Bakteriofager (fager), vira, der inficerer bakterier, er en integreret bestanddel af tarmmikrobiomet. Selvom disse symbiotiske indbyggere driver bakteriel fitness og befolkningsdynamik, forstås der lidt om, hvordan de påvirker tarmhomeostase og sygdom. Denne protokol studerer isolerede T4-fager inden for en musemodel, der kan tilpasses andre fagbakteriepar.
Bakteriofager (fager) er vira, der inficerer bakterier med arts- og stammeniveauspecificitet og er de mest rigelige biologiske enheder på tværs af alle kendte økosystemer. Inden for bakterielle samfund, såsom dem, der findes i tarmmikrobiotaen, er fager impliceret i regulering af mikrobiotapopulationsdynamik og driver bakteriel udvikling. Der har været fornyet interesse for fagforskning i det sidste årti, delvis på grund af lytiske fagers værtsspecifikke dræbende evner, som tilbyder et lovende værktøj til at imødegå den stigende trussel fra antimikrobielt resistente bakterier. Desuden tyder nylige undersøgelser, der viser, at fager klæber til tarmslim, på, at de kan have en beskyttende rolle i at forhindre bakteriel invasion i det underliggende epitel. Det er vigtigt, ligesom bakterielle mikrobiomer, at forstyrrede fager har været forbundet med forværrede resultater i sygdomme som inflammatorisk tarmsygdom. Tidligere undersøgelser har vist, at fager kan modulere mikrobiomet hos dyr og mennesker gennem fækale filtrattransplantationer, hvilket gavner værtsens helbred. Med denne nylige bølge af forskning kommer nødvendigheden af at etablere og standardisere protokoller til undersøgelse af fager i forbindelse med tarmmikrobiomet. Denne protokol indeholder et sæt procedurer til undersøgelse af isolerede T4-fager og deres bakterielle vært, Escherichia coli, i forbindelse med mave-tarmkanalen i murin. De metoder, der er beskrevet her, skitserer, hvordan man starter fra et faglysat, administrerer det til mus og vurderer effekter på bakteriel vært og fagniveauer. Denne protokol kan modificeres og anvendes på andre fagbakteriepar og giver et udgangspunkt for at studere værtsfagdynamik in vivo.
Bakteriofager eller fager er vira, der inficerer og dræber bakterier med arts- og stammeniveauspecificitet1. Fager spiller vigtige roller inden for komplekse bakteriesamfund som tarmmikrobiotaen, hvor de har været impliceret i regulering af populationsdynamik og kørsel af bakteriel fitness2. I løbet af det sidste årti har der været fornyet interesse for fagforskning på grund af stigningen i antimikrobielt resistente patogener3 og potentialet for fagterapi som en alternativ behandlingsstrategi. I de senere år er lytiske fagcocktails blevet brugt intravenøst med en vis succes i alvorlige, antibiotikaresistente bakterielle septiske infektioner hos mennesker 3,4. Oral fagterapi er også blevet foreslået som et potentielt alternativ til antibiotika til behandling af tarminfektioner og betændelse. Desuden har fager været impliceret i succesen med fækale filtrattransplantationer (FFT), som er fækale mikrobiotapræparater, der er blevet filtreret for at fjerne bakterier, til behandling af tilbagevendende Clostridioides difficile-infektion (rCDI)5,6, inflammatoriske tarmlidelser (IBD)7,8 og nekrotiserende enterocolitis hos for tidligt fødte svin9. I betragtning af disse resultater er det vigtigt at overveje interaktioner både mellem fager og tarmmikrobiota og fager og pattedyrværten, da tilføjelsen af nye fager til et allerede eksisterende samfund kan have indirekte virkninger på samfundet som helhed og ikke kun dets målbakterier 2,10.
Undersøgelsen af faginteraktioner med deres målbakterier in vitro har vist sig nyttig til at forstå mekanismerne og virkningerne af- og bakterieinteraktioner i tarmen. I denne indstilling har det vist sig, at Escherichia coli-specifikke T4-fager af ordren Caudovirales kræver immunoglobulin (Ig) -lignende domæner placeret inden for stærkt antigene ydre capsid (Hoc) proteiner på virionoverfladen for at klæbe til tarmslim11. Derudover har transwell-assays vist, at T4-fager er i stand til at interagere med epitelcellekulturer og translokere gennem cellelag ved makropinocytose12,13. Disse resultater understøtter hypotesen om, at fager kan interagere med deres metazoiske vært, selvom de ikke er i stand til at inficere eukaryote celler. Disse modeller, selvom de er nyttige, mangler hele spektret af komplekse interaktioner, der forekommer i et tarmøkosystem, der er nødvendige for en omfattende udforskning af trepartsinteraktionen mellem fager, bakterier og metazoanværten.
Musemodeller er et vigtigt redskab til at undersøge fager i komplekse miljøer. En ønskelig anvendelse af fagadministration er som en alternativ strategi til behandling af antimikrobielt resistente infektioner eller patobionter forbundet med kroniske inflammatoriske sygdomme, herunder IBD. Ny litteratur antyder imidlertid, at fagadfærd in vitro ikke fuldt ud repræsenterer in vivo-funktioner. Buttimer et al.14 demonstrerede, at en fagcocktail var i stand til at nedbryde de målrettede bakterier i et forenklet humant mikrobiotakonsortium in vitro, men kunne ikke replikeres in vivo i gnotobiotiske mus koloniseret med det samme bakteriefagkonsortium. Desuden førte T7-i et konventionelt musemikrobiom til selektiv udtømning af dets måltarmbakterier, selvom gradvis genopretning blev observeret over tid, hvilket tyder på udviklet resistens15. Andre undersøgelser har vist sameksistens af oralt administrerede fager og deres målbakteriestammer in vivo 2,16. Ud over/bakterie-sameksistens førte fagadministration faktisk til udbredte ændringer i den samlede sammensætning og funktion af mikrobiotasamfundet 2,16. Dette er relevant i sygdomsindstillinger, da flere undersøgelser har fundet sammenhænge mellem øget relativ overflod af Caudovirales og IBD 7,8,17, der var uafhængige af ændringer i bakteriel overflod7. Det er fortsat ukendt, om dette er en driver eller konsekvens af sygdomspatogenese.
Det historiske fokus for fagundersøgelser har været omkring forholdet mellem en og dens målbakterie. Det er dog også vigtigt at overveje potentielle interaktioner mellem og slimhinden, epitelet og immunsystemet hos metazoværten. Disse interaktioner spiller alle en vigtig rolle i det samlede respons på tarmfaginfektion. For at demonstrere dette er fager blevet undersøgt ved hjælp af bakteriefrie (GF) mus for at belyse deres indvirkning på immunsystemet uden interferens fra mikrobiota8. I dette system blev fagnukleinsyrer påvist af tolllignende receptorer (TLR’er) placeret i endosomer af fagocytiske immunceller (makrofager og dendritiske celler). Dette aktiverede downstream-signalering og stimulerede T-celleafhængig produktion af interferon (IFN)-γ8 eller type I IFN’er18. Desuden implicerede Fluckiger et al.19 hukommelses CD8 + T-celler i genkendelsen af fagkodede (prophage) antigener, hvilket resulterede i T-cellekrydsreaktivitet med tumorantigener, hvilket resulterede i reduceret tumorbyrde. Endelig er fagspecifik antistofproduktion blevet dokumenteret i musestudier, hvor fager blev leveret til dyremodeller kontinuerligt gennem drikkevand 8,20 eller ved gentagen oral sonde over flere måneder20, hvilket demonstrerer fagproteiners evne til at fremme humorale immunresponser. Selvom disse former for faginokulation giver mulighed for optimal og kontinuerlig priming af immunsystemet, repræsenterer de muligvis ikke de naturligt forekommende interaktioner mellem fager og tarmmiljøet eller kinetikken ved oralt anvendt fagterapi. Indtil videre har et begrænset antal undersøgelser undersøgt interaktionerne mellem og en enkelt bakterieart i monokoloniserede musemodeller21. Imidlertid viste monokoloniserede mus sig kritisk til at dechiffrere mikrobespecifikke virkninger af individuelle arter på gastrointestinal (GI) kanal og immunudvikling 22,23,24, og de kan endnu vise sig nyttige til forståelse af trepartsinteraktioner mellem fager, deres målbakterier og metazoanværten.
Spændende nok er der stadig meget at lære om interaktionerne mellem tarmfag og tarmkommensale bakterier samt de interaktioner, der opstår mellem metazoværten og de fager, der bor i den. Denne protokol indeholder et sæt procedurer til undersøgelse af isoleret T4-og dets bakterielle modstykke, E. coli (K-12, BW25113), ved hjælp af en gnotobiotisk musemodel. Disse standardiserede procedurer giver også et fundament for optimering af andre/bakteriedyader ved at tilpasse vækstparametrene til de interessante par. De her beskrevne metoder skitserer: (1) Fremstilling af T4-og køretøjslysater til oral sonde af mus; (2) Oral administration af T4-til E. coli monokoloniserede gnotobiotiske mus; (3) Overvågning af T4-fagniveauer i museafføring og væv over tid.
For de repræsentative resultater, der præsenteres her, blev oprensede T4-faglysater formeret fra fagbanklagre, der blev vedligeholdt af Rohwer Lab. Phage-on-Tap-metoden til formering af T4-blev tilpasset25, som der henvises til i denne protokol. Metoden giver høje titer, endotoksin-lave fagbestande inden for tre dage. Ved hjælp af denne tilgang blev der rutinemæssigt indsamlet 10 ml ≥ 1010 plakdannende enheder (pfu) / ml T4-med < 0,5 endotoksinenheder (EU) / ml. De anbefalede endotoksinniveauer til oral eller intravenøs administration i mus er henholdsvis ≤ 20 EU / ml og ≤ 5 EU / kg / time (eller 0,1 EU administreret over 1 time for en 20 g mus), hvilket gør dette til en egnet metode til fagforberedelse til in vivo-podning . Alle fagstammer blev opbevaret ved 4 °C i saltvandsmagnesiumbuffer (SM) (opskrift i trin 1.1.5.1). E. coli blev dyrket i LB-medier. For forskellige-bakteriepar kan forskellige kulturmedier og vækstbetingelser tilpasses fra denne protokol. Fager kan også hentes fra miljøet, såsom spildevand, havvand, jord og tarmindhold og kan isoleres og renses i henhold til Sambrook og Russell26 inden forberedelse ved hjælp af passende vækst- og formeringsbetingelser for hvert-værtsparaf interesse 25. Alternativt kan fager fås fra kommercielle kilder (se materialetabel) eller fra fagbanker.
Undersøgelsen af fager i mikrobiomet udgør en betydelig udfordring sammenlignet med deres bakterielle modstykker. Specifikt indeholder fager ikke en bevaret fylogenetisk markør, der er fælles for alle fager, der er beslægtet med 16S og 18S ribosomale underenheder, der muliggør let sekventering og identifikation af henholdsvis prokaryote og eukaryote arter42. Men med fremskridt inden for næste generations sekventeringsmetoder, herunder stigende læselængder, gennemstrømning og faldende omk…
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne erkender, at det land, de udførte denne forskning på, er det traditionelle, forfædre og uceded territorium i xwməθkwəy̓əm (Musqueam) Nation. Det land, det ligger på, har altid været et læringssted for Musqueam-folket, der i årtusinder har videregivet i deres kultur, historie og traditioner fra generation til generation på dette sted. Vi opfordrer andre til at lære mere om de oprindelige lande, hvor de bor og arbejder på https://native-land.ca. Forfatterne anerkender støtte fra Natural Sciences and Engineering Council of Canada (NSERC) Canadian Graduate Scholarships – Master (NP), Michael Smith Health Research BC Trainee Award (RT-2023-3174, til MH), Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) Discovery Grants Program (RGPIN-2019-04591 til C.T., RGPIN-2016-04282 til LCO), Canadian Institute for Advanced Research / Mennesker og mikrobiomet (FL-001253 Appt 3362, til C.T.), Michael Smith Foundation for Health Research Scholar Award (18239, til C.T.), Canadian Institutes for Health Research (PJT-159458 til LCO) og Canadian Foundation for Innovation (34673 til LCO og 38277 til CT). Vi er taknemmelige for teknisk støtte fra UBC Center for Disease Modelling og ubcFLOW, som støttes af UBC GREx Biological Resilience Initiative, og til medlemmer af Osborne og Tropini laboratorierne for kritiske diskussioner og evaluering af manuskriptet. Figur 1A og figur 2A blev oprettet ved hjælp af Biorender.com.
1-octanol (99%) | Thermofisher | CAAAA15977-AP | |
50 ml PES Steriflip Sterile Disposable Vacuum Filter Units | Millipore Sigma | SCGP00525 | |
Agarose (Low-EEO/Multi-Purpose/Molecular Biology Grade) | Fisher BioReagents | BP160-500 | |
Amicon® 100kDa Ultra-15 centrifugal filter device, Ultracel-100 | Millipore Sigma | UFC910008 | |
BD Microtainer® Tubes, SST | BD Medical | 365967 | |
Bioexclusion airtight cages (ISO cages) | Techiplast | 1245ISOCAGE | |
C1000 Touch™ Thermal Cycler with 96-Well Fast Reaction Module | BioRad | 1851196 | |
Calcium Chloride Dihydrate (White Crystals to Powder) | Fisher BioReagents | BP510-500 | |
Cap Locks For 1.5ML Tube 100/pk | Andwin Scientific | 16812612 | |
Chloroform (Ethanol as Preservative/Certified ACS) | Fisher | C298-500 | |
Copper coated steel beads (4.5 mm) | Crosman Corporation | 0767 | |
DNeasy Blood & Tissue Kit (50) | Thermo Scientific | 69504 | |
DreamTaq Green PCR Master Mix (2X) | Thermo Scientific | K1081 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) disodium salt solution, for molecular biology, 0.5 M in H2O | Sigma Aldrich | E7889 | |
Fisher BioReagents™ Agar, Powder / Flakes, Fisher BioReagents™ | Fisher Bioreagents | BP1423-500 | |
Fisher BioReagents™ Microbiology Media: LB Broth (Powder) – Lennox | Fisher Bioreagents | BP1427-500 | |
GeneRuler 100 bp DNA Ladder | Thermo Scientific | SM0241 | |
Green FastMix® qPCR mix, 1250 rxns | QuantaBio | 95072-012 | |
HEPA filters for isocage lids, AUTOCLAVABLE H14 FILTERS FOR ISO LINE- IRRADIATED | Techiplast | UISOHEPAXTBOX-300 | |
Magnesium sulfate heptahydrate | Fisher BioReagents | BP213-1 | |
MaxQ 6000 Incubated Shaker | Thermo Scientific | 8354-30-0009 | |
Microbiology Media: LB Broth (Powder) – Lennox | Fisher BioReagents | BP1427-500 | |
Microcentrifuge Tubes with Locking Snap Cap, 2ml | Fisher | 14-666-315 | |
Parafilm sealing film | Bemis | PM-996 | |
Phage stocks | Carolina Biological Supply | n/a | |
PicoLab® Mouse Diet 20 EXT | LabDiet | 5R58 | |
Pierce™ Chromogenic Endotoxin Quant Kit | Thermo Scientific | A39552S | |
RNase A (17,500 U) | Qiagen | 19101 | |
RNase-free DNase Set | Qiagen | 79254 | |
Sodium Bicarbonate (Fine White Powder) | Fisher Chemical | BP328-500 | |
Sodium Chloride (Crystalline/Certified ACS) | Fisher Chemical | S271 | |
Sonicator (probe model CL-18; power source model FB50) | Fisher scentific | n/a | |
Sterile flexible film isolator | Class Biologically Clean | n/a | |
SYBR™ Safe DNA Gel Stain | Invitrogen | S33102 | |
T100 Thermal Cycler | BioRad | 1861096 | |
T4 phage primer, forward (CCACACATAGCGCGAGTATAA) | IDT | n/a | |
T4 phage primer, forward (GAAACTCGGTCAGGCTATCAA) | IDT | n/a | |
TissueLyser II | Qiagen | 85300 | |
Tris-HCl, 1M Solution, pH 8.0, Molecular Biology Grade, Ultrapure | Thermo Scientific | AAJ22638AE | |
Water, (DNASE, RNASE free) | Fisher BioReagents | BP2484100 |