Prezentowany protokół opisuje procedurę ilościowego oznaczania komórek zdolnych do życia, ale nie hodowanych (VBNC) w kulturach bakteryjnych traktowanych miodem Manuka.
Artykuł metodologiczny
Prezentowany protokół opisuje procedurę ilościowego oznaczania komórek zdolnych do życia, ale nie hodowanych (VBNC) w kulturach bakteryjnych traktowanych miodem Manuka.
Oporność na antybiotyki i tolerancja wśród bakterii stanowią poważne zagrożenie dla globalnego zdrowia. Mechanizmy przyczyniające się do oporności i tolerancji na antybiotyki obejmują odpowiednio mutacje genetyczne i nabywanie genów oporności oraz przejście do żywotnych, ale nie kulturowych (VBNC) i innych stanów uśpienia. Chociaż genetycznie identyczne z ich odpowiednikami nietolerującymi antybiotyków, komórki VBNC unikają działania antybiotyków, pozostając metabolicznie nieaktywne. Antybiotyki są skuteczne tylko wtedy, gdy aktywne są ich docelowe procesy, takie jak replikacja DNA lub transkrypcja. Ponieważ stresory środowiskowe, w szczególności antybiotyki, mogą prowadzić bakterie do stanu uśpienia, potrzebne są alternatywne środki przeciwdrobnoustrojowe, aby zminimalizować lub zapobiec tej reakcji. Przeciwdrobnoustrojowy miód Manuka (MH) jest skuteczny przeciwko wielu bakteriom, z rzadkim rozwojem oporności. Jego wieloaspektowe mechanizmy przeciwdrobnoustrojowe sprawiają, że jest cennym środkiem w leczeniu infekcji bakteryjnych. W ramach tego badania zbadano oporność MH na rozwój oporności na antybiotyki, testując hipotezę, że MH indukuje mniej komórek VBNC niż konwencjonalne antybiotyki. Aby to zbadać, opracowano protokół leczenia bakterii powodujących rany Staphylococcus aureus i Pseudomonas aeruginosa za pomocą minimalnych hamujących stężeń MH lub konwencjonalnych antybiotyków tobramycyny lub meropenemu, w którym następnie wykorzystano liczbę żywotnych bakterii do identyfikacji metabolicznie aktywnych komórek hodowlanych oraz barwienie żywe/martwe w celu zidentyfikowania wszystkich żywych komórek. Liczba komórek VBNC była równa liczbie komórek zdolnych do przeżycia pomniejszonej o liczbę komórek zdolnych do hodowli. W niektórych eksperymentach liczba komórek zdolnych do hodowli była wyższa niż liczba komórek zdolnych do życia, co dawało ujemną liczbę komórek VBNC; w związku z tym numery komórek VBNC nie zostały bezpośrednio porównane. Zamiast tego porównano liczbę komórek zdolnych do hodowli i żywotnych dla każdego leczenia. Tylko P. aeruginosa leczony tobramycyną miał znacznie mniej komórek zdolnych do hodowli niż komórki żywotne, co wskazuje na większą liczbę komórek VBNC. Protokół ten jest szybki i łatwy i może być stosowany do oceny indukcji MH komórek VBNC w innych bakteriach chorobotwórczych.
Bakterie w stanie spoczynku żywotnego, ale nie kulturowego (VBNC) przeżywają leczenie antybiotykami i powodują nawracające, a czasem śmiertelne choroby zakaźne1,2,3. Bardziej znana jest nam oporność na antybiotyki, która występuje w wyniku dziedzicznej zmiany genetycznej4. Zmiana genetyczna zapewnia oporność na określony antybiotyk poprzez kilka mechanizmów, w tym ograniczenie wchłaniania antybiotyku, zwiększenie wypływu antybiotyku, modyfikację celu antybiotyku lub dezaktywację antybiotyku4. Z kolei bakterie w stanie uśpienia wykazują szerszą i niedziedziczną tolerancję na antybiotyki poprzez zmniejszenie ich metabolizmu2,3. Antybiotyki są ukierunkowane na określone procesy metaboliczne, w tym replikację DNA i syntezę ściany komórkowej, i są nieskuteczne przeciwko metabolicznie nieaktywnym komórkom VBNC4. Komórki VBNC istnieją stochastycznie w niewielkiej liczbie wraz ze swoim genetycznie identycznym rodzeństwem podatnym na antybiotyki w większości populacji bakterii5. Jednak stresory środowiskowe, w tym ekspozycja na antybiotyki, indukują wrażliwe komórki bakteryjne do wejścia w stan tolerancyjny na antybiotyki VBNC3,6. Antybiotykoterapia zabije wrażliwe na antybiotyki komórki w populacji, podczas gdy uśpione komórki VBNC pozostają. Jak sama nazwa wskazuje, komórki VBNC nie nadają się do hodowli na pożywkach odpowiednich do wzrostu ich metabolicznie aktywnego rodzeństwa. Jednak ich błony i materiał genetyczny są nieuszkodzone i mogą się rozmnażać7,8. Po usunięciu antybiotyków wymagane są określone bodźce, takie jak składniki odżywcze, temperatura lub czynniki gospodarza, aby obudzić komórki VBNC ze stanu uśpienia i przywrócić wzrost3,9. Komórki VBNC zostały udokumentowane u wielu patogennych gatunków bakterii, w tym P. aeruginosa i S. aureus, głównych czynników etiologicznych zakażeń ran10,11.
Miód od dawna jest używany w zastosowaniach medycznych, w tym w leczeniu ran, ze względu na swoje właściwości antybakteryjne12. Miód Manuka (MH), pozyskiwany z kwiatów krzewu Manuka (Leptospermum scoparium), został zauważony ze swojego szerokiego spektrum działania bakteriobójczego (recenzja w13,14,15). Skutecznie zabija większość badanych bakterii wywołujących infekcje u ludzi, w tym szczepy bakteryjne, takie jak Staphylococcus aureus oporny na metycylinę i Enterococcus oporny na wankomycynę, które wykazują dziedziczną oporność na tradycyjne antybiotyki16,17. Dodatkowo, indukowana oporność bakterii na MH jest rzadka, wykrywana tylko w biofilmach P. aeruginosa narażonych na kontakt z miodem i Escherichia coli hodowanych w rosnących stężeniach podzbioru badanego miodu18,19,20,21. Sugeruje to, że mechanizmy przeciwdrobnoustrojowe MH różnią się od konwencjonalnych antybiotyków i mogą indukować mniej komórek VBNC lub nie powodować ich braku. Hipoteza ta została przetestowana poprzez określenie, w jaki sposób MH wpływa na populacje VBNC w porównaniu z konwencjonalnymi antybiotykami.
Komórki VBNC muszą być odróżniane od ich metabolicznie aktywnego rodzeństwa hodowlanego i martwych komórek. Komórki zdolne do hodowli są liczone przy użyciu techniki liczenia żywotnych płytek, w której komórki są przenoszone do rutynowych pożywek hodowlanych i inkubowane przez okres wystarczający do wystarczającej liczby podziałów komórkowych, aby uzyskać obserwowalne kolonie. Opracowano kilka metod odróżniania komórek VBNC od martwych komórek w oparciu o ich nienaruszone błony i transkrypcję niskiego poziomu. Absorpcja substratu i barwnika fluorescencyjnego, w połączeniu z mikroskopią lub cytometrią przepływową, pozwala na bezpośrednie zliczanie komórek za pomocą mikroskopii lub cytometrii przepływowej z kolorem wskazującym nienaruszone błony22,23. Testy oddychania, które wymagają, aby łańcuch transportu elektronów był obecny w nienaruszonej błonie komórkowej, zostały również wykorzystane do rozróżnienia między komórkami żywymi i martwymi24. Opracowano również ilościowe metody PCR (qPCR) w połączeniu z barwnikami modyfikującymi DNA, które zapobiegają amplifikacji; amplifikowane zostanie tylko DNA z żywotnych komórek, ponieważ nienaruszone błony wykluczają klasę barwnika25. Chociaż komórki VBNC są uśpione, nadal transkrybują geny na niskim poziomie, co można również wykorzystać do odróżnienia ich od martwych komórek za pomocą odwrotnej transkrypcji PCR26.
W tej pracy opracowano test do ilościowego oznaczania komórek VBNC u dwóch patogennych bakterii powodujących rany, S. aureus i P. aeruginosa, leczonych MH. Opisano w nim leczenie bakterii za pomocą MH i konwencjonalnych antybiotyków oraz zastosowanie liczby żywotnych płytek i barwienia żywych/martwych w celu wykrycia komórek zdolnych do hodowli i zdolnych do życia. Ten prosty i niedrogi protokół pozwoli na analizę zdolności MH do indukowania opornych na antybiotyki komórek VBNC w wielu patogenach bakteryjnych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Ponieważ P. aeruginosa (ATCC9721) i S. aureus (ATCC29213) są klasyfikowane jako czynniki poziomu bezpieczeństwa biologicznego 2, pomieszczenia, w których prowadzone są prace, muszą mieć ograniczony dostęp i być wyposażone w komorę bezpieczeństwa biologicznego do manipulacji, które mogłyby powodować rozpryski lub aerozole, takich jak mieszanie i wirowanie kultur. Na wszystkich etapach tego protokołu należy nosić środki ochrony osobistej (PPE), w tym fartuch laboratoryjny, okulary ochronne i rękawice. Wszystkie odczynniki i sprzęt używany w eksperymentach są wymienione w Tabeli Materiałów.
1. Przygotowanie sterylnego bulionu i pożywki do hodowli agarowych
2. Pobieranie archiwalnych szczepów Staphylococcus aureus i Pseudomonas aeruginosa z -80 °C (Dzień 1)
3. Przygotowanie S. aureus i P. aeruginosa do leczenia miodem Manuka (MH) i antybiotykiem (Dzień 2)
4. Przygotowanie MH i przygotowanie MH oraz leczenie antybiotykami S. aureus i P. aeruginosa (T = 0) (Dzień 3)
5. Określanie komórek nadających się do hodowli w próbkach przy użyciu metody liczenia żywych płytek (Dzień 3 - 5)
6. Określanie żywotnych komórek w próbkach za pomocą barwienia żywych/martwych i mikroskopii fluorescencyjnej (Dzień 3 lub 4)
7. Określanie liczby żywotnych, ale nienadających się do hodowli komórek (VBNC)
UWAGA: Użyj liczby komórek hodowlanych uzyskanych z liczby żywych płytek i liczby żywych komórek uzyskanych z barwienia żywych/martwych, aby określić liczbę VBNC.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Żywotne, ale nie hodowlane (VBNC) formy życia bakterii są wywoływane przez czynniki stresogenne, w tym leczenie antybiotykami, i powodują powtarzające się infekcje ze względu na ich tolerancję na antybiotyki. Ponieważ MH jest środkiem przeciwdrobnoustrojowym o szerokim spektrum działania, na który rzadko wykrywano oporność, postawiono hipotezę, że MH indukuje mniej VBNC niż konwencjonalne antybiotyki. Opisana tutaj metoda została wykorzystana do ilościowego określenia VBNC utworzonych przez dwie bakterie powodujące rany,...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Opisany tutaj protokół pozwala na wykrycie populacji komórek VBNC u bakterii powodujących rany leczonych minimalnymi stężeniami hamującymi (MIC) MH i konwencjonalnymi antybiotykami. Krytyczne kroki w protokole obejmowały przygotowanie rozcieńczeń MH w dniu eksperymentu, zapobieganie utracie próbki podczas barwienia żywych/martwych oraz prawidłowe obliczenie analizowanej objętości. W tym i innych badaniach eksperymentalnie określono wartości MIC MH dla S. aureus i P. aeruginosa 27...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.
Ta praca została sfinansowana z dwóch grantów Eastern Washington University, Faculty Research and Creative Works Grant dla A.R.C oraz Undergraduate Research & Creative Activities Grant dla L.T.B. Bill i Connie Cross przekazali fundusze na rzecz EWU na zakup odwróconego mikroskopu fluorescencyjnego Leica DMIL z kamerą cyfrową.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Rosół Mueller Hinton | Bioodczynniki | Fisher B12322 | |
| Rosół Luria Bertani (LB) | Fisher Bioodczynniki | BP142602 | |
| BD Difco Agar | Fisher Scientific | DF0812-07-1 | |
| chlorek sodu | Sigma | S3014-500g | |
| meropenem | TargetMol | T0224 | |
| tobramycyna | Selleck Chemicals | S2514 | |
| Staphylococcus aureus | ATCC ATCC29213 | ||
| Pseudomonas aeruginosa | ATCC | ATCC9721 | |
| inkubator z wytrząsaniem | Eppendorf | M13520000 | |
| inkubator | Benchmark Scientific | H2200-H | |
| Manukaguard Miód Manuka Amazon | NA | ||
| DMIL odwrócony mikroskop fluorescencyjny | Leica Microsystems | 11521265 | |
| Aparat cyfrowy | Leica Microsystems | 12730522 | |
| probówki sokoła 15 ml | Genesee Scientific | 28-103 | |
| pipety serologiczne | Diagnocine | DP-LB0100005, DP-LB010010 | |
| Pipetor wspomagający pipety | Drummond Scientific Company | 4-000-101 | |
| Palnik Bunsena | Fisher Naukowe | S48108 | |
| Rainin | Pipette.com | waga L-20, L-200, L-1000 | |
| Płytka | XS603S | ||
| Pętla inokulacyjna | Falcon | ||
| Szkło Fisher Scientific | BP2618-1 | ||
| rozsiewacz | domowej roboty | NA | |
| Zestaw do barwienia żywych trupów dla bakterii | Invitrogen | L7012 | |
| probówki do mikrofuge | Firma badawcza Biologix SKU | 80-1500/P80-1500 | |
| folia aluminiowa | Costco | NA | |
| Oprogramowanie do tworzenia figur | GraphPad | NA | GraphPad Prism służył do tworzenia figur i przeprowadzania analiz statystycznych. |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie