Intrarenal injektion av<em> Escherichia coli</em> I en råttmodell av pyelonefrit
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
Gnagare modeller har använts för att studera många mänskliga sjukdomar manifestationer, inklusive pyelonefrit och urinvägsinfektioner (UTI). UTI är ett globalt hälsoproblem och kan påverka barn, män och kvinnor i alla åldrar. 1 , 2 , 3 Den initiala manifestationen av UTI: er innefattar cystit, och om infektionen stiger längs urinläkaren kan en njureinfektion (pyelonefrit) följa. Samtidigt närmar sig förekomsten av diabetes 400 miljoner människor världen över. 4 , 5 Det är viktigt att UTI-incidensen kan vara upp till 4 gånger högre hos patienter som är överviktiga eller har typ 2-diabetes mellitus, vilket medför ökad risk för återkommande UTI-infektion (RUTI), sepsis, renal fibros från pyelonefrit och blåsdysfunktion. 6 , 7 , 8 GnagareModeller är viktiga för att studera UTI: er, eftersom nuvarande antibiotikabehandlingar endast ger ett varaktigt, förebyggande svar endast i en delmängd av UTI-patienter. För att förbättra klinisk UTI-vård är de viktigaste stegen att förstå mekanismen för RUTI och dess patofysiologiska processer från akut infektion till inflammation i fibros, liksom effekterna av typ 2 diabetes mellitus.
Målet att förbättra djurmodeller är att utveckla tekniker som möjliggör en mer exakt utvärdering av sjukdomsprogression och terapeutiska ingrepp. Flera olika tillvägagångssätt har använts för att inducera pyelonefrit hos råttor och / eller möss för att studera patofysiologi av njurskador, effekten av antibiotikabehandling och andra aspekter av den naturliga utbildningen av UTI. Ett gemensamt tillvägagångssätt för att etablera retrograd UTI är transuretral kateterisering. 10 , 11 , 12 , 13 </ Sup> Denna metod introducerar bakterier via urinröret i urinblåsan hos bedövade djur. Medan denna teknik nära simulerar mänsklig pyelonefrit, kan den faktiska incidensen och storleken av pyelonefritinfektion vara mycket varierbar på grund av flera faktorer, inklusive brist på spontan ureterisk reflux eller urinrörelse under eller omedelbart efter inokulering. 11 Som ett resultat kan den experimentella variationen i att framkalla en stigande pyelonefritinfektion begränsa nyttan av denna modell för att studera njureinfektioner såväl som terapeutiska strategier.
I denna rapport beskrivs en kirurgisk pyelonephritis-råttmodell där E. coli injiceras direkt i råtternyten. Trots att denna råttmodell är invasiv, kan mängden av E. coli som levereras till njuren effektivt kontrolleras vilket möjliggör en robust njureinfektion och inflammation. 14 Inom detta förfarande beskriver vi ocksåHur dessa framkallade njurinfektioner kan övervakas longitudinellt med in vivo magnetisk resonansbildning (MR).
Protocol
Representative Results
Discussion
Stigande akut pyelonefrit hos gnagare (dvs. möss och råttor) kan produceras genom transuretral kateterisering. 16 , 17 , 18 Denna transuretrala infektionsmetod är fördelaktig genom att den är icke-invasiv och efterliknar den mänskliga patofysiologin av stigande infektion. 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
- 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).
