Dit protocol evalueert de invloed van rijke (TSB) en minimale (FAB) nutriëntenmediasamenstellingen op de ontwikkeling van Pseudomonas aeruginosa PAO1 en PA14 biofilm in een steady state flow omgeving in een microkanaal.
Methodenartikel
Dit protocol evalueert de invloed van rijke (TSB) en minimale (FAB) nutriëntenmediasamenstellingen op de ontwikkeling van Pseudomonas aeruginosa PAO1 en PA14 biofilm in een steady state flow omgeving in een microkanaal.
De pathogene bacterie Pseudomonas aeruginosa is een belangrijke oorzaak van talrijke nosocomiale infecties, en de groeiende antimicrobiële resistentie heeft ertoe geleid dat het een aanzienlijke bedreiging voor de volksgezondheid vormt. Dit artikel presenteert een uitgebreid protocol dat het gebruik van een microfluïdisch systeem beschrijft voor realtime visualisatie en kwantificatie van biofilmontwikkeling in twee belangrijke P. aeruginosa-stammen , PAO1 en PA14. De methode maakt gebruik van optisch transparante, multikanaal microkanaalplaten om bacteriële culturen te onderwerpen aan een continue, constante stroom van media, waaronder tryptische sojabouillon (TSB) of gemodificeerde minimale nauwkeurige anaerobe bouillon (FAB) met wisselende concentraties koolstofbronnen, waarmee de omstandigheden in klinische omgevingen worden nagebootst. Over een periode van 24 uur legt geautomatiseerde realtime beeldvorming de groei en rijping van biofilms vast in de vorm van de oppervlaktebedekking, dikte en oppervlakteruwheid van de biofilm op een zeer reproduceerbare manier. Het experimentele doel is om de resultaten te gebruiken om aan te tonen dat biofilmvorming voor beide stammen significant wordt beïnvloed door veranderingen in de samenstelling van voedingsmedia. Het doel van dit gevisualiseerde protocol is om onderzoekers een methode te bieden om biofilmdynamiek te bestuderen onder stabiele laminaire stromingsomstandigheden, en de verkregen inzichten kunnen worden benut om alternatieve, niet-antimicrobiële strategieën te ontwikkelen voor het uitroeien van vroege P . aeruginosa-biofilms in nosocomiale omgevingen.
Het doel van deze methode is om de impact te observeren van twee verschillende kweekmedia, namelijk tryptische sojabouillon (TSB) en gemodificeerde minimale nauwgezette anaerobe bouillon (FAB), op de biofilmgroei van twee Pseudomonas aeruginosa-stammen , namelijk PAO1 en PA14. Hoewel P. aeruginosa PAO1 en PA14 beide veelvoorkomende referentiestammen in het laboratorium zijn, infecteert de PA14-stam een groter aandeel gastheren, van planten tot ongewervelden1. De TSB-voedingsbouillon is een algemeen kweekmedium met 2,5 g/L glucose als koolstofbron en kan een breed scala aan bacteriën kweken dankzij de samenstelling van caseïne- en sojapeptonen voor organisch stikstof en een natuurlijke suikervoorziening, evenals natriumchloride om osmotisch evenwicht2 te behouden. Het minimale FAB-medium daarentegen is geformuleerd met minimale concentraties (50-voudige reductie) van één enkele koolstofbron, bij niveaus van 0,05 g/L om de groeibehoefte van anaerobe bacteriën te onderzoeken. Zowel de PAO1- als PA14-vervormingen werden blootgesteld aan eenrichtings, laminaire stroming, wat resulteerde in een lage wandschuifspanning van 0,01 Pa. Deze afschuifstresswaarde komt vaak voor op door P. aeruginosa gekoloniseerde locaties, waaronder de bronchiën van cystische fibrosepatiënten en het maag-darmkanaal. De biofilmgroei werd gemeten over een periode van 24 uur door realtime het percentage biofilmoppervlakte, de oppervlaktedekking, dikte en het rekenkundige gemiddelde van de oppervlakteruwheid te beoordelen.
P. aeruginosa-biofilms zijn verantwoordelijk voor een aanzienlijk percentage van de nosocomiale infecties en zijn een belangrijke doodsoorzaak bij mensen met taaislijmziekte 3,4,5. Eerdere onderzoeken naar de impact van koolstofbronniveaus op de ontwikkeling van bacteriële biofilms hebben de cruciale rol van hydrodynamische stroming tijdens de ontwikkeling van biofilm verwaarloosd, scherspanningswaarden gebruikt die niet representatief zijn voor infectieplaatsen van P. aeruginosa, of alleen biofilmkinetische en morfologische analyses uitgevoerd na experiment 6,7. Deze beperkingen worden met deze methode aangepakt door gebruik te maken van realtime beeldvorming van biofilmontwikkeling, onder stationaire stroming binnen een microfluïdisch kanaal dat fysiologische omgevingen bij cystische fibrosepatiënten nauw nabootst.
Deze methode biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van alternatieve technieken die worden gebruikt om biofilmontwikkeling te bestuderen. De toepassing van realtime beeldvorming tijdens de 24-uur biofilmgroeiperiode zorgt ervoor dat de ontwikkelende biofilm onaangetast blijft, omdat er geen droging of chemische aanpassingen nodig zijn, waardoor veranderingen in de samenstelling worden voorkomen en representatievere resultaten opleveren dan methoden die monstermanipulatie vereisen8. Daarnaast repliceert deze procedure door het toepassen van stabiele hydrodynamische stromingscondities en het variëren van de concentraties van koolstofbronnen over een grote omvang de fysiologische omgevingen op locaties van P. aeruginosa nosocomiale infecties nauwkeuriger. Dit maakt het een representatievere methode vergeleken met statische assays, zoals 96-well microtiterplaten of coupons, die het kritieke effect van vloeistofstroom op biofilmontwikkelingniet vastleggen.
Het gebruikte microfluidische apparaat is specifiek gekozen omdat de afmetingen vergelijkbaar zijn met delen van de long, zoals bronchiolen en bronchiën12. Bovendien zijn P. aeruginosa-infecties een groot probleem voor patiënten met ernstige brandwonden, waarbij het glucosegehalte aanzienlijk kan afwijken van het normale bereik van de patiëntvan 13,14.
Hoewel dit protocol specifiek twee stammen van P. aeruginosa gebruikt, is de methode ook toepasbaar op onderzoeken naar de vroege ontwikkeling van andere bacteriën die infecties veroorzaken of gebieden onder vergelijkbare omstandigheden koloniseren. Daarnaast kunnen ook andere samenstellingen van voedingsstoffen en stromingscondities (bijvoorbeeld pulserende en oscillerende stromingen, of hogere wandschuifwaarden) met dezelfde methodologie worden onderzocht.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
1. Glaswerkreiniging
2. Tryptische sojabouillon-mediabereiding
3. Nauwgezette anaerobe bereiding van bouillon
4. TSB-agarbereiding
5. Petrischaal Pseudomonas Aeruginosa kweek
6. Pseudomonas aeruginosa PAO1 en PA14 glycerolvoorraden
7. Het meten van de optische dichtheid van nachtelijke culturen
8. Aantal levensvatbare cellen
.
).9. Microfluidische systeemopstelling en experimentele run



10. Z-stack accumulatie
11. Afbeelding na het experiment en data-analyse
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Deze sectie beschrijft de representatieve uitkomsten bij het toepassen van bovenstaande protocolprocedure. Alle experimenten werden uitgevoerd met ten minste drie onafhankelijke biologische replicaten, elk bestaande uit zes parallelle kanalen, en de gegevens worden gepresenteerd als gemiddelde ± standaarddeviatie. Foutbalken in alle grafieken geven standaarddeviatie aan, zoals gedefinieerd in de figuurlegendes.
De groei van de PAO1- en PA14-vervormingen
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De verschillende cruciale stappen die samen dit protocol vormen, maken een meer uitgebreide en nauwkeurige analyse van biofilmvorming mogelijk dan alternatieve, meer traditionele methoden. Een belangrijk onderdeel is het gebruik van een 48-wells microkanaalplaat, met microschaalkanalen van afmetingen 350 μm × 70 μm × 4 mm (W × H × L). Deze afmetingen weerspiegelen specifiek de stromingscondities en microomgevingen die voorkomen in ziekenhuisomgevingen, zoals urinekatheters of de longbron...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben niets te onthullen.
De auteurs willen de School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering (MAC) van de Universiteit van Sheffield bedanken voor de financiering.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| (NH4)2SO4 | Acros Organics | 7783-20-2 | Voor gemodificeerd FAB medium |
| 48-well 0-2 Pa microchannel plate - glass coverslip | Cell Microsystems | 910-0047-5Pack | Microkanalen voor mediastroom en biofilm groei met real-time beeldvorming |
| -80 °C Freezer | Thermo Fisher Scientific | 1.16057E+15 | Om glycerolstocks op te slaan tot verder gebruik |
| Agar, Bacteriological Grade | Acros Organics | 443570010 | Voor Agar platen - bacteriecultuur |
| Analytical Balance | VWR | VWRI611-2297 | Om componenten van gebruikte media te meten |
| Autoclave | Priorclave | 4304 | Om glaswerk te steriliseren |
| BioFlux 1000HT | I&L Biosystems | https://il-biosystems.com/cell- microsystems/device/bioflux-1000ht- shear-flow-system/ | Voor microchannel stroming en biofilmgroei experimenten |
| BioFlux Control Module | I&L Biosystems | https://il-biosystems.com/cell- microsystems/device/bioflux-1000ht- shear-flow-system/ | Om mediastroming en biofilmgroei binnen de microkanalen in te stellen en te monitoren |
| BioFlux Montage Software | I&L Biosystems | https://il- biosystems.com/app/uploads/2025/01/Bi oFlux_Overview_.pdf | Om mediastroming en biofilmgroei binnen de microkanalen in te stellen en te monitoren |
| CaCl2 | Fisher Scientific | 10043-52-4 | Voor gemodificeerd FAB medium |
| CaSO4.2H2O | ChemCruz | A1719 | Voor 1 L minimale metaaloplossing |
| Clear Polystyrene 96-well Plate | Corning, Costar | CLS7007 | Voor het tellen van levensvatbare cellen |
| CoSO4.7H2O | Sigma-Aldrich | 10026-24-1 | Voor 1 L minimale metaaloplossing |
| CuSO4.5H2O | Honeywell | 209198-100G | Voor 1 L minimale metaaloplossing |
| Eppendorf Tubes 3810X | Eppendorf | 30125150 | Voor P. aeruginosa glycerolstocks |
| FeSO4.7H2O | VWR International Ltd. | 284005E | Voor 1 L minimale metaaloplossing |
| Fiji (ImageJ) | National Institutes of Health | https://imagej.net/software/fiji/downloa ds | Z-stack beeldverwerking |
| Glucose | Sigma-Aldrich | 50-99-7 | Voor glucose gemodificeerd FAB Medium |
| Glycerol | Sigma-Aldrich | 56-81-5 | Voor P. aeruginosa glycerolstocks |
| H3BO3 | Fisher Scientific | 10043-35-3 | Voor 1 L minimale metaaloplossing |
| Hamamatsu Orca-Flash 4.0 Camera Model C11440- 42U | Hamamatsu | C11440-42U | Voor microchannel stroming en biofilmgroei experiment real-time beeldvorming |
| KH2PO4 | Fisher BioReagents | 7778-77-04 | Voor gemodificeerd FAB medium |
| Methylated-Spirit | Sigma-Aldrich | 2857 | Om microbiologiekast te reinigen voor en na gebruik |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | M8266-100G | Voor gemodificeerd FAB medium |
| Microbiology Cabinet Class II | Thermo Fisher Scientific | 42111226 | Om protocolstappen uit te voeren zonder bacteriën, bouillon of agar te besmetten |
| Mini Incubator | Labnet International | sn03171014 | Om PAO1 en PA14 te ontdooien na -80 °C vrieskast en voor de eerste 24 uur bacteriële agarplaatgroei |
| MnSO4.H2O | Sigma-Aldrich | 10034-96-5 | Voor 1 L minimale metaaloplossing |
| Na2HPO4.2H2O | Sigma-Aldrich | 10102-40-6 | Voor gemodificeerd FAB medium |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S5886-500G | Voor gemodificeerd FAB medium |
| NaMoO4.H2O | Sigma-Aldrich | 10102-40-6 | Voor 1 L minimale metaaloplossing |
| Precision Balance | VWR | VWRI611-2299 | Om componenten van gebruikte media te meten |
| Refrigerated Centrifuge | Heraeus | 40289841 | P. aeruginosa cultuur scheiden van supernatant voor glycerolstocks |
| Semi-Micro Cuvettes | Alpha Laboratories | X72053 | Voor optische dichtheidsmetingen |
| Shaking Incubator | INFORS HT | https://infors- ht.com/en/products/incubator- shakers/multitron-standard | Voor overnachtsculturen |
| Sodium citrate | Sigma-Aldrich | 71498-250G | Voor Natriumcitraat gemodificeerd FAB medium |
| Sterile Plastic Inoculation Loops | Microspec | 15782105 | Voor P. aeruginosa PAO1 en PA14 inoculatie in agar platen en falcon buizen |
| Tryptic Soy Agar, vegitone | Millipore | 14432-500G-F | Voor Agar platen - bacteriecultuur |
| Tryptic Soy Broth | Sigma-Aldrich | T8907 | Gedehydrateerde cultuurmedia - 6 g/200 mL |
| Type 1 Water Dispenser | Thermo Fisher Scientific | sn42103311 | Voor gedistilleerd water |
| ZnSO4.7H2O | Fisher Scientific | 7446-20-0 | Voor 1 L minimale metaaloplossing |
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