Um novo método de preparação de amostras é demonstrado para a análise de macrocolônias bacterianas à base de ágar por meio de espectrometria de massa por imagem de dessorção/ionização a laser assistida por matriz.
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Artigo de método
Um novo método de preparação de amostras é demonstrado para a análise de macrocolônias bacterianas à base de ágar por meio de espectrometria de massa por imagem de dessorção/ionização a laser assistida por matriz.
Compreender as consequências metabólicas das interações microbianas que ocorrem durante a infecção apresenta um desafio único para o campo da imagem biomédica. A espectrometria de massa por dessorção/ionização a laser assistida por matriz (MALDI) representa uma modalidade de imagem in situ livre de rótulos, capaz de gerar mapas espaciais para uma ampla variedade de metabólitos. Embora as amostras de tecido de seção fina sejam agora rotineiramente analisadas por meio dessa tecnologia, as análises de espectrometria de massa de imagens de substratos não tradicionais, como colônias bacterianas comumente cultivadas em ágar em pesquisas em microbiologia, permanecem desafiadoras devido ao alto teor de água e à topografia irregular dessas amostras. Este artigo demonstra um fluxo de trabalho de preparação de amostras para permitir análises de espectrometria de massa por imagem desses tipos de amostras. Este processo é exemplificado usando macrocolônias de co-cultura bacteriana de dois patógenos gastrointestinais: Clostridioides difficile e Enterococcus faecalis. O estudo das interações microbianas neste ambiente de ágar bem definido também é mostrado para complementar os estudos teciduais destinados a compreender a cooperação metabólica microbiana entre esses dois organismos patogênicos em modelos de infecção em camundongos. Análises de espectrometria de massa por imagem dos metabólitos de aminoácidos arginina e ornitina são apresentadas como dados representativos. Este método é amplamente aplicável a outros analitos, patógenos ou doenças microbianas e tipos de tecidos em que uma medida espacial da bioquímica celular ou tecidual é desejada.
O microbioma humano é um ecossistema altamente dinâmico que envolve interações moleculares de bactérias, vírus, archaea e outros eucariotas microbianos. Embora as relações microbianas tenham sido intensamente estudadas nos últimos anos, ainda há muito a ser compreendido sobre os processos microbianos no nível químico 1,2. Isso se deve em parte à indisponibilidade de ferramentas capazes de medir com precisão ambientes microbianos complexos. Os avanços no campo da espectrometria de massa por imagem (IMS) na última década permitiram o mapeamento espacial in situ e livre de rótulos de muitos metabólitos, lipídios e proteínas em substratos biológicos 3,4. A dessorção/ionização a laser assistida por matriz (MALDI) emergiu como a técnica de ionização mais comum utilizada na espectrometria de massa por imagem, envolvendo o uso de um laser UV para ablação de material da superfície de uma seção de tecido fino para medição por espectrometria de massa4. Este processo é facilitado pela aplicação de uma matriz química aplicada homogeneamente à superfície da amostra, permitindo que medições sequenciais sejam feitas em um padrão raster em toda a superfície da amostra. Mapas de calor das intensidades de íons do analito são então gerados após a aquisição de dados. Avanços recentes em fontes de ionização e técnicas de amostragem permitiram a análise de substratos não tradicionais, como espécimes celulares bacterianos5 e 6,7,8 de mamíferos cultivados em ágar nutriente. A informação espacial molecular fornecida pelo IMS pode fornecer uma visão única sobre a comunicação bioquímica das interações micróbio-micróbio e micróbio hospedeiro durante a infecção 9,10,11,12,13,14.
Após a infecção por Clostridioides difficile (CDI), C. difficile é exposto a um ambiente microbiano em rápida mudança no trato gastrointestinal, onde as interações polimicrobianas provavelmente afetarão os desfechos da infecção15,16. Surpreendentemente, pouco se sabe sobre os mecanismos moleculares de interações entre C. difficile e microbiota residente durante a infecção. Por exemplo, os enterococos são uma classe de patógenos comensais oportunistas no microbioma intestinal e têm sido associados ao aumento da suscetibilidade e gravidade do CDI17,18,19,20. No entanto, pouco se sabe sobre os mecanismos moleculares das interações entre esses patógenos. Para visualizar a comunicação de pequenas moléculas entre esses membros do microbioma intestinal, macrocolônias bacterianas foram cultivadas aqui em ágar para simular interações micróbio-micróbio e formação de biofilme bacteriano em um ambiente controlado. No entanto, a obtenção de distribuições metabólicas representativas na análise de espectrometria de massa por imagem MALDI de espécimes de cultura bacteriana é um desafio devido ao alto teor de água e à topografia superficial irregular dessas amostras. Isso é em grande parte causado pela natureza altamente hidrofílica do ágar e pela resposta não uniforme da superfície do ágar durante a remoção da umidade.
O alto teor de água do ágar também pode dificultar a obtenção de um revestimento homogêneo da matriz MALDI e pode interferir na análise MALDI subsequente realizada no vacuo21. Por exemplo, muitas fontes MALDI operam a pressões de 0,1-10 Torr, que é um vácuo suficiente para remover a umidade do ágar e pode causar deformação da amostra. Essas alterações morfológicas no ágar induzidas pelo ambiente de vácuo causam borbulhamento e rachaduras no material de ágar seco. Esses artefatos reduzem a aderência do ágar à lâmina e podem causar desmontagem ou descamação da amostra no sistema de vácuo do instrumento. A espessura das amostras de ágar pode estar a até 5 mm da lâmina, o que pode criar folga insuficiente da óptica iônica dentro do instrumento, causando contaminação e/ou danos à óptica iônica do instrumento. Esses efeitos cumulativos podem resultar em reduções do sinal iônico reflexivo da topografia de superfície, em vez das interações bioquímicas microbianas subjacentes. As amostras de ágar devem ser secas homogeneamente e fortemente aderidas a uma lâmina de microscópio antes da análise em vácuo.
Este trabalho demonstra um fluxo de trabalho de preparação de amostras para a secagem controlada de macrocolônias de cultura bacteriana cultivadas em meio de ágar. Este processo de secagem mais lento e de várias etapas (em relação aos relatados anteriormente) garante que o ágar desidrate uniformemente, minimizando os efeitos do borbulhar ou rachadura de amostras de ágar montadas em lâminas de microscópio. Usando este método de secagem gradual, as amostras são fortemente aderidas à lâmina do microscópio e passíveis de aplicação subsequente da matriz e análise MALDI. Isso é exemplificado usando colônias bacterianas modelo de C. difficile cultivadas em modelos de tecido ágar e murino que abrigam CDI com e sem a presença de patógeno comensal e oportunista, Enterococcus faecalis. As análises de espectrometria de massa por imagem MALDI de modelos bacterianos e teciduais permitem o mapeamento espacial de perfis de metabólitos de aminoácidos, fornecendo uma nova visão sobre o metabolismo e a comunicação microbiana bioenergética.
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NOTA: Experimentos com animais foram aprovados pelos Comitês de Cuidado e Uso Animal do Hospital Infantil da Filadélfia e da Escola de Medicina Perelman da Universidade da Pensilvânia (protocolos IAC 18-001316 e 806279).
CUIDADO: Clostridium difficile (C. difficile) e Enterococcus faecalis (E. faecalis) são patógenos do BSLII e devem ser manuseados com extrema cautela. Utilize protocolos adequados de descontaminação quando necessário.
1. Crescimento de macrocolônias de cultura bacteriana e preparação para embarque noturno
2. Secagem ambiente de macrocolônias bacterianas de C. difficile + E. faecalis
3. Secagem a vácuo e mediada pelo calor de macrocolônias bacterianas de C. difficile + E. faecalis
NOTA: Um aparelho de secagem a vácuo personalizado (Figura 1) foi construído para facilitar a remoção do excesso de umidade das amostras de ágar. Este aparelho utiliza uma bomba de vácuo de palhetas rotativas conectada em linha a um biofiltro HEPA, uma armadilha a frio e uma câmara de aço inoxidável, onde as amostras bacterianas são colocadas. Um transformador de tensão variável é conectado a um filamento de fio isolado, o que permite ao usuário aquecer a câmara para agilizar o processo de secagem.
4. Aplicação da matriz MALDI via pulverização robótica
NOTA: Depois que as amostras de agarose tiverem sido completamente secas e a altura das seções de cultura tiver diminuído visivelmente, use um pulverizador de matriz robótica para aplicar homogeneamente um revestimento fino de um composto químico de matriz MALDI. Este procedimento deve ser realizado em um exaustor químico e com equipamento de proteção individual adequado, incluindo luvas, óculos de laboratório e um jaleco.
5. Preparação de macrocolônias bacterianas para aquisição de dados de espectrometria de massa por imagem MALDI
NOTA: Todas as análises de espectrometria de massa por imagem foram realizadas usando um espectrômetro de massa por ressonância cíclotron de íons com transformada de Fourier (FTICR). Este instrumento está equipado com um sistema laser Nd:YAG MALDI (2 kHz, 355 nm).
6. Análise de dados de espectrometria de massa por imagem e identificação de compostos
7. Preparação e expedição de tecidos cecais de ratinhos não infectados e de C. difficile
8. Criosecção de tecidos cecais de camundongos infectados com controle verus C. difficile
9. Preparação de tecidos cecais de camundongos infectados por C. difficile para aplicação em matriz e espectrometria de massa por imagem MALDI
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Realizamos espectrometria de massa por imagem de metabólitos MALDI de colônias bacterianas modelo e camundongos co-colonizados com E. faecalis e C. difficile para estudar o papel dos aminoácidos nas interações micróbio-micróbio. Macrocolônias bacterianas cultivadas em ágar servem como um modelo bem definido para analisar mudanças bioquímicas distintas na formação de biofilme bacteriano. É importante garantir um processo de secagem controlado para macrocolônias de cultura bacteriana cultivadas em meio de...
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Durante a espectrometria de massa por imagem MALDI, é importante ter uma superfície de amostra plana para fornecer um diâmetro focal consistente do laser MALDI incidente no substrato da amostra. Desvios na altura da amostra podem fazer com que o feixe de laser MALDI saia do foco, causando alterações no diâmetro e intensidade do feixe, o que pode afetar a eficiência da ionização MALDI. Essas alterações na eficiência da ionização podem resultar em diferenças na intensidade do analito em toda a superfície do tecido que não ...
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Os autores declaram não haver interesses financeiros concorrentes.
Este trabalho foi apoiado pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais (NIGMS) dos Institutos Nacionais de Saúde (NIH) sob o prêmio GM138660. J.T.S. foi apoiado pela Charles and Monica Burkett Family Summer Fellowship da Universidade da Flórida. J.P.Z. foi apoiado pelos subsídios do NIH K22AI7220 (NIAID) e R35GM138369 (NIGMS). A.B.S. foi apoiado pelo Cell and Molecular Biology Training Grant da Universidade da Pensilvânia (T32GM07229).
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| 0,2 μ m Filtros de seringa de nylon Titan3 | Thermo Scientific | 42225-NN | |
| 1,5-diaminonaftaleno matriz MALDI | Sigma Aldrich | 2243-62-1 | |
| 20 mL Seringas Henke Ject luer lock | Henke Sass Wolf | 4200.000V0 | |
| Vacuômetro de convecção da série 275i | Kurt J. Lesker company | KJL275807LL | |
| espectrômetro de massa 7T solariX FTICR equipado com um sistema de laser Smartbeam II Nd:YAG MALDI (2 kHz, 355 nm) | Bruker Daltonics | ||
| , adequada para HPLC | Sigma Aldrich | 64-19-7 | |
| Acetonitrila, adequada para HPLC, grau gradiente, ≥ 99,9% | Sigma Aldrich | 75-05-8 | |
| Solução de hidróxido de amônio, 28% NH3 em H2O, ≥ 99,99% de base de metais traços | Sigma Aldrich | 1336-21-6 | |
| Sacos de risco biológico autoclaváveis: 55 gal | Grainger | 45TV10 | |
| (8 x 8 pol.) | Fisher Scientific | 01-800-07 | |
| Caldo de infusão de coração cerebral | BD Biosciences | 90003-040 | |
| C57BL/6 camundongos machos | Jackson Laboratories | ||
| CanoScan 9000F Mark II scanner de fotos e documentos | Canon | ||
| CM 3050S criomicrótomo de pesquisa | Leica Biosystems | ||
| Gabinete de dessecador | Sigma Aldrich | Z268135 | |
| Ponta de diamante, Microscopia Eletrônica Ciências | Fisher Scientific | 50-254-51 | |
| Drierite pellets dessecantes | Drierite | 21005 | |
| Etanol, 200 Provas | Decon Labs | 2701 | |
| flexImaging software | Bruker Daltonics | ||
| ftmsControl software | Bruker Daltonics | ||
| Armadilha de vácuo de vidro | Sigma Aldrich | Z549460 | |
| Pulverizador robótico HTX M5 TM | HTX Technologies | ||
| Filtro HEPA em linha para bomba de vácuo | |||
| Metanol, Grau HPLC | Fisher Chemical | 67-56-1 | |
| Composto de temperatura de corte ideal (OCT) | Fischer Scientific | 23-730-571 | |
| Peridox RTU Esporicida, Desinfetante e Limpador | CONTEC | CR85335 | |
| Lâminas impressas em PTFE (Teflon), Electron Microscopy Sciences | VWR | 100488-874 | |
| Bomba de vácuo de palhetas rotativas RV8 | Edwards | A65401903 | |
| Tissue-Tek Accu-Edge Lâminas de micrótomo descartáveis de alto perfil | Tubos | ||
| Palmer | EW-06414-30 | ||
| Ultragrade 19 óleo de bomba de vácuo | Edwards | H11025011 | |
| Transformador de tensão variável | Powerstat | ||
| Água, adequado para HPLC | Sigma Aldrich | 7732-18-5 | |
| Frasco de dewar de boca larga | Sigma Aldrich | Z120790 |
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