Представленный протокол описывает процедуру количественного определения жизнеспособных, но не культивируемых клеток (VBNC) в бактериальных культурах, обработанных медом манука.
Методическая статья
Представленный протокол описывает процедуру количественного определения жизнеспособных, но не культивируемых клеток (VBNC) в бактериальных культурах, обработанных медом манука.
Устойчивость к антибиотикам и толерантность бактерий представляют собой значительную угрозу для глобального здравоохранения. Механизмы, способствующие устойчивости и толерантности к антибиотикам, включают генетические мутации и приобретение генов устойчивости, а также переход к жизнеспособным, но не культивируемым (VBNC) и другим состояниям покоя соответственно. Несмотря на то, что генетически они идентичны своим неустойчивым к антибиотикам аналогам, клетки VBNC уклоняются от воздействия антибиотиков, оставаясь метаболически неактивными. Антибиотики эффективны только тогда, когда активны их целевые процессы, такие как репликация ДНК или транскрипция. Поскольку стрессоры окружающей среды, особенно антибиотики, могут приводить бактерии в спячку, необходимы альтернативные противомикробные препараты, чтобы свести к минимуму или предотвратить эту реакцию. Антимикробный мед манука (MH) эффективен против многих бактерий с редким развитием резистентности. Его многогранные антимикробные механизмы делают его ценным средством для лечения бактериальных инфекций. В этом исследовании изучалась устойчивость MH к развитию устойчивости к антибиотикам, проверяя гипотезу о том, что MH индуцирует меньше клеток VBNC, чем обычные антибиотики. Чтобы исследовать это, был разработан протокол лечения раневых бактерий Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa минимальными ингибирующими концентрациями MH или обычными антибиотиками тобрамицином или меропенемом, который затем использовал количество жизнеспособных пластин для идентификации метаболически активных культивируемых клеток и окрашивание живых/мертвых для идентификации всех жизнеспособных клеток. Количество клеток VBNC равнялось числу жизнеспособных клеток за вычетом числа культивируемых клеток. В некоторых экспериментах число культивируемых клеток было выше, чем количество жизнеспособных клеток, что давало отрицательное количество клеток VBNC; таким образом, номера ячеек VBNC напрямую не сравнивались. Вместо этого сравнивали количество культивируемых и жизнеспособных клеток для каждого лечения. Только P. aeruginosa, обработанная тобрамицином, имела значительно меньше культивируемых клеток, чем жизнеспособных, что указывает на большее количество клеток VBNC. Этот протокол является быстрым и простым и может быть использован для оценки индукции МГ клеток VBNC у других патогенных бактерий.
Бактерии, находящиеся в состоянии покоя жизнеспособных, но не культивируемых (VBNC), выживают при лечении антибиотиками и вызывают повторяющиеся, а иногда и смертельно опасные инфекционные заболевания 1,2,3. Более привычной для нас является устойчивость к антибиотикам, которая возникает через наследственные генетическиеизменения4. Генетическое изменение обеспечивает устойчивость к конкретному антибиотику с помощью нескольких механизмов, включая ограничение поглощения антибиотика, увеличение оттока антибиотика, модификацию мишени антибиотика или инактивацию антибиотика. Напротив, бактерии в состоянии покоя демонстрируют более широкую и ненаследуемую толерантность к антибиотикам за счет снижения их метаболизма 2,3. Антибиотики нацелены на специфические метаболические процессы, включая репликацию ДНК и синтез клеточной стенки, и неэффективны против метаболически неактивных клеток VBNC4. Клетки VBNC существуют стохастически в небольшом количестве вместе со своими генетически идентичными чувствительными к антибиотикам братьями и сестрами в большинстве бактериальных популяций5. Тем не менее, стрессоры окружающей среды, в том числе воздействие антибиотиков, побуждают восприимчивые бактериальные клетки переходить в антибиотечно-толерантное состояние VBNC 3,6. Лечение антибиотиками убивает чувствительные к антибиотикам клетки в популяции, в то время как спящие клетки VBNC остаются. Как следует из названия, клетки VBNC не могут культивироваться на средах, подходящих для роста их метаболически активных братьев и сестер. Тем не менее, их мембраны и генетический материал не повреждены, и они могут размножаться 7,8. При удалении антибиотиков требуются специфические стимулы, такие как питательные вещества, температура или факторы хозяина, чтобы вывести клетки VBNC из состояния покоя и восстановить рост 3,9. Клетки VBNC были зарегистрированы у многих патогенных видов бактерий, включая P. aeruginosa и S. aureus, основных этиологических агентов раневых инфекций10,11.
Мед издавна используется в медицинских целях, в том числе для лечения ран, из-за его антибактериальных свойств12. Мед манука (MH), полученный из цветков куста манука (Leptospermum scoparium), был отмечен своей бактерицидной активностью широкого спектра действия (обзор см.в 13,14,15). Он успешно убивает большинство протестированных бактерий, вызывающих инфекции человека, включая штаммы бактерий, такие как метициллин-резистентный золотистый стафилококк и ванкомицин-резистентный энтерококк, которые демонстрируют наследственную устойчивость к традиционным антибиотикам16,17. Кроме того, индуцированная бактериальная резистентность к MH встречается редко, она обнаруживается только в биопленках P. aeruginosa, подвергшихся воздействию меда, и Escherichia coli, культивируемых в возрастающих концентрациях подгруппы тестируемого меда 18,19,20,21. Это говорит о том, что антимикробные механизмы МН отличаются от обычных антибиотиков и могут индуцировать меньшее количество клеток VBNC или вообще не вызывать их. Эта гипотеза была проверена путем определения того, как MH влияет на популяции VBNC по сравнению с обычными антибиотиками.
Клетки VBNC следует отличать от их метаболически активных культивируемых собратьев и сестер и мертвых клеток. Культивируемые клетки подсчитывают с использованием метода подсчета жизнеспособных планшетов, при котором клетки переносят в обычные питательные среды и инкубируют в течение периода, достаточного для достаточного количества делений клеток, чтобы привести к наблюдаемым колониям. Разработано несколько методов отличия VBNC-клеток от мертвых клеток, основанных на их интактных мембранах и низкоуровневой транскрипции. Поглощение субстрата и флуоресцентного красителя в сочетании с микроскопией или проточной цитометрией позволяет проводить прямой подсчет клеток с помощью микроскопии или проточной цитометрии с цветом, указывающим на интактные мембраны22,23. Анализы дыхания, которые требуют, чтобы цепь переноса электронов присутствовала в интактной клеточной мембране, также использовались для различения жизнеспособных и мертвых клеток24. Также были разработаны методы количественной ПЦР (кПЦР) в сочетании с ДНК-модифицирующими красителями, предотвращающими амплификацию; только ДНК из жизнеспособных клеток будет амплифицирована, так как неповрежденные мембраны исключают краситель25. Несмотря на то, что клетки VBNC находятся в спящем состоянии, они все еще транскрибируют гены на низком уровне, и это также может быть использовано для отличия их от мертвых клеток с помощью ПЦР26 с обратной транскрипцией.
В этой работе был разработан анализ для количественного определения клеток VBNC в двух раноопасных патогенных бактериях, S. aureus и P. aeruginosa, обработанных MH. В ней описывается лечение бактерий с помощью MH и обычных антибиотиков, а также использование подсчета жизнеспособных пластин и окрашивания живых/мертвых для обнаружения культивируемых и жизнеспособных клеток. Этот простой и недорогой протокол позволит проанализировать способность МГ индуцировать устойчивые к антибиотикам клетки VBNC у многих бактериальных патогенов.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Поскольку P. aeruginosa (ATCC9721) и S. aureus (ATCC29213) классифицируются как агенты уровня биобезопасности 2, помещения, в которых проводятся работы, должны иметь ограниченный доступ и быть оборудованы шкафом биобезопасности для манипуляций, которые могут создать брызги или аэрозоли, таких как перемешивание и центрифугирование культур. На всех этапах этого протокола надевайте средства индивидуальной защиты (СИЗ), включая лабораторный халат, защитные очки и перчатки. Все реагенты и оборудование, использованные в экспериментах, перечислены в Таблице материалов.
1. Приготовление стерильных бульонных и агаровых питательных сред
2. Извлечение архивных штаммов Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa при температуре от -80 °C (день 1)
3. Подготовка S. aureus и P. aeruginosa для лечения медом манука (МН) и антибиотиком (День 2)
4. Приготовление МГ и организация лечения МГ и антибиотиками S. aureus и P. aeruginosa (T = 0) (день 3)
5. Определение культивируемых клеток в образцах методом подсчета жизнеспособных планшетов (день 3 - 5)
6. Определение жизнеспособных клеток в образцах с помощью окрашивания живых/мертвых и флуоресцентной микроскопии (день 3 или 4)
7. Определение количества жизнеспособных, но не поддающихся культивированию клеток (VBNC)
ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте культивируемые номера клеток, полученные в результате подсчета жизнеспособных пластин, и количество жизнеспособных клеток, полученное в результате окрашивания живых/мертвых клеток, для определения количества VBNC.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Жизнеспособные, но не культивируемые (VBNC) бактериальные формы жизни индуцируются стрессорами, включая лечение антибиотиками, и вызывают рецидивирующие инфекции из-за их толерантности к антибиотикам. Поскольку MH является противомикробным препаратом широкого спектра действия, устойчивость к которому редко обнаруживается, была выдвинута гипотеза, что MH индуцирует меньше VBNC, чем обычные антибиотики. Описанный здесь метод был использован для количественного определения VBNC, образованных двумя бактериями, вызывающими ра...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Описанный здесь протокол позволяет обнаруживать популяции клеток VBNC у ранообразующих бактерий, обработанных минимальными ингибиторными концентрациями (MICs) MH и обычными антибиотиками. Важнейшие шаги в протоколе включали подготовку разведений MH в день эксперимента, предотвращение потери образца во время окрашивания живыми/мертвыми и правильный расчет анализируемого объема. В этом и других исследованиях были экспериментально определены МПК MH для S. aureus и P. aeruginosa...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
У авторов нет конфликта интересов, который можно было бы раскрыть.
Эта работа была профинансирована двумя грантами Университета Восточного Вашингтона: грантом факультета исследований и творческих работ для A.R.C и грантом на студенческие исследования и творческую деятельность для L.T.B. Билл и Конни Кросс пожертвовали средства EWU на покупку инвертированного флуоресцентного микроскопа Leica DMIL с цифровой камерой.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Бульон Мюллера Хинтона | Биореагенты Фишера | B12322 | |
| Бульон Лурия Бертани (LB) | Биореагенты Fisher | BP142602 | |
| BD Difco Agar | Fisher Scientific | DF0812-07-1 | |
| натрия | хлорид Sigma | S3014-500g | |
| меропенем | TargetMol | T0224 | |
| тобрамицин | Selleck Chemicals | S2514 | |
| Staphylococcus aureus | ATCC | ATCC29213 | |
| Pseudomonas aeruginosa | ATCC | ATCC9721 | |
| встряхивающий инкубатор | Eppendorf | M13520000 | |
| инкубатор | Benchmark Scientific | H2200-H | |
| Manukaguard Manuka Honey | Amazon | NA | |
| DMIL инвертированный флуоресцентный микроскоп | Leica Microsystems | 11521265 | |
| цифровой фотоаппарат | Leica Microsystems | 12730522 | |
| соколиные трубки объемом 15 мл | Genesee Scientific | 28-103 | |
| серологические пипетки | Diagnocine | DP-LB0100005, DP-LB010010 | |
| Pipet Aid Pipettor | Drummond Scientific Company | 4-000-101 | |
| Bunsen горелка | Fisher | Scientific S48108 | |
| Rainin пипетки | Pipette.com | L-20, L-200, L-1000 | |
| баланс | Mettler Toledo | XS603S | |
| 96-луночный планшет | Falcon | 351172 | |
| инокуляционная петля | Fisher Scientific | 13-104-5 | |
| изопропанол | Fisher Scientific | BP2618-1 | |
| стакан разбрасыватель | самодельный | набор для | |
| Live dead | Invitrogen | L7012 | |
| микрофуге пробирки | Biologix Research Company | SKU 80-1500/P80-1500 | |
| жестяная фольга | Costco | NA | |
| Программное обеспечение для изготовления фигур | GraphPad | NA | GraphPad Prism использовалось для изготовления фигур и проведения статистического анализа. |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение