Borrelia — род спирохетных бактерий, который включает в себя три основные клады: группу боррелиоза Лайма (LB), группу возвратного тифа (RF) и менее хорошо охарактеризованную группу, по-видимому, ограниченную рептилиями. Таксономия боррелий находится в постоянном движении с появлением молекулярных методологий, которые позволяют сравнивать геном и протеом, как и большинство других таксономических групп 1,2,3,4,5,6,7. Группа LB (также называемая группой болезни Лайма) традиционно называлась Borrelia burgdorferi sensu lato в честь ее наиболее охарактеризованного члена Borrelia burgdorferi sensu stricto. В этой статье используется наиболее широко используемая в настоящее время терминология: LB, RF и группа, связанная с рептилиями, и описываются протоколы культивирования для групп LB и RF.
Как и следовало ожидать от члена семейства Spirochaetaceae, боррелии могут принимать отчетливо длинную и тонкую спиральную форму, обычно 20-30 мкм в длину и 0,2-0,3 мкм в ширину. Тем не менее, клетки Borrelia обладают высокой плеоморфностью и могут принимать множество других форм как в культуре, так и in vivo 1,8 в результате их сложной клеточной и генетической структуры. В своей спирохетальной форме плоская синусоидальная морфология является результатом вращения ее осевых эндофлагелл в периплазматическом пространстве между внутренней и внешней мембранами. Эта структура позволяет клеткам быть очень подвижными, а внешняя мембрана содержит белки, которые позволяют клетке взаимодействовать с тканями хозяина 9,10. Экспрессия белков внешней мембраны жестко регулируется и влияет не только на инвазию ткани хозяина, но и на взаимодействие с иммунной системой хозяина11. Эта сложная экспрессия генов позволяет клеткам Borrelia перемещаться между очень разными средами позвоночных хозяев и беспозвоночных переносчиков. Геном боррелий необычен среди прокариот, состоит из линейной, а не кольцевой хромосомы. Помимо линейной хромосомы, виды Borrelia содержат 7-21 плазмиду, некоторые линейные, а некоторые кольцевые. Плазмиды содержат большинство генов, необходимых для адаптации хозяина и вирулентности, а кольцевые плазмиды, полученные из профагов, как полагают, ответственны за большую часть горизонтального потока генов между спирохетальными клетками12,13. В соответствии с ролью в адаптации хозяина, некоторые, возможно, многие или все, члены группы боррелиоза Лайма теряют плазмиды в культуре14. Наиболее изученный «адаптированный к лаборатории» штамм B. burgdorferi, B31, имеет только семь из девяти плазмид, обнаруженных в диких изолятах этого вида15. Точно так же B. garinii теряет плазмиды в культуре16. Некоторые исследования показали, что виды RF и B. miyamotoi сохраняют плазмиды при культивировании14,17, но недавняя работа демонстрирует измененные плазмиды и инфекционность при длительном культивировании in vitro 18.
Методы, основанные на культуре, остаются золотым стандартом для лабораторного выявления бактериальных инфекций, как для исследований, так и для клинической работы14,17. Культура патогенов из биологических жидкостей или тканей непосредственно обнаруживает реплицирующиеся патогены и предоставляет исходный материал для исследований14,17. Этот протокол демонстрирует методологию и рецепты, необходимые для успешного культивирования спирохет группы LB, а также RF Borrelia и B. miyamotoi. Основной средой для выращивания спирохет Borrelia является среда Барбура-Штеннера-Келли (BSK-II или коммерчески доступный BSK-H) с антибиотиками или без них, чтобы уменьшить рост загрязняющих прокариот. Эта среда была адаптирована из среды, первоначально использовавшейся для поддержки RF Borrelia19, в дальнейшем модифицированной Stoenner20, а затем Barbour21. С тех пор было разработано множество модификаций, каждая из которых оказывает влияние на физиологию бактерий, что может влиять на рост, инфекционность и патогенность22. Эта среда надежно поддерживает рост спирохет в устоявшихся культурах и использовалась для выделения спирохет из клещей, млекопитающих и клинических образцов23. Недавно разработанная вариация, модифицированная среда Келли-Петтенкофера (MKP), может обеспечить лучший успех изоляции, морфологию и подвижность при выделении новых изолятов Borrelia из образцов окружающей среды, когда количество спирохет, присутствующих в образце, доступном для посева культуры, низкое23,24. Во всех случаях успех выращивания критически зависит от свежеприготовленной среды и использования соответствующих ингредиентов; Не все коммерческие ингредиенты производят высококачественную среду. Инокулированные культуры можно удобно инкубировать без встряхивания в обычном инкубаторе с температурой 32-34 °C в присутствии небольшого количества остаточного кислорода окружающей среды. Спирохеты Borrelia являются анаэробами, но по своей природе подвержены колебаниям концентрации кислорода и углекислого газа и реагируют изменениями экспрессии генов26,27,28,29. Таким образом, экспрессия генов, рост и другие метаболические исследования должны контролировать уровни кислорода и углекислого газа с использованием кислородно-контролируемого инкубатора или анаэробной камеры. В культуре культуры проверяют еженедельно или чаще на наличие спирохет либо с помощью темнопольной микроскопии, либо с помощью фазово-контрастной микроскопии. Мазки культуры могут быть окрашены либо серебристыми пятнами, иммуногистохимией, либо с помощью флуоресцентно меченных штаммов29,30. ПЦР с последующим секвенированием ДНК является чувствительным и специфическим методом обнаружения и генетической идентификации или подтверждения видов Borrelia 30,31,32,33.
Существует множество незначительных вариаций BSK-II, и некоторые из них коммерчески доступны. Протокол, описанный здесь в разделе 1, был адаптирован из Barbour (1984)21. Жидкая среда МКП является более недавно разработанной средой и описана в разделе 2. Его готовят в соответствии с ранее опубликованным протоколом33,34, который, как и среда BSK, состоит из двух этапов: приготовления основной среды и подготовки полной среды. Питательная среда Borrelia может быть приготовлена с антибиотиками или без них, как описано в разделе 3; антибиотики действуют для уменьшения количества загрязняющих бактерий, вводимых при инокуляции клинических образцов или образцов окружающей среды, как описано в разделе 4; при инокуляции чистой культурой Borrelia sp. антибиотики могут не понадобиться. Создание долгосрочных запасов боррелий часто имеет важное значение, и протокол для этого описан в разделе 5. В разделе 6 описывается использование этих сред для выделения чистых клонов Borrelia sensu lato из клинических образцов или образцов окружающей среды. Возможны несколько подходов36; Ниже приведен один из них, признанный эффективным. Гальваническая среда, используемая в этом протоколе, представляет собой модификацию гальванической средыBSK-II 37 и средыMKP 34 (с крольчатиной сывороткой, увеличенной до 10%38).