Summary

チェンカバーガラスモデルを用いたバイオフィルム開発に関する痰の効果を可視化

Published: December 14, 2016
doi:

Summary

This protocol describes the visualization of biofilm development following exposure to host-factors using a slide chamber model. This model allows for direct visualization of biofilm development as well as analysis of biofilm parameters using computer software programs.

Abstract

バイオフィルムは、自己分泌マトリックスに包まれた細菌のグループで構成されています。彼らは、工業汚染だけでなく、多くの健康に関連する感染症の発症と持続に重要な役割を果たしています。ヒトの疾患の中で最もよく説明し、研究バイオフィルムの一つは、嚢胞性線維症患者の慢性肺感染症で発生します。ホストのコンテキストでバイオフィルムを研究すると、多くの要因は、バイオフィルム形成と発展に影響を与えることができます。宿主因子はバイオフィルムの形成及び発達に影響を与えることができる方法を同定するために、我々は、痰上清の形で宿主由来因子の存在下でバイオフィルムを成長させるために、静的チェンカバーガラスの方法を使用しました。細菌は、チャンバーに播種し、痰ろ液にさらされています。成長の48時間後に、バイオフィルムは、共焦点顕微鏡および分析の前に商業バイオフィルムの生存率キットで染色されています。画像取得後、バイオフィルムの特性は、異なるソフトウェア・プラットフォームを用いて評価することができます。この方法は、私たちは、抗生物質などの異なる物質の存在下でのバイオフィルムの成長の重要な特性を視覚化することができます。

Introduction

細菌バイオフィルムは、互いに結合し、自己分泌マトリックスに包まれている微生物の基です。 1,2古典的には、それらが物理的に流れの条件の下で形成された非生物または生物の表面に付着した細菌を表します。バイオフィルムはまた、試験管内で形成された熱プールまたはペリクルの空気 – 液体界面でのような表面からの静的条件(流れの欠如)および遠位で成長することが示されています。これらのバイオフィルムは、長い環境で認識され、彼らは生物付着、腐食や閉塞が生じ、貯水池内またはパイプで形成することができるよう、産業プロセスへの主要な不利益であるされています。 3,4

彼らはカテーテル関連感染症、嚢胞性線維症の患者では、だけでなく、多数の他の感染症における肺感染症に関与することが示されているようにバイオフィルムは、また、医療現場で重要です。 5,6バイオフィルム感染症の特徴の一つは、デです抗生物質に対する細菌の感受性を折り目と自然免疫系によるクリアランスを損ないます。バイオフィルムベースの感染を伴う7-9で最もよく研究され、臨床的に関連するシナリオが慢性的に緑膿菌バイオフィルムに感染している嚢胞性線維症(CF)の患者に起こります。 緑膿菌は、それが非常に困難治療することを可能にする慢性感染症の確立中に変更の数を受けることができます。 10,11バイオフィルムは、示差的に先天性免疫を活性化し、炎症を駆動することができます。 12-14これらの感染症は、CF患者において増加罹患率および死亡率につながるように、この文脈では、バイオフィルム発達に影響を与えることができる因子を理解することが重要です。

最近の研究は、宿主因子が緑膿菌バイオフィルムの凝集体の形成に重要であることを示唆しています。 15これらのバイオフィルムは、抗生物質および宿主防御機構に対する感受性の低下に貢献しています。 presaの複数形CF肺中に存在する微生物から、このような好中球エラスターゼなどの宿主由来因子、ならびに分泌物のNCEは、大幅にバイオフィルム形成と発展を調節する可能性を秘めています。 16はまた、バイオフィルムは、多数の経路の発現を調節し、炎症を開始するためにホストと対話します。標準的なクリスタルバイオレットアッセイ等のハイスループット方法が、バイオフィルムの処理に関していくつかの情報を提供することができ、これらの因子に応答したバイオフィルムの可視化は、より詳細な情報を提供します。

本稿では、 インビトロでのバイオフィルムの発達を研究するためにCF患者の痰からの係数を使用する方法を記載しています。この方法は、市販のバイオフィルムの生存率キットを使用して痰を含む宿主因子に曝露されたバイオフィルムの迅速な可視化を可能にします。この技術は、視覚的にexogenoの存在下でのバイオフィルムの成長中に発生する変化を同定するために使用され得ます私たちの製品、および様々な条件下でのバイオフィルムの開発の変化を分析するための改良された方法を表しています。

Protocol

研究倫理委員会(REB)は、ヒト被験者から痰サンプルを収集し、保存するために必要なことに注意してください。これらの研究は、病気の子供REBの#1000019444のために病院によって承認されました。 1.準備CF痰試料嚢胞性線維症の診療所へのルーチンの訪問中に、患者からの痰のサンプルを収集し、氷上に保ちます。 処理を受けるために、研究室に、コレク…

Representative Results

実験の全体的な設計は、図1に示されています。このプロトコルの使用は、異なる時間( 例えば、24、48または72時間)増殖させたバイオフィルムの変化を視覚化するための便利な方法を提供します。重要なことには、例えば、痰濾液ような外因性シグナルは、バイオフィルムの発達の変化を視覚化するために添加することができます。 図2</str…

Discussion

本明細書に記載される方法は、外因性生成物の存在下で増殖させた細菌性バイオフィルムの可視化を可能にします。このタイプのシステムを使用する場合に当然のことながら、exoproductsの生産が重要です。例えば、ジチオスレイトール(DTT)は、多くの場合、サンプルを液化するために役立つ人間の唾液サンプルに使用されています。しかし、単独でDTTの効果は、バイオフィルムの発達およ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

TBは、嚢胞性線維症、カナダからの研究フェローシップを認めています。

Materials

Lab-Tek II Chambered coverglass, #1.5 borosilicate, 8-well Thermo Sicher Scientific 155409
Filmtracer Live/Dead Biofilm Viabilty Kit Thermo Fisher Scientific L10316
Blood agar plates Thermo Fisher Scientific R10215 Confirming viability via CFU counts or selecting colonies for innoculation
COMSTAT Availble software online COMSTAT is software to analyze biofilm images. Available www.comstat.dk 
Millers LB Broth Thermo Fisher Scientific 12780-052 Standard media for overnight gowth/biofilm growth
Millex-GV Syringe Filters Millipore SLGV013SL Filtering of sputum supernants
Phosphate Buffered Saline (Dulbecco A) Oxoid BR0014G Washing of biofilm chambers after media removal
Zeiss AxioVert 200M Carl Zeiss
Hamamatsu C9100-13 EM-CCD QS Technologies Inc.
Spectral Borealis Qs Technologies Inc.
Perkin Elmer Volocity QS Technologies Inc. Instructions for this software can be found at: http://cellularimaging.perkinelmer.com/pdfs/manuals/VolocityuserGuide.pdf

References

  1. Beaudoin, T., Waters, V. Infections with biofilm formation: selection of antimicrobials and role of prolonged antibiotic therapy. Pediatr.Infect.Dis.J. , (2016).
  2. Donlan, R. M. Biofilms: microbial life on surfaces. Emerg.Infect.Dis. 8 (9), 881-890 (2002).
  3. Hobley, L., Harkins, C., MacPhee, C. E., Stanley-Wall, N. R. Giving structure to the biofilm matrix: an overview of individual strategies and emerging common themes. FEMS Microbiol.Rev. 39 (5), 649-669 (2015).
  4. Katharios-Lanwermeyer, S., Xi, C., Jakubovics, N. S., Rickard, A. H. Mini-review: Microbial coaggregation: ubiquity and implications for biofilm development. Biofouling. 30 (10), 1235-1251 (2014).
  5. Donlan, R. M. Biofilm formation: a clinically relevant microbiological process. Clin.Infect.Dis. 33 (8), 1387-1392 (2001).
  6. Bjarnsholt, T., et al. The in vivo biofilm. Trends Microbiol. 21 (9), 466-474 (2013).
  7. Mah, T. F., Pitts, B., Pellock, B., Walker, G. C., Stewart, P. S., O’Toole, G. A. A genetic basis for Pseudomonas aeruginosa biofilm antibiotic resistance. Nature. 426 (6964), 306-310 (2003).
  8. Mah, T. F. Biofilm-specific antibiotic resistance. Future Microbiol. 7 (9), 1061-1072 (2012).
  9. Beaudoin, T., Zhang, L., Hinz, A. J., Parr, C. J., Mah, T. F. The biofilm-specific antibiotic resistance gene ndvB is important for expression of ethanol oxidation genes in Pseudomonas aeruginosa biofilms. J. Bacteriol. 194 (12), 3128-3136 (2012).
  10. Beaudoin, T., Aaron, S. D., Giesbrecht-Lewis, T., Vandemheen, K., Mah, T. F. Characterization of clonal strains of Pseudomonas aeruginosa isolated from cystic fibrosis patients in Ontario, Canada. Can. J. Microbiol. 56 (7), 548-557 (2010).
  11. Vidya, P., et al. Chronic infection phenotypes of Pseudomonas aeruginosa are associated with failure of eradication in children with cystic fibrosis. Eur.J.Clin.Microbiol.Infect.Dis. , (2015).
  12. Beaudoin, T., Lafayette, S., Nguyen, D., Rousseau, S. Mucoid Pseudomonas aeruginosa caused by mucA mutations result in activation of TLR2 in addition to TLR5 in airway epithelial cells. Biochem.Biophys.Res.Commun. 428 (1), 150-154 (2012).
  13. Beaudoin, T., et al. The level of p38alpha mitogen-activated protein kinase activation in airway epithelial cells determines the onset of innate immune responses to planktonic and biofilm Pseudomonas aeruginosa. J.Infect.Dis. 207 (10), 1544-1555 (2013).
  14. LaFayette, S. L., et al. Cystic fibrosis-adapted quorum sensing mutants cause hyperinflammatory responses. Sci.Adv. 1 (6), e1500199 (2015).
  15. Staudinger, B. J., et al. Conditions associated with the cystic fibrosis defect promote chronic Pseudomonas aeruginosa infection. Am.J.Respir.Crit.Care Med. 189 (7), 812-824 (2014).
  16. Kennedy, S., et al. Activity of Tobramycin against Cystic Fibrosis Isolates of Burkholderia cepacia Complex Grown as Biofilms. Antimicrob.Agents Chemother. 60 (1), 348-355 (2015).
  17. Tom, S. K., Yau, Y. C., Beaudoin, T., LiPuma, J. J., Waters, V. Effect of High-Dose Antimicrobials on Biofilm Growth of Achromobacter Species Isolated from Cystic Fibrosis Patients. Antimicrob.Agents Chemother. 60 (1), 650-652 (2015).
  18. Heydorn, A., et al. Quantification of biofilm structures by the novel computer program COMSTAT. Microbiology. 146 (Pt 10), 2395-2407 (2000).
  19. Vorregaard, M. . Informatics and Mathematical Modelling. , (2008).
  20. Jurcisek, J. A., Dickson, A. C., Bruggeman, M. E., Bakaletz, L. O. In vitro Biofilm Formation in an 8-well Chamber Slide. J. Vis. Exp. (47), e2481 (2011).

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Cite This Article
Beaudoin, T., Kennedy, S., Yau, Y., Waters, V. Visualizing the Effects of Sputum on Biofilm Development Using a Chambered Coverglass Model. J. Vis. Exp. (118), e54819, doi:10.3791/54819 (2016).

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