这里,说明使用可透膜基于插入物感染系统研究链球菌溶血素S,由A群链球菌产生的分泌毒素的效果的方法中,在角质形成细胞。这个系统可以很容易地应用到各种宿主细胞类型的其他分泌的细菌蛋白的感染过程中的研究。
许多细菌病原体分泌强效的毒素在宿主组织的破坏援,以引发在宿主细胞中的信号的变化或感染的过程中操纵免疫系统的反应。虽然方法已经发展成功纯化和产生许多这些重要的毒力因子,但仍有许多细菌毒素,其独特的结构或广泛的翻译后修饰使它们难以纯化并在体外系统学习。此外,即使当能够得到纯的毒素,存在与学习毒素相关的生理条件下的具体影响相关的许多挑战。大多数在旨在评估分泌细菌毒素对宿主细胞的作用的体外细胞培养模型涉及孵育宿主细胞毒素的一次性剂量。感染,其中的毒素不断所产生过程中的这种方法不好大致与宿主细胞的实际经验细菌细胞,并允许感染的过程中逐渐累积。这个协议描述了基于插入渗透膜细菌感染系统的设计研究链球菌溶血素S,由A群链球菌产生的强效的毒素,对人上皮角质细胞的影响。这个系统的感染比,其中纯毒素或细菌上清液直接施加到宿主细胞的方法中更紧密地模仿自然的生理环境。重要的是,这种方法也消除了宿主反应是由于直接在细菌和宿主细胞之间的接触的偏压。该系统已被用来有效地评估链球菌溶血素S(SLS)的对宿主膜完整性,细胞活力和细胞信号的响应的影响。这种技术可以容易地应用于其他分泌的毒力因子的研究在多种哺乳动物宿主细胞的类型,以调查分泌细菌系数d的具体作用uring感染过程。
了解细菌毒力因子的作用在宿主细胞感染的背景是细菌发病机制研究的主要焦点。许多细菌病原体积极分泌毒素和其它可溶性因子在宿主组织的破坏,以帮助,以引发在宿主细胞中的信号的变化或感染1的过程中,操纵免疫系统反应– 10。虽然方法已经发展成功纯化和产生许多这些重要的致病因素的研究,某些细菌产物具有独特的结构或广泛的翻译后修饰,使对纯化方法他们顽抗候选人,因而不能孤立使用体外系统来研究。例如,A群链球菌,细菌病原体负责的感染范围从咽炎坏死性筋膜炎和中毒性休克综合征无数,产生分泌细菌毒素称为链球菌溶血素S(SLS)11 – 17。此核糖体产生的肽是由链球菌溶血素S相关基因(SAG)簇编码,且成熟的产品,估计为2.7 kDa的大小14 – 17。前毒素,通过SAGA编码,是由几个酶(SAGB,SagC和SAGD)翻译后修饰产生成熟的,功能性的形式15 – 17。在加上毒素的不寻常的氨基酸序列,这些翻译后修饰的复杂性已使该毒素与已尝试迄今15,17所有纯化和结构鉴定的努力不兼容。这些挑战复杂的努力,以确定这种毒素在宿主发病机制中的具体作用。
在的情况下的纯化的毒素或其他分泌的因子的制备或者是复杂的或不可能的,机制,以阐明这些产品的功能传统上一直通过过滤细菌的上清液,然后将其施加到宿主细胞18的制备研究– 20。有与该技术相关联的一些挑战。首先,存储和应用在稍后的时间对宿主细胞时许多这些分泌的因子,包括SLS,不保持最大或一致的活性。此外,当上清液在单一时间点被收集,然后应用到宿主细胞,它是难以确定的生理相关性,得出关于自然感染过程,其中分泌因子允许感染的过程中一个过程中积累的直接结论生理浓度。这第二个挑战不仅适用于使用细菌上清液的,而且要在宿主细胞中的研究1使用的纯化的毒素– 3,8。为了解决这些问题,可透膜樱雪基于RT-感染系统已经开发,以评估在维持最佳毒素活性和也消除细菌和宿主细胞之间的直接接触的可变的方式SLS对宿主细胞的影响。在这个系统中,人上皮细胞生长在一个单层中的两腔室的底部室中井,和细菌被引入到同一井的上部腔室。的多孔膜(0.4微米孔)分隔的上,下腔室,从而使两个室之间交换分泌因子但是防止细菌的通道。该系统允许的宿主反应是仅仅是由于持续分泌的细菌成分,同时消除了通过A组链球菌感染过程中直接接触任何可能发生的反应有效的评价。虽然除了SLS其他分泌细菌因素也可以通过多孔膜,使用的等基因突变型面板,包括野生型(WT)中,SLS-千牛ockout(ΔsagA)和SAGA补充株(ΔsagA+ SAGA)允许对宿主反应是严格SLS-21依赖性精确的评估。
虽然类似渗透膜插入系统已被用于参与病毒感染分泌的因子,肿瘤生物学和免疫细胞迁移22的研究– 26,一些研究涉及与宿主细胞的细菌的相互作用已经利用这种方法6,27,28。即使已采用这种系统,以探索细菌与宿主细胞之间的相互作用的研究主要集中于炎症细胞或细菌迁移通过镀上渗透膜插入上皮或内皮细胞单层。本文所述的可渗透基于插入物膜感染系统是通过一个多孔膜,以评估EFFE依赖于细菌和宿主细胞的分离的简单而有效的方法分泌的毒素,SLS,对宿主细胞膜的完整性,细胞活力,细胞信号转导和分泌宿主细胞因子的克拉。这种技术可以适用于其他分泌的毒力因子在多种哺乳动物宿主细胞类型的研究,调查特定细菌因子的过度的感染过程中的作用。
本文中描述了利用渗透膜基于插入物感染系统研究的在体外系统人类上皮角质化细胞的细菌毒素链球菌溶血素S的影响的方法。这个协议可以适用于其他细菌分泌的毒力因子的研究,以及替代宿主细胞类型。这家新近开发的系统提供了超过,利用纯化毒素或细菌过滤上清液1实验方法几个优点– 3,8,18 – 20。可渗透基于插入膜系统提供有关细菌毒素,因为它产生对宿主细胞,其允许维持最大毒素活性的保持恒定的剂量也实验之间增加的一致性。此外,该系统更紧密地通过允许分泌因子随时间累积的感染的进展和由ELIMI模拟生理条件内廷需要任意地选择具体的毒素浓度以适用于宿主细胞。此外,该系统也将提供装置,用于调查,以评估所关注的细菌因子是否被递送到宿主细胞在接触依赖方式。接触依赖性通常是通过在加入或通过使用该防止附着的试剂的缺陷等基因的细菌的突变体的产生进行测试。这里所描述的系统将提供一个简单的替代来补充或替代这些传统的方法。
除了在该协议的部分5中所述的测试的应用程序,其它应用到这种感染系统可以很容易地适应包括用于细胞因子阵列和ELISA测定的样品的集合。在这两种情况下,一个类似的协议,对于LDH释放测定法描述可以跟随。虽然这里未示出,该系统已被用于有效地收集宿主细胞样品是一个通过流式细胞仪nalyzed。在本申请中,渗透膜插入件是继感染期间除去,将细胞洗涤以除去细胞培养基,并胰蛋白酶被施加以使细胞进行分析的汇编。细菌从宿主细胞的物理分离是这种应用是特别有用的,因为它有助于防止由附着的细菌和宿主细胞中,可以以其他方式与精确细胞计数通过流式细胞仪干涉的大的聚集体的形成。
虽然比较与传统的直接感染研究渗透膜基于插入物感染的研究的结果时,很一致宿主反应已经观察到,在这些宿主反应的动力学一些显着的差异已经观察到21。例如,在宿主信令和膜 – 基于细胞毒性的变化在渗透膜基于插入物感染模型比心病发生取30-50%更长响应直接感染模型。因为渗透膜基于嵌件的系统需要介质要施加到每个上部和下部隔室以及,对于此处描述的研究开发的系统所需的总培养基体积增加了30%,每孔相比相应的先前使用的直接感染模型21。这种差异在总培养基体积,加上细菌与宿主细胞之间的距离增加的直接接触被禁止时,有可能会增加花费SLS通过介质扩散到达宿主细胞和引发所观察到的效果的时间。此外,可渗透基于插入膜系统删除许多气体毒力因子有可能向宿主细胞损害;没有在该系统中这些额外的因素也可能有助于在宿主细胞死亡和主机信号事件的开始相比直接感染21的延迟。这些应考虑的因素设计实验时,评估其他分泌的细菌成分。
找出最有意义的条件来测试对宿主细胞的分泌细菌因素的影响,检测的范围内的时间点的渗透膜以插入感染系统的每一个应用建议。在什么条件下感兴趣的特定致病因子最佳地生成(如对数期,静止期,响应于某些环境信号等 ),以便成功地观察其效果考虑是很重要的。在实验中重点是评估在宿主信号蛋白的变化,有必要选择,允许足够的时间用于SLS达到宿主细胞和以足够的量,以产生以诱导信令改变21的时间点。同时,在主机信令所需的更改的评估将之前SLS诱导膜通透性,因为这影响下进行,omplicates宿主细胞裂解物进行分析的集合。由SLS诱导的细胞死亡可在直接和渗透膜基于插入物感染模型被最佳观察到的报告信号事件21的开始后数小时。另外,在选择感兴趣的时间点,这也是重要的,以确保所研究的细菌是无法在研究期间穿透多孔插入物膜。在较长时间内生产某些细菌成分的可能破坏膜的完整性,并允许细菌的通道到下隔室。以确定这是否是在感兴趣的系统中的潜在问题,加以研究的细菌菌株可以在的范围内的时间点施加到可渗透的基于插入膜系统的上腔室。在每个时间点,插入件可以被小心地去除,并从底腔的介质可以被收集,并以标准菌落共同利用unting试验(参见1.5节)。如果没有菌落从在下部隔室中的细胞培养基形成,插入膜可以假定为有效地防止细菌的通道在所测试的时间点和细菌负荷。
另一个实验设计的组件,很可能需要优化的分泌细菌因子的有效的分析是感染(MOI)的多重性。的MOI是指每宿主细胞的细菌细胞的比率,并且由宿主细胞汇合感染的时间,由细菌菌落形成单位的(CFU)的数目,因此影响施加到细胞。在这些研究中,角质细胞细胞生长至90%汇合,这使得这些细胞形成用完整的紧密连接有凝聚力的单层。宿主细胞的生理组织的考虑周到进行研究是必要选择为感染实验的适当汇合。一旦appropr每孔被确定宿主细胞的莱特号码,合适的细菌的CFU可以计算基于该所需的MOI。在此处描述的研究,气体施加在10适当MOI的MOI对宿主细胞将与不同的细菌,并与所希望的后续分析而变化。低开始的MOI是典型地更生理学相关,并允许针对感兴趣的细菌因子积累足够慢在宿主细胞生存力的急剧变化之前捕获在宿主细胞中信号传导的细微变化是显而易见的。更高的MOI在许多研究中评估的细胞毒性使用的,但这种效果也可以通过用低的MOI开始并允许感染的时间更长的时间取得的进展。重要的是要确定一个准确的CFU至光密度推论为要测试的所有菌株,如同基因的突变体可以比野生型的细菌具有改变的生长速率,因此可能需要更高或更低的CFU每加到很好地确保菌株之间的宿主反应的一个合适的比较。在所研究的哺乳动物宿主细胞能够杀死细菌或抑制其生长,或者如果细菌菌株之间非同步生长被怀疑,它也可以是执行的研究在感染期的结束,以评估最终细菌负荷有用的情况。这可以通过收集可渗透插入件的内容,并执行类似于在该过程的第1.5节中所述的菌落计数测定来完成。
选择适当尺寸的孔中所需测定也用于获得最佳的结果很重要。可渗透膜插入在多种尺寸可用,但使用专为24孔和6孔组织培养板的插入,观察这里示出的研究中最一致的结果。这些刀片尺寸相对容易无菌镊子处理和易于操控的是预防的关键ING从上部隔室到井的下部隔室的细菌不需要的传输。对于涉及宿主细胞裂解物的收集实验中,6孔培养皿中提供每种条件对大多数分析适当的细胞数,并足够大以容纳样品收集细胞刮刀。对于细胞毒性试验,其中宿主细胞保持粘附,并贴有可在读板器( 例如 ,乙锭同型二聚体测定法,台盼蓝排除法)测量荧光或比色染料,使用24孔板与相应的插入件是推荐的。对于其中细胞培养基将被收集和分析实验( 如 LDH释放,细胞因子的研究)任一的24孔或6孔平板,可以使用,虽然小的孔一般为这些分析提供足够的样品体积,并尽量减少使用所需的试剂。总体而言,该方法是高度灵活的,并根据需要,制备SAMPL可适于ES众多后续的应用程序。
The authors have nothing to disclose.
We thank our fellow Lee Lab colleagues, who provided valuable insight and expertise that greatly assisted this research. This work was supported by the Young Innovator Award from the National Institute of Health, awarded to S.W. Lee (NIH-1DP2OD008468-01). R.A. Flaherty is supported by the Albertus Magnus Fellowship provided by Dr. Robert C. Boguslaski, and a teaching assistantship through the Eck Institute for Global Health at the University of Notre Dame.
Todd-Hewitt broth | Acumedia | 7161A | Use appropriate broth for bacterial species of interest. |
BioSpectrometer | Eppendorf | basic model | Any UV-Vis spectrophotometer is suitable. |
Petri Dishes | Fisher Scientific | FB0875713 | Other brands are suitable. |
Agar | Sigma | A1296-1kg | Other brands are suitable. |
HaCaT human epithelial keratinocytes | Gift from lab of Victor Nizet. | ||
Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) | Life Technologies | 11995-073 | Use appropriate media for cell line of interest. |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Biowest | S162H | Use appropriate media additives for cell line of interest. |
10cm tissue culture dishes | Nunc | 150350 | Other brands are suitable. |
6 well tissue culture dishes | CytoOne | cc7682-7506 | Other brands are suitable but need to be compatible with the Corning insert. |
24 well tissue culture dishes | CytoOne | cc7682-7524 | Other brands are suitable but need to be compatible with the Corning insert. |
Glass coverslips | Fisherbrand | 12-541-B | These must be autoclaved prior to use for cell plating. |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Gibco | 10010-023 | |
Phenol Red Free DMEM | Life Technologies | 31053028 | Phenol Red Free media is only required for the LDH release assay. |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Fisher Scientific | BP1600-100 | |
L-glutamine | Gibco | 25030149 | Only required to supplement cell culture media for LDH release assay. |
Sodium pyruvate | Gibco | BP356100 | Only required to supplement cell culture media for LDH release assay. |
Collagen-coated 0.4μm Transwell inserts (6 well) | Corning | 3540 | |
Collagen-coated 0.4μm Transwell inserts (24 well) | Corning | 3595 | |
Forceps | Fisher | 3120018 | These must be sterilized with ethanol prior to handeling Transwell inserts. |
Cell scrapers | Fisherbrand | 08-100-241 | These are only required for the collection of cell lysates. |
Paraformaldehyde | Fisher Scientific | 04042-500 | TOXIC. This is only required for immunofluorescence imaging. |
Bicinchoninic acid (BCA) assay kit | Pierce | 23227 | Other protein quantification assays may be used. |
Tris-glycine 4-15% polyacrylamide gels | BioRad | 4561083 | Buffer system and percent polyacrylamide should be selected based on proteins of interest. |
Electrophoresis cassette supplies | BioRad | 1658063 | Only required for Western Blotting. |
Electrophoresis power supply | BioRad | 1645050 | Only required for Western Blotting. |
Western blot transfer cassette | BioRad | Only required for Western Blotting. | |
Polyvinylidene (PVDF) Membrane | EMD Millipore | IPVH00010 | Only required for Western Blotting. |
Tween 20 | Sigma | P1379-500mL | |
Rabbit IgG-HRP secondary antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc2030 | The secondary antibody should be determined based on the selected method of detection. |
Mouse IgG-HRP secondary antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc2031 | The secondary antibody should be determined based on the selected method of detection. |
Phospho-p38 (T180+T182) MAPK antibody | Cell Signaling | 4511 | Select appropriate primary antibodies based on proteins of interest. |
Total p38 MAPK antibody | Cell Signaling | 8690 | Select appropriate primary antibodies based on proteins of interest. |
Goat anti-rabbit IgG Alexafluor488 | Molecular Probes | A-11034 | Other secondary antibodies may be used for immunofluoresence imaging detection. |
LumiGLO Detection Reagent | KPL | 54-61-00 | Only required for Western Blotting with detection on film. |
Detection film | Biodot | BDB57 | Only required for Western Blotting with detection on film. |
DeltaVision Nikon 90i fluoresence microscope | Nikon | Other fluorescence microscopes are suitable for these analyses. | |
Normal goat serum | Thermo Scientific | 31873 | |
Triton X-100 | Sigma | T9284-500mL | |
DAPI nuclear stain | Cell Signaling | 4083 | Select stains based on specific immunofluorescence applications of interest. |
Rhodamine-phalloidin actin stain | Molecular Probes | R415 | Select stains based on specific immunofluorescence applications of interest. |
Fluoromount-G | Southern Biotech | 0100-01 | Only required for immunofluorescence imaging. |
Ethidium homodimer 1 | Molecular Probes | E1169 | Only required for membrane permeabilization cytotoxicity assay. |
Spectramax M5 Microplate Reader | Molecular Devices | Other microplate readers capable of detecting UV-vis, fluorescence and luminescence may be suitable. | |
Saponin | Sigma | 47036-50G-F | Only required for membrane permeabilization cytotoxicity assay. |
Molecular Probes ATP Determination Kit | Life Technologies | A22066 | Other kits are likely to be suitable. |
Cytotoxicity Detection Kit for LDH release | Roche | 11644793001 | Other kits are likely to be suitable. |
Nonidet P40 Substitute | Sigma | 74385-1L | Other suppliers are suitable. |
HALT Phosphatase Inhibitor Cocktail | Thermo Scientific | 78420B | Other cocktails are likely to be suitable. |
SIGMAFAST Protease Inhibitor Cocktail Tablets, EDTA-free | Sigma | S8830-2TAB | Other cocktails are likely to be suitable. |