WinCF-modellen - en billig og trekkbar mikrokosmos av en slimplugget bronchiole for å studere mikrobiologien av lungeinfeksjoner

Metoden beskrevet i dette manuskriptet kalles WinCF-systemet ¹ . Det overordnede målet med WinCF er å gi et eksperimentelt oppsett som er i stand til å simulere miljøet av en slimfylt lungebronkiol. Dette vil muliggjøre et trekkbart system for å studere mikrobielle patogener av lungesykdommer med en slimhypersekresjonsfenotype, inkludert cystisk fibrose (CF), kronisk obstruktiv lungesykdom (COPD), astma og andre. Prosedyren ble utformet spesielt for studiet av CF, som er preget av mutasjoner som forårsaker lungesekresjoner å bli tykke og vanskelig å klare, til slutt fylle bronkioler og andre små passasjer med slim ² . Slike blokkeringer i lungehemmende gassutveksling fordi inhalert luft ikke lenger er i stand til å nå mange alveoler og også gi et habitat for bakteriell kolonisering ^{3 , 4} . Manglende evne til å forhindre mikrobiell vekst idreven lunge slim til slutt fører til utvikling av komplekse kroniske infeksjoner i luftveiene. Disse gruppene inneholder en rekke organismer, inkludert virus, sopp og bakterier som Pseudomonas aeruginosa, alt i samspill med hverandre ^{5, 6, 7, 8.} Aktiviteten av CF-lunge mikrobiomer er antatt å være involvert i fakkel av symptomer som kalles pulmonale eksaserbasjoner ^{1, 9, 10, 11.} WinCF muliggjør studium av den mikrobielle samfunnet oppførsel rundt disse eksaserbasjoner, og blir nå utvidet til å virke som en base eksperimentelt system for å studere lunge mikrobiell økologi. Tradisjonelt eksaserbasjoner har blitt studert ved direkte analyse av prøver tatt fra lungen. Mange forvirrende faktorer gjør direkte analyse av mikrobiell bOppførsel i lungene utfordrende, med WinCF-systemet, blir mange av disse faktorene fjernet og lungemikrobiets oppførsel kan studeres mer direkte, noe som muliggjør en finere analyse av bakteriell aktivitet i en mucusplugget bronkiole.

WinCF-systemet gir en metode for å vokse og analysere bakterier på en måte som effektivt etterligner lungemiljøet. Tradisjonelle metoder for dyrking av lungebakterier involverte ofte dyrkingsprøver på tradisjonelle agarplater. Disse metodene lar prøvene åpne for atmosfærisk oksygen, og forsømmer å ta hensyn til de hypoksiske og ofte anoksiske forholdene som finnes i lungebrystkarger plugget med slim ^{12 , 13} . Culturing på agar under aerobiske forhold er ingenting som CF-lungens miljø og kan villede klinikere og forskere angående oppførsel av patogener som de prøver å behandle. I tillegg er næringsstoffene tilgjengelige for bakterier på agarplaterEr ulik de som er tilgjengelige i selve sputum, som regnskapsføres i WinCF ved å benytte kunstig sputum media (ASM). Som vist av Pseudomonas kulturer i Sriramulu et al. ¹⁴ , ASM inneholder et bestemt sett av komponenter som etterligner ressursene som er tilgjengelige for sputummikrober, og også replikerer den fysiske konsistensen av sputum. Fordi en syk lunge har en bestemt mikrobiom, bør studien av slike mikroorganismer ideelt sett foregå i de spesifikke tilstandene til lungen også.

WinCF-systemet muliggjør rask analyse og enkel manipulering av eksperimentelle forhold for å observere mikrobielle endringer som ligner på hvordan de ville oppstå i en faktisk lungebronkiol. Denne teknikken tillater inokulering av et myriade av beslektede utvalgstyper, inkludert sputum, spytt, andre kroppssekretjoner og rene eller blandede bakteriekulturer. Naturen til eksperimentell oppsett muliggjør umiddelbar visuell tolkning avDen mikrobielle samfunnsadferd og er designet for å muliggjøre enkel nedstrøms anvendelse av en rekke mikrobiologiske og omiske prosedyrer. Slike studier er viktige fordi bakterielle samfunnssammensetninger endres basert på deres fysiokjemiske forhold. Med WinCF kan de kjemiske forholdene i media manipuleres for å analysere effektene på bakteriell aktivitet. For eksempel kan surheten av mediet endres før inokulering med en prøve. Etter inkubering kan den bakterielle aktiviteten i hver av disse forholdene sammenliknes direkte, og konklusjoner kan trekkes om hvordan bakterier i disse sputumprøver oppfører seg som respons på varierende pH. Her skisserer vi prosedyrene for å bruke WinCF-systemet og eksempler på hvordan mediekjemien kan manipuleres for å studere effektene på lungemikrobiomet.