Ten manuskrypt opisuje dopęcherzowe podawanie bakterii uropatogennych za pomocą operonu luksa w celu wywołania infekcji dróg moczowych u myszy i późniejszą podłużną analizę in vivo obciążenia bakteryjnego za pomocą obrazowania bioluminescencyjnego.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Ten manuskrypt opisuje dopęcherzowe podawanie bakterii uropatogennych za pomocą operonu luksa w celu wywołania infekcji dróg moczowych u myszy i późniejszą podłużną analizę in vivo obciążenia bakteryjnego za pomocą obrazowania bioluminescencyjnego.
Infekcje dróg moczowych (UTI) należą do najczęstszych infekcji bakteryjnych u ludzi i są rutynowo leczone empirycznymi antybiotykami. Jednak ze względu na rosnącą oporność drobnoustrojów skuteczność najczęściej stosowanych antybiotyków spadła. Aby znaleźć alternatywne opcje leczenia, istnieje ogromna potrzeba lepszego zrozumienia patogenezy ZUM i mechanizmów, które decydują o podatności na ZUM. Aby zbadać to na modelu zwierzęcym, niezbędny jest powtarzalny, nieinwazyjny test do badania przebiegu ZUM.
Przez lata, złotym standardem w liczeniu obciążenia bakteryjnego było wyznaczanie jednostek tworzących kolonie (CFU) dla określonej objętości próbki. Technika ta wymaga pośmiertnych homogenatów narządów i seryjnych rozcieńczeń, co ogranicza wydajność danych i odtwarzalność. Alternatywnie, obrazowanie bioluminescencyjne (BLI) zyskuje na popularności w celu określenia obciążenia bakteryjnego. Znakowanie patogenów za pomocą operonu luksa pozwala na czułe wykrywanie i kwantyfikację w nieinwazyjny sposób, umożliwiając w ten sposób długotrwałą obserwację. Jak dotąd, zastosowanie BLI w badaniach nad ZUM pozostaje ograniczone.
Ten manuskrypt opisuje praktyczną implementację BLI w modelu infekcji dróg moczowych u myszy. Tutaj znajduje się przewodnik krok po kroku dotyczący hodowli bakterii, wkraplania dopęcherzowego i obrazowania. Badana jest korelacja in vivo z CFU i dostarczany jest dowód słuszności koncepcji, porównując obciążenie bakteryjne nieleczonych zakażonych zwierząt ze zwierzętami leczonymi antybiotykami. Ponadto omówiono zalety, ograniczenia i względy charakterystyczne dla wdrożenia BLI w modelu ZUM in vivo. Wdrożenie BLI w dziedzinie badań nad ZUM znacznie ułatwi badania nad patogenezą ZUM oraz odkrycie nowych sposobów zapobiegania i leczenia ZUM.
Infekcje dróg moczowych (ZUM) należą do najczęstszych infekcji bakteryjnych u ludzi. Prawie połowa wszystkich kobiet doświadczy objawowego ZUM w ciągu swojego życia1. Infekcje ograniczone do pęcherza moczowego mogą powodować objawy ze strony układu moczowego, takie jak zwiększenie częstotliwości oddawania moczu, parcie na moczenie, krwiomocz, nietrzymanie moczu i ból. Kiedy infekcja przenosi się do górnych dróg moczowych, u pacjentów rozwija się odmiedniczkowe zapalenie nerek ze złym samopoczuciem, gorączką, dreszczami i bólem pleców. Co więcej, do 20% pacjentów z ZUM cierpi na nawracające infekcje, co powoduje dramatyczny spadek wrażliwości na antybiotyki2,3,4. W ostatnich latach wzrosło zainteresowanie nowatorskimi terapiami w leczeniu i profilaktyce nawrotów ZUM. Pomimo lepszego zrozumienia wrodzonej i adaptacyjnej odporności dolnych dróg moczowych oraz czynników wirulencji bakterii niezbędnych do inwazji i kolonizacji, żadne radykalne zmiany w reżimie leczenia nie zostały przełożone na codzienną praktykę urologiczną2. W celu zbadania patogenezy i podatności ZUM in vivo niezbędny jest powtarzalny i nieinwazyjny test.
Opisano wiele zwierzęcych modeli UTI, od nicieni po naczelne, ale najczęściej używany jest model mysi5,6. Model ten polega na przezcewkowym cewnikowaniu (samic) myszy, a następnie wkropleniu zawiesiny bakteryjnej, najczęściej uropatogennej Escherichia coli (UPEC), bezpośrednio do pęcherza moczowego lumen7. Po inokulacji obciążenie bakteryjne tradycyjnie określa się ilościowo poprzez określenie jednostek tworzących kolonie (CFU). Technika ta wymaga składania zwierząt w ofierze w celu uzyskania pośmiertnych homogenatów narządów i seryjnych rozcieńczeń, co ogranicza wydajność danych i odtwarzalność. Ponadto przy użyciu tej techniki nie jest możliwe długotrwałe monitorowanie obciążenia bakteryjnego u poszczególnych zwierząt.
W 1995 roku Contag et al. zasugerowali użycie patogenów oznaczonych bioluminescencyjnie do monitorowania procesów chorobowych u żywych zwierząt8,9. Od tego czasu obrazowanie bioluminescencyjne (BLI) zostało zastosowane do wielu modeli infekcji, takich jak zapalenie opon mózgowych, zapalenie wsierdzia, zapalenie kości i szpiku, infekcje skóry i tkanek miękkich itp.10,11,12. W mysim modelu UTI można użyć szczepu UPEC z kompletnym operonem luksowym (luxCDABE) firmy Photorhabdus luminescens13. Reakcja enzymatyczna jest katalizowana przez lucyferazy bakteryjne, która jest zależna od utleniania aldehydów długołańcuchowych reagujących ze zredukowanym mononukleotydem flawinowym w obecności tlenu, dając utlenioną flawinę, długołańcuchowy kwas tłuszczowy i light12. Operon luksowy koduje lucyferazy i inne enzymy wymagane do syntezy substratów. W związku z tym wszystkie metabolicznie aktywne bakterie będą w sposób ciągły emitować niebiesko-zielone (490 nm) światło bez konieczności wstrzykiwania egzogennego substratu12. Fotony emitowane przez bakterie oznaczone luksem mogą być rejestrowane za pomocą bardzo czułych, chłodzonych kamer ze sprzężeniem ładunkowym (CCD).
Użycie bakterii bioluminescencyjnych w modelu UTI pozwala na podłużną, nieinwazyjną kwantyfikację obciążenia bakteryjnego, pomijając potrzebę składania ofiar ze zwierząt w ustalonych punktach czasowych podczas obserwacji oznaczania CFU. Pomimo szerokiego wachlarza możliwości, gromadzenia dowodów na solidność tej techniki BLI w innych dziedzinach i jej przewagę nad klasycznymi modelami ZUM, nie została ona szeroko wdrożona w badaniach UTI. Przedstawiony tutaj protokół zawiera szczegółowy przewodnik krok po kroku i podkreśla zalety BLI dla wszystkich przyszłych badań nad ZUM.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie eksperymenty na zwierzętach zostały przeprowadzone zgodnie z wytycznymi Rady Wspólnoty Unii Europejskiej i zostały zatwierdzone przez Komisję Etyki Zwierząt KU Leuven (P158/2018).
1. Hodowla bakterii (na podstawie7,13,14)
2. Szczepienie zwierząt (na podstawie7,16)
3. Obrazowanie bioluminescencyjne
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
In vivo BLI koreluje z liczbą CFU inokulum w momencie podania.
Aby ocenić granicę wykrywalności BLI in vivo oraz korelację z liczbą CFU inokulum, myszy zainfekowano różnymi stężeniami UTI89-lux oraz PBS jako kontrolą negatywną. Przed podaniem preparatu zainfekowane zwierzęta poddano skanowaniu w celu określenia luminescencji tła. Kolejne obrazy uzyskano bezpośrednio po podaniu (Rycina 1A). Po podaniu UTI89-lux biolumin...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Zalety BLI w porównaniu z liczeniem CFU
Dane dotyczące zmian w czasie
Główną wadą tradycyjnej metody liczenia CFU w celu ilościowego określenia obciążenia mikrobiologicznego jest wymóg stosowania pośmiertnych homogenatów narządów, dostarczających tylko jeden punkt danych przekroju poprzecznego na zwierzę. Z drugiej strony, BLI umożliwia nieinwazyjną obserwację podłużną zakażonych zwierząt. Zwierzęta mogą być obrazowane 2 do 3 razy dziennie, co zapewnia szczegółowy wgląd w kinetykę infe...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.
Ta praca była wspierana przez granty z Fundacji Badawczej - Flandria (FWO Vlaanderen; G0A6113N), Rada Naukowa KU Leuven (C1-TRPLe; T.V. i W.E.) oraz VIB (do T.V.). W.E. jest starszym badaczem klinicznym Fundacji Badawczej we Flandrii (FWO Vlaanderen). Szczep UTI89-lux był hojnym prezentem od laboratorium prof. Seeda13.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 96-dołkowa płaska płytka polistyrenowa | Corning | 3925 | do obrazowania in vitro |
| Trymer do włosów Aesculap ISIS | Aesculap | GT421 | , z nasadką GT608 |
| Waporyzator anestezjologiczny | Aparat Harvard ograniczony | Nie dotyczy | https://www.harvardapparatus.com/harvard-apparatus-anesthetic-vaporizers.html |
| Baytril 100 mg/ml | Bayer | Nie dotyczy | Enrofloksacyna |
| BD Insyte Autoguard 24 GA | BD | 382912 | Żółty angiocewnik, użyj sterylnej plastikowej końcówki do wkraplania |
| myszy C57Bl/6J | Janvier | N/A | |
| 5804R | Eppendorf | EP022628146 | |
| Dropsense 16 | Unchained Labs | Trinean | do pomiaru OD 600nm |
| buforowany fosforanem Dulbecco Sól fizjologiczna, Gibco | ThermoFisher Scientific | REF 14040-083 | |
| Etanol 70% denaturowany 5L | VWR international | 85825360 | |
| Falcon 14ml Probówka z polistyrenu z okrągłym dnem, zatrzask | Corning | 352057 | |
| Falcon 50ml cellstart | Greiner | 227285 | |
| Hamilton GASTIGHT, PTFE Luer lock, 100 µ L | Sigma-Aldrich | 26203 | zapewniający powolne wkraplanie bakteryjne 50 &mikro; L |
| Uchwyt pętli inokulacyjnej | Roth | 6174.1 | : Art. Nr 6189.1 |
| Iso-Vet 1000mg/g | Dechra Produkty weterynaryjne | N/A | Isoflurane |
| IVIS Spectrum In Vivo System obrazowania | PerkinElmer | REF 124262 | Urządzenie do obrazowania |
| Roztwór kanamycyny 50 mg / ml | Sigma-Aldrich | CAS 25389-94-0 | |
| Żywe oprogramowanie do obrazowania | PerkinElmer | N/A | BLI, wersja 4.7.3 |
| Luria Bulion Bertani | Sigma-Aldrich | REF L3022 | alternatywnie można przygotować |
| bulion Luria Bertani z agarem | Sigma-Aldrich | REF L2897 | alternatywnie można przygotować |
| szalkę Petriego Sterilin 90mm | ThermoFisher Scientific | 101VR20 | do napełnienia agarem LB uzupełnionym |
| kolbą Km Pyrex Culture 250 ml | Sigma-Aldrich | SLW1141/08-20EA | |
| Slide 200 Trinean | Unchained Labs | 701-2007 | do pomiaru OD 600nm |
| UTI89-lux | N/A | N/A | Hojny prezent od prof. Seed |
| Vortex | VWR international | 444-1372 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.