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Research Article
Marco Cafora1,2, Francesca Forti3, Federica Briani3, Daniela Ghisotti3, Anna Pistocchi2
1Dipartimento di Scienze Cliniche e Comunità,Università degli Studi di Milano, 2Dipartimento di Biotecnologie Mediche e Medicina Traslazionale,Università degli Studi di Milano, LITA, 3Dipartimento di Bioscienze,Università degli Studi di Milano
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Apresentado aqui é um protocolo para a infecção por Pseudomonas aeruginosa e aplicação de terapia de phage em embriões de zebrafish fibrose cística (CF).
A resistência antimicrobiana, uma das principais consequências da incerteza diagnóstica e da superprescrição antimicrobiana, é uma causa cada vez mais reconhecida de infecções graves, complicações e mortalidade em todo o mundo com um enorme impacto em nossa sociedade e no sistema de saúde. Em particular, pacientes com sistemas imunológicos comprometidos ou patologias pré-existentes e crônicas, como a fibrose cística (CF), são submetidos a tratamentos antibióticos frequentes para controlar as infecções com a aparência e difusão de isolados resistentes a multidroga. Portanto, é urgente abordar terapias alternativas para combater infecções bacterianas. O uso de bacteriófagos, os inimigos naturais das bactérias, pode ser uma solução possível. O protocolo detalhado neste trabalho descreve a aplicação da terapia de phage contra a infecção por Pseudomonas aeruginosa em embriões de zebrafish CF. Os embriões de zebrafish foram infectados com P. aeruginosa para demonstrar que a terapia phage é eficaz contra infecções por P. aeruginosa, pois reduz a letalidade, a carga bacteriana e a resposta imune pró-inflamatória em embriões CF.
A terapia phage, o uso dos inimigos naturais das bactérias para combater infecções bacterianas, está ganhando interesse renovado à medida que a resistência bacteriana aos antibióticos se torna generalizada1,,2. Esta terapia, utilizada há décadas na Europa Oriental, poderia ser considerada um tratamento complementar a antibióticos na cura de infecções pulmonares em pacientes com CF e uma possível alternativa terapêutica para pacientes infectados com bactérias resistentes a todos os antibióticos atualmente em uso2,,3. As vantagens da terapia antibiótico são que os bacteriófagos se multiplicam no local da infecção, enquanto os antibióticos são metabolizados e eliminados do corpo4,,5. De fato, a administração de coquetéis de phages virulentos isolados em diferentes laboratórios tem se mostrado eficaz no tratamento de infecções pseudomonas aeruginosa em modelos animais tão diferentes quanto insetos e mamíferos6,,7,,8. A terapia de phage também mostrou-se capaz de reduzir a carga bacteriana em feridas de queimadura infectadas com P. aeruginosa e Escherichia coli em um ensaio clínico randomizado9.
O zebrafish (Danio rerio) emergiu recentemente como um modelo valioso para estudar infecções com vários patógenos, incluindo P. aeruginosa10,11, Mycobacterium abscessus e Burkolderia cepacia12,13. Ao microinjetar bactérias diretamente na circulação sanguínea do embrião14 é fácil estabelecer uma infecção sistêmica que é neutralizada pelo sistema imunológico inato de zebrafish, que é conservado evolutivo com neutrófilos e geração de macrófagos semelhante à contraparte humana. Além disso, durante o primeiro mês de vida, os embriões de zebrafish carecem da resposta imune adaptativa, tornando-os modelos ideais para estudar a imunidade inata, que é o mecanismo crítico de defesa em infecções pulmonares humanas15. O zebrafish surgiu recentemente como um poderoso sistema de modelo genético para entender melhor o início da CF e desenvolver novos tratamentos farmacológicos10,,16,17. O modelo de zebrafish CF de cftr knock-down gerado com injeção de morfolino em zebrafish apresentou uma resposta de explosão respiratória amortecida e reduziu a migração de neutrófilo10, enquanto o nocaute do CFTR leva à posição do órgão interno prejudicada e à destruição do pâncreas exócrino, um fenótipo que espelha a doença humana16,17. De maior interesse foi a constatação de que a carga bacteriana P. aeruginosa foi significativamente maior em embriões de perda de função cftrdo que em controles em 8 horas pós-infecção (hpi), o que paralelamente aos resultados obtidos com camundongos e células epiteliais brônquias humanas2,,18.
Neste trabalho, demonstramos que a terapia de phage é eficaz contra infecções por P. aeruginosa em embriões de zebrafish.
Os zebrafish adultos (Danio rerio) da cepa AB (European Zebrafish Resource Center EZRC) são mantidos de acordo com as diretrizes internacionais (Diretiva da UE 2010/63/UE) e nacionais (decreto italiano 4de março de 2014, n. 26) sobre a proteção de animais usados para fins científicos. As condições padrão são definidas na instalação de peixes com um ciclo escuro de 14 horas/10 h e temperatura da água do tanque a 28° C.
1. Elaboração de soluções e ferramentas
2. P. aeruginosa (PAO1) preparação inóculo
3. Preparação de estoque de phage
4. Preparação para coquetéis de phage
5. Coleta e preparação de embriões de zebrafish para microinjeção de morfolnos cftr
NOTA: Coletar 1-2 embriões de células de zebrafish tipo selvagem para microinjeção cftr morpholinos(cftr-MOs).
6. Microinjeção de embriões de zebrafish com bactérias e coquetel de phage
NOTA: Para realizar uma infecção sistêmica, o embrião deve ter circulação sanguínea que geralmente começa após 26 hpf.
7. Avaliação da carga bacteriana de embriões injetados com PAO1 e phages
8. Avaliação da letalidade dos embriões injetados com PAO1 e phages
9. Preparação embrionária para imagens de lapso de tempo estereomicroscope da infecção por GFP+ PAO1
10. Análises de expressão de citocinas pró-inflamatórias
Os resultados e os números aqui apresentados são encaminhados aos embriões cf gerados através da injeção de morfoolinos cftr como descrito anteriormente10 e na etapa 5. Para validar o fenótipo cf, considerou-se a posição prejudicada de órgãos internos como coração, fígado e pâncreas, conforme descrito anteriormente17 (Figura 1). Resultados semelhantes foram obtidos no caso dos embriões WT, conforme relatado em nossa publicação anterior19.
A carga bacteriana foi reduzida pela fisioterapia em embriões CF infectados com PAO1. Além disso, avaliamos a carga bacteriana em 8 hpi por homogeneizar grupos de 15 embriões: o número médio de bactérias (cfu/embrião) presente nos embriões infectados pao1 foi reduzido para cerca de 20% após o tratamento administrativo da phage, confirmando assim uma infecção menos grave na presença do coquetel phage(Figura 2).
A letalidade foi reduzida pela fisioterapia em embriões CF infectados com GFP+ bactéria PAO1. Os embriões de zebrafish CF a 48 hpf foram injetados com GFP+ bactérias da cepa PAO1 em uma dose que causou 50% de letalidade após 20 hpi (30 cfu/embrião, Figura 3A). O local da injeção foi a gema ou o ducto de Cuvier para gerar uma infecção sistêmica. A terapia de phage contra a infecção pelo PAO1 foi testada injetando 2 nL do coquetel de phage igualmente misto (300-500 pfu/embrião). A injeção foi realizada em dois pontos de tempo diferentes: 30 minutos (cedo) e 7 horas (atrasado) após injeção bacteriana. Em ambos os casos, a letalidade foi reduzida a 20 hpi, indicando que a terapia phage é eficaz(Figura 3B).
Com imagens ao vivo, utilizando um estereótipo fluorescente, também acompanhamos a progressão da infecção em embriões CF injetados com GFP+ PAO1 e mostramos a eficácia da terapia de phage na redução da propagação de bactérias fluorescentes sobre o saco de gema. O embrião injetado CF+PAO1 com multiplicação de bactérias GFP+ em 4, 9, 14 e 18 hpi é mostrado na parte superior da Figura 4, enquanto o embrião CF+PAO1+phages com fluorescência reduzida devido à ação de phage contra bactérias é mostrado na parte inferior(Figura 4).
A terapia de phage reduziu a resposta inflamatória gerada pela infecção por PAO1 em embriões CF. Também avaliamos a resposta imune gerada pela injeção de PAO1 e PAO1 + phages a 8 hpi. Como esperado, a expressão das citocinas pró-inflamatórias TNF-a e IL-1β analisadas pelas técnicas qPCR foi significativamente aumentada após a injeção de PAO1 em comparação com os controles, enquanto foi reduzida com a co-injeção do coquetel de phage(Figura 5A,B).

Figura 1: Geração e validação de embriões CF após injeção de cftr morpholinos(cftr-MOs). (A) Posição prejudicada e looping do coração em embriões injetados cf em comparação com embriões do tipo selvagem (WT). O coração é visualizado com expressão cmlc2 pela técnica de hibridização in situ. (B) Posição prejudicada do fígado (setas) e pâncreas em embriões CF em comparação com WT. Fígado e pâncreas são visualizados com expressão prox1a por técnicas de hibridização in situ. As barras de escala indicam 100 μm. liv: fígado; p: pâncreas. A figura é reimpressa a partir de19 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Carga bacteriana em embriões CF infectados com PAO1 ou PAO1+phages. A porcentagem relativa de cfu/embrião em embriões PAO1+phages vs PAO1 é dada. A média e a SD de três experimentos independentes são relatadas. O número é reimpresso a partir de19. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Letalidade de embriões de zebrafish CF infectados com PAO1 e com PAO1+phages. (A) Determinação de LD50 em embriões de zebrafish de 48 hpf microinjetados com cftr-MOem estágio de 1 célula (embriões CF) e infectados a 48 hpf com 2 nL de uma cultura de PAO1 contendo número crescente de bactérias (cfu/embrião). A letalidade dos embriões foi observada em 20 hpi. (B) Letalidade a 20 hpi de embriões CF infectados com PAO1 a 48 hpf e tratados com o coquetel phage (PAO1+ Φ). A média e a SD relatadas são de seis e quatro experimentos, respectivamente, cada um com 25-40 embriões. A transformação angular foi aplicada à porcentagem de letalidade e a ANOVA unidirecional seguida pelo teste de Duncan foi usada. O número é reimpresso a partir de19. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Imagem da eficácia da terapia de phage em zebrafish. Progressão da infecção em embriões CF após injeção de PAO1 (embrião superior) e eficácia da terapia de phage em pao1+phages injetou embriões (embrião inferior) em 4, 9, 14 e 18 hpi. A barra de escala indica 100 mícrons. O número é reimpresso a partir de19. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Expressão de citocinas pró e anti-inflamatórias seguindo a administração PAO1 e PAO+phage. Níveis de expressão dos genes TNF-a (A) e IL-1β medidos por RT-qPCR a 8 hpi em embriões CF injetados com PAO1 e PAO1+Φ a 48 hpf e normalizados usando a expressão de rpl8. A média e a SD de quatro experimentos são relatadas. A significância estatística foi avaliada pela ANOVA seguida do teste de Duncan: para TNF- a (CF) vs (CF+PAO1) p = 0,015*; (CF) vs (CF+PAO1+Φ) p = 0,019*; (CF+PAO1) vs (CF+PAO1+ Φ) p = 0,77 n.s.; para IL-1β (CF) vs (CF+PAO1) p = 0,00014**; (CF) vs (CF+PAO1+ Φ) p = 0,00068***; (CF+PAO1) vs (CF+PAO1+ Φ) p = 0,031*. O número é reimpresso a partir de19. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Soluções | Preparação |
| Solução de ações anestésica 25X | 4 mg/mL de Tricaine em H2O destilado. |
| Solução de trabalho anestésico 1X | diluído em H2O da solução de estoque tricaine 25X preparação para alcançar a concentração de 1X (0,16 mg/mL) Tricaine de H2O destilado. |
| CsCl d=1.3 | 20,49 g em 50 mL TN |
| CsCl d=1.4 | 20,28 g em 50 mL TN |
| CsCl d=1,5 | 34,13 g em 50 mL TN |
| CsCl d=1.6 | 41,2 g em 50 mL de TN |
| Meio de embrião E3 para embrião de zebrafish | 1 L 1 de E3 (diluir o estoque de 50X com H2O destilado) + 200 μl de 0,05% azul metil . Loja na RT. |
| Solução de estoque médio de embrião E3 (50X) | 73,0 g NaCl, 3,15 g KCl , 9,15 g CaCl2 , e 9,95 g MgSO4 em 5 L de H2O. Destilado Loja na RT. |
| Ágar LB | 10 g/L triptona, extrato de levedura 5 g/L, 5 g/L NaCl, 10 g/L de ágar |
| Caldo LB | para 1L: 950 mL H2O, 10 g Tripptone, 10 g NaCl, extrato de levedura de 5 g |
| PBST | PBS 1X + Tritão X 1% |
| Solução fisiológica | 0,9% NaCl |
| Solução de estoque de bloqueio de pigmentação 10X | 0,3 mg/mL fenil thiourea (PTU) em pó de embrião E3 para embrião de zebrafish |
| Solução de ações pronase 5X | 5 mg/mL de pronase em pó em embrião E3 para embrião de zebrafish |
| Tampão TN | 10 mM Tris HCl pH 8.0, 150 mM NaCl |
Tabela 1: Preparação de soluções.
| Nome genético | Sequência de primer |
| TNF-alfa Fw | 5'-TGCTTCACGCTCCATAAGACC-3' |
| TNFalpha Rev | 5'-CAAGCCACCTGAAGAAAAAGG-3' |
| IL1-beta Fw | 5'-TGGACTTCGCAGCAAAATG-3' |
| IL1-beta Rev | 5'-CGTTCACTTCACCTCTTGGATG-3' |
| rpl8 Fw | 5'-CTCCGTCTTCAAAGCCCAT-3' |
| rpl8 Rev | 5'-TCCTTCACGATCCCCTTGAT-3' |
Tabela 2: Primers usados para RT-qPCR.
Os autores não têm nada a revelar.
Apresentado aqui é um protocolo para a infecção por Pseudomonas aeruginosa e aplicação de terapia de phage em embriões de zebrafish fibrose cística (CF).
Este trabalho foi apoiado pela Fundação Italiana de Fibrose Cística (FFC#22/2017; Associazione "Gli amici della Ritty" Casnigo e FFC#23/2019; Un respiro in più Onlus La Mano tesa Onlus).
| Bacto Agar | BD | 214010 | |
| Cloreto de cálcio | Sigma-Aldrich | 10043-52-4 | |
| CsCl | Sigma-Aldrich | 289329 | |
| Dulbecco's phospate tampolado com solução salina PBS | Sigma-Aldrich | D8537 | |
| Etil 3-aminobenzoato metanossulfonato | Sigma-Aldrich | 886-86-2 | nome comum tricaína |
| Micromanipulador Femtojet | Eppendorf | 5247 | |
| Fleming/marrom P-97 | Sutter Instrument Company | P-97 | |
| LE-Agarose | Sigma-Aldrich | 11685660001 | |
| Baixo Derretimento Agarose | Sigma-Aldrich | CAS 9012-36-6 | |
| Sulfato de magnésio | Sigma-Aldrich | 7487-88-9 | |
| Azul Metil | Sigma-Aldrich | 28983-56-4 | |
| Agulhas de microinjeção | Aparelho | de Harvard | |
| N-feniltioureia > = 98% | Aldrich-P7629 | 103-85-5 | |
| genéticas | de oligo morfolino | projetadas pelo pesquisador | |
| PEG6000 | Calbiochem | 528877 | |
| Solução de vermelho de fenol | Sigma-Aldrich | CAS 143-74-B | |
| Cloreto de potássio | Sigma-Aldrich | 7447-40-7 | |
| Pronase | Sigma-Aldrich | 9036-06-0 | |
| Cloreto de sódio ACS reagente, ≥ 99,0% | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| Estereomicroscópio | Leica | S9I | |
| Tris HCl | Sigma-Aldrich | T5941 | |
| Triton X | Sigma-Aldrich | T9284 | |
| Triptona | Oxóide | LP0042B | |
| Extrato de levedura | Oxóide | LP0021B | |
| Z-MOLDS | Microinjeção Palavra Instrumentos de precisão |