Size Matters: Messung des Durchmessers der Kapsel in Cryptococcus neoformans

Jedes Jahr eine Viertel Million Menschen betroffen, und was mehr als 180.000 Todesfälle jährlich, ist Cryptococcus Neoformans , Pathogene, intrazelluläre Hefe und dem Erreger der Kryptokokkose^{1,2, 3}. am stärksten betroffen sind HIV-infizierte Patienten in armen Ländern, die nicht Zugang zu antiretroviralen Therapie, so dass sie sehr anfällig für die Krankheit^4,5,6. Daten aus der CDC zeigen, dass in Subsahara-Afrika, C. Neoformans mehr Menschen als durch Tuberkulose jährlich und mehr pro Monat als jede Ebola-Ausbruch auf Rekord¹tötet. Der häufigste Weg der Exposition erfolgt durch das Einatmen von ausgetrockneten Sporen, die in der Umwelt⁷Gang und gäbe sind. Beim Betreten der Lunge, gibt es mehrere Virulenzfaktoren, die zum Erfolg von C. Neoformans innerhalb von infizierten Personen beitragen. Die Polysaccharid-Kapsel ist die Mikrobe primäre Virulenzfaktor, als Acapsular Stämme nicht virulente⁸sind.

Die Cryptococcus Kapsel besteht der drei Hauptkomponenten: Glucuronoxylomannan (GXM), Galactoxylomannan (GalXM) und Mannoproteins (MPs)⁹. Während MPs eine relativ geringe Zellwand-assoziierte Komponente der Kapsel sind, sie sind immunogen und vor allem Pro-inflammatorische Reaktion^9,10fördern können. Im Gegensatz dazu GXM und GalXM machen den größten Teil der Kapsel (> 90 % nach Gewicht) und immunsuppressive Effekte¹¹haben. Neben seiner immunmodulatorische Effekte schafft die rasche Erweiterung der Kapsel in Vivo eine mechanische Barriere zur Einnahme von Host phagocytic Zellen (d.h., neutrophilen Granulozyten und Makrophagen)¹². C. Neoformans Kapsel und seine Synthese sind komplex, aber insgesamt, erhöhte Kapseldurchmesser korreliert mit erhöhter Virulenz^6,13,14. Angesichts dieser Tatsache ist es wichtig für C. Neoformans Forscher in der Lage sein, schnell und präzise Kapsel Messungen zu quantifizieren.

C. Neoformans Zelle und seine Polysaccharid-Kapsel sind dynamische Strukturen und Veränderungen über Zeit¹⁵zeigen. Die Kapsel kann in Dichte, Größe und Montage als Reaktion auf Änderungen in der Host-Umgebung^16,17,18ändern. Eisenarme oder Nährstoffgehalt, Exposition gegenüber Serum, die menschlichen physiologischen pH-Wert und erhöhte CO₂ sind bekannt, Kapsel Wachstum^16,18,19,20zu initiieren. Darüber hinaus haben Forscher gezeigt, strukturelle Veränderungen zu erheblichen Unterschieden bei der Immunoreactivity während einer Infektion, Kreditvergabe einen Vorteil zu C. Neoformans gegenüber seinen Wirt^21,22. Dies ist bekannt, weil die Architektur der C. Neoformans Kapsel in eine Vielzahl von Möglichkeiten analysiert wurde. Elektronenmikroskopie, hat beispielsweise ergeben, dass die Kapsel eine heterogene Matrix mit einer inneren Elektron-dichte Schicht unter einer äußeren, durchlässiger Schicht^{23 hat}. Lichtstreuung und die Verwendung von optischen Pinzette konnten Forscher der makromolekularen Eigenschaften²⁴weiter aufzuklären. Analyse der Ergebnisse aus beiden Messungen statische und dynamische Lichtstreuung, wissen wir, dass die Polysaccharid-Kapsel einen komplexen verzweigten Struktur^{23 hat}. Optische Pinzette wurden zur Testen der Steifigkeit der Struktur sowie die Bewertung ihrer Antikörper Reaktivität²⁴. Allerdings ist bei weitem die am häufigsten eingesetzten Analyse der C. Neoformans Kapsel die Messung seiner Größe.

Quantifizierung der Kapsel Größe Forscher nutzen, was eine einfache Messung sein sollte: die lineare Durchmesser der Kapsel. Digitale Mikroskope werden verwendet, um Bilder von mehreren Zellen in C. Neoformans (in der Regel Hunderte) mit Tusche oder Fluoreszenz-Farbstoffen gefärbt zu erfassen. Die Größe der einzelnen Zelle Körper und umgebenden Kapsel wird gemessen. Die Daten werden zusammengestellt, und der mittlere Durchmesser der Kapsel wird durch Subtrahieren des Zellkörper Durchmesser aus der ganzen Zelle Durchmesser (Zellkörper + Kapsel) berechnet. Bis zu diesem Zeitpunkt wurden diese Messungen manuell durchgeführt. Obwohl in der Regel genau, hat diese Methode Nachteile für Forscher. Großer Datenmengen können Tage oder sogar Wochen, von hand zu analysieren. Und da diese Messungen manuell erfolgen, Subjektivität und menschliches Versagen das Ergebnis beeinflussen können.

Automatisierte, computergestützte Bildanalyse ist ein unverzichtbares Werkzeug für Wissenschaftler in vielen Bereichen der molekularen Zellbiologie, ermöglicht schnellere und zuverlässigere Analyse von biologischen Bilder ^25,26,27geworden. Genaues Bild-Analyse-Techniken sind notwendig, um quantitative Informationen aus was oft komplex und immense Datenmengen sind von mir. Allerdings wurden einige Messungen, insbesondere die Messung der C. Neoformans Kapsel, schwer zu automatisieren. Genaue Identifizierung der Schnittstelle zwischen der Zellwand und der Kapsel, die in der Regel als einen dunklen Ring, wenn Phasenkontrast-Mikroskopie abgebildet angezeigt wird, kann zur Lösung mit einem einfachen Schwellenwert lästig sein. Weitere, C. Neoformans Zellen in Kultur tendenziell verklumpen und genaue Segmentierung der Zellen ist notwendig für genaue Messungen.

Das Ziel dieses Projektes war es, (i) eines der Standardprotokolle für Kapsel Induktion in C. Neoformans (Ii) vergleichen und Tusche zu veranschaulichen und Fluoreszenz Färbung wie sie betreffen um Durchmesser Messungen, Kapsel (Iii) entwickeln einfache, Berechnungsmethoden Kapseldurchmesser mit Bildern von Tusche gefärbten Zellen mit einer Bildanalyse-Software und (iv) messen bewerten die vor- und Nachteile Kapseldurchmesser manuell messen und mithilfe der Automatisierung von Software. Wir finden, dass die beiden Färbung Methoden, fluoreszierende Kennzeichnung der Zellwand und Kapsel, während mehr Zeit in Anspruch, die konstantesten Ergebnisse zwischen Experimente. Aber beide Methoden konnten wir erfolgreich zu unterscheiden zwischen Labor und klinische C. Neoformans Kapsel Stämme mit verschiedenen Größen. Darüber hinaus konnten wir die Messung der Kapseldurchmesser von Tusche gefärbten Bilder zu automatisieren und fand, dass dies eine echte Alternative zur manuellen Messung der Kapsel.