wijzen ook op een aanzienlijke last van bronchiale en bronchiolaire aandoeningen6. Er is ook een toenemende erkenning van endobronchiale schimmelinfecties van Aspergillus fumigatus, Coccidioides immitis, Candida-soorten, Cryptococcus neoformans, Histoplasma capsulatum en Zygomyceten als gevolg van de toenemende populariteit van flexibele bronchoscopie7. Recente ontwikkelingen in microscopische beeldvorming van Aspergillus-infecties bij muizen hebben ook aangetoond dat meer proximale luchtruimen zoals bronchiën en bronchiolen de hoogste last kunnen dragen voor pathologische schimmelproliferatie8. Onderzoek naar de reactie van de gastheer op pulmonale schimmelinfecties heeft aangetoond dat zowel bronchiolaire epitheelcellen als alveolaire epitheelcellen een belangrijke rol spelen als immuunschildwachten, dus het ophelderen van de exacte plaatsen van sporenafzetting en epitheliale interactie zal van vitaal belang zijn voor toekomstig werk 2,9,10.
Het bestuderen van deze dynamiek van de pathogenese van de proximale luchtwegen is moeilijk omdat standaard longfixatie- en sectievoorbereidingstechnieken sporen van deze proximale posities in epitheel beklede luchtwegen kunnen verplaatsen en ze naar distale terminale alveolaire gebieden kunnen duwen. Gewoonlijk wordt 10% formaline of 4% paraformaldehyde gebruikt om de longen op te blazen en de hele long snel bloot te stellen aan fixeermiddel. Bij het voorbereiden van de longen op cryosectie dienen sommige groepen een optimale snijtemperatuur (OCT) verbinding toe in de longen om de cryosectieprestaties te verbeteren11. Deze praktijken zijn nuttig in de juiste context, maar zijn door ons laboratorium en andere groepen gevonden om sporen en deeltjes van proximale locaties te verplaatsen, waardoor interpretaties over de aan sporen blootgestelde celtypen en de daaropvolgende gastheerrespons worden verstoord12.
Om de microanatomische lokalisatie van ingeademde schimmelsporen nauwkeurig vast te stellen, hebben we een snelle, resourcearme methode ontwikkeld voor het behoud van de locatie van schimmelsporen in de luchtwegen van muizen. We hebben een muriene luchtopblazende vasculaire perfusie-fixatiemethode van Thomas et al. (2021) aangepast, waarbij we de hoeveelheid apparatuur, tijd en technische vaardigheden hebben verminderd die nodig zijn om een bevredigend resultaat te bereiken13. Uit de hier beschreven methode hebben we waargenomen dat Coccidioides posadasii cts2/ard1/cts3Δ arthroconidia (3-5 μm groot) proximaal meer accumuleren dan eerder werd aangetoond, namelijk in distale bronchiolen en broncho-alveolaire juncties in plaats van terminale longblaasjes. Deze informatie kan zich richten op biologische vragen over de kritieke celtypen die verband houden met deze longgebieden en hun invloed op de vroege reacties op ingeademde schimmelsporen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Alle methoden die in dit protocol worden beschreven, zijn goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) van Rutgers Biomedical Health Sciences.
1. Label sporen met intracellulaire fluorescentie
2. Muis inoculeren met sporen door aspiratie-inhalatie met behulp van isofluraan-anesthesie
LET OP: Isofluraan is een vluchtig verdovingsmiddel en moet worden gebruikt in een bioveiligheidskast of zuurkast met kanalen.

Figuur 1: Apparaat voor isofluraan open druppel methode voor sporeninoculatie. Een gevouwen servet wordt op de bodem van een pot met schroefdop van 1 liter geplaatst en vervolgens wordt een rond plastic gaas ingebracht om als platform voor de muizen te fungeren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
3. Euthanasie van muizen
4. Perfusie van de longen met PBS en formaline
5. Luchtopblazen van de geperfundeerde long
6. Onderdompeling, fixatie en uitdroging
7. Cryosectie
8. Voorbereiding en blokkering van dia's
9. Immunokleuring
10. Beeldvorming via fluorescentiemicroscopie
11. Ruimtelijke analyse via QuPath
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Deze methode produceert uiteindelijk immunofluorescerende beelden van muizenlongen met behulp van fysiologische luchtinflatie om de luchtwegen ongestoord te laten. Belangrijk is dat meerdere controlepunten onderweg bevestigen dat onderdelen van het protocol met succes zijn uitgevoerd. Tijdens de inoculatie is het belangrijk om te bevestigen dat het entmateriaal is opgezogen door te voelen of er "gekraak" op de achterste borstwand van de muis is die erop wijzen dat de vloeistof de luchtwe...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
We hebben een pijplijn opgezet voor het inademen van sporen en het analyseren van de ruimtelijke depositie van de ingeademde sporen. Deze pijplijn biedt waardevolle informatie om de relevante stromale gebieden van de long te bepalen die zijn aangetast door inademing van Coccidioides posadasii cts2/ard1/cts3Δ arthroconidia. We hebben waargenomen dat Coccidioides-sporen en inerte deeltjes van vergelijkbare grootte (gegevens niet weergegeven) zich ophopen in distale bronc...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben niets te onthullen.
Financiering en ondersteuning werden verkregen via NIH-subsidie K22 AI153678-01 en Rutgers School of Graduate Studies. We danken Fawad Yousufzai en Luke Fritzky van de Rutgers Biomedical Health Sciences Cellular Imaging and Histology Core voor hun werk en expertise bij het verkrijgen van immunofluorescerende beelden.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 18 G, 1 1/2 needle (305185) | Fisher | 305185 | |
| 1 L Screwtop Jar (Nalgene) | Fisher Scientific | 11-823-33 | |
| Air-Tite Bulk Unsterile Syringes 10 mL Luer Lock | Fisher | 14-817-175 | |
| AnaSed Injection (xylazine steriele oplossing) | Akorn | 59399-110-20 | |
| Animal-Free Blocker and Diluent, R.T.U. | Vector | SP-5035-100 | |
| BD Insyte Autoguard Winged Shielded IV Catheter with BD Vialon Catheter Material 18 G x 1.88 in | BD | 381547 | |
| BD Pharmingen Purified Rat Anti-Mouse CD16/CD32 (Mouse BD Fc Block™) | BD | 553142 | |
| CellTracker Orange CMRA Dye | Fisher Scientific | NC0873640 | |
| CFSE | Labviva | 75003 | |
| Coccidioides posadasii cts2/ard1/cts3Δ | BEI Resources | NR-166 | |
| Corning 70 micron strainers | VWR | 10054-456 | |
| EpCAM AlexaFluor647 monoklonaal antilichaam | Biolegend | 118211 | |
| Exel International HYpodermic Needles 30 G x 1/2" | Labviva | EN3012 | |
| Fisherbrand Sterile Syringes for Single Use (1mL, Leur Slip) | Fisher | 14-955-462 | |
| Glucose Monohydrate | Azer Scientific | ES17530-500G | |
| High Vacuum Grease | VWR | 59344-055 | |
| Hoechst 33342 Oplossing 20 mM (5 mL) | ThermoFischer | 62249 | |
| Isoflurane USP | Covetrus | 29405 | |
| Ketamine Hydrochloride | Dechra | 1000001250 | |
| KIMWIPES Delicate Task Wipers (4.4'' x 8.4") | VWR | 21905-026 | |
| Lexer Baby Scissors | FST | 14078-10 | |
| Micro-Adson Forceps | FST | 11018-12 | |
| Neutral Buffered Formalin (10%) (Azer Scientific) | Fisher | 22-026-350 | |
| Nunc EasYFlask tissue culture flasks, T75, filter caps | VWR | 15708-134 | |
| PBS | VWR | 45000-446 | |
| Peel-A-Way embedding molds | Sigma | E6032-1CS | |
| QuPath 0.5.1 Software | Open-source | https://qupath.github.io/ | |
| Silk Suture thread size 3/0 | FST | 18020-30 | |
| SlidesMicro Slides Superfrost Plus | VWR | 48311-703 | |
| SlowFade Glass Soft-set Antifade Mountant (2 mL) | ThermoFischer | S36917 | |
| Sucrose | Sigma | S0389-500G | |
| Tissue-Tek O.C.T. Compound, Sakura Finetek | VWR | 25608-930 | |
| Tween 20 | ThermoFischer | J20605.AP | |
| Vector Laboratories ImmEDGE Hydrophobic Barrier Pen Set Of 2 | Fisher Scientific | NC9545623 | |
| VWR Micro Cover Glasses, Rectangular (24 mm x 40 mm #1.5) | VWR | 48393-230 | |
| White Plastic Wire Mesh | MAPORCH | 789862904922 | |
| Yeast Extract | Fisher | BP9727-500 | |
| Zeiss AxioScan 7 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | https://www.zeiss.com/microscopy/us/products/imaging-systems/axioscan-for-biology.html | multichannel fluorescente microscoop |
| ZEN 3.7 Software | Carl Zeiss Microscopy GmbH | https://www.zeiss.com/microscopy/us/products/software/zeiss-zen.html | microscoop software |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.