تصف هذه المخطوطة طريقة لفحص مكتبات المبيضات المبيضات المتحولة متوسطة الحجم بحثا عن الأنماط الظاهرية للتشكل أثناء العدوى النشطة في مضيف الثدييات باستخدام الفحص المجهري متحد البؤر غير الغازي.
المبيضات البيض هو أحد مسببات الأمراض البشرية الهامة. قدرتها على التبديل بين الأشكال المورفولوجية أمر أساسي لمرضها. يتم تنظيم هذه التغييرات المورفولوجية من خلال شبكة إشارات معقدة يتم التحكم فيها استجابة للمحفزات البيئية. تمت دراسة هذه المكونات التنظيمية بشكل كبير ، ولكن جميع الدراسات تقريبا تستخدم مجموعة متنوعة من المحفزات في المختبر لتحفيز الخيوط. لتحديد كيفية تنظيم التشكل أثناء عملية التسبب في المرض ، قمنا بتطوير نظام الفحص المجهري في الجسم الحي للحصول على صور عالية الدقة المكانية للكائنات الحية التي تخضع لتكوين hyphal داخل مضيف الثدييات. يصف البروتوكول المقدم هنا استخدام هذا النظام لفحص مجموعات صغيرة من سلالات C. albicans الطافرة ، مما يسمح لنا بتحديد المنظمين الرئيسيين للتشكل عند حدوثه في موقع الإصابة. يتم تقديم نتائج تمثيلية ، مما يدل على أن بعض منظمات التشكل ، مثل منظم النسخ Efg1 ، لها أنماط ظاهرية متسقة في المختبر وفي الجسم الحي ، في حين أن المنظمين الآخرين ، مثل adenyl cyclase (Cyr1) ، لديهم أنماط ظاهرية مختلفة بشكل كبير في الجسم الحي مقارنة بالمختبر.
المبيضات البيض هو أحد مسببات الأمراض الفطرية البشرية الشائعة ، مما يسبب أمراض الجلد المخاطي ، والأمراض المنتشرة ، والتهابات الأنسجة الموضعية1. السمة الرئيسية لفسيولوجيا C. albicans هي نموها المعقد متعدد الأشكال ، والذي يرتبط بدوره كعامل ممرضوممرض 2،3،4. في ظل ظروف المغذيات الغنية في المختبر عند 30 درجة مئوية ، تنمو عادة كخميرة بيضاوية الشكل. تؤدي مجموعة متنوعة من المحفزات البيئية ، بما في ذلك الحرمان من المغذيات ، وتغيرات الأس الهيدروجيني ، والنمو عند 37 درجة مئوية ، والتعرض للمصل ، والنمو عند تضمينه في أجار ، إلى الانتقال إلى نمط نمو مستقطب ، مما يؤدي إلى تكوين خيوط حقيقية و / أو خيوط كاذبة5. يشار إلى بدء النمو المستقطب والنمو الناتج للكائنات الخيطية باسم التشكل.
نظرا لأهمية التشكل في ضراوة الكائن الحي ، فقد تمت دراسة تنظيم تكوين hyphal على نطاق واسع 6,7. هناك شبكة معقدة من مسارات الإشارات وتنظيم النسخ الذي يؤدي إلى التشكل. على الرغم من علاقة تشكل C. albicans مع التسبب في المرض ، فقد استخدمت معظم الدراسات التي تبحث في التشكل المحفزات في المختبر لتحفيز تكوين hyphal. أصبح من الواضح بشكل متزايد أن النماذج المختلفة في المختبر للخيوط ليست متطابقة من حيث المسارات التنظيمية الفردية المحفزة. علاوة على ذلك ، لا تتوافق ظروف النمو في المختبر بإحكام مع البيئة المعقدة للمضيف. نظرا لأهمية C. albicans كممرض بشري ، فإن الهدف من هذا البروتوكول هو التحقيق في مورفها أثناء العدوى النشطة في مضيف الثدييات باستخدام نظام ذو إنتاجية معتدلة ، مما يسمح للمحقق بفحص مكتبات C. albicans الطافرة.
لتسهيل هذه التحقيقات ، تم تطوير نظام تصوير في الجسم الحي يسمح لنا بالحصول على صور عالية الدقة المكانية لخلايا C. albicans أثناء إصابة صيوان فأر مخدر باستخدام مجهر متحد البؤرمقلوب 8،9،10. نظرا لأن جلد الصيوان رقيق جدا ، يمكن الحصول على هذه الصور دون الحاجة إلى تشريح الأنسجة. وبالتالي ، يمكن قياس بيانات النمط الظاهري الكمي في موقع العدوى النشطة داخل الأنسجة المضيفة. يتضمن البروتوكول الموصوف هنا تحويل سلالة مرجعية وسلالة متحولة واحدة أو أكثر مع أشرطة تعبير بروتين فلوري مختلفة11,12. ثم يتم خلط السلالات المعبرة عن البروتين الفلوري وحقنها بشكل مشترك داخل الأدمة. بعد إنشاء العدوى ، يتم استخدام التصوير متحد البؤر لتحديد كل من تواتر الخيوط وطول الخيوط المشكلة. يتم تطبيع البيانات التي تم الحصول عليها من السلالات الطافرة إلى تلك التي تم الحصول عليها من السلالة المرجعية ، الموجودة في نفس منطقة الأنسجة ، وبالتالي توفير التحكم الداخلي. سمح لنا هذا النظام بفحص عدة سلاسل من سلالات C. albicans الطافرة بنجاح ، والعديد منها به عيوب في التشكل في المختبر 9,10. العديد من هذه السلالات خيوط بسهولة في الجسم الحي ، مما يسلط الضوء على أهمية النماذج في الجسم الحي للتحقيق في التشكل.
يستخدم هذا النموذج الفحص المجهري متحد البؤر للحصول على صور لكائنات C. albicans أثناء نموها داخل أنسجة مضيف الثدييات ، مما يسمح لنا بتقييم الأنماط الظاهرية للتشكل أثناء العدوى النشطة. تعتبر عملية التشكل أساسية لتسبب C. albicans وقد تمت دراستها على نطاق واسع باستخدام مجموعة متنوعة من المقايسات في المختبر 2،3،4. ومع ذلك ، لا يمكن لأي مقايسة في المختبر أن نمذجة البيئة البيوكيميائية والهيكلية المعقدة للمضيف بشكل كامل.
يركز البروتوكول الموصوف هنا على استخدام نظام التصوير في الجسم الحي لفحص سلسلة / مكتبة من طفرات C. albicans لتحديد الجينات المشاركة في التشكل أثناء العدوى. يسمح لنا استخدام سلالات C. albicans التي تعبر عن بروتينات فلورية مختلفة بتحديد التشكل في الجسم الحي لسلالات C. albicans الطافرة مقارنة بسلالات السلالة المرجعية. إن مقارنة التشكل في الطفرة بالسلالة المرجعية داخل نفس منطقة العدوى تضمن تعرض الكائنات الحية لبيئات متطابقة. وهذا يسمح بالقياس الكمي للنسبة المئوية للخلايا التي تخضع للخيوط ، وكذلك مدى الخيوط. يسمح لنا تطبيع قياسات سلالة (سلالات) الطفرة بقياسات السلالة المرجعية بمقارنة أداء طفرة بأخرى بشكل أفضل.
توضح النتائج التمثيلية المقدمة هنا إمكانية وجود تباين كبير بين الأنماط الظاهرية في المختبر وفي الجسم الحي . غالبا ما تستخدم سلالة C. albicans efg1ΔΔ الطافرة كعنصر تحكم سلبي في فحوصات التشكل لأنها تفشل في الخيوط في جميع الظروف المختبرية تقريبا20. على الرغم من أن النتائج في الجسم الحي كانت مشابهة جدا للنتائج في المختبر ، حتى هذه السلالة المعوقة بشدة شكلت أحيانا خيوطا في بيئة الأنسجة المضيفة (الشكل 3). هذا يؤكد على قوة البيئة المضيفة في تحفيز التشكل.
في المقابل ، تظهر سلالة cyr1ΔΔ الطافرة تنافرا كبيرا بين النمو في المختبر والنمو في الجسم الحي. على الرغم من عدم خضوع أي من الخلايا الطافرة للخيوط في المختبر ، إلا أن نصف الخلايا تقريبا تنمو كخيوط في الجسم الحي (الشكل 4) 10,21. ومن المثير للاهتمام أن هذه الخيوط كانت أقصر بكثير من تلك التي شكلتها السلالة المرجعية ، مما يشير إلى أن CYR1 يساهم إما في معدل نمو الفتيل أو القدرة على الحفاظ على النمط الظاهري الخيطي. لتسهيل تحليل طول الفتيل ، تم قياس طول مسار منحنى الخيوط باستخدام إسقاط ثنائي الأبعاد للصور. في الإسقاطات ثنائية الأبعاد للخيوط التي تنمو في ثلاثة أبعاد ، فإن أي خيط ينمو على محور غير مواز للمستوى xy سيبرز أقصر من طوله الحقيقي. نظرا لأن هذا التقصير المسبق يحدث أيضا للسلالة المرجعية ، فإن تقييم توزيع أطوال الخيوط في إسقاط ثنائي الأبعاد لا يزال يسمح بإجراء مقارنة كمية بين السلالات المرجعية والمتحولة. يتطلب تحليل طول الفتيل في بعدين بدلا من ثلاثة أبعاد تحليلا أقل كثافة للصورة ؛ وبالتالي ، يمكن إجراؤه بسرعة نسبيا على كمبيوتر سطح مكتب نموذجي. يسمح استخدام هذا التحليل الأبسط بإدراج توزيع طول الخيوط كجزء من بروتوكول الفحص ، مما يعطي فهما أكثر دقة لقدرة كل متحولة على الخضوع للتشكل دون التسبب في تأخيرات كبيرة في الإنتاجية.
تم إجراء الدراسات التمثيلية المقدمة هنا باستخدام الفئران DBA2 / N ، والتي لديها عيب في نظامها المكمل مما تسبب في فشل تجنيد العدلات إلى موقع عدوى C. albicans 22. كان الهدف من هذه الدراسات هو التحقيق في آليات تنظيم خيوط C. albicans داخل الأنسجة المضيفة. لذلك تم استخدام الفئران DBA2 / N لتجنب إرباك النتائج بسبب حساسية سلالة فردية أو مقاومة للعدلات. نظرا لأن استجابة العدلات المضادة ل C. albicans يمكن أن تؤثر على الخيوط23 ، فإن تجنيد العدلات إلى موقع العدوى يمكن أن يؤثر على نتائج فحص التشكل. إذا كانت السلالة قادرة على الخيوط في الجسم الحي ولكن يتم تثبيطها بشدة من الخيوط عند وجود العدلات ، اكتشاف الخيوط في الفئران DBA2 / N ولكن من غير المحتمل رؤيتها عند استخدام الفئران ذات الانجذاب الكيميائي العدلات السليم. وبالتالي ، فإن إجهاد الماوس المستخدم كمضيف هو عامل مهم عند استخدام هذا البروتوكول.
من غير المرجح أن تكون ملاحظة أن السلالة الطافرة efg1ΔΔ تفشل في الخيوط في الجسم الحي مرتبطة باستجابات العدلات المضيفة ، لأن هذه السلالة تفشل أيضا في الخيوط في المختبر. الفتيل الذي لوحظ في الجسم الحي مع سلالة cyr1ΔΔ يتعارض مع فشله في الخيوط في المختبر. تشير البيانات من نموذج الزرد لعدوى C. albicans إلى أن العدلات المستجيبة مهمة في الوقاية من التشكل24. لذلك ، من غير المرجح أن يفسر استخدام فئران DBA2 / N ، التي تفتقر إلى استجابات العدلات ، الزيادة في خيوط cyr1ΔΔ في الجسم الحي مقارنة بالمختبر. ومع ذلك ، فإن البيئة في الجسم الحي تؤثر بوضوح على تشكل سلالة cyr1ΔΔ. وبالتالي ، قد يوفر مزيد من التحقيق في هذه السلالة معلومات مهمة حول تنظيم تشكل C. albicans أثناء العدوى النشطة. تم تصميم البروتوكول الموصوف هنا كاختبار فحص لتحديد سلالات مثل سلالة cyr1ΔΔ لاستخدامها في الدراسات المستقبلية.
يعد استخدام نظام تخدير الغاز منخفض التدفق مفيدا جدا لهذا البروتوكول (الشكل 1 أ ، ب). خلال التطوير الأولي لهذا البروتوكول ، تم تخدير الفئران باستخدام كوكتيل مخدر عن طريق الحقن من الكيتامين الممزوج بالزيلازين. في حين أنه كان من الممكن إجراء تصوير محدود باستخدام طريقة التخدير هذه ، إلا أن مدة التخدير كانت غير متوقعة ، مما يتطلب إنهاء جلسات التصوير بسرعة لتجنب تعافي الفأر من التخدير أثناء التصوير. أنظمة التخدير التقليدية المستنشقة ضخمة وتتطلب معدلات عالية من تدفق غازات التخدير ، وغالبا ما تتطلب استخدامها داخل غطاء الدخان. وبالتالي ، سيكون من الصعب جدا استخدام أنظمة التخدير المستنشقة التقليدية مع قيود المساحة للمجهر متحد البؤر دون تعريض الباحثين عن غير قصد لعوامل التخدير. يسمح استخدام نظام التخدير المستنشق منخفض التدفق بتخدير ثابت للحيوان مع الحفاظ على بيئة آمنة للمحقق. يسمح المخروط ذو التدفق المنخفض بتحديد موقع الحيوان بسهولة لكل من التلقيح والفحص المجهري. يسمح أنبوب التوصيل ذو العيار الصغير والحجم المنخفض باستخدام أنابيب طويلة نسبيا ، مما يتيح وضع آلة التخدير على مسافة كافية حتى لا تتداخل مع الفحص المجهري.
يؤدي الكلوروفيل الموجود في تشاو الفأر النموذجي إلى تألق ذاتي كبير للأنسجة25. هذا يخلق ضوضاء كبيرة في الصور ، مما يجعل من الصعب الحصول على صور عالية الجودة وعالية الدقة المكانية. عندما تم تغذية الحيوانات بالكلوروفيل الخالي من الكلوروفيل لمدة 7 أيام قبل التصوير ، انخفضت الخلفية من التألق الذاتي بشكل كبير في الأنسجة ، لكن الكلوروفيل المترسب في الشعر ظل يمثل مشكلة. إزالة الشعر على الصيوان باستخدام كريم مزيل الشعر الكيميائي الذي لا يحتاج إلى وصفة طبية فعال في تقليل التألق الذاتي في الشعر (الشكل 1C ، D). وبالتالي ، فإن الجمع بين تشاو الخالي من الكلوروفيل وإزالة الشعر الكافية قلل بشكل كبير من التألق الذاتي وحسن جودة الصورة بشكل كبير. نظرا لإزالة الشعر من الأذن قبل التصوير ، فإن لون شعر الحيوان لا يؤثر على هذا النظام. تم استخدام هذا البروتوكول بنجاح لدراسة عدوى C. albicans في الفئران BALB / c (أبيض) و C57BL / 6 (أسود) و DBA2 / N (بني). يمكن أيضا استخدام البروتوكول مع فئران خروج المغلوب C57BL / 6 التي تعاني من نقص في جينات مضيفة مختلفة. سيسمح ذلك بإجراء تحقيقات مستقبلية حول كيفية تأثير الجهاز المناعي المضيف للثدييات على الخيوط. إحدى ميزات هذا النموذج التي لم تتم مناقشتها في هذا البروتوكول هي أنه نظرا لأن نظام التصوير هذا غير جراحي ، يمكن تصوير نفس الحيوان بشكل متكرر على مدار عدة أيام ، مما يسمح بمتابعة تقدم العدوى الفردية بمرور الوقت. من المحتمل أن تلعب هذه الميزة دورا رئيسيا في الدراسات المستقبلية حول التفاعل بين المضيف وممرض.
باختصار ، ينتج عن هذا البروتوكول صور عالية الدقة المكانية ل C. albicans تنمو في أنسجة مضيف ثديي حي ، مما يسمح بتقييم دقيق للتشكل في السلالات الطافرة8،9،10. توضح النتائج المقدمة هنا كيف يمكن استخدام هذا البروتوكول لفحص مكتبة من طفرات C. albicans. من بين طفرات C. albicans التي تم اختبارها حتى الآن ، يخضع جزء كبير من الطفرات ذات العيوب المعروفة في التشكل في المختبر بسهولة للخيوط في الجسم الحي 9,10. هذا يسلط الضوء على أهمية تضمين نظام في الجسم الحي مثل هذا النظام في التجارب المصممة لتوضيح آليات التسبب في C. albicans.
The authors have nothing to disclose.
تم دعم هذا العمل من قبل منحة المعاهد الوطنية للصحة 1R01AI33409 وقسم طب الأطفال ، كلية كارفر للطب ، جامعة أيوا.
#1.5 coverslips | Thermo-Fisher | 20811 | large enough to cover the universal stage opening |
0.1 mL Insulin syringes | EXELint | 26018 | Can use syringes that are 5/16"–1/2" long and 29–32 G |
3.7% formaldehyde in dPBS | Sigma-Aldrich | SHBJ5734 | |
70% Ethanol/30% water | Decon Laboratories | A05061001A | |
Alcohol prep pads | Covidien | 5110 | Alternative: gauze pads soaked in 70% isopropyl alcohol |
C.albicans reference strain and experimental strains | SN250 | FGSC Online Catalog | The specific C. albicans strain varies with experiment and the investigators goals. We have used strains derived from SC5314 as well as other clinical isolates. |
Chlorophyl free mouse chow | Envigo | 2920x | |
Computer | Dell | Optiplex 7050 | Computer that can run imaging software for acquisition and for analysis of images. A variety of imaging software is available and varies with the specific microscope and user system. |
Cotton tip applicator | Pro Advantage | 76200 | |
DBA2/N (6-12 week old mice) | BALB/c and C57/BL6 mice can also be used. The latter allow for the use of widely available knockout mouse models as well as mouse models in which individual cell types, such as phagocytes, are identified by their expression of fluorescent proteins. | ||
Double sided tape designed to hold fabric to skin (fashion tape) | local pharmacy or grocery store | Double sided adhesive tape designed for keeping clothing in place over human skin. This is typically available over the counter in pharmacies and variety stores. It is important to use this type of tape as it is designed for gentle adherence to skin. Examples: https://www.amazon.com/Womens-Fashion-Clothing-Transparent-Suitable/dp/B08S3TWR3H/ref=sr_1_40?crid=2UWFL8FMFAKGM&keywords =fashion+tape&qid=1649174406&sprefix= fashion+tape%2Caps%2C70&sr=8-40 https://www.amazon.com/Fearless-Tape-Sensitive-Clothing-Transparent/dp/B07QY8V5XT/ref=sr_1_26?crid=2UWFL8FMFAKGM&keywords =fashion+tape&qid=1649174320&sprefix= fashion+tape%2Caps%2C70&sr=8-26 https://www.amazon.com/Hollywood-Fashion-Secrets-Tape-Floral/dp/B009RX77MK/ref=sr_1_29?crid=2UWFL8FMFAKGM&keywords =fashion+tape&qid=1649174406&sprefix= fashion+tape%2Caps%2C70&sr=8-29 |
|
Dulbecco's phosphate buffered saline | Gibco / Thermo-Fisher | 14190-144 | Must be sterile; open a new container for every experiment |
Fetal bovine serum | Gibco / Thermo-Fisher | 26140-079 | |
Gauze pad | Pro Advantage | P157112 | |
Gel eye lurbicant | local pharmacy or grocery store | ||
ImageJ or FIJI analysis software | NIH | ImageJ (FIJI) | |
Isoflurane | Akorn | J119005 | |
Leica DMi8 (SP8 platform) with Leica 11506375 objective lens | Leica | DMi8 (SP8) | The objective lens (Leica 11506375) used here is a 25x water immersion lens to allow us to have a high NA (0.95) while approximating the refractive index of the ear tissue. The microscope (Leica DMi8 (SP8 platform) has 488 nm and 638 nm diode laser lines and is equipped with filter-free spectral detection with computer controlled adjustable bandwidth for detection of emission light. The stage must have enough clearance to allow the objective to reach the bottom coverslip without hitting the stage. |
Low-flow anesthesia system or traditional anesthesia vaporizer | Kent Scientific International | SomnoSuite | |
Nair hair remover lotion | local pharmacy or grocery store | Over the counter depilatory cream | |
Nourseothricin | Jena Bioscience | AB-101L | |
pENO1-NEON-NATR pENO1-iRFP-NATR plasmids | Fluorescent protein expression transformation constructs generously given to us by Dr. Robert Wheeler (Seman, et al., 2018, Infection and Immunity; Bergeron, et al., 2017, Infection and Immunity) | ||
Pressure sensitive laboratory tape | Tape & Label Graphic Systems Inc | 1007910 | |
RPMI1640 cell culture medium | Gibco / Thermo-Fisher | 11875-093 | |
Thimble, plastic 15 mL conical tube, or Falcon 5 mL round bottom polystyrene tubes | Falcon | 352196 | To safely hold the animals ear during injectinos |