Der Zweck dieses Protokolls ist es, Candida albicans Zellform und Lokalisation im Magen-Darm-Trakt des Säugetiers zu visualisieren.
Candida albicans ist ein Pilzbestandteil der Darmmikrobiota beim Menschen und vielen anderen Säugetieren. Obwohl C. albicans keine Symptome bei den meisten kolonisierten Wirten verursacht, dient das Vorkommensbecken für Infektionskrankheiten, und das Vorhandensein von hohen Pilztittern im Darm ist mit entzündlichen Darmerkrankungen verbunden. Hier beschreiben wir eine Methode zur Visualisierung der Zellmorphologie und Lokalisation von C. albicans in einem Mausmodell der stabilen gastrointestinalen Kolonisation. Die Kolonisation wird mit einer Einzeldosis von C. albicans bei Tieren, die mit oralen Antibiotika behandelt wurden, festgestellt. Segmente des Darmgewebes werden so fixiert, dass die Architektur der luminalen Inhalte (Mikroorganismen und Schleim) sowie der Wirtsschleimhaut erhalten bleibt. Schließlich wird die fluoreszierende In-situ-Hybridisierung mit Sonden gegen Pilz-rRNA durchgeführt, um C. Albicans und Hyphen zu färben. Ein wesentlicher Vorteil dieses Protokolls ist, dass es die gleichzeitige Beobachtung der C. albicans Zellmorphologie und deren räumliche Assoziation mit Wirtsstrukturen während der gastrointestinalen Kolonisation ermöglicht.
Candida albicans ist ein Pilzkommensal sowie ein opportunistischer menschlicher Erreger. Diese Hefe fehlt eine definierte Umweltnische und stattdessen vermehrt sich innerhalb der Magen-Darm -(GI) Trakt, Haut, und Genitourinary Trakt von Menschen und anderen Säugetieren1. Während sich die frühe Forschung an C. albicans in erster Linie auf sein Virulenzpotenzial konzentrierte, deuten mehrere aktuelle Berichte darauf hin, dass die commensal vermehrende Organismen im Darm eine wichtige Rolle bei der normalen Gesundheit spielen können, einschließlich der Immunentwicklung der Host2,3,4. Um Untersuchungen des C. albicans-Commensalismus innerhalb des Säugetierdarms zu erleichtern, entwickelten wir ein Mausmodell der stabilen GI-Kolonisation und eine Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH)-basierte Methode zur Visualisierung von Pilzhefezellen und Hyphen innerhalb der Darmlumen.
Mit einigen Ausnahmen5zeigen im Labor gezüchtete Mäuse in der Regel Resistenzen gegen Pilzbesiedlung des Verdauungstraktes. Es wird angenommen, dass die Kolonisationsresistenz durch bestimmte Bakterienarten vermittelt wird; dies kann jedoch durch die Behandlung der Tiere mit Antibiotika6,7 oder die Verwendung einer chemisch definierten Ernährung überwunden werden, die vermutlich dieZusammensetzungder Bakterienarten 8,9verändert. In ähnlicher Weise wurde beim Menschen die Verwendung von Breitspektrum-Antibiotika mit C. albicans Überwucherung und Verbreitung10in Verbindung gebracht. Unser murines Kolonisationsmodell verwendet Breitspektrum-Antibiotika, um C. albicans Kolonisierung von immunkompetenten, konventionell aufgezogenen Mäusen zu etablieren. Penicillin und Streptomycin werden im Trinkwasser der Tiere eine Woche vor dem Gavage mit 108 koloniebildenden Einheiten (KBE) von C. albicans zur Verfügung gestellt. Solange das mit Antibiotika infundierteWasser fortgesetzt wird, werden sich C. Albicans durch den GI-Trakt ausbreiten und Fäkalientiter von 106x 108 KBE/g erreichen. Trotz der hohen Pilzbesiedlung bleiben die Tiere gesund und gewinnen mit der gleichen Geschwindigkeit an Gewicht wie nicht infizierte Kontrollen. Dieses Modell wurde erfolgreich verwendet, um mehrere C. albicans Commensalism Faktoren11,12zu überprüfen und zu charakterisieren.
Wie andere Mitglieder des Pilzreichs ist C. albicans in der Lage, enorme morphologische Plastizität13. Unter In-vitro-Bedingungen hat sich gezeigt, dass es zwischen mindestens sechs einzelligen Hefezelltypen sowie multizellulären Hyphen und Pseudohyphae übergeht. Der Hefe-zu-Hyphen-Übergang ist eines seiner am besten charakterisierten Virulenz-Attribute, und Hyphase und Pseudohyphae überwiegen in den meisten Säugetier-Krankheitsmodellen sowie in infizierten menschlichen Geweben. Um die Lokalisation und Zellmorphologie von C. albicans innerhalb des murinen Verdauungstraktes zu bestimmen, haben wir eine FISH-Technik zur Färbung von Hefen und Hyphen in festen histologischen Abschnitten entwickelt. Die Sonden bestehen aus fluoreszierend gekennzeichneten DNA-Oligonukleotiden, die zu pilzgaler 23S-ribosomaler RNA (rRNA) hybridisieren, die über das Pilzzytoplasma verteilt ist. Da Wirtsgewebe so fixiert sind, dass die dreidimensionale Architektur des Darms, einschließlich der Wirtsschleimhaut, des Verdauungsmaterials, der bakteriellen Mikrobiota und des Schleims im Darmlumen, erhalten bleibt, ermöglicht diese Technik die Lokalisierung von Pilzen Zellen in Bezug auf diese Landmarken, wenn sie befleckt werden. Die FISH-Technik vergleicht sich günstig mit traditionellen histologischen Flecken für Pilze, wie Periodische Säureschiff (PAS) oder Gomoris Methenamin-Silber (GMS), sowie kommerziell erhältliche Antimykotika, da diese Reagenzien nicht spezifisch für C. albicans. Darüber hinaus entfernen Standardfixative die Schleimschicht und stören andere Inhalte des Darmlumens14,15.
In diesem Artikel enthalten wir detaillierte Anweisungen für die Etablierung von hochgradigen C. albicans Kolonisation der Maus GI-Trakt, für die Zerlegung des Verdauungstraktes von eingeschläferten Tieren, für Gewebefixierung in einer Weise, die Luminal und zum Nachweis von C. albicans in Wirtgeweben mit FISH. Neben wilden Typen und mutierten Stämmen von C. albicans kann die Gavage-Technik verwendet werden, um andere Mikroorganismen zu liefern. Die Fixierungstechnik wäre nützlich für jede Studie, in der die Erhaltung des Darminhalts gewünscht ist. Das FISH-Verfahren kann innerhalb eines Tages abgeschlossen werden und kann verwendet werden, um mehrere Pilzarten mithilfe mehrerer, differenziell gekennzeichneter Sonden zu lokalisieren.
Die hier beschriebene Methode ermöglicht die Visualisierung von C. Albicans Hefen und Hyphen in den GI-Trakten von commensally kolonisierten Mäusen jeden Geschlechts oder Stammes. Die FISH-Sonde hybridisiert zu 23S rRNA, die über das Pilzzytoplasma verteilt ist. Unsere Methode wurde von einem zuvor berichteten Protokoll zur Visualisierung von Darmbakterien20angepasst. Da C. albicans seine Morphologie innerhalb des Hosts ändert, ist die Methode nützlich, um die Pilzzellform sowie die Lokalisierung zu überwachen. Zum Beispiel haben wir diese Methode verwendet, um die Hypothese zu widerlegen, dass Hefen im gesamten Verdauungstrakt vorherrschen, und Um Diskrepanzen zwischen den In-vivo- und In-vitro-Phänotypen bestimmter “filamentationsdefekter” Mutantenaufzudecken 12.
Für die C. albicans commensal Colonization gibt es mehrere Mausmodelle. Die Mikrobiota von Labormäusen und Menschen sind unterschiedlich und bei Mäusen ist der Einsatz von Antibiotika oder einer spezialisierten Ernährung erforderlich, um eine stabile Besiedlung zu etablieren. Die Behandlung mit Antibiotika verbessert auch die Besiedlung von C. albicans beim Menschen und ist ein wichtiger Risikofaktor für die disseminierte Krankheit10. Die in dieser Studie verwendeten Antibiotika sind relativ kostengünstig und führen zu zuverlässigen Abnahmen der bakteriellen Mikrobiota. Beachten Sie, dass Antibiotika verwendet werden, um die Belastung von antagonistischen Bakterienarten zu verringern, nicht um alle Bakterien von den Tieren zu beseitigen. Wenn Forscher C. albicans-Wirt-Wechselwirkungenin Abwesenheit von Bakterien untersuchen oder den Einsatz von Antibiotika oder einer speziellen Ernährung vermeiden wollen, können keimfreie Tiere durch konventionell aufgezogene Tiere ersetzt werden; gnotobiotische Mäuse weisen jedoch bestimmte immun- und anatomische Anomalien auf und sind daher möglicherweise nicht für alle Zwecke geeignet.
Mehrere Schritte sind wichtig für eine erfolgreiche FISH-Färbung: Die empfohlene Fixierungsmethode ist entscheidend, um die strukturelle Integrität von GI-Geweben zu erhalten, insbesondere den zerbrechlichen Inhalt des Darmlumens, wie z. B. die Schleimschicht und die dreidimensionale Organisation von Pilzen und Bakterien16. Bitte beachten Sie, dass viele häufig verwendete Fixierungslösungen, die Wasser enthalten, die Luminalarchitektur stark schädigen. Die in diesem Protokoll empfohlenen Fixierungs- und Lösungslösungen für Nachfixierungswashen enthalten kein Wasser, und es ist wichtig, eine Kontamination mit Wasser zu vermeiden. Ein weiterer kritischer Schritt ist der Hybridisierungsschritt, bei dem es wichtig ist, die Verdunstung der Hybridisierungslösung während der Inkubation von Dias im Hybridisierungsofen zu vermeiden. Wir empfehlen, die Dias in einen wasserdichten Behälter zu legen, um dieses Problem zu vermeiden. Alternativ kann man wasserdichte Hybridisierungskammern verwenden, wie sie ursprünglich für die Hybridisierung von Mikroarrays verwendet wurden.
Eine C. albicans-spezifische FISH-Sonde wird in diesem Protokollbeschrieben. Da jedoch viele im Labor gezüchtete Mäuse keine C. Albicans oder andere Pilze als Teil ihrer natürlichen Darmmikrobiota enthalten, kann eine Panfungalsonde c. albicans bei experimentell besiedelten Tieren spezifisch färben. Die Substitution einer Panfungalsonde kann aufgrund ihrer überlegenen Hybridisierungseigenschaften und eines höheren Signal-Rausch-Verhältnisses wünschenswert sein. Wenn die Panmykogalsonde als pseudospezifische Sonde für C. albicansverwendet wird, ist es wichtig, einen Mangel an Färbung bei nicht infizierten Tieren zu dokumentieren (d.h. mit Antibiotika behandelt, aber nicht Mit C. albicans). Die Färbung eines nicht kolonisierten Kontrolltiers ist auch nützlich, um Hintergrundfärbungen zu bewerten, die sich aus der Einhaltung von FISH-Sonden an Lebensmittelpartikeln ergeben können. Insgesamt bietet die Verwendung von FISH-Sonden eine verbesserte Spezifität gegenüber den meisten anderen Methoden der Färbung von Pilzen, wie Calcofluor weiß (die Chitin färbt, eine Zellwandkomponente, die zwischen Zelltypen variieren kann), GMS oder kommerziell erhältliche antimykotische Antikörper. Darüber hinaus ermöglicht die FISCHfärbung die Costainierung mehrerer Organismen mit differenziell gekennzeichneten FISH-Sonden zu artspezifischen rRNAs.
Eine Einschränkung dieser Technik ist, dass bestimmte C. albicans Hefezellentypen durch FISH sehr ähnlich erscheinen (z. B. die opaken und GUT-Zelltypen). Um zwischen diesen Zelltypen zu unterscheiden, wäre es sinnvoll, Hybridisierungssonden zu zelltypspezifischen Pilz-mRNAs zu entwickeln. Dennoch hat die FISH-Technik in ihrer aktuellen Form bereits überraschende Diskrepanzen zwischen dem In-vivo- und in-vitro-Verhalten von C. Albicans-Mutanten, die unter beiden Bedingungen12bewertet wurden, aufgedeckt, was auf komplexe Wechselwirkungen in der natürliche komonsale Umgebung, die durch bestehende In-vitro-Assays nicht ausreichend nachgeahmt werden. Weitere Studien mit verschiedenen C. Albicans Flecken in zusätzlichen wildEn Typ und mutierten Wirten werden wahrscheinlich zusätzliche Einblicke in Pilz-Wirt-Wechselwirkungen liefern. Insbesondere wird es lehrreich sein, C. albicans in Modellen von entzündlichen Darmerkrankungen zu profilieren, die mit hohen Titern von C. albicans beim Menschen verbunden sind21, und andere Modelle von C. albicans Überwucherung und Krankheit. Die FISH-Technik kann auch mit Immunhistochemie kombiniert werden, um bestimmte Wirtszellen zu färben. Insgesamt bietet die hier vorgestellte Methode ein relativ schnelles und zuverlässiges Mittel, um die Lokalisation und Morphologie von C. albicans innerhalb des Gi-Trakts der Säugetiere zu bestimmen.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren danken Carolina Tropini, Katharine Ng, Justin Sonnenburg und KC Huang für die Anleitung bei der Entwicklung der FISH-Technik. Teresa O’Meara gab hilfreiche Kommentare zum Manuskript, und Miriam Levy half bei der Fotografie. Diese Arbeit wurde durch Die NIH-Stipendien R01AI108992, R01DK113788 und einen Burroughs Welcome Award in der Pathogenese der Infektionskrankheit unterstützt.
1 mL syringe | BD | 309659 | can be substituted from any vendor |
BHI blood agar | can be substituted from any vendor | ||
C. albicans FISH probe | IDT DNA Technologies | custom order | |
chamber for hybridization incubation | watertight chamber meant to reduce evaporation | ||
chloroform | Sigma | C2432 | >=99.5% |
DAPI | Roche | 10236276001 | can be substituted from any vendor |
delicate task wiper tissues | Kimberley-Clark | 34256CT | Kimwipes |
D-glucose | Sigma | G7021-5KG | can be substituted from any vendor |
ethanol | Sigma | E7023 | molecular biology grade |
feeding needles | Cadence, Inc. | 7910 | metal; 20 X1-1/2" W/2-1/4; can be autoclaved to sterilize |
FITC-UEA-1 | Sigma | L9006-1MG | other fluorophores available |
FITC-WGA | Sigma | L4895-2MG | other fluorophores available |
Foam pads | Fisher | 22038221 | Order foam pads that will fit within cassettes |
formamide | Sigma | 47671 | molecular biology grade |
glacial acetic acid | Macron Fine Chemicals | MK881746 | ACS reagent, >=99.5% |
glass Coplin jar | Fisher | 08-815 | hold up to 10 slides back to back |
Histology cassettes | Simport | M512 | Deep cassettes so cecum is not squished |
hybridization coverslips | Sigma | GBL712222 | RNase-free |
hybridization oven | can be substituted from any vendor | ||
LB | can be substituted from any vendor | ||
Lee's media | prepared as described in Lee et al. 1975 | ||
methanol | Sigma | 179337 | ACS reagent, >=99.8% |
mice | Charles River Laboratories | 028 | adult BALB/c; 18-21 grams (8-10 weeks) |
paraformaldehyde | Fisher | 50-980-487 | 16% solution |
parrafin wax | Sigma | P3558-1KG | Paraplast for tissue embedding |
PBS, pH 7.4 | UCSF Cell Culture Facility Media Production Unit | CCFAL003 | calcium, magnesium-free; can be substituted from any vendor |
penicillin G | Sigma | PENNA-100MU | |
Sabouraud dextrose agar | can be substituted from any vendor | ||
saline | Baxter | 2F7123 | sterile, can be substituted from any vendor |
sodium chloride (NaCl) | Sigma | S3014 | can be substituted from any vendor; maintain RNase-free |
sodium dodecyl sulfate (SDS) | Sigma | L3771 | can be substituted from any vendor; maintain RNase-free |
streptomycin | Sigma | S9137-100G | |
super PAP pen | Life Technologies | 8899 | can be substituted from any vendor |
Tris-HCl | Sigma | T3253 | can be substituted from any vendor; maintain RNase-free |
Vectashield | Vector Laboratories | H-1000 | does not contain DAPI |
xylenes | Sigma | 214736 | reagent grade |
YEPD | can be substituted from any vendor |