Summary
Tuberkulose og malaria er to av de mest utbredte infeksjoner hos mennesker og viktige årsaker til sykelighet og dødelighet i fattige befolkninger i tropene. Vi etablerte en eksperimentell modellsystem for å studere utfallet av malaria-tuberkulose coinfection i mus etter utfordringen med begge patogener via deres naturlige smitteveien.
Abstract
Coinfections forekommer naturlig på grunn av den geografiske overlapping av forskjellige typer av sykdomsfremkallende organismer. Samtidige infeksjoner mest sannsynlig modulere respektive immunrespons til hver enkelt patogen og kan dermed påvirke patogenesen og sykdom utfallet. Var infisert pasienter kan også svare differentially til anti-infeksiøs intervensjoner. Coinfection mellom tuberkulose som skyldes mykobakterier og malariaparasitten Plasmodium, som begge er coendemic i mange deler av Afrika sør for Sahara, er ikke undersøkt i detalj. For å nærme seg utfordrende, men vitenskapelig og klinisk svært relevant spørsmål hvordan malaria-tuberkulose coinfection modulate vert immunitet og i løpet av hver sykdom, etablerte vi en eksperimentell mus modell som gjør det mulig for oss å dissekere de fremkalte immunresponser mot begge patogener i samtidig infisert verten . Av notatet, for å de fleste nettopp ligne naturlig ervervet menneskelige infeksjoner, vi utfører eksperimentellinfeksjoner av mus med både patogener av deres naturlige ruter på infeksjon, dvs. aerosol og myggstikk, henholdsvis.
Introduction
Menneskelige populasjoner er sjelden utsatt for en patogen bare. Spesielt i områder med høy forekomst av infeksjoner som Afrika sør for Sahara, coinfections representerer et godt, men svært undervurdert folkehelseproblem. Tuberkulose og malaria er de mest utbredte bakterielle og parasittinfeksjoner hos mennesker, henholdsvis, og fortsetter å være viktige årsaker til sykelighet og dødelighet i fattige befolkninger i tropene. Til tross for bred geografisk overlapp mellom tuberkulose og malaria og det store antallet personer med risiko for coinfection, er svært lite kjent om samspillet mellom de ulike og ofte motvirke immun regulatorer og effekt samtidig fremkalte mot malariaparasitter og tuberkel basiller i var infisert individer.
Gnager modeller av blandingsinfeksjoner tillate karakterdifferensialimmunreaksjoner mot forskjellige patogener i en vert, og dermed belyse den gjensidige innflytelseskjeller moduler patologi og klinisk utfall av den enkelte sykdommen, som også vil bidra til å identifisere nye anbefalinger for behandling og forebygging. Vi har etablert en eksperimentell musemodell som gjør oss i stand til å undersøke konsekvensene forårsaket av samtidig infeksjon med Mycobacterium tuberculosis (Mtb) og gnager Plasmodium arter innen samme vert en. Viktigere, for å etterligne naturlig ervervet menneskelige infeksjoner så tett som mulig, implementerer vår modell de naturlige ruter av infeksjon som brukes av begge patogener. Tuberkulose er en luftsmitte, som derfor primært manifesterer seg i lungene. Den utløsende agent, er Mtb overført av mennesker med aktiv sykdom via aerosol rute når de utvise smittsomme aerosoldråpene ved hoste eller nysing. Således, er aerosol-infeksjon metoden for valg for å etterligne naturlig infeksjon. Generering av luftbårne partikler som inneholder Mtb kan oppnås ved brukav en inhalasjon eksponering system. Det hele kroppen eksponeringskammeret tillater å utsette forsøksdyr til Mtb-holdige infeksiøse aerosoldråpene (figur 1), som blir inhalert inn i alveolene i lungene hvor infeksjonen er initiert to.
Malaria på den annen side er en vektor båret sykdom forårsaket av protozoan, apicomplexan parasitten Plasmodium som er naturlig overføres ved bitt, kvinnelig Anopheline mygg. Under blodmel, er smittsomme sporozoites deponert under vertens hud og senere når leveren via blodet. Innenfor hepatocytter de utvikler og raskt multiplisere i leveren-trinns schizonter. Til slutt, modne schizonter sprekke og frigjøre tusenvis av patogene første generasjons merozoites inn i blodstrømmen der de initierer en progressiv syklus av røde blodlegemer invasjon, replikering, rød celle ruptur, og reinvasion tre. Den Plasmodium livssyklus fortverdier som noen merozoites utvikle seg til den seksuelle parasitt stadier, de mannlige og kvinnelige gametocytes, som kan tas opp av mygg i løpet av blod måltider. I myggen, Plasmodium sporozoites utvikle innenfor oocyster bosatt i myggen midgut og til slutt migrere til spyttkjertlene for videre overføring til en annen host 3,4.
Mens i eksperimentelle dyremodeller levering av Mtb via aerosol og dermed mest relevant rute er veldig vanlig, har mange eksperimentelle gnager Plasmodium infeksjonsstudier inkludert studier på malaria-tuberkulose coinfection 5-7 er utført ved å infisere mus med parasitized erytrocytter, noe som gir opphav til blod-trinns malaria infeksjon mens utelukke klinisk lydløs leveren-scenen fasen. Imidlertid er leveren stadium en obligatorisk trinn under infeksjonen og relevant for anti-plasmodial immunitet 8-11. Vi anser det derfor viktig å inkludere lever phase av malaria overføring og vedlikehold i studier av både malaria og malaria-tuberkulose coinfection, henholdsvis. I tillegg har det blitt vist at naturlig overfør sporozoites er mer smittsomt enn de som sendes via nål infeksjoner 12, noe som fikk oss til å etablere malaria mygg bite i stedet for å injisere isolert spyttkjertel avledet sporozoites. Den eneste måten å få smittsomme mygg for naturlig overføring av malariaparasitter er å opprettholde hele livssyklusen til parasitten i både virveldyr verten (her mus) og mygg vektoren. Dermed er tilgang til en insectary for parasitt vedlikehold uunngåelig for å utføre naturlig overføring av bitt.
Vår protokoll beskrevet her ble utviklet for å undersøke hvordan coinfection med Plasmodium sporozoites virkninger på kronisk tuberkulose en. For å gjøre dette, er mus aerosol smittet med M. tuberkulose og 40 dager senere, da M. tuberkulose infeksjon har nådd kronisk fase, mus er utsatt for malaria-smittsomme mygg. Resultatet av begge malaria og tæring på de var infisert dyr kan følges ved å overvåke blod parasitemia og bakteriemengden i vev, henholdsvis. I vår protokollen, vil vi beskrive i detalj hvordan å infisere mus med både patogener via deres naturlige smitteveien og hvordan å bekrefte vellykket patogen overføring. I våre hender, er det vanligvis oppnås infeksjonsraten for både eksperimentelle infeksjoner 100%. Disse protokollene kan brukes til å studere både infeksjoner separat eller, som vi gjør, for å modellere og studere coinfection mellom to av de mest utfordrende menneskelige smittsomme sykdommer. Denne modellen er gjeldende for andre Mycobacterium og gnager Plasmodium arter utover de som er beskrevet i denne protokollen.
Protocol
Sikkerhetstiltak og etikk Erklæring
Studiene som presenteres her innebære arbeid med menneske patogen Mtb og gnager malariaparasitten Plasmodium berghei (P. berghei). Eksperimenter med Mtb (stamme H37Rv) og P. berghei må utføres under de aktuelle biosikkerhet forhold. Biosikkerhet nivå (BSL) to laboratorier er nødvendig for gnager malariaparasitter som P. berghei og BSL 3 for Mtb og dermed for alle coinfection studier beskrevet her. MERK: Mus smittet med Mtb ikke spre smitte til andre mus i umiddelbar nærhet (vår egen observasjon). Spread til eksperimentator kan derfor utelukkes, men hensiktsmessige verneklær må brukes inne i BSL 3 laboratorium til alle tider. Ifølge våre regler, forskere slitasje kirurgiske skrubb, hår garn, engangs respiratorer, og to par hansker, hvorav den ytre er kasserte når enrms er trukket tilbake fra skapet. Nye er satt på før du går inn i skapet igjen. To beholdere, en med 2% Buraton (MERK: andre desinfeksjonsmidler som er godkjent for å inaktivere Mtb kan brukes på godkjent konsentrasjon) for væske og smittefarlig avfall og en for overflate dekontaminering, er forberedt før forsøket og plassert inne i skapet. I tillegg vil plastposer anvendes for solid infeksiøs avfall. Ifølge tysk regler, alt arbeid forbundet med håndtering og behandling av Mtb kulturer eller vev avledet fra Mtb infiserte mus må utføres i en klasse 2 biosikkerhet skap i en BSL3 lab. Mens håndtering mykobakterier, tiltak må iverksettes for å unngå generering av aerosoler til alle tider.
Kvinne C57BL / 6 mus (Charles River) i alderen mellom 6-8 uker ble brukt for alle coinfection eksperimenter og vedlikeholdt under spesifikke barriere forhold i BSL tre anlegg. Dyr omsorg og eksperimentering var performed i samsvar med protokoller som er godkjent av etikkomiteen for dyreforsøk i departementet for landbruk, miljø, og rurale områder i delstaten Schleswig-Holstein
For å få malaria mygg stadier, ble NMRI mus kjøpt fra Charles River Laboratory, Sulzfeld, Tyskland og holdt under spesifikke patogen-frie forhold innenfor universitetet i Heidelberg Dyreavdelingen (IBF). Alle dyreforsøk ble utført i henhold til europeisk regelverk og godkjent av statlige myndigheter i Baden-Württemberg (Regierungspräsidium Karlsruhe).
En. Aerosol Infeksjon av mus med Mtb med en Glas-Col Aerosol Chamber
Den beste måten å standard aerosol infeksjon av forsøksdyr med Mtb er å bruke mykobakterier fra frosne bestander med kjente CFU titere. For å forberede stamkulturer, kultur Mtb i Middle 7H9 buljong supplert med OADC (Oljesyre, Albumin, dekstrose, Katalase) anrikingsmedium og 0,05% Tween 80, en karbonkilde for mykobakterier og måler for å unngå bakteriell klumping samtidig. Kulturer bør ha en OD ≤ 1 på tidspunktet for innhøsting. Ved høyere OD, bakterielle klumper øker og levedyktighet avtar. Lagre en ml deler på -80 ° C. Bestem antall levedyktige kolonidannende enheter (CFU) i frossen fisk ved plating en serie av 10-doble fortynninger av tre uavhengige ampuller på 7H11 agarplater supplert med 0,5% glycerol, 1 g / L asparagin, og OADC og nummerere kolonier etter fire ukers inkubering ved 37 ° C. Utfør aerosol-infeksjon, som beskrevet nedenfor.
- Thaw Mtb bestander av kjente CFU titer og nøye blande suspensjonen fem ganger for å spre bakterie klumper ved hjelp av en 1 ml sprøyte med en 27 G nål. Unngå fremstilling av aerosoler.
- Avhengig av den ønskede infeksjonsdosen, overfører det nødvendige volum av mykobakterielle lager ien 50 ml tube inneholder sterilt PBS. Det endelige volum er 6 ml. MERK: Ved å variere antallet mikroorganisme i denne suspensjonen, blir andelen av bakterier som bærer aerosoldråpene varieres. Vi pleier å ta sikte på et opptak av 100 levedyktige bakterier per lunge (lavdose-infeksjon). I vår erfaring, krever dette rundt 1-2 x 10 6 MTB / ml i et totalvolum på 6 ml hvorav 5,5 ml er nebulized (se nedenfor). Det anbefales å gjøre en rekke eksperimentelle aerosol utfordringer med ulike konsentrasjoner av bakterier for å finne den ideelle forhold for din infeksjon. Mens høye doser infeksjoner med opp til 5000 mykobakterier kan gjøres for å øke hastigheten på den smittsomme prosessen, så få som 5 bakterier kan brukes med hell til å infisere mus av aerosol. Infeksjonsraten er ofte 100%.
- Fjern tilstrekkelig volum (utarbeidet i overkant av siste bind nødvendig) for plating å bestemme pode titer, vi pleier å fjerne 500 mL til plate tekniske triplicates.
- Plasser dyrene ien compartmented mesh kurv (én mus per kurv) innenfor den sirkulære aerosol kammeret og lukke lokket på aerosol kammeret. MERK: Andre modeller er utstyrt med en pie-formet kurv består av fem individuelle avdelinger, som hver kan romme 20 mus.
- Fest Venturi-tøverenheten til de tre rustfritt stål muffesammenføyninger.
- Fjern det mykobakterielle suspensjon fra 50 ml rør med en 10 ml sprøyte med en 18 G stump nål og bære sprøyten til aerosol kammeret i en lukket transportkasse.
- Fjern skrukork av forstøverenheten og nøye injisere mykobakterier suspensjonen i forstøveren. Unngå generering av aerosoler. Kast sprøyten i en beholder for skarpe gjenstander som inneholder 2% Buraton. Tett forstøveren med skrukork.
- Slå på hovedstrømbryteren og UV lampe. Displayet på betjeningspanelet viser "Glas-Col Apparatus Co".
- Vri programbryteren. Displayet vilvise "Er tøver klar?" "Er kurv lastet?" Trykk enter når du er klar ". Trykk på enter.
- Displayet viser "Tast Forvarm Tid 900", dette betyr at forvarme tid for forbrenningsovn (som decontaminates avtrekksluften) er 900 sek. Trykk på enter.
- Displayet vil vise "Enter nebulizing tid 1800", dette betyr at nebulizing tid er satt til 1800 sek som standard. For å forlenge nebulizing tid, skriv inn "2400" og trykk enter. MERK: Under nebulizing syklus, luft under trykk atomizes suspensjon, og dermed generere små aerosoldråpene inneholder mykobakterier. Med hovedluftstrømmen, er disse små dråper (omtrent 2 til 5 mikrometer i størrelse) føres inn i spraykammeret.
- Displayet viser "Tast CD Tid 1800", og dette betyr at forfallet syklus tar 1800 sek. Satt til "2400" og trykk enter. MERK: I løpet av denne syklusen, skyen som har blitt bygget up i aerosol kammeret under forstøvningsoperasjonen syklusen kan råtne. De små dråpene blir inhalert av de eksperimentelle dyr.
- Displayet vil vise "Enter desember Tid 900", og dette betyr at UV-lys dekontaminering syklusen vil ta 900 sek. Trykk på enter. Maskinen vil starte sykling gjennom forvarme, nebulizing, sky råte og UV dekontaminering.
FORSIKTIG: Vakuumstrømningsmåler bør indikere 60 kubikk fot / time (sjekk når forvarme syklus starter, justere vakuumreguleringsventil hvis det er nødvendig) og komprimert luft flow meter 10 kubikkfot / time (sjekk når nebulizing syklus starter, justere luftkontrollventil tilsvar ). - Når syklusen er fullført, vil tastaturet vise "Prosess full - Fjern Specimen". Slå av programmet, UV og hovedbryteren.
- Sjekk om mykobakterielle suspensjonen er blitt forstøves fullstendig, og hvis ikke, ta opp det gjenværende volum ved forsiktig fjerning av suspensjonen med en passende sprøyte meden 18 G sløv nål. Det resterende volum bør ikke være mer enn 1 ml.
- Fjern forstøveren fra leddene og legg den i en gryte som inneholder 2% Buraton i minimum to timer, vanligvis desinfeksjon gjort O / N. Etterpå overføre forstøver til en fersk pan og skyll grundig med vann. La forstøveren å lufttørke.
- Åpne aerosol kammeret og returnere dyr til sine bur. Bag kurvene i autoklav poser og autoklav. Tørk av overflatene på innsiden av aerosol kammer med 2% Buraton MERK:. Av sikkerhetsmessige grunner, bør en drevet gassmaske brukes under denne prosedyren.
- Ved hjelp av de resterende 500 pl av den mykobakterielle suspensjon (se trinn 1.3) plate 10-gangers fortynning av teknisk triplikat (3 x 100 mL) ved 7H11 agar plater.
2. Bekreft Opptak av Ønsket CFU i lungene
En dag etter infeksjon aerosol av forsøksdyr fastslå den bakterie loannonse i lungene av utpekte kontroll dyr for å bekrefte opptaket av ønsket CFU. MERK: Vi pleier å utpeke en ekstra gruppe på 3-5 mus for dagen en CFU besluttsomhet.
For å overvåke løpet av Mtb smitte over tid, kan det mycobacterial vev byrden bli undersøkt av plating serielle fortynninger av hele organ homogenates for CFU besluttsomhet. Lungene er det primære stedet for sykdom manifestasjon i tuberkulose imidlertid milt, lever og lymfeknuter er vanligvis analysert tilsvarende. Fortynningene som skal pletteres, er avhengig av den forventede mykobakterielle belastningen i de organer, som er avhengig av det opprinnelige inokulum (lav dose vs høy dose), noe som gir opphav til forskjellige bakterielle belastning i vev, så vel som på det organ, og tids punkt til analyseres. Ved lav dose infeksjon, den bakterielle belastningen av Mtb H37Rv i lungen når vanligvis et platå mellom dag 25-30.
- Plasser avlives dyr (Eutanasi: CO 2 kveling ellerterminal anestesi) på absorberende papir på en dissekere bord i en klasse II biosikkerhet skap og desinfisere mus med 70% etanol. MERK: 70% alkohol er for overflate dekontaminering bare og vil ikke drepe Mtb.
- Lag et lite snitt i midten av buken og trekk mus huden over hodet.
- Åpne buken og brystkassen med kirurgisk saks og fjerne brystveggen slik at lungene er tilgjengelige.
- Fjern lungene og overfør til et 15 ml rør med homogenisering buffer (sterilt vann / 1% v / v Tween 80/1% vekt / volum albumin).
- Bruke stempelet av en 5 ml sprøyte belastningsskader lungene gjennom 100 mikrometer sikter inn en liten petriskål.
- Skyll sikter flere ganger med en 1 ml pipette utstyrt med en barriere tips og distribuerer lunge homogenate blant 8 agar plater (ca 250 mL / plate;. Sørge for at de har et godt tørket overflate).
- Nøye plate prøvene ved hjelp av disponibel spredere som er kassert inn 2%Buraton.
- La agarplater for å tørke inne i skapet. Forsegl hver enkelt plate med parafilm, brytes i aluminiumsfolie og inkuberes oppreist ved 37 ° C i minst 4 uker.
Tre. Bygging av rømningssikre Mosquito Cages
Rodent Plasmodium stammer er ikke skadelig for mennesker. Men siden Mtb-infiserte mus er mottakerne av parasitten, og arbeidet er gjort under BSL tre forhold, forholdsregler er nødvendig for å hindre myggen fra å unnslippe sine bur. Avhengig av den planlagte smitteregime, kan autoklaverbare og gjenbrukbare metall-ramme bur eller selvlagde engangs bur brukes. De sistnevnte er anbefalt ved et bit infeksjon i forsøksdyr er nødvendig for å bli utført ved et definert antall mygg pr mus. Hvis selvlagde bur er nødvendig, utarbeide bur til nøyaktige spesifikasjoner som helsen til mygg og sikkerheten til laboratoriet avhenger av deres sound konstruksjon (figur 2).
- Ta en kartong for eksempel en half-pint iskremkartong eller papir kaffekopp (figur 2).
- Skjær en liten åpning inn i siden av kartongen og dekk med et dobbelt lag med lateks med en spalte kutt i hver del for å skape en sikker inngang for myggen. MERK: Åpningen har en samlet størrelse på 2 cm x 2 cm, er røret (aspirator-enheten) som vi bruker for å bringe i og / eller ta ut mygg en modifisert 15 ml Falcon rør festet til en vakuumpumpe, og dermed tjener som en aspirator med en diameter på 1,5 cm.
- Tape et stykke filterpapir på innsiden bunnen av esken for å suge opp drypp.
- Steng iskrem kopper med netting (dobbelt lag med nylon mesh, størrelse 1 mm x 1 mm) og fikse til kartongen med tape og strikk.
- For smitteforsøk der definerte antall mygg per mus er nødvendig, utarbeide merder med 10-15 infisert mygg, som hver ideelt inneholder en AVsnittlig på 10.000 villtype spyttkjertel P. Berghei sporozoites.
- Ideelt sett sulte mygg for 24 timers før gjennomføring av den blodmåltid.
4. Malaria Infeksjon av mus etter myggstikk
Den gnager malaria parasitten brukt her er P. berghei men hvilken som helst annen gnager Plasmodium stamme av interesse kan benyttes. For å få smittsomme mygg for sporozoite overføring hele livssyklusen til parasitten er opprettholdt i både virveldyr vert (mus) og mygg vektoren. Parasitt vedlikehold utføres i en insectary. For naturlige overføringsforsøk, bør minimum antall sporozoites per spyttkjertel være ikke mindre enn 10.000. For detaljerte protokoller på parasitt vedlikehold vi refererer til metoder i Malaria Research by Moll et al., 2013.
- Anaesthetize naive mus eller dyr preinfected for 40 dager med Mtb med Ketamin (100 mg / kg)and xylazin (7 mg / kg) oppløsning ved intraperitoneal injeksjon (200 ul / mus). MERK: Tiden mellom Mtb og Plasmodium infeksjon kan justeres avhengig av underliggende problemstillingen. Likeledes kan rekkefølgen for patogen utfordringer bli reversert, dvs. at musene bli utsatt for infeksiøse myggstikk forut for Mtb-infeksjon.
- Plasser bedøvede mus på netting av mygg bur (ett muse per mygg bur for definerte mygg til mus ratio) og la myggen å mate gjennom membranen for 10-15 min. MERK: Tilstedeværelse av blod i mygg guts innebærer fôring og dermed sporozoite overføring.
- Overfør mus tilbake i burene sine og ha tilsyn hele tiden til de våkner opp fra anestesi. MERK: Plasser mus på papirhåndkle og ikke på sengetøy (fare for kvelning) og holde varmen (sted tett sammen og dekker organer med papirhåndkle).
- Drepe myggen ved å sprøyte dem med 70% etanol eller andre desinfeksjonsmidler gjennom netting av buret. Autoclave bur og kast hvis disponibel de ble brukt.
5. Overvåking parasitemia
- Punktering hale vener helt på slutten med en nål og samle en dråpe blod i hver ende av et lysbilde.
- Bruk et annet lysbilde for å trekke en dråpe blod over halvparten av lysbildet lengde. Flip over sprederen til å bruke den andre kanten til det andre utstryk. La lysbilder lufttørke.
- Giemsa flekken
- Plasser lysbildene i lysbilde holdere og fikse blodflekker etter kort nedsenking i absolutt metanol. MERK: Fordi bruken av glass ware bør holdes på minimum i BSL tre vi bruker polypropylen kyvetter for alle løsninger.
- Fordyp de smøres utover i Giemsa (1:10 i avionisert vann). Etter 10 minutter, dypp lysbildene i og ut av flekker kyvetter fylt med avionisert vann et par ganger for å skylle vekk overflødig flekken.
- Til slutt, lufttørke lysbilder i en vertikal stilling.
- ALTERNATIV FLEKK: Wright & #180, s flekken
- Oppløs Wright flekk ved en konsentrasjon på 1 mg / ml i metanol.
- Filtrer gjennom foldefilter før bruk.
- Fordyp blodflekker i farging løsning og inkuberes i 4 min (merk: metanol fiksering av utstryk er ikke nødvendig da flekker løsningen er metanol-basert).
- Vask ved å skylle lysbilder i avionisert vann som beskrevet og la lysbilder å lufttørke.
- Når Giemsa / Wrights flekken er fullført, forsiktig overføre alle reagenser som brukes i en Buraton holdig avhending pot.
- Blodutstryk analyse
- Analyser farget blodflekker ved lysmikroskopi på en 100-fold forstørrelse med olje nedsenking.
- Tell ikke-infiserte og infiserte erytrocytter i et område av blodutstryk der erytrocytter er anordnet i et monosjikt.
- For å oppnå en veldefinert parasitemia, teller minst 10 forskjellige synsfelt viser en rød blodcelle monolayer.
- Calculspiste den relative parasitemia (i%) ved å dividere antall parasitized erytrocytter med antall erytrocytter og multiplisere med 100.
Representative Results
Infeksjon av mus med Mtb og P. berghei via den naturlige vei, dvs. aerosol og mygg, henholdsvis fører til konsekvent og reproduserbar infeksjon i alle dyr (tabell 1) 1.. Vi kan overvåke vellykket infeksjon og i løpet av både malaria og tuberkulose ved å bestemme den innledende forekomst (prepatency) og antallet parasitter i blodet (P. berghei parasitemia) og belastningen av Mtb i forskjellige organer, henholdsvis. Et eksempel på vellykket malariaparasitten overføring av smittsomme myggstikk er vist i tabell 1 og figur 3. Mating av 10 sporozoite-infiserte mygg på hver mus resulterte i en 100%-smittede som bekreftet ved tilstedeværelse av blod-trinns parasitter 4-5 dager senere (Tabell 1 og figur 3 A). Viktigere, finner vi lignende parasitt tall i blodet hos individuelle mus av den samme eksperimentelle group, noe som indikerer at sporozoite overføring av myggstikk resultater på en konsistent og reproduserbar infeksjon. Ved å sammenligne prepatency hos naive kontroll mus med det i Mtb-var infisert dyr, kan vi se at prepatency er litt forsinket i mus som hadde blitt preinfected med Mtb (Tabell 1, Figur 3B) en. Som vi tidligere en har rapportert, kan vi fastslå effekten av Mtb coinfection på i løpet av malaria med daglig overvåking parasitemia i Giemsa-farget blodflekker som vist i Figur 3B.
Infeksjon av mus med Mtb ved bruk av en inhaleringseksponering system resulterer i vellykket avsetning av bakterier i lungene med relativt lav variabilitet mellom individuelle mus (figur 4A). Vi kan følge mykobakterielle belastninger i lungene og andre organer av interesse over tid ved CFU besluttsomhet. Et eksempel på den mykobakterielle lasten i lungeneMtb smittet C57BL / 6 mus i fravær eller tilstedeværelse av P. berghei er vist i figur 4B.
Tabell 1. Prepatency etter sporozoite overføring av myggstikk. Alle musene utviklet blod-trinns infeksjoner etter naturlig overføring av P. berghei sporozoites ved myggstikk. Tilpasset fra en PLoS ONE, 7 (10), e48110 med tillatelse.
| Eksperimentell mus gruppe (C57BL / 6) | Utfordre etter 10 smittsomme myggstikk | Antall blod-trinns positive dyr / Antall dyr per gruppe | Mean prepatency [d] |
| naive | P. berghei | 7/7 | 4,4 |
| Mtb smittet | P. berghei | 7/7 | 5,5 d> |
Figur 1. Generelle ordningen med den eksperimentelle prosedyren. C57BL / 6 mus er utsatt for Mtb-holdige aerosoldråpene i et Glas-Col aerosol kammeret. En dag etter infeksjon aerosol, er opptaket av Mtb verifisert av CFU-analyse av lungen. 40 dager etter utfordring Mtb (når tuberkulose er blitt kronisk i infiserte mus), blir dyrene utsatt for P. berghei infisert mygg. For å bekrefte vellykket sporozoite overføring og å følge løpet av Plasmodium-infeksjon, er parasitemia overvåkes daglig i Giemsa-farget blodflekker som starter tre dager etter myggstikk.
/ Files/ftp_upload/50829/50829fig2highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50829/50829fig2.jpg "/>
Figur 2. Skisse av en mygg bur. Smittsomme mygg finnes inne i en kartong for eksempel en halv halvliter iskrem kartong. En liten åpning er skåret inn i den side av kartongen, og dekket med et dobbelt lag av lateks med en spalte kuttet på hver del for å opprette en sikker inngang for myggen. Et stykke filterpapir er tapet på innsiden bunnen av esken for å suge opp drypp. Iskrem koppene er avstengt med netting (Nylon mesh) som er festet til kartongen ved bånd og elastikken.
Figur 3. Blood parasitemia. A) Eksempel på en Wright `s farget blodutstryk viser parasitized erytrocytter (Scale bar, 20 & #181;. M) B) parasitemia i mus blod ble overvåket ved å analysere daglige Giemsas-farget blodprøver. Var infisert mus har en redusert parasitemia forhold til Plasmodium enkelt infiserte mus (n = 10), Resultatene er vist som middel ± SD; *** p <0,001. Gjengitt fra en PLoS ONE, 7 (10), e48110 med tillatelse.
Figur 4. Påvisning av Mtb i lungen. C57BL / 6 mus ble aerosol utfordret med 100 CFU av Mtb og 40 dager senere, samtidig infisert med P. berghei ved myggstikk. A) En dag etter infeksjon aerosol opptaket av det ønskede antall Mtb ble bekreftet ved å plate hele lungen homogenater for CFU bestemmelse. B) Bakterierl belastninger på tidspunktet for coinfection ble bestemt i lunge lysates av tre mus via CFU analyse (Mtb d40/d0). 12 dager etter coinfection, ble lunge lysates belagt for CFU analyse for å fastslå effekten av Plasmodium coinfection på Mtb kontroll. Merk at Mtb tallene i lungene økt i løpet coinfection med P. berghei NK65. X-aksen merking: gang etter Mtb -infection/time etter coinfection. Tilpasset fra en PLoS ONE, 7 (10), e48110 med tillatelse.
Discussion
Vi beskrev hvordan mus kan være produktivt smittet med Mtb og P. Berghei via deres naturlige ruter av infeksjon. Vi bruker etablert infeksjon protokoller for å studere eksperimentell tuberkulose 13 eller malaria 12 og nylig vedtatt dem til å studere coinfection mellom Mtb og Plasmodium i mus modell 1.
De mest kritiske trinn for vellykket infeksjoner er overføring av begge patogener i de ønskede tall. Mykobakterielle stocks bør ikke være over 2 år, fordi de vil tape levedyktighet over tid, og den opprinnelig bestemte titer av stokken vil mest sannsynlig ikke lenger vil være nøyaktig. Som et resultat, ville infeksjonsdoser være mye lavere enn forventet. Derfor bør CFU titere av stamkulturer bestemmes hver månedene. Like viktig er den standardiserte dyrking og generering av Mtb aksjer i første omgang. Kultur tilstander sommedium, kosttilskudd, tid og volum bør være standardisert for å kunne sammenligne data fra forsøk med ulike bestander av Mtb. Mycobacteria en tendens til å klumpe seg under kultur, og derfor er det viktig å holde oppdrettsbetingelser standardisert, høste bakteriene ved samme vekstfase og resuspender ofte under aliquoting. Ellers kan det være en stor variasjon i CFU titere og infeksjon utfallet.
Den generasjonen av homogent infiserte mygg partier er et annet kritisk punkt. Siden forskjellige myggen vil mate på hver enkelt mus, er det viktig at alle de mygg som brukes for en infeksjon eksperiment kommer fra den samme batch, og at bare de partier hvor mer enn 90% av mygg er smittet benyttes.
Den nåværende modellen kan brukes til å dissekere immunreaksjoner og immunmoduleringer i en samtidig infisert verten ved å sammenligne den immunresponsen i enkelt infiserte verter. Vi kan søke various godt etablerte metoder slik som histologi, immunohistokjemi, cytometri analyse av immuncellepopulasjoner, eller i PCR-og ELISA for cytokin og chemokine deteksjon til vevs-eller kroppsvæskene av interesse. Det bør bemerkes at slike musemodeller har visse begrensninger. Mens de fleste mennesker smittet med Mtb utvikle en latent infeksjon uten tegn til kliniske symptomer, musene utvikler en kronisk sykdom med progressive lungepatologi. Likevel, C57BL / 6 mus er relativt motstandsdyktig mot Mtb infeksjon og ikke utvikle klassiske granulomer som observert i humane tuberkulosepasienter. Som et resultat, har immunpatologisk reaksjoner i mus reflektere hverken latente eller aktive human tuberkulosesykdom på riktig måte. Til tross for avviket mellom latent og kronisk sykdom hos mennesker og mus, har mus blitt mye brukt til å identifisere og studere vertsfaktorer som styrer Mtb infeksjon og er verdifulle og uunnværlig verktøy for å undersøkeimmunresponser i infeksjonssykdommer. Viktigere, mottakelighet for Mtb infeksjon varierer betydelig mellom brukte innavlede musestammer og mer følsomme stammer som DBA eller C3H kan inkluderes i co-og single-infeksjonsstudier. Dessuten, bortsett fra de patogene arter som her er beskrevet, alle andre Mycobacterium-arter av interesse (f.eks kliniske isolater) kan brukes. På samme måte, mens ingen enkelt malaria modell replikerer alle aspekter av menneskers sykdoms ulike musemodeller har likne ulike aspekter av naturlig ervervet menneskelig malaria-smitte. For eksempel, P. berghei ANKA og P. yoelii YM/17XL er mye studert modeller av menneske (P. falciparum-indusert) alvorlig malaria, med P. berghei ANKA blir ansett som en utmerket modell for human cerebral Malari s 14,15. P. berghei NK65 er en utmerket modell for hyperparasitaemia og akutt malarial anemi, og har nylig værtbeskrevet som en eksperimentell modell for malaria-assosiert akutt respiratorisk distress-syndrom (ARDS MA-16). Ved hjelp av den beskrevne coinfection modellen, kunne vi nylig viser at samtidig P. berghei NK65 infeksjon forverrer kronisk tuberkulose en.
Bortsett fra å bruke ulike gnager malariaparasitter, kan rekkefølgen og tidspunktet for infeksjon hendelser tilpasses avhengig av underliggende problemstillingen. I feltet, kan samtidig bruk av Plasmodium infeksjoner være til stede på tidspunktet for Mtb infeksjon eller ervervet senere. I begge scenarier immunresponsen til Mtb og Plasmodium kan påvirkes ulikt. Derfor kan mus være infisert med Plasmodium sporozoites enten før eller etter Mtb infeksjon. Videre kan mus bli utfordret på ulike tidspunkter legge Mtb infeksjon for å vurdere virkningen av Plasmodium-indusert immunrespons på akutt versus kronisketuberkulose. Viktigere, når du velger en malariaparasitten for å studere malaria-tuberkulose coinfection, bør man være klar over at noen gnager Plasmodium stammer forårsake akutt sykdom i enkelte musestammer og bukke til infeksjon i løpet av bare dager eller uker mens Mtb forårsaker kroniske og langvarige infeksjoner i immunocompetent mus. Derfor er timingen av coinfection avgjørende for å unngå for tidlig død av forsøksdyr.
Moduleringen av vertsimmunitet ved samtidig infeksjon med flere patogene arter forblir dårlig forstått. Vår eksperimentelle coinfection modellen gir et kraftig verktøy for å undersøke Mycobacterium - Plasmodium samspill med immunsystemet av en samtidig infisert vert og vil bidra til vår forståelse hvordan coinfections kan påvirke patogenesen, sykdom utfallet, vaksinasjon, immunodiagnostics, og terapi.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne ønsker å takke Miriam Ester for mygg avl. Dette arbeidet ble støttet av in-house finansiering fra Research Center Borstel og sluttet finansiering ved Leibniz senter infeksjon.
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 |
References
- Mueller, A. -K., et al. Natural Transmission of Plasmodium berghei Exacerbates Chronic Tuberculosis in an Experimental Co-Infection Model. PLoS ONE. 7, e48110 (2012).
- Korbel, D. S., Schneider, B. E., Schaible, U. E. Innate immunity in tuberculosis: myths and truth. Microbes Infect. 10, 995-1004 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hawkes, M., et al. Malaria exacerbates experimental mycobacterial infection in vitro and in vivo. Microbes Infect. 12, 864-874 (2010).
- 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).
- Hoffman, S. L., Doolan, D. L. Malaria vaccines-targeting infected hepatocytes. Nat. Med. 6, 1218-1219 (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Coleman, J., Juhn, J., James, A. A. Dissection of midgut and salivary glands from Ae. aegypti mosquitoes. J. Vis. Exp. , e228 (2007).
- 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).
- 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).
- Bancroft, J. D. G., M, Theory and Practice of Histological Techniques. , Churchill Livingstone. New York. (2007).
- Schneider, B. E., et al. A role for IL-18 in protective immunity against Mycobacterium tuberculosis. Eur. J. Immunol. 40, 396-405 (2010).
- Craig, A. G., et al. The role of animal models for research on severe malaria. PLoS Pathog. 8, e1002401 (2012).
- 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).
- 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).
