Multi-Bildgebung ist ein wertvoller Ansatz zur Untersuchung bakterieller Besiedlung in kleinen Tiermodellen. Dieses Protokoll beschreibt Infektion von Mäusen mit Biolumineszenz<em> Citrobacter rodentium</em> Und die Längs-Überwachung der bakteriellen Besiedelung mit Composite 3D diffuses Licht Bildgebung Tomographie mit μCT Bildgebung einen 4D Film erstellen<em> C. rodentium</em> Infektion.
Dieses Protokoll beschreibt die notwendigen Schritte, um in Längsrichtung Überwachung eines Biolumineszenz bakterielle Infektion mit Composite 3D diffuses Licht Bildgebung Tomographie mit integriertem μCT (DLIT-μCT) und die anschließende Verwendung dieser Daten einen vierdimensionalen (4D) Film der Infektion Zyklus zu erzeugen. Um die Infektion 4D-Filme zu entwickeln und die DLIT-μCT Bildgebung für bakterielle Infektion Studien unter Verwendung eines IVIS Spectrum CT validieren, haben wir eine Infektion mit C. Biolumineszenz rodentium, die selbst limitierende Kolitis bei Mäusen verursacht. In diesem Protokoll, skizzieren wir die Infektion von Mäusen mit Biolumineszenz C. rodentium und nicht-invasive Überwachung der Kolonisierung durch tägliche DLIT-μCT Bildgebung und bakterielle Aufzählung von Fäkalien für 8 Tage.
Die Verwendung des IVIS Spectrum CT eine nahtlose Co-Registrierung von optischen und μCT Scans mit einer einzigen Bildgebungsplattform. Die geringe Dosis μCT Modalität ermöglicht die Bildgebung von Mäusenzu mehreren Zeitpunkten während der Infektion mit detaillierten anatomischen Lokalisation der Biolumineszenz bakterielle Herde in 3D, ohne dass Artefakte aus der kumulativen Strahlung. Wichtig ist, bieten die 4D Filme von infizierten Mäusen eine leistungsstarke analytische Werkzeug, um bakterielle Besiedlung Dynamik in vivo zu überwachen.
Kleine Tiermodellen, insbesondere solche Verwendung Mäusen, werden routinemäßig verwendet, um bakterielle Pathogenese zu untersuchen oder zu Interventionsstrategien gegen Infektionen, wie z. B. Antibiotika, Probiotika, Präbiotika und Impfstoffe 1-7 zu testen. Die wichtigsten experimentellen Positionsanzeigen von Kleintier-Infektionen sind Erreger Last, räumlichen und zeitlichen Lokalisierung der Infektion und Änderungen an der Immunantwort des infizierten Organismus. In vivo optische Bildgebung ist ein wertvolles Werkzeug für die Erforschung infektiöser Krankheiten und kann zur Überwachung eingesetzt werden mehrere experimentelle Auslesen durch die Verwendung von Reportergenen (Luciferase, fluoreszierenden Proteinen, beta-Lactamase, etc), fluoreszierende Farbstoffe, Nanopartikel oder chemilumineszierende Sonden an ein Protein, biologische Verfahren oder Mikroorganismus 6 ausgerichtet.
Biolumineszenz-Bildgebung (BLI) ein optisches bildgebendes Verfahren verwendet, um die Kolonisierung von kleinen Tieren wie Ratten und Mäusen zu überwachen, die durch pathogene Bakria 3,6,8,9. Die Mäuse werden mit rekombinanten Bakterien exprimieren eine Luciferase, wie die lux-Operon aus Photorhabdus CDABE luminescens. Diese Bakterien können dann durch die Lichterzeugung mit einer CCD in vivo bildgebenden Systems 3,6,9 Basis detektiert werden infiziert. Wichtig ist, dass nur metabolisch aktiven Mikroorganismen Biolumineszenz (BL), was bedeutet, einzig gangbare Bakterienzellen durch diese Methodik 10,11 detektiert werden. Mit 2D BLI, die Lage des BL Quelle von der Oberfläche des Tieres in dem das Signal ausgesendet 8 geschlossen wird. Die genaue anatomische Lokalisierung der BL Foci in vivo durch die ex vivo-Analyse von Organen 3,6,9 dagegen bestimmt werden kann zusammengesetzten 3D diffuse Licht Bildgebung Tomographie (DLIT) verwendet, um eine quantitative 3D-Rekonstruktion des BL zusammenstellt Quelle 12. DLIT wird durch das Sammeln von BL aufgenommenen Bilder unter Verwendung von definierten engen Bandpass-Filter und optischeanschließend Eingabe in eine diffuse optische Tomographie 3D-Rekonstruktion Algorithmus 1,7,12,13.
Derzeit ist multi-Bildgebung die einzige Methodik für echte, nicht invasive anatomische Lokalisierung der Biolumineszenz-Foci in vivo, ohne die Notwendigkeit für ex vivo-Analyse erhalten. Kürzlich haben wir eine Kombination von DLIT mit μCT Bildgebung Zusammenarbeit registriert Citrobacter rodentium (C. rodentium) Kolonisation Dynamik nach prophylaktischen Behandlung mit einem probiotischen Bakterium 7 zu bewerten. C. rodentium ist ein Maus-spezifischen magensaftresistente Erreger verwendet, um Modell Infektion mit enteropathogenen und enterhemorrhagic Escherichia coli 14. C. rodentium Infektion verursacht ulcerosa, in der Regel mit leichten Gewichtsverlust, Durchfall, polarisierte Th1 Immunantwort und verschiedene pathologische Veränderungen, einschließlich Kolon Kryptenhyperplasie und Befestigen und zurückhaltend Läsion formati verbundenon 14. Zusätzlich zu diesem, C. rodentium Pathogenese wurde gründlich studiert mit BLI und seine Besiedlung Dynamik in C57BL/6J-Mäusen sind gut dokumentiert, so dass dieses Bakterium ein ideales Modell Mikroorganismus für die Verwendung mit Multi-Bildgebung 3,4,7.
Dieses Protokoll ist das erste, eine Methodik zur integrierten DLIT-μCT Bildgebung von einer bakteriellen Infektion mit einem einzigen multimodalen Imaging-Plattform, die IVIS Spectrum CT, und die Erzeugung eines 4D-Film zeigt die wahre Dynamik dieser Infektion nicht-invasiv zu skizzieren.
Die 4D-Film von bakteriellen Infektionen bietet ein nützliches Werkzeug zur Visualisierung und Interpretation großer Mengen von Multi-Bildgebung Daten schnell und einfach. Diese Technik erleichtert die detaillierte Analyse, wie eine Infektion breitet sich durch eine individuelle Maus und können verwendet werden, um zu untersuchen, wie Deletion von Host oder bakterielle Gene oder insbesondere Interventionsstrategien Wirkung Keimbelastung, Verteilung und Lokalisierung in einer longitudinalen Studie 7. Diese Videos auch nützliche Lehrmittel und ein Mittel zur Verbreitung von Informationen an die Öffentlichkeit.
Es gibt mehrere wichtige Schritte in diesem Protokoll, das die Qualität der Daten aus DLIT-μCT Bildgebung und die Fähigkeit, ein 4D Video der Infektion kompilieren erhalten beeinträchtigen könnten. Der wichtigste Teil dieses Protokolls ist die erfolgreiche und homogene Infektion von Mäusen mit C. rodentium. Es ist wichtig, dass die Mäuse für die Studie verwendet zwischen 18-20 g sind, und dass die Bakrial Impfkulturen werden frisch zubereitet und ca. 5 x 10 9 KBE, wie zuvor beschrieben, 2,3. Vor Infektion der Mäuse ist es wichtig zu überprüfen, dass der Impfstoff mit dem Biolumineszenz Spectrum CT und einmal das Inokulum hergestellt worden ist, muss sie kontinuierlich homogenisiert werden, bevor jede Maus ist eine Sonde, um sicherzustellen, dass die Mäuse ähnlich infektiösen Dosen erhalten. Die DLIT-μCT Bildgebung von Mäusen wurde optimiert, so dass die automatische Belichtung Funktion im lebenden Bild 4.3.1 Software ermittelt automatisch die optimalen Bildparameter für das Signal weit über dem Lärm. Allerdings stützt sich die automatische Belichtung Funktion auf benutzerdefinierten Einstellungen und Parameter, die modifiziert werden, wie in dem Verfahren beschrieben werden müssen. Gelingt dies nicht, wird in schlechten Bilder mit einer geringen Anzahl von Photonen gesammelt, die nicht in einem offensichtlichen Fortschreiten der Infektion führen, wie das Spektrum der CT Werkseinstellungen für Belichtungsautomatik für die Bildgebung Tumore exprimieren programmiert führenGlühwürmchenluciferase. Renovationen durchgeführt mit 560-620 nm geben die beste Übereinstimmung zwischen simulierten und gemessenen Daten, und daher sind die zuverlässigere Daten zu enthalten in der Rekonstruktion.
Eine Beschränkung auf die Verwendung von DLIT-μCT ist, dass ionisierende Strahlung aus der μCT Scan bewirkt subletale Strahlenschäden, die kumulativ über einer longitudinalen Studie 18 ist. Sub-tödliche Strahlung können zu einer Schwächung der Immunreaktion, DNA-Schäden verursachen, und die Apoptose in den inneren Organen 19. Letztlich kann kumulative subletale Strahlenschäden zum Tod führen, wenn die LD 50/30 für ionisierende Strahlung überschritten wird, die zwischen 5-7 Gy in Abhängigkeit von der Maus-Stamm und Alter der Mäuse verwendet 18,20,21. Obwohl einige der molekularen Schäden durch ionisierende Strahlung kann heilen, da das übergeordnete Prinzip ist Dosis vorsichtiger Einschätzung wird dies in der Regel nicht für die in der Studie Planung berücksichtigt. Stattdessen ist es das Ziel, so weit bel bleibenow diese Grenzen wie möglich, während noch das Erreichen der Lernziele. Dies ist besonders wichtig in dieser Studie wegen der normalen Immunantwort auf die Infektion, kann die Frequenz der Bildverarbeitung und der Tatsache, dass transgene, Immuno-besteht, oder stark infizierten Tieren anfälliger gegenüber ionisierender Strahlung.
Bei der Planung der Versuch, eine 4D-Film der Infektion zu erzeugen, ist es wichtig, die Dauer des Experiments betrachten, scannt die Anzahl der in diesem Zeitraum μCT erforderlich, und die LD 50/30 für ionisierende Strahlung für die Maus-Stamm verwendet wird. Eine weitere mögliche Einschränkung DLIT-μCT ist die Stärke der Reporterexpression in den Bakterienstamm verwendet, da diese Bakterien Nachweisgrenzen und Aufnahmezeiten beeinflussen. Es wird dringend empfohlen, dass die Forscher verwenden Bakterienstämme, die voll virulent sind validiert, aber optimiert für maximale lux-Operon Ausdruck, wie zuvor für BLI nachgewiesen2,3.
Eine Einschränkung auf die aktuelle Gestaltung der 4D-Bildgebung ist, dass jeder Film der einzelnen DLIT-μCT Scans, die unterschiedliche Skalierung haben Photonen besteht. Dies kann die Bilder schwer zu interpretieren, wenn die Änderungen an der Lokalisierung der Brennpunkte BL oder seine Intensität subtil sind, oder wenn es einen intensiven Fokus BL durch mehrere schwache Herde umgeben. Daher ist für Längs Visualisierungen, ist es wichtig, dass die Farbbalken konsistent zu Zeitpunkten.
Das Konzept eines 4D-Film der Infektion kann zu einem entsprechend gekennzeichneten bakteriellen Krankheitserreger eingesetzt werden. Zukünftige Entwicklung dieser Technik wird darauf abzielen, Fluoreszenz-Imaging-Tomographie (FLIT) sowie DLIT verwenden, um die Untersuchung der Host Reaktionen auf Infektion mit einer Kombination von Biolumineszenz bakterielle Erreger und injizierbare fluoreszierenden Nahinfrarot-Sonden, um Host-Reaktionen auf Infektionen untersuchen zu erleichtern. Darüber hinaus, in diesem Protokoll wir nurbeschreiben die Verwendung von Biolumineszenz Bakterien 4D Filme der Infektion erstellen. In einigen Fällen kann es erforderlich sein, fluoreszenzmarkierten Bakterien, beispielsweise mit iRFP markiert, so dass die Biolumineszenz Reporter zur Untersuchung Wirtsgenetik während der Infektion verwendet werden können. Wichtig ist, dass die Verwendung von Multi-Bildgebung kombiniert DLIT / FLIT-μCT es uns ermöglichen, nicht-invasiv zu untersuchen mehrere Parameter während einer bakteriellen Infektion, die einen bedeutenden Beitrag zur Reduzierung, Verfeinerung und Ersatz der Verwendung von Tieren in der wissenschaftlichen Forschung wie in der NC3R Initiative (umrissen http://www.nc3rs.org.uk/ ).
The authors have nothing to disclose.
Die in-vivo-Bildgebung Anlage am Imperial College wurde von der MRC finanziert.
Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
Bioluminescent C. rodentium | Frankel lab | ICC180 | Wiles et al., 2004 |
Veet | Boots | Optimal depilation time is 7 min. Depilation works better if the cream is rubbed in well. | |
Isofluorane (100% v/v) | Abbott | B506 | |
Medical Oxygen | BOC Medical | Size F Cylinder. Note: an appropriate regulator is required. | |
Luria Bertani broth | Merck | 1.10285.0500 | 25 g in 1L Demineralised water. |
Luria Bertani agar | Merck | 1.10283.0500 | 37 g in 1L Demineralised water. |
Kanamycin sulphate | Sigma (Fluka) | 60615 | |
50 ml Polypropylene conical Falcon tubes | BD (Falcon) | 352070 | |
Universals | Corning (Gosselin) | E5633-063 | |
1 ml syringe | BD (Plastipak) | 300013 | |
Oral dosing needle (16G x 75 mm) curved | Vet Tech | DE005 | |
Microbanks (Cryovial) | Pro-Lab Diagnostics | PL.170/Y | |
IVIS Spectrum CT | Caliper- a PerkinElmer Company | 133577 Rev A/ Spectrum CT | |
6kVA UPS | Caliper- a PerkinElmer Company | ||
XGI-8 anesthesia system | Caliper- a PerkinElmer Company | 118918 | |
XAF-8 Anaesthesia filter charcoal | Caliper- a PerkinElmer Company | 118999/00 | |
Living Image v4.3.1 SP1 | Caliper- a PerkinElmer Company | ||
Benchtop shaking incubator | New Brunswick Scientific | Innova 44 |