In dit protocol, fluorescently geëtiketteerde T. cruzi werden ingespoten in transparante zebrafish larven en de beweeglijkheid van de parasiet werd waargenomen in vivo met licht blad fluorescentie microscopie.
De ziekte van Chagas is een parasitische besmetting veroorzaakt door Trypanosoma cruzi, waarvan motiliteit niet alleen belangrijk voor lokalisatie, maar ook voor cellulaire bindend en invasie is. Huidige diermodellen voor de studie van T. cruzi toestaan beperkte waarneming van parasieten in vivo vertegenwoordigen een uitdaging voor begrip parasiet gedrag tijdens de eerste stadia van de infectie bij de mens. Deze protozoan heeft een flagellar fase in zowel vector- als zoogdieren gastheren, maar er zijn geen studies beschrijven haar beweeglijkheid in vivo. Het doel van dit project was om een levende gewervelde zebrafish model voor het evalueren van T. cruzi beweeglijkheid in het vaatstelsel. Transparante zebrafish larven werden ingespoten met fluorescently waargenomen met behulp van licht blad fluorescentie microscopie (LSFM), een noninvasive methode om levende organismen met hoge optische resolutie visualiseren en label trypomastigoten. De parasieten kunnen worden gevisualiseerd voor langere tijd te wijten aan de relatief lage risico van deze techniek van photodamage t.o.v. confocal of epifluorescence microscopie. T. cruzi parasieten werden waargenomen in de bloedsomloop van levende zebrafish in verschillen in de grootte van de bloedvaten en de dooier reizen. Ze kunnen ook gezien worden gekoppeld aan de dooierzak wand en aan de atrioventriculaire klep ondanks de sterke krachten die is gekoppeld aan de contracties van het hart. LSFM van T. cruzi-geënte zebrafish larven is een waardevolle methode die kan worden gebruikt om te visualiseren circuleren van parasieten en evalueren van hun tropisme, migratiepatronen en beweeglijkheid in de dynamische omgeving van het cardiovasculair systeem van een levend dier.
De ziekte van Chagas wordt veroorzaakt door de eencellige parasiet T. cruzi. Ongeveer 6 tot 7 miljoen mensen wereldwijd zijn geïnfecteerd met T. cruzi. De ziekte wordt overgebracht vooral in Latijns-Amerika, maar is gemeld in de Verenigde Staten, Canada, en vele Europese evenals sommige Western Pacific-landen, voornamelijk als gevolg van migratie van geïnfecteerde personen1. Chagas is grotendeels vectoren overgedragen en overgedragen op mensen door contact met de uitwerpselen van hematophagic insecten in de onderfamilie Triatominae, beter bekend als “kissing bugs”. T. cruzi kunnen echter ook worden overgedragen via bloedtransfusies, verticale overdracht van moeder naar kind of inname van voedsel besmet met parasieten2. De acute fase van de infectie is vooral asymptomatische of constitutively symptomatisch en duurt van 6 tot 8 weken, waarna de betrokkenheid van het immuunsysteem controleert parasiet belasting, maar doet niet volledig elimineren de infectie3. De meeste individuen voer een chronische asymptomatische fase; echter, bijna 30% van de patiënten ontwikkelen een symptomatische chronische fase, waarin het cardiale systeem en minder vaak de spijsvertering en het zenuwstelsel gecompromitteerd4 zijn. Dit scenario vormt een uitdaging voor de behandeling van de ziekte en de controle, aangezien er geen vaccins beschikbaar, en er slechts twee effectieve medicijnen voor Chagas zijn: benznidazole en nifurtimox. Beide behandelingen kunnen vereist langdurige toediening en ernstige bijwerkingen2.
Toegenomen inzicht in het gedrag van T. cruzi is gedrag in vivo de sleutel tot het bepalen van de parasitaire migratie, cellulaire bijlage en invasie binnen de gastheer; een gebrek in vivo modellen beperkt de ontwikkeling van nieuwe therapeutische benaderingen. In vitro studies van T. cruzi infectie hebben aangetoond dat motiliteit van trypomastigoten belangrijk voor de binding aan host celmembranen en latere cellulaire invasie5 is. Uitputting van de energie in trypomastigoten in co-cultuur met een gevoelig cellijn is aangetoond dat het verminderen van cellulaire invasie6. Interessant, in trypanosomatids, heeft flagellar beweging ook gekenmerkt als een mechanisme van de belastingontduiking tegen parasiet-specifieke antilichamen7.
Flagellar motiliteit is al uitgebreid bestudeerde in vitro in Trypanosoma brucei, een nauw verwante parasiet waardoor Afrikaanse Trypanosomiasis8. In vitro studies van de beweeglijkheid van deze trypanosomen bleek dat de simulatie van de voorwaarden van bloed of lichaamsvloeistoffen, met inbegrip van de viscositeit en de aanwezigheid van obstakels die representatief zijn voor de cellen van het bloed, belangrijk voor de voorwaartse beweging van de parasiet9 is . Als van heeft het nog niet gelukt zijn te visualiseren van het verkeer van parasieten in de bloedbaan in vivo.
Zebravis larven zijn een krachtig model te bestuderen van de gastheer-pathogeen interacties in vivo. Ze zijn kleine, goedkope en relatief gemakkelijk te verhogen in vergelijking met andere gevestigde gewervelde modellen voor de ziekte van Chagas. Zebravis aangeboren en adaptieve immuunsysteem vergelijkbaar met mensen, maar hun adaptieve immuunsysteem begint te ontwikkelen op 4 dagen post bevruchting (dpf) en is niet rijp voor een ander aantal weken10. Tijdens de vroege ontwikkeling, wanneer alleen macrofagen aanwezig, is er een groot raam voor het bestuderen van de parasiet gedrag zonder onmiddellijke immuun interferentie10. Het grootste voordeel van het gebruik van larven van de zebravis als model voor het bestuderen van de pathogeen gedrag gewervelde ligt echter in hun optische transparantie, waardoor ze zich lenen voor microscopische screening en imaging11. Daarnaast zijn er meerdere hulpmiddelen te manipuleren vis genetica. Bijvoorbeeld, is de stam van Casper een mutant lijn van zebravis met geen pigmentatie, waardoor het dier volledig transparant en handig voor visualisatie van afzonderlijke organen en voor real-time tracking van ingespoten cellen12.
Een belangrijke beperking van longitudinale observatie van snel bewegende parasieten in met behulp van live zebrafish confocal of epifluorescence microscopie ligt in de onmogelijkheid van de beeldvorming op hoge acquisitie snelheden en grote penetratie diepten met goede beeldkwaliteit en lage risico van photodamage. Lichte blad fluorescentie micsroscopy (LSFM) is een opkomende beeldvormende techniek die overwint deze beperkingen om deze opmerkingen toe te staan. Met behulp van één doelstelling om fluorescentie en een tweede doelstelling van de orthogonale verlichting die alleen het brandvlak van de detectie-doelstelling verlicht te detecteren, is het mogelijk om hoge resolutie optische secties zoals bij een confocal microscoop, maar met aanzienlijk verlaagd photodamage, zelfs met betrekking tot epifluorescence microscopie13. De techniek van de LSFM die hier wordt gebruikt is één vliegtuig verlichting microscopie (SPIM), waarin een dun blad van licht een enkel vliegtuig binnen de larven van de zebravis verlicht genoemd.
Het doel van deze methodiek is om larvale zebravis als een levensvatbare niet-infectie model voor het begrijpen van T. cruzi beweeglijkheid en werking in vivo. Om dit te bereiken, wij transparante zebrafish larven ingespoten met fluorescently geëtiketteerde trypomastigoten, de cellulaire vorm die verantwoordelijk zijn voor de infectie van de mens, en het verkeer van T. cruzi in de cardiovasculaire circulatie van zebravis geïdentificeerd met behulp van LSFM.
Deze studie belicht de voordelen van de zebravis als een dierlijk model voor het bestuderen van pathogeen gedrag in vivo. In het bijzonder, deze studie stelt een methode voor het visualiseren van het pathogene agens T. cruzi in zijn natuurlijke omgeving: hematic verkeer. De omgeving van de bloedsomloop communicatie in vis is vergelijkbaar met die van zoogdieren, en trypanosomatids geëvolueerd mechanismen voor reizen, om het immuunsysteem te ontduiken en koppelen aan cellen voor infectie in dat milieu-25. Dit protocol biedt een beschrijving van een optimale procedure voor cultuur van T. cruzi in een menselijke cellijn en latere Isolatievan flagellar vormen voor het labelen van de tl. Dan blijkt de juiste instellingen voor succesvolle injectie van de parasieten in transparante zebrafish voor later montage en visualisatie met behulp van LSFM. Tot slot, dit protocol biedt suggesties voor efficiënte en effectieve in vivo imaging van parasiet locatie en verplaatsing in omloop met behulp van LSFM.
Het flagellum van trypanosomen naar voren komt uit de eigen posterieure regio, die voortvloeien uit de cel lichaam, en loopt vast op het voorste deel van het organisme26gratis. T. cruzi stuwt zelf door het zwaaien van het flagellum voorafgaand aan het lichaam, die het hele lichaam van de parasiet golft. Flagellar beweging is niet alleen onmisbaar voor de beweeglijkheid van de parasiet, zoals in het geval van T. brucei27 (de verwekker van slaapziekte), maar het wordt ook gebruikt voor cellulaire infectie, zoals is aangetoond in T. cruzi5 ,28. Hoewel zebravis niet de natuurlijke gastheer voor T. cruzi, kan de parasiet de motiliteit bestudeerd worden in een ontwikkelende cardiovasculaire circulatiesysteem met behulp van de protocollen beschreven hier. Daarnaast zijn er trypanosomen soorten die cypriniden, de klasse van de zebravis, zoals T. carassii en T. borreli25. infecteren Deze parasiet soorten kunnen worden gebruikt om te studeren in real-time de bewegingen en de bijlage mechanismen van deze trypanosomatids; dergelijke studies kunnen inzicht in het proces van de infectie zoogdiercellen lenen.
In deze studie, geïnjecteerd u sporenvormende T. cruzi parasieten werden waargenomen reizen door de cardiovasculaire circulatie van geënte vis, samen met ondoorzichtige erytrocyten verplaatsen en vast te houden aan de structuren in de muren van het cardiovasculaire systeem. We gebruikten een huis-gebouwde LSFM met een 10 X Achromatische lange afstand lucht doelstelling (17.6 mm) voor de verlichting-arm met een numerieke diafragma van 0,25. Een 40 X apochromatische water onderdompeling doelstelling met een numerieke diafragma van 0,8 en een afstand van 3,5 mm werd gebruikt voor de detectie-arm. De detectie-doelstelling werd ondergedompeld in de monsterkamer, terwijl het doel van de verlichting buiten de vergaderzaal was. Een poort in de zaal verzegeld met een dekglaasje aan en optische lijm waarbinnen de lichtbundel van de verlichting in te voeren van de kamer, zoals afgebeeld in Lorenzo et al. 18 voor verlichting, gebruikten we een 50 mW DPSS laser op 488 nm waarvan het vermogen was gemoduleerd door een akoestisch-optische Tunable Filter. Het pad van de detectie gebruikt filters compatibel met Green Fluorescent Protein (GFP) of FITC. Een lichte blad Microscoop voorzien van een capillaire monsterhouder (liefst met automatische rotatie) en de temperatuurregeling van de monsterkamer moet geschikt zijn voor deze toepassing. De Microscoop moet worden uitgelijnd en gekalibreerd volgens de instructies van de fabrikant of van gebruiker laboratorium standaardprotocollen voor acquisitie, indien nodig. In dit protocol gecontroleerd we de microscoop met behulp van de software SPIM19.
Het is belangrijk op te merken dat in de omloop van zebravis, larven parasitaire bijlage effectief is. In de kardinaal ader bleef parasieten verbonden voor tot enkele minuten; in het hart hielden zij op kleppen en muren, oscillerende met contracties van het hart. Verdere studies blijven om te verhelderen of T. cruzi samenwerkt met de vloeiende erythrocyten die in de richting van de bloedstroom drijven. Vorige in vitro studies hebben aangetoond dat de aanwezigheid van solide structuren (d.w.z., bloedcellen) of verhoogde viscositeit van de vloeistof om na te bootsen bloed in vitro, heeft een significant effect op de motiliteit en de snelheid van de parasiet 9.
Er zijn veel vragen over het verloop van de ziekte van T. cruzi bij de mens na amastigotes fagocytische cellen, de aanvankelijk geïnfecteerde cel type29 ontsnappen. Bijvoorbeeld, hoe komen ze naar hun doelorganen? Wat zijn de mechanismen voor tropisme aan de aangewezen organen, zoals cardiale, digestief en centraal zenuwstelsel? Interessant is dat in deze studie de parasieten waren aanvankelijk image gemaakt in het hart want het was de site van de hoogste dichtheid van parasieten. Echter het CFSE signaal vervolgens verzameld in de ontwikkelingslanden darm door 7 dagen post injectie. Hoewel de anatomie van vissen en zoogdieren afwijkt, tonen de resultaten van deze studie een vorm van tropisme, zoals naar voren gebracht werd dat parasieten tentoongesteld tropisme naar bekende voorkeur doelorganen ondanks organisch verschillen. Een belangrijke beperking van dit onderzoek heeft betrekking op de temperatuur die in de experimenten worden gebruikt. Zebravis larven moeten worden gehouden van ongeveer 28 °C gedurende de gehele procedure. Hoewel deze temperatuur misschien vergelijkbaar met de vector-host (insecten van de onderfamilie Triatominae), is het vrij verschillend van de warmbloedige zoogdieren die deel uitmaken van de definitieve hosts (rond 37 ° C). T. cruzi is bekend dat flagellar levende vormen in beide hosts; het is echter belangrijk te bedenken dat deze factor een effect zou kunnen in het gedrag van de dieren in vivo hebben.
Hoewel het adaptieve immuunsysteem van fish´s niet volwassen is tot 4 weken bevruchting post, is het aangeboren immuunsysteem actief vroeg in ontwikkeling10. Zo spoedig 48 of 96 hpf, werden fagocytische cellen waargenomen hebben opgeslokt label trypanosomen (gegevens niet worden weergegeven). Dit beperkt de venster van tijd voor visualisatie van de parasiet. Echter, als een studie was om zich te concentreren op een beoordeling van de immuunrespons van de fish´s, injectie in latere stadia kan worden aanbevolen. Injectie van parasieten in transgene vis lijnen met gelabelde macrofagen of andere cellen van het immuunsysteem kunnen ook nuttig zijn bij het bestuderen van de gehechtheid van de parasiet en mogelijk endocytose mechanismen. Het is belangrijk op te merken dat als de parasieten worden aangeduid met CFSE, transgene cel etiketten mag geen GFP en een markering in de gele of rode kant van het spectrum vereist is.
Om te beoordelen van de gedetailleerde richting van de beweging van de parasiet, is het wellicht nuttig om te volgen hun traject in 3 dimensies (3D). 3D-visualisatie en de wederopbouw van het proces is een hogesnelheidssysteem noodzakelijk. Met de in dit protocol gebruikte apparatuur, is het alleen mogelijk om te visualiseren de parasieten in één vlak. In dit geval, prioriteit we onderhouden brandvlak stabiliteit tijdens de beweging van de parasiet en zijn traject opnemen in één vlak.
De hier voorgestelde methodologie effent de weg naar verdere onderzoeken parasiet gedrag in cardiovasculaire circulatie. Kortom zijn de essentiële stappen naar imaging live fluorescerende parasieten binnen zebrafish larven:(i) het gebruik van vroege gearceerde embryo’s (24-48 hpf) of larven, of dieren tussen 72-96 hpf met geen pigmentatie zodat ze transparant en eenvoudig te injecteren; (ii) afbeelding larven zo spoedig mogelijk na injectie om parasieten uit fagocytische cellen bestaan; en (iii) richten de LSFM op de site van belang (b.v., pericardvocht regio) en de focus behouden. Deze nieuwe procedure kunnen de visualisatie van trypomastigoten in een omgeving vergelijkbaar is met haar natuurlijke infectie niche, die voor het eerst de mogelijkheid om te studeren T. cruzi in een levend organisme.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd gesteund door de Convocatoria Interfacultades van Vicerrectoría de Investigaciones de la Universidad de los Andes, en het USAID onderzoek en innovatie Fellowship-programma. Wij danken Juan Rafael Buitrago en Yeferzon Ardila voor vis onderhoud en bijstand.
0.5-10 μL Micropipette | Fisherbrand | 21-377-815 | |
Agarose RA | Amresco | N605 | Regular |
Agarose SFR | Amresco | J234 | Low Melting point |
Aquarium salt | Instant ocean | SS15-10 | |
Cell Count chamber | Boeco | Neubauer | |
Cell culture flasks | Corning | 430639 | |
Centrifuge | Sorvall | Legend RT | |
CFSE | ThermoFisher | C34554 | |
Detection objective | Nikon 40x 0.8NA | 40x CFI APO NIR | |
DMEM medium | Sigma-Aldrich | D5648 | |
Dumont #5 fine forceps | World precision Instruments | ||
Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate salt (Tricaine) | Sigma-Aldrich | A5040 | |
Fetal calf serum (FCS) | Eurobio | CVFSVF00-01 | |
Filter | Chroma | ET-525/50M | |
Glass capillaries for embryo mounting | Vitrez Medical | 160215 | |
Glass capillaries for pulling needles | World precision instruments | TW100-4 | |
Glucose | Gibco | A2494001 | |
HEPES | Gibco | 156300-80 | |
Incubator | Thermo Corporation | Revco | |
Larval microinjection mold | Adaptive Science Tools | I-34 | |
Laser | Crystalaser | DL488-050 | |
L-glutamine | Gibco | 250300-81 | |
Methylene blue | Albor Químicos | 12223 | |
Micromanipulator | Narishige | MN-153 | |
Micromanipulator system | Sutter Instrument | MP-200 | For LSFM |
Micropipette puller device | Narishige | PC-10 | |
Microscope | Olympus | CX31 | |
Microscope (inverted) | Olympus | CKX41 | |
Multipurpose microscope | Nikon | AZ100M | |
Neubauer counting chamber | Boeco Germany | ||
Penicillin-streptomycin | Gibco | 15140-163 | |
Petri dish 94×16 | Greiner bio-one | 633181 | |
Plastic pasteur pipette | Fisherbrand | 11577722 | |
Rotation stage | Newport | CONEX-PR50CC | |
RPMI-1640 medium | Sigma-Aldrich | R4130 | |
Sodium pyruvate | Gibco | 11360-070 | |
Stereoscope | Nikon | C-LEDS | |
Tricaine (MS-222) | Sigma-Aldrich | 886-86-2 | |
TRIS | Amresco | M151 | |
Trypsin-EDTA (0.25%) | Gibco | R-001-100 | |
Tubes 15 ml | Corning | 05-527-90 |