Атомно-силовая микроскопия-инфракрасная спектроскопия (AFM-IR) обеспечивает мощную платформу для бактериальных исследований, позволяющую достичь наноразмерного разрешения. Как картирование субклеточных изменений (например, при делении клеток), так и сравнительные исследования химического состава (например, возникающие из лекарственной устойчивости) могут проводиться на уровне одной клетки у бактерий.
Атомно-силовая микроскопия-инфракрасная спектроскопия (AFM-IR) – это новый комбинаторный метод, позволяющий одновременно характеризовать физические свойства и химический состав образца с наноразмерным разрешением. Комбинируя AFM с ИК, преодолевается ограничение пространственного разрешения обычного ИК, что позволяет достичь разрешения 20–100 нм. Это открывает двери для широкого спектра новых применений ИК для прощупшения образцов размером менее нескольких микрометров, ранее недостижимых с помощью обычной ИК-микроскопии. AFM-IR в высшей степени подходит для бактериальных исследований, предоставляя как спектральную, так и пространственную информацию на одноклеточном и внутриклеточном уровне. Растущие глобальные проблемы со здоровьем и неблагоприятные прогнозы будущего в отношении бактериальных инфекций, и особенно быстрое развитие устойчивости к противомикробным препаратам, создали настоятельную потребность в исследовательском инструменте, способном к фенотипическому исследованию на одноклеточном и субклеточном уровне. AFM-IR предлагает потенциал для удовлетворения этой потребности, позволяя детально охарактеризовать химический состав одной бактерии. Здесь мы предоставляем полный протокол для подготовки образцов и сбора данных о единых спектрах и модальности картирования для применения AFM-IR для бактериальных исследований.
Бактерии представляют собой одноклеточные прокариотические организмы, встречающиеся в различных формах и размерах, обычно в диапазоне от нескольких сотен нанометров до микрометров. Они существуют в различных местах обитания и необходимы для существования жизни. В организме человека большинство бактерий, присутствующих в кишечнике, безвредны, и многие из них на самом деле полезны1. Однако некоторые виды бактерий являются патогенными и вызывают целый ряд инфекционных заболеваний. Бактериальные инфекции могут привести к развитию сепсиса и септического шока: опасного для жизни состояния, возникающего в результате реакции организма на инфекцию2. Сепсис является глобальной серьезной угрозой для здоровья, с высокой распространенностью во всем мире и тяжелыми показателями смертности. Только в 2017 году, по оценкам, во всем мире было зарегистрировано 50 миллионов случаев сепсиса, причем 11 миллионов из них привели к смерти (примерно 20%)2. Кроме того, было показано, что снижение шансов на выживание пациента из-за задержки терапии происходит ежечасно3,4.
Бактериальные инфекции лечатся антибиотиками. Тяжесть потенциальных последствий бактериальных инфекций кровотока (BSI) вместе с явным значением быстрого начала антимикробной терапии обусловляют необходимость немедленного введения антибиотиков. Однако, поскольку современные диагностические подходы, используемые в клинической практике (например, культивирование крови), требуют относительно длительного времени, введение антибиотиков часто происходит до положительного диагноза BSI5. Этот фактор приводит к широкому чрезмерному использованию антибиотиков, что вместе с чрезмерным использованием антибиотиков в других секторах, таких как сельское хозяйство, создает серьезное эволюционное давление на развитие устойчивости к противомикробным препаратам (УВМ)6,7. УОМ в настоящее время является одной из наиболее актуальных глобальных проблем здравоохранения7,8 и, по прогнозам, к 2050 году станет основной причиной смерти9. Развитие резистентности вместе с распространением штаммов УВМ происходит тревожными темпами7,8,9 и превышает, на сегодняшний день, темпы открытия новыхантибиотиков 10. Новые устойчивые фенотипы постоянно появляются во всем мире, в то время как
исследования, направленные на понимание изменений, связанных с УУО, часто медленны и ограничены имеющимися подходами11. Кроме того, широко используемые методы, такие как полимеразная цепная реакция (ПЦР) и секвенирование целых генов (WGS), фокусируются только на генотипических изменениях. Этого недостаточно для выявления механизмов резистентности11,что вызывает острую потребность в исследовательском инструменте, позволяющем понять химический состав бактерий.
Инфракрасная спектроскопия (ИК) обеспечивает молекулярную характеристику образца и, таким образом, является перспективным кандидатом для фенотипического бактериального исследования. С момента его раннего применения12,большая величина примеров его использования была продемонстрирована в литературе13,14. К ним относятся фенотипическая идентификация бактерий на уровне рода15,вида16иштамма 17,18. Однако пространственное разрешение обычного ИК ограничено несколькими микронами из-за дифракции длины волны, пространственного предела разрешения19. Поскольку размер большинства бактерий лежит ниже этого предела (например, ось зернистого стафилококка ≈ 400 нм в диаметре), обычный ИК не применим для прощупления на одноклеточном или внутриклеточном уровне.
Ограничение пространственного разрешения было недавно преодолено путем объединения ИК-спектроскопии с атомно-силовой микроскопией (AFM-IR). В этом случае ИК-поглощение обнаруживается косвенно, через тепловое расширение материала19,20,21,22. Короче говоря, поглощение ИК-излучения приводит к локальному повышению температуры. Это может быть измерено либо непосредственно23, либо путем измерения колебаний консольного зонда AFM, возникающих в результате силового импульса, создаваемого ИК-поглощением20,21. Комбинаторная методика AFM-IR позволяет достичь пространственного разрешения, приближающегося к 20 нм, предоставляя одновременную информацию о локальных физических свойствах образца (AFM) и его химическом составе (AFM-IR). Возможно сбор как одиночных спектров из выбранных точек, так и отображение интенсивности выбранных значений волнового числа в пределах выбранной области.
Рассматривая достижимое пространственное разрешение AFM-IR, очевидно, что методика открывает возможность химического/фенотипического исследования одиночных бактерий клеток и их внутриклеточного состава24. До сих пор несколько примеров применения AFM-IR для одиночных бактерий были продемонстрированы в литературе19,20,21,22,25,26,27,28. Они включают в себя одиночный спектральный анализ19,21,22 и картирование на субклеточном уровне19,22,25,26,27,28. Например, описана способность обнаруживать внутриклеточные липидные везикулы27 и вирусы28 в пределах одной бактерии. Эти результаты демонстрируют полезность AFM-IR для наноразмерных исследований отдельных бактерий и клинически значимых патогенов19.
Таким образом, мы представляем метод пробоподготовки и сбора данных AFM-IR многослойных, однослойных и одноклеточных бактериальных образцов. Протокол, описанный в настоящем описании, применялся для изучения различных видов бактерий22 и изменений их химического состава. В частности, развитие in vivo резистентности к ванкомицину и невосприимливости к даптомицину исследовали в клинических парах S. aureus19. Как прерывистая резистентность к ванкомицину, так и непредприязанность к даптомицину у S. aureus (VISA и DpR) появились относительно недавно, после более широкого использования и введения этих антибиотиков в клиники, что представляет собой значительную медицинскую проблему. Кроме того, в частности, механизм невосприимчивости даптомицина по-прежнему остается неуловимым, препятствуя разработке альтернативного препарата19,29. Представленный протокол фокусируется на предоставлении надежных AFM-IR спектров отдельных бактерий, которые могут быть дополнительно проанализированы с использованием различных хемометрических подходов, в соответствии с экспериментальными целями. Он дополнительно включает в себя картографический подход, который применим для внутриклеточных исследований.
Полезность ИК-спектроскопии для характеристики широкого спектра биологических образцов в контексте их химического состава хорошо известен. За последнее десятилетие ИК-спектроскопия стала перспективным инструментом для бактериальных исследований12,13,14,15,16,17. Он продолжает привлекать значительный интерес в области микробиологии, как один из немногих методов, позволяющих фенотипическую характеристику через химический состав. В этом контексте основным недостатком обычной FTIR-микроскопии является ограниченное пространственное разрешение, препятствуя одноклеточным и субклеточным исследованиям бактерий. На самом деле, небольшой размер бактерий представляет собой препятствие не только для ИК, но и для подавляющего большинства методов. Таким образом, имеющиеся исследовательские инструменты для одноклеточных и субклеточных исследований бактерий существенно ограничены. Сочетание AFM с ИК позволяет преодолеть ограничение пространственного разрешения ИК-спектроскопии, предоставляя новый инструмент для бактериальных исследований, способный к наноразмерным исследованию химического состава.
Метод не ограничивается исследованиями одной клетки и позволяет исследовать различные образцы, варьирующиеся по толщине. Несомненно, чистая и тщательная подготовка образцов имеет решающее значение для достижения высокого качества изображений. Протокол в настоящем описании предусматривает способ получения многослойных, монослойных и/или одноклеточных образцов различных бактерий(фиг.1). Подготовленный образец зависит от нескольких факторов, включая начальную бактериальную нагрузку, разбавление после промывки, а также дальнейшее разбавление на субстрате. Количество образца, полученного после разбавления промытых гранул и до осаждения на подложку, обычно позволяет подготовить многочисленные образцы. Поэтому для получения нужного распределения образца на подложке часто выгодно подготовить серию образцов, варьирующихся в их разбавлении. Для исследований, направленных на сбор спектров AFM-IR, а не субклеточную визуализацию, изменение количества образца (например, от однослойного до многослойного) может быть полезным для увеличения интенсивности сигнала.
Другим важным аспектом в подготовке проб является надлежащее удаление остатков среды. В зависимости от выбранных методов культивирования образца, образец собирают либо из жидкой среды, либо из агаровой пластины. В обоих случаях остаточная среда, вероятно, будет присутствовать в образце, хотя и в гораздо меньшей степени при сборе из агаровых пластин. Поскольку бактериальные питательные среды содержат обилие различных биологических компонентов, крайне важно обеспечить надлежащее удаление среды. Мы рекомендуем три промывки сверхчистой водой для образцов агаровой пластины и не менее четырех промывок для образцов, собранных из среды. При необходимости количество стирок может быть увеличено; однако для сравнения различных образцов важно поддерживать его согласованность между выборками. В продемонстрированной протоколе используется вода, а не растворители, такие как фосфатный буферный раствор (PBS) или физиологический раствор. Как PBS, так и физиологический раствор приводят к образованию кристаллов при воздушной сушке, что может повредить бактерии. Кроме того, оба являются источником интенсивных ИК-диапазонов, причем PBS, в частности, содержит несколько полос в области отпечатков пальцев. Отсутствие способности к использованию физиологического раствора или PBS, в настоящее время представляет собой важное ограничение для техники. Как правило, использование воды для промывания не вызывает какого-либо разрушительного воздействия на бактерии; однако следует проявлять осторожность и, по возможности, время воздействия воды должно быть ограничено. Если протокол пробоподготовки необходимо приостановить на этапе промывки, рекомендуется оставить образец в гранулированном виде после удаления воды. Это имеет особое значение для грамотрицательных бактерий, содержащих более тонкую клеточную стенку, так как они более склонны к разрыву.
Для обеспечения надлежащих и высококачественных данных AFM-IR несколько аспектов в протоколе сбора данных имеют решающее значение. Во-первых, для сбора данных необходим правильный сбор справочной информации. В частности, необходимо поддержание стабильных уровней влажности на протяжении всего фонового сбора, а также между фоновым сбором и сбором проб. Для этого рекомендуем продувку прибора азотом и поддержание уровня влажности не выше 25%. Отсутствие продувки может наложить значительное ограничение, особенно в местах с повышенной влажностью. Во-вторых, следует подчеркнуть важность правильной оптимизации ИК-пятен. Для достижения наилучших результатов априорные знания о положении максимумов полосы могут быть полезны. Например, обычный ИК-спектр бактериальных гранул может быть использован для определения положений полос, ожидаемых от образца. Если это невозможно приобрести, в качестве альтернативного подхода пользователь может использовать ИК-спектры, доступные в литературе, или начать оптимизацию, используя положение полосы, которое разумно ожидать в бактерии (например, амид I и амид II). В-третьих, для сбора данных важно подчеркнуть важность тщательного отбора мощности (позволяющего достичь хорошего соотношения S/N), так как это может иметь разрушительный эффект. Рекомендуемая мощность зависит от толщины образца, с приблизительным руководством, доступным в руководстве по прибору31. Мы рекомендуем эмпирически проверить состояние образца после измерения путем сбора изображения AFM, так как это выявит любое разрушительное воздействие. Кроме того, коллекция изображений AFM из одной и той же области до и после сбора спектров AFM-IR служит хорошим подтверждением того, что дрейфа не произошло, и спектры действительно происходят из выбранной точки в ячейке. Возможность дрейфа особенно важна при применении модальности визуализации посредством последовательной визуализации интенсивности ИК при выбранных значениях волнового числа. Пример этого проиллюстрирован на рисунке 5. Изображенная область была определена в начале эксперимента и предназначена для согласованности для всех значений волнового числа. Тем не менее, между каждым изображением высоты AFM (и соответствующей интенсивности ИК-волн) виден четкий дрейф, при этом время получения каждой карты составляет примерно 40 минут. В связи с этим для пользователей, собирающих данные изображений, мы рекомендуем всегда выбирать область, немного большую, чем интересующий образец, чтобы гарантировать, что даже при наличии дрейфа интересующий образец останется в пределах изображенной области.
Потенциальные ограничения протокола включают отсутствие способности собирать данные в гидратированном состоянии в физиологических растворах (например, физиологическом растворе или PBS), описанных выше. Более того, особенно в районах с высокой влажностью, часто возникает необходимость в азотной продувке. Кроме того, протокол позволяет исследовать организмы размером до 100 нм, исключая возможность его использования для небольших структур. Хотя это может быть преодолено с помощью другого лазера (например, квантового каскадного лазера, позволяющего достичь пространственного разрешения 20 нм), это также связано с ограниченным спектральным диапазоном, а также трудностями в получении хорошего отношения сигнал/шум. Наконец, прощание мягких поверхностей может представлять собой проблему, поскольку наконечник не обнаруживает поверхность должным образом и выходит за пределы точки контакта до поломки. Хотя это, как правило, не является проблемой с бактериальными образцами, это может произойти при измерениях более мягких образцов. В таких случаях рекомендуется попытаться зацепиться за чистую поверхность подложки в непосредственной близости от образца.
Описанный протокол может быть использован для многочисленных видов бактериальных исследований, включая сравнительные исследования между различными образцами, а также субклеточное исследование. Данные могут быть проанализированы с использованием хемометрических подходов для одиночных спектров и методов визуализации35,в зависимости от цели исследования. Кроме того, протокол также может быть модифицирован для применения к другим биологическим материалам (таким как грибы, дрожжи, клетки и т. Д.), Путем добавления фиксации.
The authors have nothing to disclose.
Мы хотели бы поблагодарить Bruker за их поддержку. Эта работа была поддержана грантом Университета Монаш по продвижению женского успеха (К. Кочан). A.Y.P признает поддержку со стороны Австралийского национального совета по здравоохранению и медицинским исследованиям (APP1117940). Эта работа финансировалась Австралийским исследовательским советом Discovery Project DP180103484. Мы хотели бы поблагодарить г-на Финлея Шенкса за его инструментальную поддержку и г-жу Ксении Костулиас за ее техническую помощь с образцами.
AFM metal specimen disc | PST ProSciTech Pty Ltd | GA530-15 | Recommended 15 mm |
Anasys AFM-IR nanoIR2 | Anaysys Instruments | 0 | model: nanoIR2 |
Contact mode NIR2 Probes for nanoIR 2 | Bruker / Anasys Instruments | – | Model: Model: PR-EX-NIR2 |
Heraeus Pico 17 Microcentrifuge | Thermo Scientific | – | – |
Matlab | Mathworks Inc | – | Multivariate data analysis software |
Micro-centrifuge tubes, 1.5 mL | Heathrow Scientific | HEA4323 | Can be replaced with any other micro-centrifuge tube |
NanoIR 2 instrument | Bruker / Anasys Instruments | – | – |
PLS toolbox | Mathworks Inc | – | GUI for Matlab |
Selected bacterial medium (e.g. HBA Columbia Plates) | Thermo Fisher | PP2001 | Provided type of medium is an example and can be replaced by others, depending on the type of experiment |
Selected bacterial strain | – | – | The source depends on the aim of research (patient isolates, ATCC strains, etc.) |
Substrate (e.g. Raman grade CaF2) | Crystran | CAFP13-2R | Recommended size: 13 mm Ø x 2.0 mm |
Tip pipette 1000 µl | Axygen | T-1000-B | – |
Tip pipette 200 µl | Axygen | T-200-C | – |
Tip pipette 0.5-10 µl | Axygen | T-300-R | – |
Ultrapure water | – | – | – |