In vivo spatio-temporal interactions of pathogen and immune defenses at the mucosal level are not easily imaged in existing vertebrate hosts. The method presented here describes a versatile platform to study mucosal candidiasis in live vertebrates using the swimbladder of the juvenile zebrafish as an infection site.
הגנה מוקדמת מפני פתוגנים רירית מורכבת משני מחסום האפיתל ותאי חיסון מולדים. Immunocompetency של שניהם, ואינטרקום, הם בעל חשיבות עליונה להגנה מפני זיהומים. האינטראקציות של תאי מערכת חיסון המולדים אפיתל ועם הפתוגן נחקרות הטובות ביותר in vivo, שבו התנהגות מורכבת נפרש על פני זמן ובמרחב. עם זאת, מודלים קיימים אינם מאפשרים הדמיה מרחב ובזמן קלה של הקרב עם פתוגנים ברמה הרירית.
המודל שפותח כאן יוצר זיהום ברירית על ידי הזרקה ישירה של הפתוגן פטרייתי, קנדידה אלביקנס, לswimbladder של דג הזברה לנוער. הזיהום כתוצאה מאפשר הדמיה ברזולוציה גבוהה של אפיתל והמולד התנהגות תא חיסונית לאורך התפתחות מחלת רירית. הרבגוניות של שיטה זו מאפשרת לחקירה של המארח כדי לחקור את הרצף המפורט של אירועים חיסוניים המובילים לphגיוס agocyte ולבחון את תפקידם של סוגי תאים מסוימים ומסלולים מולקולריים בהגנה. בנוסף, ההתנהגות של הפתוגן כפונקציה של התקפה חיסונית ניתן הדמיה בו זמנית על ידי שימוש בג-להביע חלבון פלואורסצנטי אלביקנס. רזולוציה מרחבית מוגברת של האינטראקציה מארח הפתוגן ניתן גם להשתמש בטכניקה לנתיחה swimbladder המהירה תיארה.
מודל הזיהום ברירית שתואר כאן הוא פשוט ושחזור מאוד, מה שהופך אותו לכלי רב ערך ללימוד פטרת ברירית. מערכת זו יכולה להיות גם באופן רחב הניתנות לתרגום לפתוגנים ריריים אחרים כגון חיידקים mycobacterial, חיידקים או ויראלי, כי בדרך כלל להדביק באמצעות משטחי אפיתל.
Mucosal infections can lead to life threatening bloodstream infections due to the damage of the epithelial barrier, which allows pathogens access to the systemic environment1,2. In addition, mucosal infections can also cause significant immunopathology even when contained externally3-5. The commensal unicellular fungus Candida albicans is present in the majority of the population in the oral cavity and other mucosal sites6-9. Although normally contained by innate and adaptive immune responses, innate immune defects and medical interventions can lead to severe mucosal candidiasis. The assault on the epithelial barrier results in an increased risk of life threatening disseminated disease as well as immunopathology, as in the case of vulvo-vaginal candidiasis, additionally C. albicans colonization has been linked with lung immune homeostasis10,11. Disseminated candidiasis is now the fourth most common bloodstream infection in intensive care units12 and mortality as high as 40% makes it a major concern. Due to the increase in immunomodulatory treatments for patients with autoimmune diseases, cancer or organ transplants, it is imperative to understand the interaction between this pathogen and the mucosal immune compartment.
The majority of cell biological advances regarding C. albicans-cell interactions at the mucosal level come from in vitro13-15 and murine models16-18. Both these approaches have distinct advantages, but the ability to image live cells at high resolution in an intact host has limited the temporal and spatial characterization of the infection. For these studies, there is the need for an in vivo model where the interaction of pathogen, innate immune and epithelial cells can be visualized in an intact vertebrate host.
The zebrafish has emerged as an invaluable tool for the understanding of human disease, mainly due to its transparency and amenability to genetic manipulation. Cell and organ development have been imaged in exquisite detail, which has led to the description of novel immune cell behaviors, such as T cell behavior in the developing thymus19 or the battle between intracellular mycobacteria and phagocytes20-22. Recent work has described intestinal microbe-host interactions in zebrafish and shown that microbial colonization of the intestinal tract affects host intestinal physiology and resistance to other infections23,24. Furthermore, infection through the gut epithelium has been described for several pathogens.
In contrast to the intestinal tract, the swimbladder represents a more isolated and complementary mucosal model. This organ is an extension of the developing gut tube and forms anteriorly to the liver and pancreas25,26. It produces surfactant, mucus and antimicrobial peptides27,28 and anatomically, as well as ontogenetically, this organ is considered a homologue of the mammalian lung29,30. Since the pneumatic duct remains connected to the gut in the zebrafish, this allows for immersion infection to occur naturally. Remarkably, the only known naturally occurring infections of fish with Candida species are C. albicans infections in the swimbladder31. We recently described an experimental immersion infection model where C. albicans infects the swimbladder, and found that this infection recapitulates some of the hallmarks of C. albicans-epithelial interaction in vitro32,33.
In the method presented here, the original immersion infection model is improved by directly injecting C. albicans into the swimbladder of 4 days post fertilization (dpf) zebrafish. This allows for precise temporal control of infection as well as a highly reproducible inoculum. It permits detailed intravital imaging, coupled with the versatility of the zebrafish model. As an example of what can be done with this method, we present the spatio-temporal dynamics of C. albicans growth along with neutrophil recruitment to the site of infection. Because zebrafish swimbladder tissue is challenging to image intravitally, we also present a rapid swimbladder dissection technique that improves fluorescence signal and microscopic resolution. These methods expand the toolbox for fungal, immunological, and aquaculture research as well as describing a novel infection route that may be translated to model other fungal, bacterial or viral infections of mucosal surfaces.
התקדמות ומגבלות מודל המחלה microinjection swimbladder
המודל שהוצג כאן הוא הרחבה של מודל טבילת פטרת הרירי המתואר בGratacap et al (2013).; זה מוסיף את היתרונות של זמן זיהום בשליטה, במינון מאוד לשחזור זיהום, ושיפור יעילות ולכן. אנו מדגימים כאן שיטות חד…
The authors have nothing to disclose.
המחברים מודים לד"ר Le טרין וד"ר טובין לנדיבות מתן α-קטנין: קו דגי סיטרין וביל ג'קמן על שאפשר לנו לעשות את הצילומים במעבדה שלו. המחברים מודים מקורות מימון המכון הלאומי לבריאות (המענקים 5P20RR016463, 8P20GM103423 וR15AI094406) ומשרד חקלאות אמריקאי (פרויקט # ME0-H-1-00517-13). כתב יד זה מתפרסם כחקלאות וראשי ניסוי יערנות מספר פרסום התחנה 3371.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.7 mL tubes | Axygen | MCT-175-C | |
Deep Petri dishes | Fisher Scientific | 89107-632 | |
Transfer pipettes | Fisher Scientific | 13-711-7M | |
Yeast Extract | VWR Scientific | 90000-726 | |
Peptone | VWR Scientific | 90000-264 | |
Dextrose | Fisher Scientific | D16-1 | |
Agar | VWR Scientific | 90000-760 | |
Fine tweezers (Dumont Dumoxel #5) | Fine Science Tools | 11251-30 | |
Wooden Dowels | VWR Scientific | 10805-018 | |
Low Melt Agarose | VWR Scientific | 12001-722 | |
Flaming Brown Micropipette Puller | Sutter Instruments | P-97 | |
Borosilicate capillary | Sutter Instruments | BF120-69-10 | |
MPPI-3 Injection system | Applied Scientific Instrumentation | MPPI-3 | |
Back Pressure Unit | Applied Scientific Instrumentation | BPU | |
Micropipette Holder kit | Applied Scientific Instrumentation | MPIP | |
Foot Switch | Applied Scientific Instrumentation | FSW | |
Micromanipulator | Applied Scientific Instrumentation | MM33 | |
Magnetic Base | Applied Scientific Instrumentation | Magnetic Base | |
Tricaine methane sulfonate | Western Chemical Inc. | MS-222 | |
Dissecting Scope | Olympus | SZ61 top SZX-ILLB2-100 base | |
Confocal Microscope | Olympus | IX-81 with FV-1000 laser scanning confocal system | |
20x microscope objective | Olympus | UPlanSApo 20x/0.75 | |
Roller drum | New Brunswick Scientific | TC-7 | |
Microloader pipette tips | Eppendorf | 930001007 | |
Glass culture tubes (16 x 150 mm) | VWR Scientific | 60825-435 | |
NaCl | VWR Scientific | BDH4534-500GP | |
KCl | VWR Scientific | BDH4532-500GP | |
MgSO4 | VWR Scientific | BDH0246-500GP | |
HEPES (Corning) | VWR Scientific | BDH4520-500GP | |
Children clay (Play-Doh) | Hasbro | ||
CaCl2 | Fisher Scientific | C69-500 | |
Methylene Blue | VWR Scientific | VW6276-0 | |
PTU | Sigma | P7629-10G | |
Petri dishes | Fisher Scientific | FB0875712 | |
Hemocytometer (Hausser scientific) | VWR Scientific | 15170-172 | |
Type A immersion oil | Blue Marble Products | 51935 | |
Centrifuge | Eppendorf | 5424 | |
Vortex Genie | VWR Scientific | 14216-184 | |
Agarose (Lonza) | VWR Scientific | 12001-870 | |
Na2HPO4 | Fisher Scientific | S374-500 | |
KH2PO4 | Fisher Scientific | P285-500 | |
Fishing wire | Stren | ||
96 well imaging plate (Sensoplate) | Greiner Bio-One | 655892 | |
High vacuum grease (Dow Corning) | VWR Scientific | 59344-055 | |
Microslide (25 x 75 mm) | VWR Scientific | 48300-025 | |
Cover slips (18 x 18 mm), No 1.5 | VWR Scientific | 48366-045 | |
15 cm Petri dish (Olympus plastics) | Genesee Scientific | 32-106 | |
Glycerol (EMD chemicals) | VWR Scientific | EMGX0185-5 | |
24-well culture dish (Olympus plastics) | Genesee Scientific | 25-107 | |
Weight boats (8.9 cm) | VWR Scientific | 89106-766 |