Etablierung der minimalen bakteriziden Konzentration eines antimikrobiellen Mittels für planktonische Zellen (MBC-P) und Biofilmzellen (MBC-B)
Summary
Dieses Protokoll ermöglicht einen direkten Vergleich zwischen planktonischer und Biofilmresistenz für einen Bakterienstamm, der mit einer 96-Well-Mikrotiterplatte einen Biofilm in vitro bilden kann. Planktonische oder Biofilmbakterien sind seriellen Verdünnungen des antimikrobiellen Mittels der Wahl ausgesetzt. Die Lebensfähigkeit wird durch das Wachstum auf Agarplatten geprüft.
Abstract
Dieses Protokoll ermöglicht einen direkten Vergleich zwischen planktonischer und Biofilmresistenz für einen Bakterienstamm, der in vitroeinen Biofilm bilden kann. Bakterien werden in die Brunnen einer 96-Well-Mikrotiterplatte geimpft. Beim planktonischen Assay werden den bakteriellen Suspensionen serielle Verdünnungen des antimikrobiellen Mittels der Wahl zugesetzt. Im Biofilm-Assay, einmal geimpft, werden die Bakterien über einen bestimmten Zeitraum zu einem Biofilm zurückgelassen. Nicht angeschlossene Zellen werden aus den Brunnen entfernt, das Medium aufgefüllt und serielle Verdünnungen des antimikrobiellen Mittels der Wahl hinzugefügt. Nach der Exposition gegenüber dem antimikrobiellen Mittel werden die planktonischen Zellen auf Wachstum untersucht. Für den Biofilm-Assay werden die Medien mit frischen Medien ohne antimikrobielle Mittel aufgefrischt und die Biofilmzellen müssen sich erholen. Die Lebensfähigkeit von Biofilmzellen wird nach der Erholungsphase geprüft. Das MBC-P für das antimikrobielle Mittel ist definiert als die niedrigste Konzentration von Medikament, das die Zellen in der planktonischen Kultur abtötet. Im Gegensatz dazu wird das MBC-B für einen Stamm bestimmt, indem vorgeformte Biofilme für 24 Stunden erhöhten Konzentrationen antimikrobiellen Mittels aussetzen. Das MBC-B ist definiert als die niedrigste Konzentration an antimikrobiellen Mitteln, die die Zellen im Biofilm abtötet.
Introduction
Antibiotikaresistenz-Assays wurden ursprünglich entwickelt, um die Resistenz von planktonischen (freischwimmenden) Bakterienkulturen zu assayen. Da es sich bei vielen bakteriellen Infektionen um Biofilme (oberflächengebundene Zellen) handelt, waren wir an der Entwicklung einer Methode zum Assay biofilmspezifischer Antibiotikaresistenz interessiert. Die meisten Antibiotikaresistenztests sind jedoch schlecht geeignet, um die Resistenz von Biofilmen zu messen. Beispielsweise ist die Bestimmung der minimalen hemmenden Konzentration (MIC) der Goldstandard für die Bestimmung der Antibiotikaresistenz von planktonischen Bakterienkulturen 1. Dieser Test beinhaltet das Mischen einer verdünnten planktonischen Kultur mit einer Verdünnungsserie von Antibiotika. Die Konzentration von Antibiotika, die das sichtbare Wachstum der planktonischen Zellen hemmt, ist das MIC. Da dieser Test auf wachstumshemmungshzuhemmen ist, kann er per definitionem nicht mit Biofilmkulturen arbeiten, was die Untersuchung der antibiotika-Empfindlichkeit von Zellen in einem vorgewachsenen Biofilm erfordert. Anstatt die Wachstumshemmung zu messen, bestimmt der hier beschriebene MBC-B-Assay die Konzentration von Antibiotika, die bereits in einem Biofilm vorhandene Zellen abtötet. So zielt dieser Test darauf ab, antibiotika-Behandlungen etablierter Biofilminfektionen nachzuahmen und einen relevanteren Überblick über die bakterielle Antibiotikaresistenz in vivozu geben.
Da Biofilme im Allgemeinen antibiotikaresistenter sind als planktonische Kulturen 2-4 , war es notwendig, eine Methode zu entwickeln, die die Antibiotikaresistenz eines Biofilms direkt mit der einer planktonischen Kultur in Beziehung steht. Ein weiteres Ziel dieser Methode ist es, den Grad der Antibiotikaresistenz zwischen planktonischen und Biofilmzellen direkt vergleichen zu können. Die hier beschriebenen MBC-P- und MBC-B-Assays machen dies möglich, da Zellen unter ähnlichen Bedingungen kultiviert werden. Wir haben diese Methode verwendet, um mehrere Gene zu untersuchen, die für die biofilmspezifische Antibiotikaresistenz 5-8 wichtig sind.
Protocol
Representative Results
Discussion
Antibiotikaresistenz in planktonischen Zellen ist definiert als eine Erhöhung der minimalen hemmenden Konzentration (MIC) eines Antibiotikums aufgrund einer permanenten Veränderung der Zellen(z. B. eine Mutation). Die bisher identifizierten Mechanismen der biofilmspezifischen Resistenz oder Toleranz sind das Ergebnis der Expression wildartiger Gene in Biofilmen. Daher gilt die klassische Definition von Resistenz nicht für Biofilme. Es wurde jedoch eine weitere Reihe von Definitionen vorgelegt: Resistenzmechan…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Der Autor dankt Li Zhang, Xian-Zhi Li, Aaron Hinz und Clayton Hall für die redaktionelle Hilfe bei diesem Manuskript. Dieser Test wurde ursprünglich im Labor von George O’Toole, Geisel School of Medicine in Dartmouth, entwickelt. Die Forschung in Dr. Mahs Labor wird durch Stipendien des Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada und Cystic Fibrosis Canada unterstützt.
Materials
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1x M63 |
Prepare as a 5x M63 stock by dissolving 15g KH2PO4, 35g K2HPO4 and 10g (NH4)2SO4 in 1 L of water. This stock does not need to be autoclaved and can be stored at room temperature. Dilute 5x stock 1:5, autoclave, cool, then add the desired components. |
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KH2PO4 |
Fisher |
P285-500 |
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K2HPO4 |
Fisher |
P288-500 |
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(NH4)2SO4 |
Sigma |
A5132 |
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Magnesium sulfate |
Fisher |
M63-500 |
Add to 1 mM final concentration. Prepare as a 1 M stock in water and autoclave. |
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Tobramycin |
Sigma |
Prepare 50 mg/m stock. Aliquot and store at –20°C. |
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Arginine |
Sigma |
A5131 |
Add to 0.4% final concentration. Prepare as a 20% stock in water and filter sterilize. This alternative carbon/energy source can replace glucose and casamino acids |
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96-well microtiter plates |
Corning |
3595 |
Sterile, flat-bottom, low evaporation |
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Tranferpette (multichannel pipette) |
BrandTech |
2703610 |
8-channel, 20-200 μl |
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Multiprong device |
Dan-Kar |
MC48 |
48 prongs fit into ½ of a 96-well microtiter plate |
References
- Hoiby, N., Bjarnsholt, T., Givskov, M., Molin, S., Ciofu, O. Antibiotic resistance of bacterial biofilms. Int. J. Antimicrob. Agents. 35 (4), 322-332 (2010).
- Mah, T. F., O’Toole, G. A. Mechanisms of biofilm resistance to antimicrobial agents. Trends Microbiol. 9 (1), 34-39 (2001).
- Mah, T. F. Biofilm-specific antibiotic resistance. Future Microbiol. 7 (9), 1061-1072 (2012).
- Mah, T. F., Pitts, B., Pellock, B., Walker, G. C., Stewart, P. S., O’Toole, G. A. A genetic basis for Pseudomonas aeruginosa biofilm antibiotic resistance. Nature. 426 (6964), 306-310 (2003).
- Zhang, L., Mah, T. F. The Involvement of a Novel Efflux System in Biofilm-Specific Resistance to Antibiotics. J. Bacteriol. 190 (13), 4447-4452 (2008).
- Zhang, L., Hinz, A. J., Nadeau, J. P., Mah, T. F. Pseudomonas aeruginosa tssC1 Links Type VI Secretion and Biofilm-specific Antibiotic Resistance. J. Bacteriol. 193 (19), 5510-5513 (2011).
- Beaudoin, T., Zhang, L., Hinz, A. J., Parr, C. J., Mah, T. F. The Biofilm-Specific Antibiotic Resistance Gene, ndvB, is Important for Expression of Ethanol Oxidation Genes in Pseudomonas aeruginosa Biofilms. J. Bacteriol. 194 (12), 3128-3136 (2012).
- O’Toole, G. A. Microtiter Dish Biofilm Formation Assay. J. Vis. Exp. (47), e2437 (2011).
- Lewis, K. Multidrug tolerance of biofilms and persister cells. Curr. Top. Microbiol. Immunol. 322, 107-131 (2008).
- Merritt, J. H., Kadouri, D. E., O’Toole, G. A. Growing and Analyzing Static Biofilms. Curr. Protoc. Microbiol. 1, 1B.1.1-1B.1.17 (2005).
- Ramey, B. E., Parsek, M. R. Chapter 1. Growing and analyzing biofilms in fermenters. Curr. Protoc. Microbiol. 1, 1B.3.1-1B.3.14 (2005).
