Intrarenale injectie van<em> Escherichia coli</em> In een Rat Model van Pyelonefritis
Summary
This manuscript describes a rat surgical model of pyelonephritis using direct intra-renal infection by Escherichia coli into the renal pelvis. The experimental procedure can be utilized to study the pathogenesis of pyelonephritis as well as the associated inflammation and fibrosis.
Abstract
Pyelonephritis is a bacterial infection of the kidney and is most commonly caused by Escherichia coli. Recurrent infections can cause significant renal inflammation and fibrosis ultimately resulting in declining kidney function. Before improved clinical management and prevention of pyelonephritis can be instituted, a reliable animal model must be established in order to study the mechanisms of progression, recurrence, and therapeutic efficacy. The transurethral infection model closely mimics human pyelonephritis but exhibits considerable variation due to its reliance on urethral reflux to transport the bacteria to the kidney. Herein, a detailed surgical protocol for performing bacterial injections into the rat renal pelvis is provided and confirmed by non-invasive Magnetic Resonance Imaging (MRI). Using this protocol, animals receive direct exposure to a desired concentration of E. coli bacteria and can fully recover from the surgical procedure with adequate post-operative care. This facilitates subsequent longitudinal MRI assessments of the experimental animal models for comparison with saline (sham) controls. Using this direct delivery approach, the severity of infection is controllable and applicable for mechanistic studies of progression as well as development of novel treatment strategies.
Introduction
Knaagdierenmodellen zijn gebruikt om talrijke mensenziekte manifestaties te bestuderen, waaronder pyelonefritis en urineweginfecties (UTI). UTI's zijn een wereldwijd gezondheidsprobleem, en kunnen invloed hebben op kinderen, mannen en vrouwen van alle leeftijden. 1 , 2 , 3 De initiële manifestatie van UTI's omvat cystitis, en als de infectie langs de ureter stijgt, kan een nierinfectie (pyelonefritis) volgen. Tegelijkertijd benadert de prevalentie van diabetes wereldwijd 400 miljoen mensen. 4 , 5 Het is belangrijk dat de incidentie van UTI maximaal 4 keer hoger is bij patiënten die obesitas hebben of diabetes mellitus 2 hebben, wat resulteert in een verhoogd risico op recidiverende UTI-infectie (RUTI), sepsis, nierfibrose van pyelonefritis en blaasdisfunctie. 6 , 7 , 8 KnaagdierModellen zijn belangrijk bij het bestuderen van UTI's, omdat de huidige antibiotica therapieën alleen een onderbroek van UTI-patiënten een blijvende, preventieve respons geven. Om de klinische UTI-zorg te verbeteren, zijn de belangrijkste stappen om het mechanisme van RUTI en zijn pathofysiologische processen te begrijpen van acute infectie tot ontsteking op fibrose, evenals de impact van type 2 diabetes mellitus.
Het doel van het verbeteren van diermodellen is het ontwikkelen van technieken die een nauwkeuriger evaluatie van ziekteprogressie en therapeutische interventies mogelijk maken. Verschillende verschillende benaderingen zijn toegepast om pyelonefritis bij ratten en / of muizen te stimuleren om de pathofysiologie van nierbeschadiging, het effect van antibiotische behandeling en andere aspecten van de natuurlijke gang van UTI's te bestuderen. Een gemeenschappelijke aanpak om retrograde UTI te bepalen is transurethrale catheterisatie. 10 , 11 , 12 , 13 </ Sup> Deze methode introduceert bacteriën via de urethra in de urine blaas van verdovende dieren. Hoewel deze techniek de menselijke pyelonefritis simpel simuleert, kan de feitelijke incidentie en omvang van de infectie van pyelonefritis zeer variabel zijn door meerdere factoren, waaronder een gebrek aan spontane ureterische reflux of urinevervuiling tijdens of direct na de inenting. 11 Als gevolg daarvan kan de experimentele variabiliteit bij het induceren van een stijgende pyelonefritis-infectie het nut van dit model beperken om nierinfecties en therapeutische strategieën te bestuderen.
Dit rapport beschrijft een chirurgisch pyelonefritis rat model waar E. coli direct in de rat nier wordt geïnjecteerd. Ondanks dat dit ratmodel invasieve is, kan de hoeveelheid E. coli die aan de nier wordt afgegeven effectief worden gecontroleerd waardoor een robuuste nierinfectie en ontsteking kan worden veroorzaakt. 14 In deze procedure beschrijven we ookHoe deze geïnduceerde nierinfecties langzamer kunnen worden bewaakt met in vivo magnetische resonantiebeeldvorming (MRI).
Protocol
Representative Results
Discussion
Stijgende acute pyelonefritis bij knaagdieren (dwz muizen en ratten) kan worden geproduceerd door transurethrale catheterisatie. 16 , 17 , 18 Deze transurethrale infectie methode is voordelig omdat het niet invasieve is en de menselijke pathofysiologie van stijgende infectie nabootst. 17 , 18 , 19 , <sup class="xref…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge the support of NIH/NIDDK K12 DK100014 (Lan Lu), the Case Comprehensive Cancer Center (NIH/NCI P30 CA43703), and the Clinical and Translation Science Collaborative of Cleveland (NIH/NCATS UL1 TR000439).
Materials
| Absorbing Pad | Fisher | 14-127-47 | |
| Sterile Cotton Gauze Pad | Fisher | 22-415-469 | |
| Latex Surgical Gloves | Henry Schein Animal Health | 21540 | |
| Curved Mayo Scissors | Fisher | S17341 | |
| Straight Blunt Foreceps | Fisher | 08-895 | |
| Scalpel Handle | Fisher | 08-913-5 | |
| Sterile Scalpel Blades | Fisher | 53220 | |
| 1mL Luer-Lok Syringe | BD Biosciences | 309628 | For bacterial injections |
| 20mL Luer-Lok Syringe | BD Biosciences | 301031 | For saline wash |
| Hemostat | Seneca Medical | 240267 | |
| 23 G 3/4 in. Needle | BD Biosciences | 305143 | |
| 30 G 1 in. Needle | BD Biosciences | 305128 | |
| U-100 Insulin Syringe | Exel International | 25846 | For medication injections |
| Isoflurane | Henry Schein Animal Health | 050033 | |
| Xylazine | Henry Schein Animal Health | 33197 | Inject IP |
| Ketamine | Patterson Vetrinary | 07-881-9413 | Inject IP |
| Yohimbine (Atipamezole) | Patterson Vetrinary | 07-867-7097 | Inject IP after surgery |
| Bupivacaine (Marcaine) | Patterson Vetrinary | 07-890-4584 | Inject SQ at site of incision |
| Carprofen (Rimadyl) | Patterson Vetrinary | 07-844-7425 | Should be kept at 4 ᵒC |
| 4-0 Chromic Gut Suture | Ethicon Inc. | U203H | |
| 4-0 Braided Vicryl Suture | Ethicon Inc. | J304H | |
| 1mL SubQ Syringe | BD Biosciences | 309597 | |
| E. coli UTI89 or CFT073 | ATCC | 700928 | |
| Surgicel Absorbable Hemostat | Ethicon Inc. | ETH1951CS | |
| Biospec 9.4T MRI | Bruker | 94/20 USR |
References
- Saliba, W., Barnett-Griness, O., Rennert, G. The association between obesity and urinary tract infection. Eur J Intern Med. 24 (2), 27-31 (2012).
- Semins, M., Shore, A., Makary, M., Weiner, J., Matlaga, B. The impact of obesity on urinary tract infection risk. Urology. 79 (2), 266-269 (2011).
- Zilberberg, M., Shorr, A. Secular trends in gram-negative resistance among urinary tract infection hospitalizations in the United States, 2000-2009. Infect Control Hosp Epidemiol. 34 (9), 940-946 (2013).
- Whiting, D., Guariguata, L., Weil, C., Shaw, J. IDF diabetes atlas: global estimates of the prevalence of diabetes for 2011 and 2030. Diabetes Res Clin Pract. 94 (3), 311-321 (2011).
- Wild, S., Roglic, G., Green, A., Sicree, R., King, H. Global prevalence of diabetes: estimates for the year 2000 and projections for 2030. Diabetes Care. 27 (5), 1047-1053 (2004).
- Ma, D., Gulani, V., Seiberlich, N., Liu, K., Sunshine, J., Duerk, J., et al. Magnetic resonance fingerprinting. Nature. 495 (7440), 187-192 (2013).
- Lu, L., Sedor, J., Gulani, V., Schelling, J., O’Brien, A., Flask, C. A., et al. Use of diffusion tensor MRI to identify early changes in diabetic nephropathy. Am J Nephrol. 34 (5), 476-482 (2011).
- Rosen, D., Hooton, T., Stamm, W., Humphrey, P., Hultgren, S. Detection of intracellular bacterial communities in human urinary tract infection. PLoS Med. 4 (12), e329 (2007).
- Torine, L. A. Urinary tract infection: diabetic women’s strategies for prevention. Br J Nurs. 20 (13), 791-792 (2011).
- Rosen, D., Hung, C., Kline, K., Hultgren, S. Streptozocin-induced diabetic mouse model of urinary tract infection. Infect Immun. 76 (9), 4290-4298 (2008).
- Larsson, P., Kaijser, B., Mattsby-Baltzer, I., Olling, S. An experimental model for ascending acute pyelonephritis caused by Escherichia coli or proteus in rats. J Clin Pathol. 33 (4), 408-412 (1980).
- Gupta, R., Ganguly, N., Ahuja, V., Joshi, K., Sharma, S. An ascending non-obstructive model for chronic pyelonephritis in BALB/c mice. J. Med. Microbiol. 43 (1), 33-36 (1995).
- Fernandes, P., Shipkowitz, N., Bower, R. Murine models for studying the pathogenesis and treatment of pyelonephritis. Adv. Exp. Med. Biol. 224, 35-51 (1987).
- Kaye, D. The effect of water diuresis on spread of bacteria through the urinary tract. J. Infect. Dis. 124 (3), 297-305 (1971).
- Fierer, J., Tainer, L., Braude, A. Bacteremia in the pathogenesis of retrograde E. coli pyelonephritis in the rat. Am. J. Pathol. 64 (2), 443-456 (1971).
- Nickel, J., Olson, M., Costerton, J. Rat model of experimental bacterial prostatitis. Infection. 19 (3), S126-S130 (1991).
- Hagberg, L., Engberg, I., Freter, R., Olling, S., Eden, C. Ascending, unobstructed urinary tract infection in mice caused by pyelonephritogenic Escherichia coli of human origin. Am Soc Microbiol. 40 (1), 273-283 (1983).
- Kurosaka, Y., Ishida, Y., Yamamura, E., Takase, H., Otani, T., Kumon, H. A non-surgical rat model of foreign body-associated urinary tract infection with Pseudomonas aeruginosa. Microbiol. Immunol. 45 (1), 9-15 (2001).
- Anderson, B., Jackson, G. Pyelitis, an important factor in the pathogenesis of retrograde pyelonephritis. J Exp Med. 114 (3), 375-384 (1961).
- Anderson, J. Vesico-ureteric reflux. J R Soc Med. 55 (6), 419-426 (1962).
