Ce manuscrit décrit une méthode de criblage de banques mutantes de Candida albicans de taille moyenne pour les phénotypes de morphogenèse au cours d’une infection active chez un hôte mammifère en utilisant la microscopie confocale non invasive.
Candida albicans est un agent pathogène humain important. Sa capacité à basculer entre les formes morphologiques est au cœur de sa pathogenèse; Ces changements morphologiques sont régulés par un réseau de signalisation complexe contrôlé en réponse à des stimuli environnementaux. Ces composants régulateurs ont été très étudiés, mais presque toutes les études utilisent une variété de stimuli in vitro pour déclencher la filamentation. Pour déterminer comment la morphogenèse est régulée au cours du processus de pathogenèse, nous avons développé un système de microscopie in vivo pour obtenir des images à haute résolution spatiale d’organismes subissant la formation d’hyphes chez l’hôte mammifère. Le protocole présenté ici décrit l’utilisation de ce système pour dépister de petites collections de souches mutantes de C. albicans, ce qui nous permet d’identifier les principaux régulateurs de la morphogenèse telle qu’elle se produit sur le site de l’infection. Des résultats représentatifs sont présentés, démontrant que certains régulateurs de la morphogenèse, tels que le régulateur transcriptionnel Efg1, ont des phénotypes cohérents in vitro et in vivo, tandis que d’autres régulateurs, tels que l’adénylcyclase (Cyr1), ont des phénotypes significativement différents in vivo par rapport à in vitro.
Candida albicans est un pathogène fongique humain commun, causant des maladies cutanéo-muqueuses, des maladies disséminées et des infections tissulaires localisées1. Une caractéristique clé de la physiologie de C. albicans est sa croissance polymorphe complexe, qui est liée à son rôle à la fois de commensal et d’agent pathogène 2,3,4. Dans des conditions nutritives riches in vitro à 30 °C, il se développe généralement comme une levure bourgeonnante ovoïde. Une variété de déclencheurs environnementaux, y compris la privation de nutriments, les changements de pH, la croissance à 37 ° C, l’exposition au sérum et la croissance lorsqu’il est incorporé dans l’agar-agar, entraînent la transition vers un modèle de croissance polarisé, entraînant la formation de vrais hyphes et / ou de pseudohyphes5. L’initiation de la croissance polarisée et la croissance résultante des organismes filamenteux est appelée morphogenèse.
En raison de l’importance de la morphogenèse dans la virulence de l’organisme, la régulation de la formation des hyphes a été largement étudiée 6,7. Il existe un réseau complexe de voies de signalisation et de régulation transcriptionnelle qui déclenche la morphogenèse. Malgré la relation entre la morphogenèse de C. albicans et la pathogenèse, la plupart des études portant sur la morphogenèse ont utilisé des stimuli in vitro pour déclencher la formation d’hyphes. Il devient de plus en plus clair que les différents modèles in vitro de filamentation ne sont pas identiques en termes de voies de régulation individuelles stimulées. De plus, aucune condition de croissance in vitro ne correspond étroitement à l’environnement complexe de l’hôte. Compte tenu de l’importance de C. albicans en tant qu’agent pathogène humain, l’objectif de ce protocole est d’étudier sa morphogenèse au cours d’une infection active chez un hôte mammifère en utilisant un système à débit modéré, permettant ainsi à un chercheur de cribler les bibliothèques de mutants de C. albicans.
Pour faciliter ces investigations, un système d’imagerie in vivo a été développé qui nous permet d’obtenir des images à haute résolution spatiale des cellules de C. albicans lors de l’infection du pavillon d’une souris anesthésiée à l’aide d’un microscope confocale inversé 8,9,10. Parce que la peau du pavillon est assez mince, ces images peuvent être obtenues sans avoir besoin de dissection tissulaire. Ainsi, les données quantitatives de phénotype peuvent être mesurées sur le site des infections actives dans le tissu hôte. Le protocole décrit ici implique la transformation d’une souche de référence et d’une ou plusieurs souches mutantes avec différentes cassettes d’expression protéique fluorescente11,12. Les souches exprimant des protéines fluorescentes sont ensuite mélangées et co-injectées par voie intradermique. Une fois l’infection établie, l’imagerie confocale est utilisée pour quantifier à la fois la fréquence de filamentation et la longueur des filaments formés. Les données obtenues à partir des souches mutantes sont normalisées à celles obtenues à partir de la souche de référence, qui est présente dans la même région tissulaire, assurant ainsi un contrôle interne. Ce système nous a permis de cribler avec succès plusieurs séries de souches mutantes de C. albicans, dont beaucoup présentent des défauts de morphogenèse in vitro 9,10. Beaucoup de ces souches filamentent facilement in vivo, ce qui souligne l’importance des modèles in vivo pour l’étude de la morphogenèse.
Ce modèle utilise la microscopie confocale pour obtenir des images des organismes de C. albicans lorsqu’ils se développent dans le tissu d’un hôte mammifère, ce qui nous permet d’évaluer les phénotypes de morphogenèse au cours d’une infection active. Le processus de morphogenèse est au cœur de la pathogenèse de C. albicans et a été largement étudié à l’aide d’une variété d’essais in vitro 2,3,4. Cependant, aucun essai in vitro ne peut modéliser complètement l’environnement biochimique et structurel complexe de l’hôte.
Le protocole décrit ici est axé sur l’utilisation de ce système d’imagerie in vivo pour cribler une série / bibliothèque de mutants de C. albicans afin d’identifier les gènes impliqués dans la morphogenèse au cours de l’infection. L’utilisation de souches de C. albicans exprimant différentes protéines fluorescentes permet de quantifier la morphogenèse in vivo des souches mutantes de C. albicans par rapport à celle d’une souche de référence. La comparaison de la morphogenèse chez le mutant à la souche de référence dans la même zone d’infection garantit que les organismes sont exposés à des environnements identiques. Cela permet de mesurer quantitativement le pourcentage de cellules subissant une filamentation, ainsi que l’étendue de la filamentation. La normalisation des mesures de la ou des souches mutantes à celles de la souche de référence permet de mieux comparer les performances d’un mutant à un autre.
Les résultats représentatifs présentés ici démontrent le potentiel d’un écart important entre les phénotypes in vitro et in vivo . La souche mutante de C. albicans efg1ΔΔ est souvent utilisée comme témoin négatif pour les essais de morphogenèse car elle ne parvient pas à filamenter dans presque toutes les conditions in vitro 20. Bien que les résultats in vivo aient été très similaires aux résultats in vitro , même cette souche gravement entravée a parfois formé des filaments dans l’environnement du tissu hôte (Figure 3). Cela souligne la force de l’environnement hôte dans le déclenchement de la morphogenèse.
En revanche, la souche mutante cyr1ΔΔ présente une discordance substantielle entre la croissance in vitro et in vivo; Bien qu’aucune des cellules mutantes ne subisse de filamentation in vitro, environ la moitié des cellules se développent sous forme de filaments in vivo (Figure 4)10,21. Fait intéressant, ces filaments étaient significativement plus courts que ceux formés par la souche de référence, ce qui suggère que CYR1 contribue soit au taux de croissance du filament, soit à la capacité de maintenir un phénotype filamenteux. Pour faciliter l’analyse de la longueur du filament, la longueur du trajet de courbe des filaments a été mesurée à l’aide d’une projection bidimensionnelle des images. Dans les projections bidimensionnelles de filaments se développant en trois dimensions, tout filament croissant sur un axe qui n’est pas parallèle au plan xy se projettera comme plus court que sa longueur réelle. Comme ce raccourcissement se produit également pour la déformation de référence, l’évaluation de la distribution des longueurs de filament dans une projection bidimensionnelle permet toujours une comparaison quantitative entre les souches de référence et mutantes. L’analyse de la longueur du filament en deux dimensions plutôt qu’en trois dimensions nécessite une analyse d’image moins intensive; Ainsi, il peut être effectué relativement rapidement sur un ordinateur de bureau typique. L’utilisation de cette analyse plus simple permet d’inclure la distribution de la longueur du filament dans le cadre d’un protocole de dépistage, ce qui donne une compréhension plus nuancée de la capacité de chaque mutant à subir une morphogenèse sans causer de retards substantiels dans le débit.
Les études représentatives présentées ici ont été réalisées sur des souris DBA2/N, qui présentent un défaut dans leur système du complément entraînant un échec du recrutement des neutrophiles sur le site de l’infection à C. albicans 22. Le but de ces études était d’étudier les mécanismes de régulation de la filamentation de C. albicans dans le tissu hôte. Par conséquent, des souris DBA2/N ont été utilisées pour éviter de confondre les résultats en raison de la sensibilité ou de la résistance d’une souche individuelle aux neutrophiles. Comme la réponse anti-C. albicans des neutrophiles peut avoir un impact sur la filamentation23, le recrutement des neutrophiles sur le site d’infection pourrait avoir un impact sur les résultats d’un test de morphogenèse. Si une souche est capable de filamenter in vivo mais est fortement inhibée par la filamentation lorsque des neutrophiles sont présents, la filamentation serait détectée chez les souris DBA2/N, mais il serait peu probable qu’elle soit observée lors de l’utilisation de souris ayant une chimiotaxie neutrophile intacte. Ainsi, la souche de la souris utilisée comme hôte est un facteur important lors de l’utilisation de ce protocole.
Il est peu probable que l’observation selon laquelle la souche mutante efg1ΔΔ ne parvient pas à filamenter in vivo soit liée aux réponses des neutrophiles de l’hôte, car cette souche ne parvient pas non plus à filamenter in vitro. La filamentation observée in vivo avec la souche cyr1ΔΔ est discordante avec son échec de filamentation in vitro. Les données du modèle de l’infection à C. albicans chez le poisson zèbre indiquent que les neutrophiles réagissant sont importants dans la prévention de la morphogenèse24. Par conséquent, il est peu probable que l’utilisation de souris DBA2/N, qui n’ont pas de réponses neutrophiles, explique l’augmentation de la filamentation du cyr1ΔΔ in vivo par rapport à in vitro. Néanmoins, l’environnement in vivo a clairement un impact sur la morphogenèse de la souche cyr1ΔΔ ; par conséquent, une étude plus approfondie de cette souche peut fournir des informations importantes sur la régulation de la morphogenèse de C. albicans au cours d’infections actives. Le protocole décrit ici est conçu comme un test de dépistage pour identifier des souches telles que la souche cyr1ΔΔ à utiliser dans de futures études.
L’utilisation d’un système d’anesthésie gazeuse à faible débit est très utile pour ce protocole (Figure 1A,B). Au cours du développement initial de ce protocole, les souris ont été anesthésiées à l’aide d’un cocktail anesthésique injectable de kétamine mélangé à de la xylazine. Bien qu’il ait été possible d’effectuer une imagerie limitée avec cette méthode anesthésique, la durée de l’anesthésie était imprévisible, nécessitant la fin rapide des séances d’imagerie pour éviter que la souris ne se remette de l’anesthésie pendant l’imagerie. Les systèmes anesthésiques inhalés traditionnels sont encombrants et nécessitent des débits élevés de gaz anesthésiques, ce qui nécessite souvent leur utilisation dans une hotte. Ainsi, les systèmes anesthésiques inhalés traditionnels seraient très difficiles à utiliser avec les contraintes d’espace d’un microscope confocal sans exposer par inadvertance les chercheurs aux agents anesthésiques. L’utilisation d’un système anesthésique inhalé à faible débit permet une anesthésie constante de l’animal tout en maintenant un environnement sécuritaire pour l’investigateur. Le nez à faible débit permet un positionnement facile de l’animal pour l’inoculation et la microscopie. Le tube d’administration de petit calibre et de faible volume permet l’utilisation de tubes relativement longs, ce qui permet de placer l’appareil d’anesthésie à une distance suffisante pour ne pas interférer avec la microscopie.
La chlorophylle présente dans le chow typique de la souris conduit à une autofluorescence tissulaire significative25. Cela crée un bruit important dans les images, ce qui rend difficile l’obtention d’images de haute qualité et de haute résolution spatiale. Lorsque les animaux ont été nourris avec du chow exempt de chlorophylle pendant 7 jours avant l’imagerie, le bruit de fond de l’autofluorescence a été considérablement diminué dans les tissus, mais la chlorophylle déposée dans les poils a continué à être problématique. L’épilation des pennes à l’aide d’une crème dépilatoire chimique en vente libre est efficace pour minimiser l’autofluorescence des cheveux (Figure 1C,D). Ainsi, la combinaison de chow sans chlorophylle et d’épilation adéquate a considérablement réduit l’autofluorescence et amélioré considérablement la qualité de l’image. Parce que les poils sont retirés de l’oreille avant l’imagerie, la couleur des poils de l’animal n’a pas d’impact sur ce système. Ce protocole a été utilisé avec succès pour étudier les infections à C. albicans chez les souris BALB/c (blanche), C57BL/6 (noire) et DBA2/N (brune). Le protocole peut également être utilisé avec des souris knockout C57BL/6 déficientes en divers gènes de l’hôte; Cela permettra d’étudier à l’avenir l’impact du système immunitaire de l’hôte mammifère sur la filamentation. Une caractéristique de ce modèle non abordée dans ce protocole est que, parce que ce système d’imagerie est non invasif, le même animal peut être imagé à plusieurs reprises sur plusieurs jours, ce qui permet de suivre la progression de l’infection individuelle au fil du temps. Cette caractéristique jouera probablement un rôle clé dans les futures études sur l’interaction hôte-pathogène.
En résumé, ce protocole permet d’obtenir des images à haute résolution spatiale de C. albicans poussant dans le tissu d’un mammifère hôte vivant, ce qui permet une évaluation précise de la morphogenèse des souches mutantes 8,9,10. Les résultats présentés ici démontrent comment ce protocole peut être utilisé pour cribler une bibliothèque de mutants de C. albicans. Parmi les mutants de C. albicans testés à ce jour, une grande partie des mutants présentant des défauts connus de morphogenèse in vitro subissent facilement une filamentation in vivo 9,10. Cela souligne l’importance d’inclure un système in vivo comme celui-ci dans des expériences conçues pour élucider les mécanismes de la pathogenèse de C. albicans.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu par la subvention 1R01AI33409 des NIH et le département de pédiatrie du Carver College of Medicine de l’Université de l’Iowa.
#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 |
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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 | |
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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. |
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Pressure sensitive laboratory tape | Tape & Label Graphic Systems Inc | 1007910 | |
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Thimble, plastic 15 mL conical tube, or Falcon 5 mL round bottom polystyrene tubes | Falcon | 352196 | To safely hold the animals ear during injectinos |