Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Immunology and Infection
Click here for the English version

Immunology and Infection

En eksperimentel model til at studere tuberkulose-Malaria coinfektion på Natural Transmission af Mycobacterium tuberculosis Og Plasmodium berghei Published: February 17, 2014 doi: 10.3791/50829
Automatic Translation
1, 2, 2, 2, 2
1Department of Infectious Diseases, Parasitology Unit, University Hospital Heidelberg, 2Priority Area Infections, Research Center Borstel

Summary

Tuberkulose og malaria er to af de mest udbredte infektioner i mennesker og store årsager til sygelighed og dødelighed i fattige befolkningsgrupper i troperne. Vi har etableret en eksperimentel model til undersøgelse af resultatet af malaria-tuberkulose coinfektion i mus efter udfordring med begge patogener via deres naturlige rute for infektion.

Abstract

Coinfections forekommer naturligt på grund af den geografiske overlapning af forskellige typer af patogene organismer. Samtidige infektioner sandsynligvis modulere respons respektive immun over for hver enkelt patogen og kan derved påvirke patogenese og sygdom resultat. Smittet patienter kan også reagere forskelligt på antiinfektiøs interventioner. Coinfektion mellem tuberkulose som er forårsaget af mykobakterier og malariaparasitten Plasmodium, som begge er coendemic i mange dele af Afrika syd for Sahara, er ikke blevet undersøgt i detaljer. For at nærme sig udfordrende, men videnskabeligt og klinisk meget relevant spørgsmål, hvordan malaria-tuberkulose coinfection modulere vært immunitet og forløbet af hver sygdom, har vi etableret en eksperimentel musemodel, der giver os mulighed for at dissekere de fremkaldte immunrespons til både patogener i smittet vært . Af note, med henblik på at de fleste netop efterligner naturligt erhvervede infektioner hos mennesker, vi udfører eksperimentelinfektioner af mus med både patogener ved deres naturlige smitteveje, dvs aerosol-og myggestik, hhv.

Introduction

Befolkningsgrupper er sjældent udsat for én patogen. Især i områder med høj forekomst af infektioner såsom Afrika syd for Sahara, udgør coinfections en prime, men meget undervurderet problem for folkesundheden. Tuberkulose og malaria er den mest udbredte bakterielle og parasitære infektioner hos mennesker, henholdsvis og fortsætte med at være de hyppigste årsager til sygelighed og dødelighed i fattige befolkningsgrupper i troperne. På trods af den brede geografiske overlap mellem tuberkulose og malaria og det store antal af personer med risiko for coinfection er meget lidt kendt om samspillet mellem de forskellige og ofte modvirke immunregulatorer og effektorer samtidig fremkaldt mod malaria parasitter og tuberkelbaciller i, som samtidig individer.

Gnavere modeller af blandede infektioner tillade karakterisere differential immunreaktioner mod forskellige patogener i en vært, og dermed kaste lys over den gensidige indflydelserencer modulerende patologi og klinisk resultat af den enkelte sygdom, hvilket også vil hjælpe med at identificere nye anbefalinger for behandling og forebyggelse. Vi har etableret en eksperimentel musemodel, der gør os i stand til at undersøge de forgreninger forårsaget af samtidig infektion med Mycobacterium tuberculosis (Mtb) og gnaver Plasmodium arter inden for samme host 1.. Vigtigere er det, at efterligne naturligt erhvervede infektioner hos mennesker så tæt som muligt, vores model implementerer de naturlige smitteveje anvendes af begge patogener. Tuberkulose er en luftbåren infektion, som derfor primært manifesterer sig i lungerne. Det agens, der Mtb overføres af mennesker med aktiv sygdom via aerosol rute, når de bortvise smitsomme aerosoldråber under hoste eller nysen. Således aerosol-infektion er den foretrukne metode til at efterligne naturlig infektion. Generering af luftbårne partikler, der indeholder Mtb kan opnås ved brugaf en eksponering ved indånding system. Hele Dette organ eksponering kammer tillader udsætte forsøgsdyr til Mtb-holdige smitsomme aerosoldråber (figur 1), som er inhaleret i alveolerne i lungerne, hvor infektionen er indledt 2..

Malaria på den anden side er en vektor-bårne sygdom forårsaget af protozoer, apicomplexan parasit Plasmodium der er naturligt overføres ved bid af en kvindelig Anopheline myg. Under blodmel, infektiøse sporozoiter deponeret under værtens hud og efterfølgende når leveren via blodet. Inden hepatocytter de udvikler og hurtigt formere i lever-trins schizonts. Til sidst, modne schizonts briste og frigive tusindvis af patogene første generation merozoiter i blodbanen, hvor de påbegynder en gradvis cyklus af invasion af røde blodlegemer, replikation, røde blodlegemer sprængning reinvasion 3. Plasmodium livscyklus fortdier som nogle merozoites udvikle sig de seksuelle parasitter etaper, den mandlige og kvindelige gametocytter, som kan tages op af myg i løbet af blod måltider. I myg, Plasmodium sporozoites udvikle sig inden oocyster bosat i myg midgut og i sidste ende migrere til spytkirtlerne videresender til en anden vært 3,4.

Mens der i eksperimentelle dyremodeller levering af Mtb via aerosol, og dermed mest relevante rute er meget almindeligt, har mange eksperimentelle gnaver Plasmodium infektion undersøgelser, herunder undersøgelser af malaria-tuberkulose coinfection 5-7 blevet udført ved at inficere mus med parasitized erytrocytter, hvilket giver anledning blod-trins malariainfektion samtidig udelukke klinisk tavs lever-trins fase. Men leveren fase er et obligatorisk trin under infektion og relevant for anti-plasmodial immunitet 8-11. Vi anser det derfor vigtigt at medtage den hepatiske phase for overførsel af malaria og vedligeholdelse i undersøgelser af både malaria og malaria-tuberkulose coinfection hhv. Desuden har det vist sig, at naturligt overførte sporozoiter er mere smitsom end transmitteres via nåle infektioner 12, der har foranlediget os til at etablere malariainfektion ved mosquito bite stedet for at tilføre isoleret spytkirtel afledte sporozoiter. Den eneste måde at få smitsomme myg til naturlig transmission af malaria parasitter er at bevare hele livscyklus af parasitten i både hvirveldyr vært (her mus) og myg vektor. Således adgang til insektbetingelser for parasit vedligeholdelse er uundgåelig for at udføre naturlig transmission ved bid.

Vores protokol beskrevet heri blev udviklet for at undersøge, hvordan coinfection med Plasmodium sporozoiter virkninger på kronisk tuberkulose 1. At gøre det, mus aerosol inficeret med M. tuberkulose og 40 dage senere, da M. tuberkulose har nået den kroniske fase, mus udsættes for malaria-infektiøse myg. Resultatet af både malaria og tuberkulose i samtidig havde dyrene kan følges ved at overvåge blod parasitemia og bakterier i væv, hhv. I vores protokol, vil vi beskrive i detaljer, hvordan at inficere mus med begge patogener via deres naturlige infektion rute og hvordan at bekræfte en vellykket patogen transmission. I vores hænder, den almindeligt opnåede infektion sats for både eksperimentelle infektioner er 100%. Disse protokoller kan anvendes til at studere begge infektioner separat eller, som vi gør, at modellere og studere coinfektion mellem to af de mest udfordrende smitsomme sygdomme hos mennesker. Denne model er gældende for andre Mycobacterium og gnaver Plasmodium arter ud over de, der er beskrevet i denne protokol.

Protocol

Sikkerhedsforanstaltninger og etiske retningslinjer

Undersøgelserne præsenteres heri indgår arbejde med det humane patogen Mtb og gnaver malariaparasitten Plasmodium berghei (P. berghei). Forsøg med Mtb (stamme H37Rv) og P. berghei skal udføres under de passende biosikkerhed forhold. Biosikkerhed niveau (BSL) kræves 2 laboratorier til gnaver malariaparasitter såsom P. berghei og BSL 3 for Mtb og dermed for alle coinfektion undersøgelser beskrevet heri. BEMÆRK: Mus inficeret med Mtb ikke sprede infektionen til andre mus inden for umiddelbar nærhed (vores egen observation). Spænd til forsøgslederen kan derfor udelukkes, men egnet beskyttelsestøj skal bæres inde i BSL 3 laboratorium på alle tidspunkter. Ifølge vores regler, eksperimentatorer slid kirurgiske scrubs, hårnet, engangs respiratorer, og to par handsker, hvoraf den ydre er kasseret hver gang enrms trækkes tilbage fra kabinettet. Nye er sat på før ind i skabet igen. To beholdere, den ene med 2% Buraton (NOTE: andre desinfektionsmidler, der er godkendt til at inaktivere Mtb kan bruges på den godkendte koncentration) for flydende og smittefarligt affald og én til overfladen dekontaminering, er forberedt før forsøget og placeret inde i kabinettet. Desuden vil plastposer blive anvendt til fast-infektiøse affald. Ifølge de tyske regler, alt arbejde i forbindelse med håndtering og forarbejdning af Mtb kulturer eller væv afledt fra Mtb inficerede mus skal udføres i en klasse 2 biosikkerhed kabinet inden for en BSL3 lab. Mens håndtering mykobakterier, der skal tages for at undgå dannelse af aerosoler på alle tidspunkter foranstaltninger.

Kvinde C57BL / 6 mus (Charles River) i alderen 6-8 uger blev brugt for alle coinfection eksperimenter og vedligeholdes under specifikke barriere forhold i BSL 3-faciliteter. Dyrepleje og eksperimenter var performed i overensstemmelse med protokoller, der er godkendt af den etiske komité for Dyreforsøg under Ministeriet for landbrug, miljø og landdistrikter i delstaten Schleswig-Holstein

For at opnå malaria myg etaper blev NMRI mus indkøbt fra Charles River Laboratory, Sulzfeld, Tyskland og holdt under specifikke patogenfrie betingelser inden for universitetet i Heidelberg dyreanlægget (IBF). Alle dyreforsøg blev udført i henhold til europæiske regler og er godkendt af de statslige myndigheder i Baden-Württemberg (Regierungspräsidium Karlsruhe).

1.. Aerosol Infektion af mus med Mtb hjælp af en Glas-Col Aerosol Afdeling

Den bedste måde at standardisere aerosol infektion af forsøgsdyr med Mtb er at bruge mykobakterier fra frosne lagre med kendte CFU titre. For at forberede stamkulturer, kultur Mtb i Middlebrook 7H9 bouillon suppleret med OADC (Oleicsyre, Albumin, dextrose, Catalase) tilsætning medium og 0,05% Tween 80, en carbonkilde for mycobakterier og måle for at undgå bakteriel sammenklumpning på samme tid. Kulturer skal have en OD ≤ 1 på høsttidspunktet. Ved højere OD bakterielle sammenklumpning stiger og levedygtighed falder. Store 1 ml portioner ved -80 ° C. Bestemme antallet af levedygtige kolonidannende enheder (CFU) i frosne lagre ved udpladning af en række 10-fold fortyndinger af tre uafhængige hætteglas på 7H11 agarplader suppleret med 0,5% glycerol, 1 g / l asparagin og OADC og tælle kolonier efter 4 ugers inkubation ved 37 ° C. Udfør aerosol-infektion som beskrevet nedenfor.

  1. Thaw Mtb lagre af kendte CFU titer og omhyggeligt blande suspensionen fem gange for at sprede bakterielle klumper med en 1 ml sprøjte forsynet med en 27 G kanyle. Undgå produktion af aerosoler.
  2. Afhængig af den ønskede infektion dosis overføre den nødvendige mængde af mycobakterielle lager iet 50 ml rør indeholdende sterilt PBS. Det endelige volumen er 6 ml. BEMÆRK: Ved at variere antallet af mikroorganisme i denne suspension er andelen af ​​bakterier, der bærer aerosoldråber varieres. Vi plejer at tage sigte på en optagelse af 100 levedygtige baciller pr lunge (lavdosis infektion). Det er vores erfaring, det kræver omkring 1-2 x 10 6 MTB / ml i et samlet volumen på 6 ml, hvoraf 5,5 ml forstøvet (se nedenfor). Det anbefales at gøre en række eksperimenterende aerosol udfordringer med forskellige koncentrationer af bakterier til at finde de ideelle betingelser for din infektion. Hvorimod høje doser infektioner med op til 5.000 mycobakterier kan gøres for at fremskynde den infektiøse proces, så få som 5 bakterier kan anvendes til med held at inficere mus ved aerosol. Infektionen sats er almindeligt 100%.
  3. Fjern tilstrækkelig volumen (udarbejdet i over krævede endelig volumen) for plating at bestemme inokulum titer, vi normalt fjernes 500 pi at pladen tekniske tre eksemplarer.
  4. Placer dyren compartmented trådkurv (en mus pr kurv) i den cirkulære aerosol kammer og luk låget af aerosol kammeret. BEMÆRK: Andre modeller er udstyret med en pie-formede kurv består af fem individuelle rum, som hver kan rumme 20 mus.
  5. Fastgør Venturi-forstøver enhed til de tre rustfrit stål muffesamlinger.
  6. Fjern det mycobakterielle suspension fra 50 ml rør med en 10 ml sprøjte forsynet med en 18 G stump nål og bære sprøjten til aerosol kammer i en lukket transport boks.
  7. Fjern skruelåget af forstøveren enhed og omhyggeligt injicere mykobakterier suspensionen i forstøveren. Undgå dannelsen af ​​aerosoler. Smid sprøjten i en affaldsbeholder indeholder 2% Buraton. Seal forstøveren med skruelåg.
  8. Tænd for hovedafbryderen og UV-lampen. Displayet på betjeningspanelet viser "Glas-Col Apparatur Co".
  9. Drej programvælgeren kontakten. Displayetvise "Er forstøveren klar?" "Er kurven ladt?" Tryk på Enter når du er klar. " Tryk på Enter.
  10. Displayet viser "Enter Forvarm Time 900", hvilket betyder at forvarme tid til forbrændingsanlægget (som decontaminates udsugningsluften) er 900 sek. Tryk på Enter.
  11. Displayet vil vise "Enter forstøvergas tid 1.800", hvilket betyder forstøvergas tiden er sat til 1.800 sek som standard. For at udvide forstøvergas tid, indtast "2.400" og tryk enter. BEMÆRK: Under forstøvergas cyklus luft under tryk forstøver suspension og dermed skabe små aerosoldråber indeholdende mykobakterier. Med de vigtigste luftstrøm, er disse dråber (ca. 2-5 um i størrelse), båret ind i aerosol kammeret.
  12. Displayet vil vise "Enter CD Time 1.800", hvilket betyder, at henfald cyklus tager 1.800 sek. Indstil til "2.400" og tryk enter. BEMÆRK: Under denne cyklus, sky, som er blevet bygget up i aerosol kammeret under forstøvergas cyklus kan henfalde. De små dråber indåndes af forsøgsdyrene.
  13. Displayet vil vise "Enter RAMPETID 900", hvilket betyder, at UV-lyset dekontamineringscyklussen vil tage 900 sek. Tryk på Enter. Maskinen begynder at cykle gennem forvarmning, forstøvende, sky forfald og UV dekontaminering.
    ADVARSEL: vakuum flowmåler bør angive 60 kubikfod / time (tjek når forvarme cyklus starter, justere vakuum reguleringsventilen, hvis nødvendigt) og den komprimerede luftmængdemåler 10 kubikfod / time (tjek når nebulizing cyklus starter, justere luft kontrol ventil i overensstemmelse hermed ).
  14. Når cyklus er færdig, vil tastaturet vise "Process komplet - Fjern Specimen". Sluk for programmet, UV og hovedafbryderen.
  15. Tjek om mycobakterielle suspension er blevet forstøvet fuldstændigt og hvis ikke, registrerer den resterende mængde ved forsigtigt at fjerne suspension med en passende sprøjte forsynet meden 18 G stump nål. Den resterende mængde må ikke være mere end 1 ml.
  16. Tag forstøveren fra leddene og placere den i en gryde, der indeholder 2% Buraton i mindst 2 timer, er normalt desinfektion gøres O / N. Bagefter overføre forstøver til en frisk gryde og skylles grundigt med vand. Lad forstøver lufttørre.
  17. Åbn aerosol kammeret og returnere dyrene til deres bure. Bag kurvene i autoklaveposer og autoklave. Tør overfladerne på indersiden af aerosol kammer med 2% Buraton BEMÆRK:. Af sikkerhedsmæssige grunde bør en eldrevet luftrensende respirator bæres under denne procedure.
  18. Ved hjælp af de resterende 500 ul af mycobakterielle suspension (se trin 1.3) plade 10-folds fortyndinger af teknisk tre eksemplarer (3 x 100 ul) på 7H11 agarplader.

2. Kontroller Optagelse af Ønsket CFU i Lunger

En dag efter aerosol-infektion af forsøgsdyr bestemme den bakterielle loannonce i lungerne hos udpegede kontrolorganer dyr for at kontrollere udbredelsen af ​​den ønskede CFU. BEMÆRK: Vi plejer udpege en ekstra gruppe på 3-5 mus til dag 1 CFU beslutsomhed.

At overvåge forløbet af Mtb infektion over tid, kan det mycobakterielle væv byrde blive undersøgt ved udpladning seriefortyndinger af hele orgel homogenater til CFU-bestemmelse. Lungerne er det primære sted for sygdom manifestation i tuberkulose dog milt, lever og lymfeknuder er normalt analyseres i overensstemmelse hermed. Fortyndingerne skal pletteres, afhænger af den forventede mykobakterielle belastning i de organer, som er afhængige af det oprindelige inoculum (lav dosis versus høj dosis), hvilket giver anledning til forskellige bakterielle belastninger i væv, såvel som på det organ og tidspunkt for analyseres. Ved lav dosis infektion, den bakterielle belastning af Mtb H37Rv i lungerne som regel når et plateau mellem dag 25-30.

  1. Placer aflivet dyr (eutanasi: CO 2 kvælning ellerterminal anæstesi) på absorberende papir på en dissekere bord i en klasse II biosikkerhed kabinet og desinficere mus med 70% ethanol. BEMÆRK: 70% alkohol er kun overflade dekontaminering og vil ikke dræbe Mtb.
  2. Lave et lille snit i midten af ​​underlivet og trække musen huden over hovedet.
  3. Åbn maven og brystkassen med kirurgiske sakse og fjern thorax væg, således at lungerne er tilgængelige.
  4. Fjern lungerne og overføres til et 15 ml rør med homogeniseringsbuffer (sterilt vand / 1% v / v Tween 80/1% vægt / volumen albumin).
  5. Ved hjælp af stemplet i en 5 ml sprøjte strain lungerne gennem 100 um sigter i en lille petriskål.
  6. Skyl sier flere gange ved hjælp af en 1 ml pipette udstyret med en barriere spids og distribuere lungehomogenat blandt 8 agarplader (ca 250 ul / plade;. Sørg for at de har et godt tørret overflade).
  7. Pladen forsigtigt prøverne bruge engangs spredere, der bortskaffes i 2%Buraton.
  8. Lad agarplader tørre inde i kabinettet. Seal hver enkelt plade med parafilm, vikles ind i alufolie og inkuberes opretstående ved 37 ° C i mindst 4 uger.

3. Konstruktion af flugt-bevis Mosquito Bure

Rodent Plasmodium stammer er ikke skadelige for mennesker. Men da Mtb-inficerede mus er modtagerne af parasitten, og arbejdet udføres under BSL 3 betingelser, der er nødvendige for at forhindre myggene i at undslippe deres bure forholdsregler. Afhængig af den planlagte infektion regime, kan autoklaveres og genanvendelige metal-frame bure eller self-made engangs bure anvendes. Sidstnævnte dem anbefales, hvis ved bid infektion af forsøgsdyr er forpligtet til at blive udført af et defineret antal myg pr mus. Hvis selvstændige foretaget bure er påkrævet, forberede bure til nøjagtige specifikationer som sundheden for myg og sikkerhed i laboratoriet afhænger af deres sound konstruktion (figur 2).

  1. Tag en karton, såsom en halv pint is karton eller papir kaffekop (figur 2).
  2. Skær en lille åbning i siden af ​​æsken og dække med et dobbelt lag af latex med en slids skæres i hvert stykke for at skabe et sikkert indgangen til myg. BEMÆRK: Åbningen har en samlet størrelse på 2 cm x 2 cm, slangen (aspirator enhed), som vi bruger til at bringe i og / eller ud af myg er en modificeret 15 ml Falcon rør fastgjort til en vakuumpumpe, og dermed fungerer som en aspirator med en diameter på 1,5 cm.
  3. Tape et stykke filtrerpapir på indersiden bunden af ​​kartonen til at opsuge drypper.
  4. Luk off is kopper med netting (dobbelt lag af nylon mesh, str. 1 mm x 1 mm) og fastgør til kartonen ved tape og elastik.
  5. Til infektion eksperimenter, hvor definerede antal myg per mus er påkrævet, forberede bure med 10-15 inficerede myg, som hver ideelt indeholder en AVnemsnit på 10.000 vildtype spytkirtel P. berghei sporozoiter.
  6. Ideelt set sulte myg i 24 timer før udførelse af blodmel.

4.. Malaria Infektion af mus ved myggestik

Gnavere malariaparasitten anvendt heri er P. berghei dog enhver anden gnaver Plasmodium stamme af interesse kan anvendes. For at få smitsomme myg til sporozoit transmission hele livscyklussen af ​​parasitten fastholdes i både hvirveldyr værten (mus) og myg vektor. Parasite vedligeholdelse udføres i en insektbetingelser. For naturlige transmission eksperimenter, bør det mindste antal sporozoiter pr spytkirtel ikke være mindre end 10.000. For detaljerede protokoller vi på parasit vedligeholdelse refererer til Metoder i Malaria Research ved Moll et al., 2013.

  1. Bedøve naive mus eller dyr preinfected i 40 dage med Mtb med ketamin (100 mg / kg)og xylazin (7 mg / kg) opløsning ved intraperitoneal injektion (200 ul / mus). BEMÆRK: Tiden mellem Mtb og Plasmodium infektion kan justeres afhængigt af den underliggende forskningsspørgsmål. Ligeledes kan rækkefølgen af ​​patogene udfordringer skal vendes, kan dvs. mus udsættes for infektiøs myggestik før Mtb infektion.
  2. Placer bedøvede mus på netting af myg bure (en mus per myg bur defineret myg til mus ratio) og lade myg at fodre gennem membranen i 10-15 min. BEMÆRK: Tilstedeværelsen af ​​blod i mosquito indvolde indebærer fodring og dermed sporozoit transmission.
  3. Overfør mus tilbage i deres bure og overvåge konstant indtil de vågner op fra bedøvelsen. BEMÆRK: Placer mus på køkkenrulle og ikke på strøelse (risiko for kvælning) og hold dem varme (sted tæt sammen og dækker organer med køkkenrulle).
  4. Dræbe myg ved at sprøjte dem med 70% ethanol eller andre desinfektionsmidler gennem nettning af buret. Autoklave bure og kassere, hvis der blev brugt engangslightere.

5.. Overvågning parasitemia

  1. Punktering halevenerne til allersidst med en nål og samle en dråbe blod på hver ende af et objektglas.
  2. Brug en anden dias til at trække en dråbe blod over halvdelen af ​​dias længde. Vend sprederen til at bruge den anden kant for anden smøre. Lad dias lufttørre.
  3. Giemsa farve
    1. Placer dias i slide holdere og løse blodudstrygninger ved kort nedsænkning i absolut methanol. BEMÆRK: Da brugen af ​​glas ware bør holdes på minimum i BSL 3 vi bruger polypropylen kuvetter for alle løsninger.
    2. Fordyb udstrygningspræparaterne i Giemsa (1:10 i demineraliseret vand). Efter 10 min, dyp dias i og ud af farvningsprocedurer kuvetter fyldt med demineraliseret vand et par gange for at skylle væk overskydende pletten.
    3. Endelig lufttørre dias i en lodret position.
  4. ALTERNATIV PLETFJERNING: Wright & #180; s plet
    1. Opløs Wright plet ved en koncentration på 1 mg / ml i methanol.
    2. Filtreres gennem foldet filter før brug.
    3. Fordyb de blodudstrygninger i farveopløsning og inkuberes i 4 minutter (bemærk: methanol fiksering af udstrygninger er ikke nødvendigt, da farvningsopløsningen er methanol-baseret).
    4. Vask ved skylning objektglassene i deioniseret vand som beskrevet ovenfor, og lade objektglassene lufttørre.
    5. Når Giemsa / Wright 's pletten er færdig, forsigtigt overføre alle reagenser, der anvendes i en Buraton indeholder bortskaffelse pot.
  5. Blodudstrygning analyse
    1. Analyser farvede blodudstrygninger ved lysmikroskopi ved 100 gange forstørrelse med olie fordybelse.
    2. Tæl-inficerede og inficerede erytrocytter i et område af blodudstrygning hvor erytrocytterne er arrangeret i et monolag.
    3. For at opnå en veldefineret parasitemia tælle mindst 10 forskellige synsfelter, der udviser en erythrocyt monolag.
    4. Calculspiste den relative parasitæmi (i%) ved at dividere antallet af parasitbehandlede erythrocytter ved antallet af erytrocytter og multiplicere med 100.

Representative Results

Infektion af mus med Mtb og P. berghei via den naturlige rute, dvs aerosol-og myggestik henholdsvis resulterer i konsekvent og reproducerbar infektion af alle dyr (tabel 1) 1. Vi kan overvåge vellykket infektion og forløbet af både malaria og tuberkulose ved at bestemme den første forekomst (prepatency) og antallet af parasitter i blodet (P. berghei parasitemia), og byrden af Mtb i forskellige organer, hhv. Et eksempel på vellykket malariaparasitten transmission af infektiøse myggestik er vist i tabel 1 og figur 3. Fodring af 10 sporozoitspecifikke inficerede myg på hver mus resulterede i en infektion på 100% som bekræftet af tilstedeværelsen af blod-trins parasitter 4-5 dage senere (tabel 1 og figur 3A). Vigtigere er det, finder vi lignende parasit numre i blodet hos individuelle mus af samme eksperimentelle gr.oup, hvilket indikerer, at sporozoit transmission ved myggestik resulterer i en konsekvent og reproducerbar infektion. Ved at sammenligne prepatency hos naive kontrol mus med, at der i Mtb-samtidig havde dyr, kan vi se, at prepatency er lidt forsinket i mus, der var blevet preinfected med Mtb (tabel 1, figur 3B) 1.. Som vi har tidligere rapporteret 1, kan vi fastslå virkningen af Mtb coinfektion på forløbet af malaria ved daglig overvågning parasitemia i Giemsa-farvede blodudstrygninger som vist i figur 3B.

Infektion af mus med Mtb ved brug af en eksponering ved indånding system resulterer i en vellykket aflejring af bakterier i lungerne med relativt lav variation mellem de enkelte mus (figur 4A). Vi kan følge mycobakterielle belastninger i lunger og andre organer af interesse over tid ved CFU beslutsomhed. Et eksempel på det mycobakterielle belastning i lungerneMtb inficerede C57BL / 6 mus i fraværet eller tilstedeværelsen af P. berghei er vist i figur 4B.

Tabel 1. Prepatency efter sporozoit transmission ved myggestik. Alle mus udviklede blod-trins-infektioner efter naturlig overførsel af P. berghei sporozoiter ved myggestik. Tilpasset fra 1 PLoS ONE, 7 (10), e48110 med tilladelse.

Eksperimentel musegruppe (C57BL / 6) Udfordring med 10 infektiøse myggestik Antal af blod-trins positiv dyr / Antal dyr i hver gruppe Mean prepatency [d]
naive P. berghei 7/7 4,4
Mtb inficeret P. berghei 7/7 5,5 d>

Figur 1
Figur 1. Samlet ordning af den eksperimentelle procedure. Er C57BL / 6 mus udsat for Mtb-holdige aerosol dråber i et Glas-Col aerosol kammer. En dag efter aerosol-infektion, er optagelsen af Mtb verificeret ved CFU analyse af lungen. 40 dage efter Mtb udfordring (når tuberkulose er blevet kronisk i inficerede mus) er dyr udsat for P. berghei inficerede myg. For at bekræfte en vellykket sporozoit transmission og følge forløbet af Plasmodium infektion er parasitemia overvåges dagligt i Giemsa-farvede blodudstrygninger starter 3 dage efter myggestik.

/ Files/ftp_upload/50829/50829fig2highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50829/50829fig2.jpg "/>
Figur 2. Skitse af en myg bur. Smitsomme myg er indeholdt i en æske, såsom en halv pint is karton. En lille åbning skåret ind i siden af ​​kartonen og dækket med et dobbelt lag af latex med en slids skæres i hvert stykke for at skabe et sikkert indgangen til myg. Et stykke filterpapir tapede på indersiden bunden af ​​kartonen til at opsuge drypper. Is kopper er lukket med netting (Nylon mesh), som er fastgjort til kartonen ved tape og elastik.

Figur 3
Figur 3. Blood parasitemia. A) Eksempel på en Wright `s farvede blodudstrygning viser parasitbehandlede erythrocytter (Målestokken, 20 & #181;. M) B) parasitemia i museblod blev overvåget ved at analysere daglige Giemsa-farvede blodudstrygninger. Coinficeret mus har en reduceret parasitemia forhold til Plasmodium enkelt inficerede mus (n = 10), Resultaterne er vist som middelværdi ± SD; *** p <0,001. Gengivet fra 1 PLoS ONE, 7 (10), e48110 med tilladelse.

Figur 4
Figur 4.. Påvisning af Mtb i lungen. C57BL / 6 mus blev aerosol udfordret med 100 CFU af Mtb og 40 dage senere, smittet med P. berghei ved myggestik. A) En dag efter aerosol infektion optagelsen af det ønskede antal Mtb blev verificeret ved plettering hele lungehomogenater for CFU beslutsomhed. B) Bakterierl belastninger på tidspunktet for coinfection blev bestemt i lunge lysater af 3 mus via CFU analyse (Mtb d40/d0). 12 dage efter coinfection blev lunge lysates belagt for CFU analyse for at fastslå virkningen af Plasmodium coinfektion på Mtb kontrol. Bemærk, at Mtb tal i lungerne øges under coinfection med P. berghei NK65. X-aksen mærkning: tid efter Mtb -infection/time efter coinfection. Tilpasset fra 1 PLoS ONE, 7 (10), e48110 med tilladelse.

Discussion

Vi beskrev, hvordan mus kan produktivt inficeret med Mtb og P. berghei via deres naturlige smitteveje. Vi anvender etableret infektion protokoller til at studere eksperimentel tuberkulose 13 eller malaria 12 og for nylig har vedtaget dem til at studere coinfektion mellem Mtb og Plasmodium i musemodel 1..

De mest kritiske trin for vellykkede infektioner er transmissionen af ​​begge patogener på de ønskede tal. Mycobakterielle lagre bør ikke være ældre end 2 år, fordi de vil miste levedygtighed over tid, og den oprindeligt fastsatte titer af bestandene vil sandsynligvis ikke længere være nøjagtig. Som følge heraf vil infektion doser være meget lavere end forventet. Derfor bør CFU titre af stamkulturer fastsættes hvert par måneder. Lige så vigtigt er det standardiserede dyrkning og generering af Mtb lagre i første omgang. Dyrkningsbetingelser, såsommedium, kosttilskud, tid og volumen bør standardiseres med henblik på at kunne sammenligne data fra forsøg med forskellige bestande af Mtb. Mykobakterier tendens til at klumpe under kultur, derfor er det vigtigt at holde dyrkningsbetingelser standardiseret, høst bakterier på samme vækstfase og resuspender ofte under alikvoteringsprocessen. Ellers kan der være en stor variation i CFU-titre og infektion resultat.

Frembringelsen af ​​homogent inficerede myg partier er endnu et afgørende skridt. Da forskellige myg vil foder på den enkelte mus, er det vigtigt, at alle de myg, der anvendes til en infektion eksperiment kommer fra samme parti, og at kun de partier, hvor mere end 90% af myg er inficeret anvendes.

Den nuværende model kan anvendes til at dissekere immunresponser og immune modulationer i en smittet vært ved at sammenligne med de immunresponser i enkelte inficerede værter. Vi kan anvende various veletablerede metoder såsom histologi, immunhistokemi, cytometrianalyse af immun cellepopulationer eller PCR og ELISA for cytokin og kemokin opdagelse på væv eller kropsvæsker af interesse. Det skal bemærkes, at sådanne musemodeller har visse begrænsninger. Mens hovedparten af mennesker smittet med Mtb udvikle en latent infektion med ingen tegn på kliniske symptomer, mus udvikler en kronisk fremadskridende sygdom med lunge patologi. Stadig C57BL / 6 mus er relativt resistente over for Mtb infektion og ikke udvikler klassisk granulomer som observeret i tuberkulosepatienter mennesker. Som et resultat, immunopatologiske reaktioner i mus afspejler hverken latent eller aktiv human tuberkulose sygdomme på passende måde. På trods af forskellen mellem latent og kronisk sygdom hos mennesker og mus er mus været flittigt brugt til at identificere og studere vært faktorer, der styrer Mtb infektion og er værdifulde og uundværlige redskaber til at undersøgeimmunrespons i infektionssygdomme. Vigtigere er det, varierer modtagelighed for Mtb infektion betydeligt mellem almindeligt anvendte indavlede mus stammer og mere følsomme stammer såsom DBA eller C3H kan indgå i co-og single-infektion studier. Men udover de patogene arter, der er beskrevet heri, kan anvendes andre Mycobacterium arter af interesse (fx kliniske isolater). Ligeledes mens ingen enkelt malaria model kopierer alle aspekter af menneskelig sygdom forskellige musemodeller ikke ligner forskellige aspekter af naturligt erhvervet menneskelig malaria infektion. For eksempel, P. berghei ANKA og P. yoelii YM/17XL er almindeligt studerede modeller af menneskelig (P. falciparum-induceret) alvorlig malaria, med P. berghei ANKA at blive betragtet som en fremragende model for human cerebral malari s 14,15. P. berghei NK65 er en fremragende model for hyperparasitaemia og akut malaria anæmi og er for nylig blevetbeskrevet som en eksperimentel model for malaria-associeret akut lungesvigt (ARDS MA-16). Brug den beskrevne coinfection model, kunne vi for nylig viser, at samtidig P. berghei NK65 infektion forværrer kronisk tuberkulose 1.

Bortset fra at bruge forskellige gnaver malariaparasitter kan rækkefølgen og timingen af ​​infektion begivenheder tilpasses afhængigt af den underliggende forskningsspørgsmål. I feltet kan samtidig Plasmodium infektioner være til stede på det tidspunkt, Mtb-infektion eller erhvervet senere. I begge scenarier immunrespons til Mtb og Plasmodium kan påvirkes forskelligt. Derfor kan mus være smittet med Plasmodium sporozoiter enten før eller efter Mtb-infektion. Desuden kan musene blive udfordret på forskellige tidspunkter poste Mtb infektion at vurdere virkningen af immunrespons Plasmodium-induceret på akut versus kronisktuberkulose. Vigtigere er det, når du vælger en malariaparasitten til at studere malaria-tuberkulose coinfection, bør man være opmærksom på at nogle gnaver Plasmodium stammer forårsage akut sygdom i visse musestammer og bukke under for infektion inden for kun dage eller uger, mens Mtb forårsager kronisk og langvarige infektioner hos immunkompetente mus. Derfor, timingen af ​​coinfection er afgørende for at undgå for tidlig død forsøgsdyr.

Gradueringen af ​​vært immunitet ved samtidig infektion med flere patogene arter forbliver dårligt forstået. Vores eksperimentelle coinfection model giver et kraftfuldt værktøj til at undersøge Mycobacterium - Plasmodium interaktion med immunsystemet hos en smittet vært og vil bidrage til vores forståelse hvordan coinfections kan påvirke patogenese, resultat sygdom, vaccinationer, immunodiagnostik og terapi.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at afsløre.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne takke Miriam Ester for myg avl. Dette arbejde blev støttet af in-house finansiering fra Research Center Borstel og sluttede finansiering fra Leibniz center infektion.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Buraton Schülke active ingredients: aldehyds (formaldehyde, glutaraldehyde, oxalaldehyde, ethyl hexanal)
Middlebrook 7H9  Sigma M0178 For Mtb broth cultures
Middlebrook 7H11  BD Biosciences 283810 Agar medium for Mtb culture
Middlebrook OADC enrichment medium BD Biosciences 212240 Add to 7H9 and 7H11 for Mtb culture
Staining Dish Science Services E62542-12
24-slide Holder w/Handle Science Services E62543-06
Giemsas Azur-Eosin-Methylene blue solution Merck Millipore 109204
Wright´s stain Sigma W0625
Inhalation Exposure System Glas-Col
Nebulizer-Venturi Glas-Col
Ice cream cups Häagen-Dazs Used as mosquito cages
Metal-frame mosquito cages BioQuip Products 1450A

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mueller, A. -K., et al. Natural Transmission of Plasmodium berghei Exacerbates Chronic Tuberculosis in an Experimental Co-Infection Model. PLoS ONE. 7, e48110 (2012).
  2. Korbel, D. S., Schneider, B. E., Schaible, U. E. Innate immunity in tuberculosis: myths and truth. Microbes Infect. 10, 995-1004 (2008).
  3. Aly, A. S., Vaughan, A. M., Kappe, S. H. Malaria parasite development in the mosquito and infection of the mammalian host. Annu. Rev. Microbiol. 63, 195-221 (2009).
  4. Cirimotich, C. M., Dong, Y., Garver, L. S., Sim, S., Dimopoulos, G. Mosquito immune defenses against Plasmodium infection. Dev. Compar. Immuno. 34, 387-395 (2010).
  5. Page, K. R., et al. Mycobacterium-induced potentiation of type 1 immune responses and protection against malaria are host specific. Infect. Immun. 73, 8369-8380 (2005).
  6. Hawkes, M., et al. Malaria exacerbates experimental mycobacterial infection in vitro and in vivo. Microbes Infect. 12, 864-874 (2010).
  7. Scott, C. P., Kumar, N., Bishai, W. R., Manabe, Y. C. Short report: modulation of Mycobacterium tuberculosis infection by Plasmodium in the murine model. Am. J. Trop. Med. Hyg. 70, 144-148 (2004).
  8. Hoffman, S. L., Doolan, D. L. Malaria vaccines-targeting infected hepatocytes. Nat. Med. 6, 1218-1219 (2000).
  9. Mueller, A. K., et al. Genetically attenuated Plasmodium berghei liver stages persist and elicit sterile protection primarily via CD8 T cells. Am. J. Pathol. 171, 107-115 (2007).
  10. Mueller, A. K., Labaied, M., Kappe, S. H., Matuschewski, K. Genetically modified Plasmodium parasites as a protective experimental malaria vaccine. Nature. 433, 164-167 (2005).
  11. Nussenzweig, R. S., Vanderberg, J., Most, H., Orton, C. Protective immunity produced by the injection of x-irradiated sporozoites of plasmodium berghei. Nature. 216, 160-162 (1967).
  12. Vaughan, J. A., Scheller, L. F., Wirtz, R. A., Azad, A. F. Infectivity of Plasmodium berghei sporozoites delivered by intravenous inoculation versus mosquito bite: implications for sporozoite vaccine trials. Infect. Immun. 67, 4285-4289 (1999).
  13. Coleman, J., Juhn, J., James, A. A. Dissection of midgut and salivary glands from Ae. aegypti mosquitoes. J. Vis. Exp. , e228 (2007).
  14. Franke-Fayard, B., et al. A Plasmodium berghei reference line that constitutively expresses GFP at a high level throughout the complete life cycle. Mol. Biochem. Parasitol. 137, 23-33 (2004).
  15. Lin, J. W., et al. Loss-of-function analyses defines vital and redundant functions of the Plasmodium rhomboid protease family. Mol. Microbiol. 88, 318-338 (2013).
  16. Bancroft, J. D. G., M, Theory and Practice of Histological Techniques. , Churchill Livingstone. New York. (2007).
  17. Schneider, B. E., et al. A role for IL-18 in protective immunity against Mycobacterium tuberculosis. Eur. J. Immunol. 40, 396-405 (2010).
  18. Craig, A. G., et al. The role of animal models for research on severe malaria. PLoS Pathog. 8, e1002401 (2012).
  19. de Souza, J. B., Hafalla, J. C., Riley, E. M., Couper, K. N. Cerebral malaria: why experimental murine models are required to understand the pathogenesis of disease. Parasitology. 137, 755-772 (2010).
  20. Van den Steen, P. E., et al. Immunopathology and dexamethasone therapy in a new model for malaria-associated acute respiratory distress syndrome. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 181, 957-968 (2010).

Tags

Smitsomme Sygdomme coinfection mus tuberkulose malaria, Naturlig transmission
En eksperimentel model til at studere tuberkulose-Malaria coinfektion på Natural Transmission af<i> Mycobacterium tuberculosis</i> Og<i> Plasmodium berghei</i
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mueller, A. K., Behrends, J., Blank, … More

Mueller, A. K., Behrends, J., Blank, J., Schaible, U. E., Schneider, B. E. An Experimental Model to Study Tuberculosis-Malaria Coinfection upon Natural Transmission of Mycobacterium tuberculosis and Plasmodium berghei. J. Vis. Exp. (84), e50829, doi:10.3791/50829 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video
Waiting X
Simple Hit Counter