Summary

Intrarrenal Inyección de<em> Escherichia coli</em> En un modelo de rata de pielonefritis

Published: July 18, 2017
doi:

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

Los modelos de roedores se han utilizado para estudiar numerosas manifestaciones de la enfermedad humana, incluyendo pielonefritis e infecciones del tracto urinario (ITU). Las IU son un problema de salud global y pueden afectar a niños, hombres y mujeres de todas las edades. 1 , 2 , 3 La manifestación inicial de las IU incluye cistitis, y si la infección asciende a lo largo del uréter, puede aparecer una infección renal (pielonefritis). Al mismo tiempo, la prevalencia de la diabetes se aproxima a 400 millones de personas en todo el mundo. 4 , 5 Es importante destacar que la incidencia de UTI puede ser hasta 4 veces mayor en pacientes obesos o con diabetes mellitus tipo 2, lo que aumenta el riesgo de infección recurrente por ITU (rUTI), sepsis, fibrosis renal por pielonefritis y disfunción vesical. 6 , 7 , 8 RoedorLos modelos son importantes en el estudio de las ITU, porque las actuales terapias con antibióticos producen una respuesta sostenida y preventiva sólo en un subconjunto de pacientes con IU. Para mejorar el cuidado clínico de la UTI, los pasos clave son entender el mecanismo de rUTI y sus procesos fisiopatológicos de la infección aguda a la inflamación a la fibrosis, así como el impacto de la diabetes mellitus tipo 2.

El objetivo de mejorar los modelos animales es desarrollar técnicas que permitan una evaluación más precisa de la progresión de la enfermedad y las intervenciones terapéuticas. Se han empleado varios enfoques diferentes para inducir pielonefritis en ratas y / o ratones para estudiar la fisiopatología del daño renal, el efecto del tratamiento antibiótico y otros aspectos del curso natural de las ITU. Un enfoque común para establecer UTI retrógrada es el cateterismo transuretral. 10 , 11 , 12 , 13 <Este método introduce bacterias a través de la uretra en la vejiga urinaria de animales anestesiados. Si bien esta técnica simula de cerca la pielonefritis humana, la incidencia real y la magnitud de la infección pielonefritis puede ser muy variable debido a múltiples factores, incluyendo la falta de reflujo ureteral espontáneo o urinario micción durante o inmediatamente después de la inoculación. 11 Como resultado, la variabilidad experimental en la inducción de una infección pielonefritis ascendente puede limitar la utilidad de este modelo para estudiar infecciones de los riñones, así como estrategias terapéuticas.

Este informe describe un modelo de rata de pielonefritis quirúrgica donde E. coli se inyecta directamente en el riñón de rata. A pesar de que este modelo de rata es invasivo, la cantidad de E. coli suministrada al riñón puede controlarse eficazmente permitiendo una infección renal robusta e inflamación. 14 Dentro de este procedimiento, también describimosCómo estas infecciones renales inducidas pueden ser monitoreadas longitudinalmente con Imágenes de Resonancia Magnética in vivo (MRI).

Protocol

Todos los estudios en animales se realizaron de acuerdo con los protocolos aprobados del Comité de Uso y Cuidado de Animales Institucionales (IACUC) en Case Western Reserve University. La duración del procedimiento quirúrgico descrito a continuación es de aproximadamente 45-60 min. El procedimiento de MRI en sí es de aproximadamente 15 minutos para cada punto de tiempo. 1. Anestesia Anestesiar la rata en una cámara de isoflurano fijada al 2% de isoflurano mezclado con oxíge…

Representative Results

Las técnicas de imagen médica ofrecen la oportunidad de evaluar de forma no invasiva la IU y la eficacia terapéutica. Por lo tanto, la resonancia magnética se utilizó para validar la inducción de infección aguda después de la inyección de 1-2 x 10 7 UTI89 E. coli , y para visualizar los cambios en el riñón antes y después de la cirugía. La Figura 1a-b muestra una región progresivamente creciente de la infección renal (flechas amarillas)…

Discussion

La pielonefritis aguda ascendente en roedores (es decir, ratones y ratas) puede ser producida por cateterización transuretral. 16 , 17 , 18 Este método de infección transuretral es ventajoso porque no es invasivo y imita la fisiopatología humana de la infección ascendente. 17 , 18 , 19 , 20</s…

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

  1. Saliba, W., Barnett-Griness, O., Rennert, G. The association between obesity and urinary tract infection. Eur J Intern Med. 24 (2), 27-31 (2012).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Ma, D., Gulani, V., Seiberlich, N., Liu, K., Sunshine, J., Duerk, J., et al. Magnetic resonance fingerprinting. Nature. 495 (7440), 187-192 (2013).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Torine, L. A. Urinary tract infection: diabetic women’s strategies for prevention. Br J Nurs. 20 (13), 791-792 (2011).
  10. Rosen, D., Hung, C., Kline, K., Hultgren, S. Streptozocin-induced diabetic mouse model of urinary tract infection. Infect Immun. 76 (9), 4290-4298 (2008).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Fernandes, P., Shipkowitz, N., Bower, R. Murine models for studying the pathogenesis and treatment of pyelonephritis. Adv. Exp. Med. Biol. 224, 35-51 (1987).
  14. Kaye, D. The effect of water diuresis on spread of bacteria through the urinary tract. J. Infect. Dis. 124 (3), 297-305 (1971).
  15. 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).
  16. Nickel, J., Olson, M., Costerton, J. Rat model of experimental bacterial prostatitis. Infection. 19 (3), S126-S130 (1991).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Anderson, B., Jackson, G. Pyelitis, an important factor in the pathogenesis of retrograde pyelonephritis. J Exp Med. 114 (3), 375-384 (1961).
  20. Anderson, J. Vesico-ureteric reflux. J R Soc Med. 55 (6), 419-426 (1962).

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Cite This Article
Gupta, K., Donnola, S. B., Sadeghi, Z., Lu, L., Erokwu, B. O., Kavran, M., Hijaz, A., Flask, C. A. Intrarenal Injection of Escherichia coli in a Rat Model of Pyelonephritis. J. Vis. Exp. (125), e54649, doi:10.3791/54649 (2017).

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