Infecções bacterianas crônicas geralmente são sustentadas não por grandes biofilmes presos à superfície, mas por pequenos agregados multicelulares que se formam em ambientes associados ao hospedeiro. Na fibrose cística (FQ) e em outras doenças crônicas das vias aéreas, Pseudomonas aeruginosa geralmente existe como agregados suspensos embutidos no muco ou no escarro, em vez de biofilmes clássicos ligados às superfícies epiteliais. Esses agregados representam um modo distinto de crescimento, caracterizado por organização espacial em microescala, heterogeneidade fisiológica pronunciada e tolerância excepcional a estressores imunes e antimicrobianos 1,2,3,4. Apesar de sua relevância clínica, os mecanismos que regem a estabilidade agregada, que neste protocolo é definida como a capacidade de manter a integridade da membrana e a organização espacial sob tais estressores, permanecem pouco compreendidos, com estudos anteriores focando mais nos componentes matriciais que suportam a formação de biofilmes acoplados à superfície 5,6.
Uma grande barreira para estudar eventos que contribuem para a desestabilização de agregados, como mudanças na despolarização de membranas e na arquitetura de agregados, é a falta de fluxos de trabalho experimentais que capturem mudanças fisiológicas e estruturais dinâmicas emtempo real 7,8. Ensaios tradicionais em massa e abordagens de imagem por ponto final não conseguem resolver como as respostas ao estresse surgem nos agregados, como essas respostas são distribuídas espacialmente ou como o enfraquecimento fisiológico, como a despolarização da membrana e a perda da homeostase iônica, se traduz em sinais precoces de estresse celular e eventual colapso físico. Embora a microscopia confocal tenha sido amplamente aplicada a biofilmes ligados à superfície, menos abordagens integram imagens resolvidas no tempo com análise quantitativa que liga diretamente a fisiologia celular à arquitetura agregada e à atividade membranária.
Alterações no potencial da membrana bacteriana fornecem um indicador precoce e sensível de estresse celular e perda de homeostase. Corantes sensíveis à tensão, como o ácido bis-(1,3-dibutilbarbitúrico) pentametina oxonol (DiBAC4(5)) acumulam-se em células despolarizadas e oferecem uma leitura não destrutiva, baseada em fluorescência, da integridade da membrana. Embora corantes DiBAC tenham sido usados para avaliar a despolarização de membranas em culturas planctônicas e biofilmes ligados à superfície 9,10, sua aplicação a agregados multicelulares, especialmente sob condições de crescimento fisiologicamente relevantes e imagens em time-lapse, tem sido limitada.
Aqui, apresentamos um fluxo de trabalho integrado de imagem e análise que permite visualização e quantificação em tempo real da despolarização de membrana e da falha estrutural em agregados de P. aeruginosa. Agregados são formados em meio sintético para fibrose cística (SCFM2), um meio quimicamente definido que recapitula características-chave nutricionais e iônicas da via aérea da fibrose cística e apoia a formação espontânea de agregados sem superfícies ou fluxoimpostos 11,12. Nessas condições, P. aeruginosa forma agregados suspensos de tamanhos e heterogeneidade estrutural comparáveis aos observados em amostras de escarro e vias aéreas da FQ, fornecendo uma plataforma fisiologicamente relevante para estudar o comportamentoagregado 13.
Utilizando microscopia de varredura confocal a laser em time-lapse sob controle de temperatura e umidade, esse fluxo de trabalho captura tanto estados agregados estáveis quanto estados induzidos por estresse, marcados por aumento da despolarização da membrana e perda da homeostase celular ao longo de períodos de imagem prolongados. Ao combinar o relatório de potencial de membrana baseado em DiBAC com imagens z-stack de alta resolução, esse método possibilita a quantificação da fluorescência DiBAC₄(5) no nível de célula única, com valores mapeados e analisados dentro do contexto espacial de agregados individuais. A segmentação de imagens a jusante e a análise de superfícies baseada em voxels permitem quantificar em paralelo mudanças na arquitetura agregada e na despolarização da membrana.
Importante destacar que, embora esse protocolo seja demonstrado usando agregados de P. aeruginosa formados em SCFM2, o fluxo de trabalho é amplamente generalizável. A estratégia de imagem, a leitura fisiológica baseada em contraste e a estrutura analítica podem ser facilmente adaptadas a outras espécies bacterianas, meios promotores de agregados e estressores, incluindo agentes antimicrobianos, efetores imunes ou perturbações ambientais. Assim, essa abordagem oferece uma plataforma transferível e reprodutível para questionar a estabilidade das comunidades bacterianas em diversos contextos experimentais.