$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Istnieje dynamiczna interakcja i koewolucja między bakteriami a gospodarzami, w których przebywają. Bakterie wykształciły organelle adhezyjne, systemy wydzielania i/lub zdolność do wytwarzania toksyn, które umożliwiają im produktywną infekcję komórek fagocytarnych i niefagocytarnych gospodarza. Bakterie muszą również zmagać się z rozpoznawaniem i aktywnością przeciwdrobnoustrojową układu odpornościowego gospodarza. Układ odpornościowy gospodarza składa się z elementów wrodzonych i adaptacyjnych, w tym barier fizycznych i chemicznych, komórek odpornościowych, układu dopełniacza i innych składników odporności humoralnej. Podczas gdy wiele bakterii jest podatnych na zabijanie i usuwanie przez wielowarstwową odpowiedź immunologiczną gospodarza, niektóre bakterie chorobotwórcze i oportunistyczne wyewoluowały mechanizmy infekowania różnych komórek gospodarza i podważania klirensu przez odpowiedź immunologiczną gospodarza 1. Neisseria gonorrhoeae jest jednym z przykładów patogenu bakteryjnego, który jest wysoce przystosowany do przetrwania w organizmie ludzkiego gospodarza. N. gonorrhoeae łatwo kolonizuje powierzchnie świetlne komórek nabłonka błony śluzowej dróg moczowo-płciowych, gardła, spojówki i odbytnicy. Kolonizacja wyzwala obfitą rekrutację neutrofili w miejscach błony śluzowej. Neutrofile to profesjonalne fagocyty, które posiadają różnorodne procesy przeciwdrobnoustrojowe w celu zabijania mikroorganizmów; jednak N. gonorrhoeae jest zdolny do przetrwania w obecności neutrofili 2-5. Zrozumienie, w jaki sposób patogeny bakteryjne, takie jak N. gonorrhoeae, osłabiają, tłumią i przejmują kontrolę nad odpowiedzią immunologiczną, aby ostatecznie przetrwać w normalnie wrogim środowisku gospodarza, ma kluczowe znaczenie dla opracowania nowych terapii zwalczania chorób zakaźnych.
Eksperymentalne protokoły często używane do badania przeżywalności bakterii w komórkach gospodarza obejmują testy liczenia kolonii, testy ochrony gentamycyny i mikroskopię elektronową. W testach liczenia kolonii populacja zakażonych komórek jest poddawana lizie (na przykład za pomocą detergentu, na który bakterie są odporne) w celu uwolnienia bakterii. Lizaty rozcieńcza się i posiewa na pożywkach na bazie agaru, a jednostki tworzące kolonie w lizatach są wyliczane dla każdego punktu czasowego i/lub warunków doświadczalnych. Takie podejście informuje o żywotności całej populacji bakterii, ale nie jest w stanie różnicować przeżycia wewnątrzkomórkowego i zewnątrzkomórkowego. Odmiana testu liczby kolonii, test ochrony gentamycyny, w szczególności mierzy przeżycie bakterii wewnątrzkomórkowych, w oparciu o niezdolność antybiotyku gentamycyny do przekroczenia eukariotycznej błony plazmatycznej 6. Jednak test ten jest zależny od tego, czy bakterie są podatne na zabijanie przez gentamycynę (lub inny antybiotyk, który jest podobnie nieprzepuszczalny dla błony eukariotycznej) i niezdolność antybiotyku do dostępu do bakterii wewnętrznych. W związku z tym test ochrony gentamycyny może nie być skuteczny w badaniu wszystkich gatunków bakterii lub podczas badania przeżywalności bakterii w komórkach o wysokim poziomie pinocytów, takich jak neutrofile. Żadne z tych podejść nie ujawnia lokalizacji subkomórkowej ani innego zachowania poszczególnych bakterii (np. jeśli bakterie tworzą agregaty lub mikrokolonie, które zachowują się inaczej niż pojedyncze komórki bakteryjne). Innym często stosowanym podejściem do badania żywotności poszczególnych bakterii zewnętrznych i wewnętrznych jest cienkowarstwowa transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM). Takie podejście jest korzystne, ponieważ może dostarczyć informacji dotyczących lokalizacji bakterii w komórkach gospodarza (np. fagosomie, cytoplazmie, autofagosomie), które można dalej badać za pomocą mikroskopii immunoelektronowej z przeciwciałami sprzężonymi ze złotem przeciwko markerom subkomórkowym. Jednak mikroskopia elektronowa nie jest szczególnie czuła w ocenie żywotności bakterii. Gdy osadzone skrawki są barwione octanem uranylu, cytrynianem ołowiu lub innymi odczynnikami o dużej gęstości elektronów i obrazowane za pomocą mikroskopii elektronowej, bakterie o dużej gęstości elektronów są uważane za żywotne, a przezroczyste elektronowo za nieżywotne 7,8. Jednak to założenie przecenia żywotność bakterii, ponieważ tylko te martwe bakterie z poważnie przerwanymi błonami i pozbawione cytoplazmy wydają się przezroczyste dla elektronów. Ponadto niektóre gatunki bakterii mogą wykazywać szereg gęstości elektronów w zależności od etapu wzrostu, co utrudnia określenie żywotności.
Jako alternatywę lub dodatek do tych powszechnie stosowanych metod, tutaj podajemy protokoły i uzasadnienie dla stosowania barwników fluorescencyjnych, które wskazują na żywotność bakterii, aby ocenić przeżywalność bakterii przyczepionych i internalizowanych przez komórki gospodarza. Aby zidentyfikować bakterie zewnątrzkomórkowe, zakażone komórki są najpierw wystawione na działanie odczynnika fluorescencyjnego, takiego jak lektyna lub przeciwciało specyficzne dla bakterii. Zainfekowane komórki są następnie przepuszczane i wystawiane na działanie barwników specyficznych dla DNA, które są różnie dostępne dla bakterii z nienaruszonymi i zdegradowanymi błonami, jako substytut żywotności bakterii. W pierwszym protokole przepuszczalny dla błony barwnik SYTO9 identyfikuje całą populację bakterii, podczas gdy jodek propidyny jest dostępny tylko dla tych bakterii, które mają uszkodzone błony i dlatego są uważane za niezdolne do życia. Jodek propidyny i SYTO9 wykorzystano do oceny żywotności bakterii w biofilmach, odróżnienia bakterii chorobotwórczych od niepatogennych i wyliczenia żywotnych bakterii przenoszonych przez wodę 9-12. W drugim protokole 4',6'-diamidyno-2-fenyloindol (DAPI) identyfikuje bakterie ogółem, podczas gdy SYTOX Green jest dostępny tylko dla populacji niezdolnej do życia. Te pary barwników żywotności można połączyć z immunofluorescencją w celu określenia lokalizacji każdej bakterii w stosunku do białka będącego przedmiotem zainteresowania, na przykład w celu określenia lokalizacji subkomórkowej bakterii. Zastosowanie tych testów dostarcza kluczowych informacji na temat interakcji, które skutkują zabijaniem lub przeżywalnością bakterii podczas infekcji komórek gospodarza. Protokoły przedstawione w tym artykule zostały wykorzystane do oceny żywotności N. gonorrhoeae, która jest przyczepiona do pierwotnych ludzkich neutrofili i wewnątrz nich, w tym w różnych populacjach fagosomów neutrofili 5,13,14. Jednak protokoły te można zastosować do oceny żywotności bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych w fagocytach profesjonalnych, fagocytach nieprofesjonalnych i pierwotniakach 15-24.