Este protocolo descreve um modelo de biofilme polimicrobiano de quatro espécies relevante para o pulmão de fibrose cística (FC) que pode ser usado para explorar o impacto das interações bacterianas entre espécies.
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Artigo de método
Este protocolo descreve um modelo de biofilme polimicrobiano de quatro espécies relevante para o pulmão de fibrose cística (FC) que pode ser usado para explorar o impacto das interações bacterianas entre espécies.
A maioria dos modelos in vitro não tem a capacidade de investigar completamente os fenótipos bacterianos emergentes das interações complexas observadas em ambientes da vida real. Isso é particularmente verdadeiro no contexto de infecções de difícil tratamento, crônicas e baseadas em biofilme polimicrobiano detectadas nas vias aéreas de indivíduos que vivem com fibrose cística (FC), uma doença genética de múltiplos órgãos. Embora vários estudos de microbioma tenham definido as composições microbianas detectadas nas vias aéreas de pessoas com FC (pwCF), nenhum modelo in vitro até agora integrou totalmente características pulmonares críticas relevantes para FC. Portanto, existe uma lacuna significativa de conhecimento na capacidade de investigar os mecanismos que impulsionam a patogênese de infecções pulmonares por FC de espécies mistas. Aqui, descrevemos um modelo de comunidade microbiana de quatro espécies recentemente desenvolvido, incluindo Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Streptococcus sanguinis e Prevotella melaninogenica cultivadas em condições semelhantes à FC. Através da utilização deste sistema, fenótipos clinicamente relevantes, como a recalcitrância antimicrobiana de vários patógenos, foram observados e explorados em nível molecular. A utilidade deste modelo in vitro reside em seu fluxo de trabalho padronizado que pode facilitar o estudo das interações interespécies no contexto de infecções pulmonares crônicas por FC.
Estratégias destinadas a erradicar micróbios causadores de doenças, como os detectados nas vias aéreas da fibrose cística (FC), uma doença genética de múltiplos órgãos, muitas vezes falham1. Ou seja, a presença de comunidades microbianas resilientes semelhantes a biofilme crescendo no ambiente pulmonar rico em muco da FC pode causar infecções crônicas que se estendem por várias décadas2. Além disso, embora a utilização de antimicrobianos de primeira linha (Abx) e moduladores tenha resultado em melhores resultados em pessoas com FC (pwFC), a abordagem clínica "um inseto, uma infecção" tipicamente empregada contra patógenos canônicos da FC, como Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus aureus, tem sido ineficaz na resolução de infecções difíceis de tratar detectadas nos pulmões desses indivíduos 3,4, 5,6,7.
Nas últimas duas décadas, vários estudos mudaram nossa compreensão da doença pulmonar crônica da FC8. Ou seja, relatos indicam que as infecções detectadas nas vias aéreas da pwCF não são causadas apenas por um único patógeno, mas são de natureza polimicrobiana8. Além disso, embora a patogênese das infecções pulmonares mistas por FC ainda seja pouco compreendida, evidências clínicas mostram que a pwCF co-infectada com S. aureus e P. aeruginosa em suas vias aéreas piorou a função pulmonar do que os indivíduos colonizados por qualquer um desses dois patógenos9.
Acredita-se que as interações interespécies entre patógenos da FC sejam uma razão pela qual as infecções baseadas em biofilme polimicrobiano não são prontamente erradicadas por meio da utilização de terapias para FC, impactando os resultados dos pacientes3. Apoiando isso, estudos in vitro demonstraram que as interações entre micróbios como P. aeruginosa, S. aureus e outros podem afetar fenótipos clinicamente relevantes, como a capacidade de resposta do Abx a medicamentos de FC de primeira linha, incluindo vancomicina e tobramicina 6,10,11. Portanto, ainda não foi possível revisitar as estratégias atuais de tratamento destinadas a erradicar os patógenos da FC no contexto de infecções de espécies mistas.
O padrão-ouro no manejo de infecções pulmonares por FC de base microbiana depende fortemente da utilização de testes de suscetibilidade antimicrobiana (AST) para orientar intervenções clínicas12. No entanto, a AST é tipicamente feita usando monoculturas bacterianas cultivadas em culturas ricas e bem misturadas, o que não reflete as condições de crescimento microbiano detectadas nas vias aéreas da FC 3,13. Dada a desconexão significativa entre os resultados do paciente e o sucesso do tratamento, os relatórios clínicos agora defendem o desenvolvimento de novas abordagens que integram características críticas do pulmão da FC12,14.
Poucos estudos desenvolveram sistemas in vitro multiespécies bacterianas relevantes para a FC contendo mais de dois patógenos15,16. No entanto, esses modelos (1) não refletem inteiramente a natureza polimicrobiana e semelhante ao biofilme do pulmão para FC e (2) não utilizam condições nutricionais e ambientais próximas às detectadas na via aérea da FC15,16. Por meio da mineração de grandes conjuntos de dados e computação do gene 16S rRNA derivado do pulmão da FC, Jean-Pierre e colegas desenvolveram recentemente um modelo de co-cultura in vitro integrando os recursos mencionados acima10. Este sistema inclui P. aeruginosa, S. aureus, Streptococcus spp. e Prevotella spp. cultivados em condições semelhantes às vias aéreas da FC e estáveis por até 14 dias. Os autores também relataram o crescimento específico da comunidade de Prevotella spp. e várias mudanças na capacidade de resposta do Abx desses patógenos da FC por meio de mecanismos que ainda precisam ser identificados10. Este sistema tratável in vitro também ofereceu a possibilidade de aprofundar questões mecanicamente focadas relacionadas à recalcitrância Abx de uma variante comum de P. aeruginosa frequentemente detectada nas vias aéreas do pwCF10. Portanto, o objetivo deste protocolo é fornecer à comunidade de pesquisa em FC um fluxo de trabalho experimental padronizado para cultivar um biofilme in vitro que tenha o potencial de ser expandido para abordar uma série de questões relevantes para a FC.
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Os detalhes de todos os reagentes e equipamentos estão listados na Tabela de Materiais.
1. Preparação de meio de escarro artificial
NOTA: Ao longo deste protocolo, o meio de escarro artificial (ASM) é definido como o meio relevante para a FC modificado do SCFM2, publicado anteriormente por Turner e colegas17. Abaixo está uma descrição das etapas para preparar este meio. Consulte a Tabela de Materiais para fazer soluções de estoque e condições de armazenamento. Essa versão do ASM difere de Turner et al.,17 pois a capacidade tampão na versão original não permite um pH estável ao longo do tempo. Ou seja, a atividade fermentativa realizada por Streptococcus spp. e anaeróbios como Prevotella spp. resulta na acidificação do meio de crescimento (observações não publicadas). Portanto, a concentração de ácido 3-morfolinopano-1-sulfônico (MOPS) foi ajustada de 10 mM para 100 mM.
NOTA: A preparação de uma solução estoque de base 2x ASM (ASMb) facilita a adição de componentes como mucina, ágar, água, etc., sem afetar a concentração final de moléculas presentes no ASM10,18. O 2x ASMb pode ser preparado com antecedência e armazenado a 4 °C por até duas semanas em local escuro. Se o meio ficar amarelo, descarte.
2. Preparação de meios seletivos da comunidade polimicrobiana
NOTA: Abaixo estão as quantidades necessárias para preparar um volume de 1 L de mídia.
3. Preparação de meios líquidos bacterianos e condições de crescimento
4. Preparação do experimento de co-cultura
NOTA: A Figura 1 mostra um fluxo de trabalho experimental resumido. A configuração do experimento pode ser feita em condições óxicas se o tempo de preparação demorar menos de 1 h. Se for previsível que demore mais do que isso, é altamente recomendável realizar o experimento usando uma câmara anaeróbica (com 10% de CO2, 10% de H2 e 80% de gás misto de N2 ). Frascos anaeróbicos também podem ser usados para incubar as amostras experimentais.
5. Coletando e chapeando as amostras
6. Incubação das placas seletivas e contagem da unidade formadora de colônias (UFC)
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Conforme representado na Figura 2, vários fenótipos foram relatados, incluindo (1) uma redução no número de contagens de células viáveis de P. aeruginosa e S. aureus quando cultivadas em comunidades planctônicas mistas em comparação com a monocultura, (2) um aumento no crescimento polimicrobiano de células de S. sanguinis e, (3) crescimento de comunidades mistas de P. melaninogenica , conforme relatado anteriormente por Jean-Pierre e colegas
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A utilidade deste sistema de co-cultura in vitro clinicamente informado reside em sua capacidade de detectar funções bacterianas específicas de polimicrobianos. Ou seja, por meio da utilização desse modelo, relatamos fenótipos microbianos que variam de crescimento específico da comunidade de Prevotella spp. (Figura 2) a mudanças na suscetibilidade à FC Abx de linha de frente de P. aeruginosa, S. aureus e S. sanguinis
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Os autores declaram não divulgar.
Gostaríamos de agradecer ao Dr. George A. O'Toole e ao Dr. Thomas H. Hampton por seu papel significativo no projeto e desenvolvimento do modelo de comunidade polimicrobiana in vitro . Agradecemos à Dra. Sophie Robitaille por seus comentários úteis sobre o manuscrito. Este trabalho foi apoiado por uma doação da Cystic Fibrosis Foundation JEAN21F0 a F.J-P. A Figura 1 do manuscrito foi criada usando BioRender.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| 1,2-dioleoil-sn-glicero-3-fosfocolina (DOPC) | Fisher Scientific | NC0387928 | Prepare um estoque de 250 mg/mL em clorofórmio diretamente no frasco. Manter a -20 graus C. Concentração final 200 μ g/mL em base 2x ASM. |
| Ácido 3-morfolinopano-1-sulfônico (MOPS) | Sigma | M1254 | Concentração final 200 mM em base 2X ASM. |
| Replicador de 96 pinos | Fisher Scientific | 05-450-9 | Replicadores descartáveis também podem ser usados. Gato #NC1567338. |
| Placa padrão estéril de 96 poços com tampa | Fisher Scientific | 62406-081 | |
| Agar | Fisher Scientific | DF0145-17-0 | |
| AnaeroPack 2.5 L Frasco Retangular | Fisher Scientific | 23-246-385 | |
| CaCl2*2H2O | Fisher Scientific | C79-500 | Prepare um estoque de 1 M em água e esterilize por filtro com um 0.22 μ m. Concentração final 3,5 mM em base 2x ASM. |
| de ovelha desfribrinado | Para preparar placas de crescimento para Streptococcus e Prevotella. | ||
| Ácido desoxirribonucléico do esperma de arenque | Sigma | D7290 | Concentração final 1,2 mg/mL em 2x base ASM. |
| FeSO4*7H2O | Fisher Scientific | AA1449830 | Prepare um estoque de 1 mg/mL (3,6 mM) em água e esterilize por filtro com um 0,22 μ m. Mantenha embrulhado em papel alumínio. Concentração final 0,0072 mM em base 2x ASM. |
| GasPaks | Fisher Scientific | B260678 | |
| Glucose | Fisher Scientific | D16-3 | Prepare como um estoque de 20% (1,1 M) em água e esterilize em autoclave. Concentração final 6 mM em base 2x ASM. |
| Hemin | Sigma | 51280 | Dissolva 100 mg de hemina em 2 mL de NaOH 1 M e, em seguida, aumente o volume para 200 mL com água. Armazene em uma garrafa âmbar ou em uma garrafa normal embrulhada com papel alumínio a 4 ° C. |
| K2SO4 | Fisher Scientific | P304-500 | Prepare um estoque de 0,25 M em água e esterilize com um filtro de 0,22 μ m. Concentração final 0,54 mM em base 2x ASM. |
| Canamicina | Prepare uma solução-mãe de 50 mg/ml em água. Esterilize por filtro com um 0,22 μ m filtrar e armazenar a 4 °C. | ||
| KCl | Fisher Scientific | P217-500 | Concentração final 30,0 mM em base 2x ASM. |
| KNO3 | Fisher Scientific | P263-500 | Prepare um estoque de 1 M em água e esterilize com um filtro de 0,22 μ m. Concentração final 0,70 mM em base 2x ASM. |
| Cloridrato de L-cisteína | Fisher Scientific | AAA1038922 | |
| Ácido L-láctico | Sigma | L1750 | Prepare um estoque de 1 M em água e esterilize com um filtro de 0,22 μ m. Ajuste de pH para 7,0. Concentração final 18,6 mM em base 2x ASM. |
| L-Triptofano | Sigma | T0254 | Prepare um estoque de 0,1 M em 0,2 M NaOH e filtre esterilize com um 0,22 μ m. Mantenha refrigerado a 4 & graus; C envolto em papel alumínio. Concentração final 0,132 mM em base 2x ASM. |
| Ágar Sal de Manitol | Fisher Scientific | B11407 | Prepare usando as recomendações do fabricante. |
| Menadione | Sigma | M5625 | Prepare uma solução estoque de 10 mg / mL dissolvida em etanol a 96-100%. Conservar a 4 & C envolto em folha de alumínio. Vórtice antes de usar. |
| MgCl2*6H2O | Fisher Scientific | AA12288A9 | Prepare um estoque de 1 M em água e esterilize com filtro com um 0,22 μ m. Concentração final de 1,21 mM em base 2x ASM. |
| Mucina do estômago suíno - Tipo II | Sigma | M2378 | Prepare um estoque de 10 mg / mL (2x) em água; misture bem antes de autoclavar. Conservar a 4 °C. |
| Na2HPO4 | Fisher Scientific | S375-500 | Prepare um estoque de 0,2 M em água e filtre esterilize com um 0,22 μ m. Concentração final 2,5 mM em base 2x ASM. |
| N-acetilglucosamina | Sigma | A8625 | Prepare um estoque de 0,25 M em água e esterilize com um filtro de 0,22 μ m. Mantenha o estoque refrigerado a 4 °C. Concentração final de 0,6 mM na base 2x ASM. |
| NaCl | Fisher Scientific | S271-500 | Concentração final 103,7 mM em base 2x ASM. |
| NaH2PO4*H2O | Fisher Scientific | S369-500 | Prepare um estoque de 0,2 M em água e esterilize por filtro com um 0,22 μ m. Concentração final 2,6 mM em base 2x ASM. |
| NaOH | Fisher Scientific | S318-500 | Prepare uma solução estoque de 5 M. Use para ajustar o pH do estoque base 2x ASM. |
| NH4Cl | Fisher Scientific | A661-500 | Concentração final 4,6 mM em 2x base ASM. |
| oxolínico | Prepare uma solução-mãe de 10 mg/mL de NaOH 0,5 M. Esterilize por filtro com um 0,22 μ m filtrar e armazenar a 4 °C. | ||
| Polimixina B | Prepare uma solução estoque de 10 mg / mL em água. Esterilize por filtro com um 0,22 μ m filtrar e armazenar a 4 °C. | ||
| Pseudomonas Isolation Agar | Fisher Scientific | DF0927-17-1 | Prepare usando as recomendações do fabricante. |
| Caldo Todd Hewitt | Fisher Scientific | DF0492-17-6 | Prepare usando as recomendações do fabricante. |
| Caldo de soja tríptico | Fisher Scientific | DF0370-17-3 | Prepare usando as recomendações do fabricante. |
| Vancomicina | Prepare uma solução estoque de 50 mg / mL em água. Esterilize por filtro com um 0,22 μ m filtrar e armazenar a 4 °C. | ||
| Extrato de Levedura | Fisher Scientific | B11929 | |
| Dropout Sintético de Levedura sem Triptofano | Sigma | Y1876 | Concentração final 8,0 mg/mL em 2x ASM base. |
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