Использование высокой пропускной<em> In Vitro</em> Микрожидкостных систему для разработки Устные биопленки Многовидовые
Summary
Цель этого методы работы является описать использование микрофлюидном системы для развития биопленок многовидовых, которые содержат виды, как правило, выявленных в человеческой наддесневого зубного налета. Методы описания биопленки архитектуры, биопленки жизнеспособность, и подход к уборочной биопленки для культурно-зависимой или культурно-независимые анализы будут выделены.
Abstract
Есть несколько высокой пропускной в пробирке систем, которые способствуют развитию биопленки многовидовых, которые содержат многочисленные виды обычно обнаруженные в в естественных условиях устных биопленок. Кроме того, система, которая использует природный человеческой слюны в качестве питательной источника, вместо искусственных средах, особенно желательно, чтобы поддержать экспрессию клеточных и биопленки конкретных свойств, которые имитируют в естественных сообществ. Мы опишем метод для развития многопрофильных видов устных биопленок, которые сопоставимы по отношению к видовому составу, в наддесневые зубной налет, в условиях, аналогичных полости рта человека. В частности, это методы статья будет описывать, как в продаже Микрожидкостных система может быть адаптирована для облегчения разработки многовидовых устных биопленок, полученных из и вырос в объединенной слюны. Кроме того, описание того, как система может быть использована в сочетании с confocaл лазерный сканирующий микроскоп для получения 3-D биопленки реконструкции для архитектурных и жизнеспособности анализа будут представлены. Учитывая широкое разнообразие микроорганизмов, которые растут в пределах биопленки в микрожидкостных системы (в том числе стрептококков, Neisseria, Veillonella, Gemella и Porphyromonas), протокол также будут представлены описания того, как собрать биопленки клеток для дальнейшего субкультуры или экстракции ДНК и анализа. Пределы как микрожидкостных системы биопленки и текущее состояние в самых современных анализов данных будут устранены. В конечном счете, предполагается, что эта статья даст базовый метод, который позволит улучшить изучение устных биопленок и помочь в разработке дополнительных технологий, которые могут быть интегрированы с микрожидкостных платформы.
Introduction
Биопленки архитектурно сложные сообщества бактерий, которые агрегируются на поверхности 1. Эти общины, как правило, содержат многочисленные виды, которые взаимодействуют друг с другом в рамках биопленки 2. Устные биопленки, наиболее визуально заметным является зубной налет, являются постоянной проблемой в людях и их бесконтрольное результаты развития в поколение таксономически различных общин многовидовых 3. Компонент бактерии этих различных групп может быть до 1000 раз более устойчивы к противомикробным препаратам, чем их свободно плавающих (планктонных) экземплярах 4-6. Отказ от лечения эти устные биопленки сообщества, которые могут вызвать кариес и пародонтоз, привело к значительному бремени государственного медицинского: более 500 миллионов посещений в офисе дантиста годовых в США, и примерно 108 000 000 000 $ для лечения или профилактики пародонта болезни и кариес 7.
Содержание ">" В то время как многие микробиологи выступают изучения микробного поведения в естественных условиях, лишь немногие из них сделать. Это потому, что их боевой дух для преодоления трудностей постоянно подрывается в привлекательной простоты работы с лабораторными культурами ». -Smith 8.В настоящее время, оральный исследования биопленки проводится с использованием различных, в естественных условиях и в пробирке подходов, каждый со своими преимуществами и недостатками 9,10. В пробирке подходы часто используют модельные системы биопленки, которые являются относительно легко создать, но может не хватать клинические / в реальном мире актуальность 10,11. В естественных условиях подходы, как правило, полагаются на животных моделях, которые могут воспроизводить определенные аспекты среды полости рта человека, но опять же страдают от ограничений в связи с различиями в анатомии, физиологии, микробиологии и иммунологии между людьми и животными 12, 13. Следует отметить, что оральные биопленкитакже могут быть разработаны на поверхности эмали, проводимых в стента в устьях добровольцах, но этот подход в настоящее время относительно дорогостоящим и трудоемким 14,15. В конечном счете, новые препараты или технологии, чтобы улучшить полостью рта являются испытания на людях в контролируемых клинических условиях судебного разбирательства 11. В настоящее время часто используются методы работы по выявлению и оценке новых пероральных препаратов Здравоохранение сначала выполнить лабораторные исследования, чтобы выявить потенциальную эффективность, а затем выполните исследований на животных и "полевые испытания", которые используют врачам оценить успешность технологии 9, 16,17. К сожалению, лабораторные исследования, как правило, зависят от модельных систем, которые занимают большой след, технологически сложным в использовании, и часто содержат упрощена сообщества один или самое большее несколько видов, чтобы получить потенциальную реального мира означает 10,18. Учитывая, что зубной налет биопленки содержать несколько видов и формы в комплэкс течет слюны среду, развитие биопленки, которые содержат один или несколько видов в искусственных средах вряд ли генерировать общин, которые ведут себя подобным образом, как и в реальной ситуации 10,19. Для решения время, стоимость, требования к профессиональной подготовке, а бедные представительный характер лаборатория модельных систем биопленки по сравнению с реальной среде, мы недавно разработали высокую пропускную способность и экологически уместны систему биопленки 20 (рисунок 1). Система выгоды от использования бесклеточной объединенной человеческой слюны (КПБ) как средний и лечить объединяются человек бактериальная клетка, содержащие слюны (CCS) в качестве посевного материала. Уникально, система также объединяет микрофлюидальный технологии, конфокальной лазерной сканирующей микроскопии и культуры независимой технологии анализа бактериальной разнообразия. Таким образом, модель системы является экологически уместны (с помощью слюны, как посевной расти биопленки Многовидовые на 37 ° С в фильтр-стерилизовать течетслюна) и устные биопленки содержат виды (включая Streptococcus, Neisseria, Veillonella и видов Porphyromonas) в численности, представитель те, что в начале наддесневого налета 20.
Если учесть, что эта работа описывает использование недавно разработанной модельной системы, особое внимание должно быть уделено объединения конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (CLSM) микрофлюидики и технологий анализа разнообразие культурно-независимыми. Объединение этих технологий нашей исследовательской группы было преднамеренным, а не только добавляет возможность с высокой пропускной во вновь разработанной модельной системы, но также позволяет задаваемых вопросов, которые не могут быть легко решены до с другими системами. Во-первых, CLSM имеет явные преимущества по сравнению с традиционными микроскопии, так как позволяет для трехмерного анализа биопленок. Часто недооценивают, это очень важно, так как биопленки являются гетерогенными остроумиеч относительно видового состава и пространственного положения, а также физиологические условия быть введены в различных пространственных местах в пределах биопленки 6,21. В концерте с трехмерной программного обеспечения визуализации и программного обеспечения для анализа изображений, архитектуры биопленки, пространственных отношений между составляющих его видов и степени антибактериальной убийства могут быть проанализированы 22-24. Такие способности невозможно с использованием стандартного проходящего света или эпифлуоресцентной микроскопии. Далее, микрофлюидики собрал особое внимание в области микробиологии, так как позволяет изучение биопленок в тщательно контролируемых условиях (расход, температура, рН и т.д.) и требует только небольших объемов жидкости 25-27. В качестве отправной точки для сравнения, рост устный биопленки в слюне человека в рамках модели проточной ячейки системы (система, которая, возможно, считается основой образцом для многих оральных исследований биопленки) в течение 20 ч при аналогичной скорости потока и сдвига, как достичьв микрожидкостных системы требует, по крайней мере, 200 мл, в противоположность 800 мкл в микрожидкостных устройств 28-31. Таким образом, Микрожидкостных модель системы биопленки позволяет исследовать количество ограниченных материала при определенных условиях. Наконец, пиросеквенирования технология была оптимизирована в последнее десятилетие требуют лишь небольшое количество материала для выполнения анализа сообщество и достаточно универсален, чтобы контролировать глубину последовательности, чтобы получить идентичность даже редких видов биопленки. Использование этой технологии, такие как бактериальный тегом в кодировке FLX ампликон пиросеквенирования (bTEFAP), позволило актуальных вопросов, касающихся экологии биопленок решать 32,33. Такие вопросы проникнуты трудности в прошлом, когда пиросеквенирования не были доступны из-за времени и затрат, необходимых для создания плазмиды библиотеки и сложные технологические и аналитические шаги, необходимые для получения данных 33,34. Конечно, большое преимущество с культурно-независимый APжается, такие как Пиросеквенирование, является то, что виды бактерий, которые не могут быть выращены в изоляции в обычных лабораторных средах (т.е. жизнеспособные, но не культивируемой видов) могут быть выращены и определены в модельной системе, и их относительное содержание в сообществе количественно 35, 36 , Чтобы добавить перспективу, а уже в 1963 году, в конце Зигмунд Socransky, что приблизительно 50% бактерий в материале, выделенных из полости рта человека десны щель не может быть культивировать, используя условия роста лаборатория 37.
Цель этого методы работы является описать подход для разработки устные биопленки Многовидовые в коммерчески доступных микрожидкостных (Bioflux) системы: (I) условий представителя полости рта человека и (II) с видового состава и численности, что сравнима с наддесневого налета. Кроме того, как с помощью бесплатных и коммерческих программ мы выделяем как основной биопленкиархитектура меры могут быть получены из данных CLSM, с акцентом на подходы к количественной оценке биопленки биомассы, шероховатости и жизнеспособность (на основе Live / Dead окрашивания). Наконец, шаги, необходимые для сбора биопленки материал для анализа разнообразии bTEFAP описаны.
Protocol
Representative Results
Discussion
Это методы документе освещаются основные шаги, необходимые для установки и запуска микрофлюидальный систему таким образом, чтобы обеспечить развитие устного биопленки многовидовых, полученных из пула человеческой слюны и выращенных в фильтр-стерилизовать 25% объединенной человеческ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят Уильям ОБСЛУЖИВАНИЕ (Университет Мичигана) за помощью в разработке протоколов роста биопленки и Джон Баттиста (Прибоя, Сан-Франциско, Калифорния) за советом по поводу технологических вопросов, связанных с системой Bioflux. Эта работа была поддержана Национальным институтом здоровья (NIH: R21DE018820 в AHR) и Мичиганского университета первоначальных средств на AHR
Materials
| SUPPLIES AND EQUIPMENT | AVAILABLE FROM COMPANY | CATALOG NUMBER |
| Falcon 50mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-432-22 |
| Falcon 15mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-959-49D |
| Dithiothreitol (White Crystals or Powder/Electrophoresis), Fisher BioReagents | Fisher Scientific | BP172-5 |
| Sorval ultracentrifuge (SS-34 compatible) | Thermoscientific | Unit-dependent |
| Thermo Scientific SS-34 Rotor | Thermoscientific | 28-020 |
| Thermo Scientific Type 1 Reagent Grade Deionized Water | Thermo Scientific Inc | 23-290-065 |
| Nalgene Rapid-Flow Filter Units and Bottle Top Filters, PES Membrane, Sterile. | VWR | 73520-986 |
| Glycerol | Thermo Fisher Scientific Inc | NC0542269 |
| BioFlux microfluidic system | Fluxion | Bioflux 200 system |
| Bioflux 24-channel plate | Fluxion | 910-0004 |
| PBS (Gibco) | Thermo Fisher Scientific Inc | 10010023 |
| LIVE/DEAD stain (Invitrogen) | Invitrogen | L7012 |
| Confocal Laser Scanning Microscope | Lecia | SPE or eqivalent system |
| Epifluorescence Microscope | Multiple choices | Multiple choices |
| Pyrosequencing facilities | Multiple choices | Multiple choices |
| Decon SaniHol 70 Ethanol Solution | Fisher Scientific | 04-355-122 |
| Ultra Low Temperature Freezer -80°C | Multiple choices | Multiple choices |
| Tips (20, 200, and 1000uL) | Multiple choices | Multiple choices |
| Single Channel Variable Volume Pipettors (20, 200, 1000uL) | Multiple choices | Multiple choices |
| SOFTWARE | ||
| Bioflux dedicated software | Bioflux | |
| Imaris | Bitplane | |
| Leica SPE | Leica | |
| ImageJ | Freeware (http://imagej.nih.gov/ij/) | |
| COMSTAT/COMSTAT 2 | Freeware (http://www.comstat.dk/) | |
References
- Stoodley, P., Sauer, K., Davies, D. G., Costerton, J. W. Biofilms as complex differentiated communities. Annual review of microbiology. 56, 187-209 (2002).
- Wimpenny, J. Microbial metropolis. Advances in microbial physiology. 56, 29-84 (2009).
- Jakubovics, N. S., Kolenbrander, P. E. The road to ruin: the formation of disease-associated oral biofilms. Oral diseases. 16 (8), 729-739 (2010).
- Mah, T. F., O’Toole, G. A. Mechanisms of biofilm resistance to antimicrobial agents. Trends in microbiology. 9 (1), 34-39 (2001).
- Cate, J. M., Zaura, E. The numerous microbial species in oral biofilms: how could antibacterial therapy be effective. Advances in dental research. 24 (2), 108-111 (2012).
- Gilbert, P., Maira-Litran, T., McBain, A. J., Rickard, A. H., Whyte, F. W. The physiology and collective recalcitrance of microbial biofilm communities. Advances in microbial physiology. 46, 202-256 (2002).
- Anon, . Centers for Disease Control and Prevention (CDC): Oral health: Preventing cavities, gum disease, tooth loss, and oral cancers. , (2011).
- Smith, H., Smith, H., Taylor, J. . Microbial behavior, ‘in vivo’ and ‘in vitro. , 1-29 (1964).
- Haffajee, A. D., Socransky, S. S. Introduction to microbial aspects of periodontal biofilm communities, development and treatment. Periodontology. 42, 7-12 (2000).
- McBain, A. J. Chapter 4: In vitro biofilm models: an overview. Advances in applied microbiology. 69, 99-132 (2009).
- Baehni, P. C., Takeuchi, Y. Anti-plaque agents in the prevention of biofilm-associated oral diseases. Oral diseases. 9 Suppl 1, 23-29 (2003).
- Graves, D. T., Kang, J., Andriankaja, O., Wada, K., Rossa, C. Animal models to study host-bacteria interactions involved in periodontitis. Frontiers of oral biology. 15, 117-132 (2012).
- Chun, J., Kim, K. Y., Lee, J. H., Choi, Y. The analysis of oral microbial communities of wild-type and toll-like receptor 2-deficient mice using a 454 GS FLX Titanium pyrosequencer. BMC microbiology. 10, 101 (2010).
- Diaz, P. I., et al. Molecular characterization of subject-specific oral microflora during initial colonization of enamel. Applied and environmental microbiology. 72 (4), 2837-2848 (2006).
- Auschill, T. M., et al. Effect of two antimicrobial agents on early in situ biofilm formation. Journal of clinical periodontology. 32 (2), 147-152 (2005).
- Coenye, T., Nelis, H. J. In vitro and in vivo model systems to study microbial biofilm formation. Journal of microbiological. 83 (2), 89-105 (2010).
- Donlan, R. M. Role of biofilms in antimicrobial resistance. ASAIO journal. 46 (6), 47-52 (2000).
- Wimpenny, J. W. The validity of models. Advances in dental research. 11 (1), 150-159 (1997).
- Umland, T. C., et al. In vivo-validated essential genes identified in Acinetobacter baumannii by using human ascites overlap poorly with essential genes detected on laboratory media. 3 (4), (2012).
- Nance, W. C., et al. A high-throughput microfluidic dental plaque biofilm system to visualize and quantify the effect of antimicrobials. The Journal of antimicrobial chemotherapy. 68 (11), 2550-2560 (2013).
- Werner, E., et al. Stratified growth in Pseudomonas aeruginosa biofilms. Applied and environmental microbiology. 70 (10), 6188-6196 (2004).
- Rueden, C. T., Eliceiri, K. W. Visualization approaches for multidimensional biological image data. BioTechniques. 43 (1 Suppl), 33-36 (2007).
- Collins, T. J. ImageJ for microscopy. BioTechniques. 43, 25-30 (2007).
- Rao, D., Arvanitidou, E., Du-Thumm, L., Rickard, A. H. Efficacy of an alcohol-free CPC-containing mouthwash against oral multispecies biofilms. The Journal of clinical dentistry. 22 (6), 187-194 (2011).
- Rusconi, R., Garren, M., Stocker, R. Microfluidics expanding the frontiers of microbial ecology. Annual review of biophysics. 43, 65-91 (2014).
- Kim, J., Park, H. D., Chung, S. Microfluidic approaches to bacterial biofilm formation. Molecules. 17 (8), 9818-9834 (2012).
- Mosier, A. P., Cady, N. C. Analysis of bacterial surface interactions using microfluidic systems. Science progress. 94 (4), 431-450 (2011).
- Foster, J. S., Kolenbrander, P. E. Development of a multispecies oral bacterial community in a saliva-conditioned flow cell. Applied and environmental microbiology. 70 (7), 4340-4348 (2004).
- Cuadra-Saenz, G., et al. Autoinducer-2 influences interactions amongst pioneer colonizing streptococci in oral biofilms. Microbiology. 158 (7), 1783-1795 (2012).
- Rickard, A. H., et al. Autoinducer 2: a concentration-dependent signal for mutualistic bacterial biofilm growth). Molecular microbiology. 60 (6), 1446-1456 (2006).
- Corbin, A., Pitts, B., Parker, A., Stewart, P. S. Antimicrobial penetration and efficacy in an in vitro oral biofilm model. Antimicrobial agents and chemotherapy. 55 (7), 3338-3344 (2011).
- Diggle, M. A., Clarke, S. C. Pyrosequencing: sequence typing at the speed of light. Molecular biotechnology. 28 (2), 129-137 (2004).
- Hiyari, S., Bennett, K. M. Dental diagnostics: molecular analysis of oral biofilms. Journal of dental hygiene : JDH / American Dental Hygienists’ Association. 85 (4), 256-263 (2011).
- Filoche, S., Wong, L., Sissons, C. H. Oral biofilms: emerging concepts in microbial ecology. Journal of dental research. 89 (1), 8-18 (2010).
- Xu, J. Microbial ecology in the age of genomics and metagenomics: concepts, tools, and recent advances. Molecular ecology. 15 (7), 1713-1731 (2006).
- Rogers, G. B., Carroll, M. P., Bruce, K. D. Studying bacterial infections through culture-independent approaches. Journal of medical microbiology. 58 (11), 1401-1418 (2009).
- Socransky, S. S., et al. The microbiota of the gingival crevice area of man. I. Total microscopic and viable counts and counts of specific organisms. Archives of oral biology. 8, 275-280 (1963).
- Heydorn, A., et al. Quantification of biofilm structures by the novel computer program COMSTAT. Microbiology. 146 (10), 2395-2407 (2000).
- Nobbs, A. H., Lamont, R. J., Jenkinson, H. F. Streptococcus adherence and colonization. Microbiology and molecular biology reviews). MMBR. 73 (3), 407-450 (2009).
- Hope, C. K., Clements, D., Wilson, M. Determining the spatial distribution of viable and nonviable bacteria in hydrated microcosm dental plaques by viability profiling. Journal of applied microbiology. 93 (3), 448-455 (2002).
- Adams, H., et al. Development of a laboratory model to assess the removal of biofilm from interproximal spaces by powered tooth brushing. American journal of dentistry Spec No 12B-17B. 15, 12-17 (2002).
- Ledder, R. G., McBain, A. J. An in vitro comparison of dentifrice formulations in three distinct oral microbiotas. Archives of oral biology. 57 (2), 139-147 (2012).
