Summary

Projeto e Desenvolvimento de um Modelo para Estudar o Efeito do Oxigênio Suplementar no Microbioma da Fibrose Cística

Published: August 03, 2021
doi:

Summary

O objetivo deste protocolo é desenvolver um sistema modelo para o efeito da hiperoxia nas comunidades microbianas da fibrose cística. O meio de escarro artificial emula a composição da escarro, e as condições de cultura hiperóxica modelam os efeitos do oxigênio suplementar nas comunidades microbianas pulmonares.

Abstract

Acredita-se que as comunidades microbianas das vias aéreas desempenham um papel importante na progressão da fibrose cística (CF) e outras doenças pulmonares crônicas. Micróbios têm sido tradicionalmente classificados com base em sua capacidade de usar ou tolerar oxigênio. O oxigênio suplementar é uma terapia médica comum administrada a pessoas com fibrose cística (pwCF); no entanto, estudos existentes sobre oxigênio e microbioma das vias aéreas têm se concentrado em como a hipóxia (baixo oxigênio) em vez de hiperoxia (alto oxigênio) afeta as comunidades microbianas pulmonares aeróbicas e facultativas predominantemente aeróbicas e facultativas. Para resolver essa lacuna de conhecimento crítico, este protocolo foi desenvolvido utilizando um meio de escarro artificial que imita a composição da escarro da pwCF. O uso da esterilização do filtro, que produz um meio transparente, permite que métodos ópticos acompanhem o crescimento de micróbios unicelulares em culturas de suspensão. Para criar condições hiperóxiicas, esse sistema modelo aproveita técnicas de cultivo anaeróbicas estabelecidas para estudar condições hiperóxiis; em vez de remover oxigênio, o oxigênio é adicionado às culturas por meio de uma mistura diária de garrafas de soro com uma mistura de oxigênio comprimido e ar. A sputum de 50 pwCF passou por uma sparging diária por um período de 72h para verificar a capacidade deste modelo de manter condições diferenciais de oxigênio. O sequenciamento metagenômico da espingarda foi realizado em amostras de escarro cultivadas e não cultivadas de 11 pwCF para verificar a capacidade deste meio de suportar o crescimento de micróbios commensais e patogênicos comumente encontrados em escarro de fibrose cística. As curvas de crescimento foram obtidas a partir de 112 isolados obtidos da PwCF para verificar a capacidade deste meio de escarro artificial para apoiar o crescimento de patógenos comuns de fibrose cística. Descobrimos que este modelo pode cultivar uma grande variedade de patógenos e commensais na escória CF, recupera uma comunidade altamente semelhante à escória não cultivada sob condições normóxias, e cria diferentes fenótipos de cultura em condições variadas de oxigênio. Essa nova abordagem pode levar a uma melhor compreensão dos efeitos imprevistos induzidos pelo uso de oxigênio em pwCF em comunidades microbianas das vias aéreas e patógenos respiratórios comuns.

Introduction

A fibrose cística (CF) é uma doença genética caracterizada pela incapacidade de limpar muco espesso dos pulmões, levando a infecções repetidas e declínio da função pulmonar progressiva que muitas vezes resulta na necessidade de transplante de pulmão ou morte. O microbioma das vias aéreas de pessoas com fibrose cística (pwCF) parece acompanhar a atividade da doença1, com redução da diversidade microbiana associada a desfechos adversos a longo prazo2,3. Em estudos clínicos da PWCF, a oxigenoterapia suplementar tem sido associada a uma doença mais avançada4,5, embora tradicionalmente, o uso de oxigenoterapia tenha sido visto como simplesmente um marcador para a gravidade da doença6. Estudos recentes de um estudo clínico de pacientes com insuficiência respiratória mostraram que níveis mais altos de oxigênio do paciente estão paradoxalmente associados a um aumento de infecções bacterianas graves e maior mortalidade7,sugerindo que o oxigênio suplementar pode contribuir para a patogênese da doença. O efeito do oxigênio suplementar no microbioma pulmonar da fibrose cística e nas comunidades microbianas pulmonares e aéreas associadas não tem sido bem estudado.

Estudos mecanicistas muitas vezes não podem ser realizados diretamente em seres humanos devido a dificuldades logísticas e potenciais questões éticas associadas a intervenções de benefício ou dano médico desconhecido. Abordagens translacionais que integram bioespégios humanos em sistemas de modelos podem oferecer importantes insights biológicos nesses casos. Embora a capacidade de usar ou tolerar oxigênio tenha sido tradicionalmente um componente importante da classificação microbiana, pouco se sabe sobre como a introdução terapêutica de oxigênio suplementar ao meio ambiente pode perturbar as comunidades microbianas das vias aéreas. Para lançar luz sobre os efeitos desconhecidos do oxigênio suplementar nos microbiomas das vias aéreas da PWCF, precisávamos enfrentar dois grandes desafios; primeiro, a criação de um meio de cultura que se aproxima fisiologicamente da composição do escarro CF; segundo, a criação de um sistema modelo que permita a manutenção de concentrações elevadas de oxigênio na cultura por longos períodos de tempo.

Asm (Artificial sputum media, mídia artificial) são amplamente utilizados para emular escarro pulmonar ex vivo8,9,10, mas não há um consenso claro sobre uma receita específica. Este protocolo descreve uma receita média de escarro artificial e estratégia de preparação cuidadosamente projetada para se aproximar fisiologicamente da pwCF. A Tabela 1 descreve os valores da receita escolhida com base na literatura publicada. Componentes químicos básicos e pH foram combinados com valores identificados por estudos de espiato de CF humano11,12,13. Foram adicionados nutrientes fisiológicos de baixa concentração utilizando-se gema de ovo, que foi incluída em 0,25% do volume final10,bem como misturas de vitamina e metal trace14,15. A mucina, o componente-chave da escarro16,foi incluída em 1% c/v14. Embora mais trabalhosa, a esterilização do filtro foi escolhida sobre a prática mais convencional de esterilização térmica para reduzir problemas potenciais da desnaturação induzida pelo calor dos componentes essenciais da mídia10. Um benefício adicional da esterilização do filtro é que ele gera mídia transparente (a esterilização de calor pode criar mídia turva devido à precipitação e coagulação de sais e proteínas), permitindo que essa mídia artificial de escarro seja usada para acompanhar o crescimento microbiano com base no aumento da turbidez.

Este sistema modelo para a cultura hiperóxica é baseado em técnicas de cultivo anaeróbica onde o oxigênio é adicionado em vez de removido, criando um modelo para o efeito do uso de oxigênio suplementar para pwCF. A Figura 1 e o protocolo de sparging de oxigênio associados descrevem os componentes de um sistema de sparging de oxigênio, que pode ser obtido a baixo custo de fornecedores gerais de laboratórios e hospitais. Este sistema permite a mistura de oxigênio comprimido e ar para concentrações fixas que variam de 21%a 100% de oxigênio. A integração de um sensor de oxigênio permite a verificação da concentração da mistura de gás de saída, bem como verificar a composição do gás de saída de garrafas de soro previamente espaçadas para verificar se as condições de oxigênio foram mantidas dentro da faixa desejada.

Este protocolo descreve procedimentos para criar um meio de escarro artificial, a construção e o uso de um sistema de sparging de oxigênio, e a aplicação de ambos para cultura de escarro CF em condições diferenciais de oxigênio.

Protocol

Este estudo recebeu aprovação do Conselho de Revisão Institucional de Parceiros (Protocolo nº 2018P002934). O critério de inclusão incluiu pacientes adultos com fibrose cística que forneceram consentimento por escrito informado para o estudo. Não houve critério de exclusão. De acordo com as diretrizes do protocolo, todas as amostras de escarro foram coletadas de pacientes com fibrose cística durante uma visita ambulatorial agendada com seu provedor clínico. 1. Preparação média art…

Representative Results

Esses protocolos foram aplicados a 50 amostras de escarro esperados da PWCF apresentando cuidados de rotina para uma clínica de fibrose cística ambulatorial no Massachusetts General Hospital em Boston, Massachusetts. A escarro de cada paciente foi cultivada abaixo de 21%, 50% e 100% de oxigênio usando o meio de escarro artificial, com alíquotas de 0,5 mL tiradas de cada cultura às 24h, 48h e 72h de tempo de cultura para testes. As culturas foram fotografadas quando foram feitas extrações para acompanhar as mudanç…

Discussion

Neste estudo, desenvolveu-se um modelo in vitro para estudar o efeito da hiperoxia nas comunidades microbianas pulmonares. Este modelo, baseado na escarro artificial média e diária de garrafas de soro, mantém concentrações elevadas de oxigênio e suporta o crescimento de micróbios identificados em escarro da pwCF.

Há várias etapas críticas dessa abordagem. Primeiro é a escolha de usar a esterilização do filtro em vez da esterilização térmica do meio de escarro artificia…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Parte deste trabalho foi realizado no Laboratório Biológico Marinho com apoio do Laboratório Biológico Marinho, DOE (DE-SC0016127), NSF (MCB1822263), HHMI (número de subvenção 5600373) e um presente da Fundação Simons.

Materials

BME Vitamins (100x) Solution MilliporeSigma B6891 Concentrated solution of supplemental vitamins.
Crimper, 30 mm DWK Life Sciences 224307 Crimper for attaching aluminum seals to serum bottles.
D-(+)-Glucose MilliporeSigma G7021 Solid glucose powder (dextrorotatory isomer).
Diaphragm Pump ME 2 NT VACUUBRAND 20730003 Vacuum pump for vacuum filtration.
Egg Yolk Emulsion HiMedia FD045 Sterile emulsion of 30% egg yolk in saline.
Ferritin, Cationized from Horse Spleen MilliporeSigma F7879 Ferritin (iron-storage protein) solution.
FIREBOY plus Safety Bunsen Burner Integra Biosciences 144000 Bunsen burner with user interface and safety features.
Hydrion pH Paper (1.0–14.0) Micro Essential Laboratory 94 pH testing paper for the range of 1.0–14.0.
Hydrion pH Paper (4.0–9.0) Micro Essential Laboratory 55 pH testing paper for the range of 4.0–9.0.
Hydrion pH Paper (6.0–8.0) Micro Essential Laboratory 345 pH testing paper for the range of 6.0–8.0.
Hypodermic Needle-Pro EDGE Safety Device, 18 G Smiths Medical 401815 18 G needles with safety caps.
In-Line Pressure Gauge MilliporeSigma 20469 Gas pressure gauge for monitoring bottle pressure.
Innova 42 Incubated Shaker Eppendorf 2231000756 Combination incubator/orbital shaker.
Luer-Lok Syringe with Attached Needle Becton Dickinson 309580 Combination 3 mL syringe and 18 G needle.
Luer Valve Assortment World Precision Instruments 14011 Valves for gas flow tubing.
LSE Orbital Shaker ThermoFisher Scientific 6780-NP Orbital shaker to agitate media during filtration.
Magnesium Sulfate Heptahydrate MilliporeSigma M2773 Solid epsom salt (magnesium sulfate heptahydrate).
Medical Air Single Stage Regulator with Flowmeter Western Enterprises M1-346-15FM Air flow rate regulator with 15 L/min meter.
MEM Amino Acids (50x) Solution MilliporeSigma M5550 Concentrated solution of essential amino acids.
MEM Non-Essential Amino Acids (100x) Solution MilliporeSigma M7145 Concentrated solution of non-essential amino acids.
Millex-GP Filter, 0.22 µm MilliporeSigma SLMP25SS 0.22 µm polyethersulfone membrane sterile syringe filter.
Milli-Q Academic MilliporeSigma ZMQS60E01 Milli-Q sterile water filtration system.
MiniOX 3000 Oxygen Monitor MSA 814365 Gas flow oxygen percentage monitor.
MOPS Buffer (1 M, pH 9.0) Boston BioProducts BBM-90 MOPS buffer for adjusting media pH.
Mucin from Porcine Stomach MilliporeSigma M2378 Mucin (glycosylated gel-forming protein) powder.
Natural Polypropylene Barbed Fitting Kit Harvard Apparatus 72-1413 Connectors for gas flow tubing.
Nextera XT DNA Library Preparation Kit Illumina FC-131-1096 Library preparation for identification during sequencing.
NovaSeq 6000 Sequencing System Illumina 770-2016-025-N Shotgun sequencing platform for generating sample reads.
Oxygen Single Stage Regulator with Flowmeter Western Enterprises M1-540-15FM Oxygen flow rate regulator with 15 L/min meter.
Oxygen Tubing with 2 Standard Connectors SunMed 2001-01 Tubing for connecting gas system components.
Phosphate buffered saline, 10x, pH 7.4 Molecular Biologicals International MRGF-6235 Concentrated phosphate-buffered saline solution.
PC 420 Hot Plate/Stirrer Marshall Scientific CO-PC420 Combination hot plate/stirrer.
Potassium Chloride MilliporeSigma P9541 Solid potassium chloride salt.
PTFE Disposable Stir Bars ThermoFisher Scientific 14-513-95 Disposable magnetic stir bars.
PTFE Thread Seal Teflon Tape VWR 470042-938 Teflon tape for reinforcing gas system connections.
Q-Gard 2 Purification Cartridge MilliporeSigma QGARD00D2 Purification cartridge for Milli-Q system.
Reusable Media Storage Bottles ThermoFisher Scientific 06-423A Bottles for mixing and storing culture media.
Rubber Stopper, 30 mm, Gray Bromobutyl DWK Life Sciences 224100-331 Rubber stoppers for serum bottles.
Serum Bottle with Molded Graduations, 500 mL DWK Life Sciences 223952 Glass serum bottles for sealed culturing.
Small Bore Extension Set Braun Medical 471960 Tubing extension with luer lock connectors.
Sodium Chloride MilliporeSigma S3014 Solid sodium chloride salt.
Spike-in Control I (High Microbial Load) ZymoBIOMICS D6320 Spike-in microbes (I. halotolerans and A. halotolerans) for absolute microbial load calculations
Stericup Quick Release Sterile Vacuum Filtration System MilliporeSigma S2GPU02RE 250 mL 0.22 µm vacuum filtration chamber.
Super Sani-Cloth Germicidal Disposable Wipes Professional Disposables International H04082 Disposable germicidal wipes for sterilization.
Trace Metals Mixture, 1000x ThermoFisher Scientific NC0112668 Concentrated solution of physiological trace metals.
Unlined Aluminum Seal, 30 mm DWK Life Sciences 224187-01 Aluminum seals crimped over top of rubber stoppers.
USP Medical Grade Air Tank Airgas AI USP200 Compressed air tank for input to sparging system.
USP Medical Grade Oxygen Tank Airgas OX USP200 Compressed oxygen tank for input to sparging system.

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Vieira, J., Gallagher, T., Sui, H., Jesudasen, S., Whiteson, K., O’Toole, G. A., Hanselmann, K., Lai, P. S. Design and Development of a Model to Study the Effect of Supplemental Oxygen on the Cystic Fibrosis Airway Microbiome. J. Vis. Exp. (174), e62888, doi:10.3791/62888 (2021).

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