緑膿菌感染モデルのリアルタイム評価ツール

緑膿菌(Pa)は、免疫障害を持つ個人に慢性感染を確立する日和見病原体です。遺伝性疾患嚢胞性線維症(CF)を有する人にとって、これらの感染症は一生に一度の経過に及ぶ可能性がある。CFは、気道に粘性のある栄養豊富な痰の蓄積を引き起こし、時間の経過とともに様々な微生物病原体によって植民地化される。Paは最も普及しているCF病原体の1つで、幼児期に気道を植民地化し、治療が困難な感染症1を^{確立する。}Paは依然として重大な臨床的問題であり、近年^2,3で改善された治療レジメンにもかかわらず、CFを有する人々における死亡率の主要な原因と考えられている。この持続性表現型および抗生物質耐性の増加は、新しい治療戦略の開発のための研究の優先事項として、疾病管理センター(CDC)と世界保健機関(WHO)の両方によって同定された病原体群のPaに位置を獲得している- ESKAPE病原体^4。

他のESKAPE病原体と同様に、獲得した抗生物質耐性はPaでは一般的であるが、Pa抗菌耐性に寄与する多くの固有の特性もある。これらの中には、−10〜1,000細胞の凝集高密度クラスターを形成するPaの能力があり、これはCF患者痰^5、6を含む複数の感染症で観察することができる。他のバイオフィルムシステムで研究されたPaと同様に、Pa凝集体は、抗生物質に対する耐性の増加や細胞間コミュニケーションの活性化(クォーラムセンシング(QS))などの臨床的に関連する表現型を表示する。例えば、Paの集合体は、他の微生物と戦うとともに、ピオシャニン⁷の産生などの抗菌治療を容認するためにQS規制行動を使用することが示されている。このような行動を研究する能力は、人体に存在する環境と同様の環境で細菌生態系に関するエキサイティングな洞察を提供します。

変化する痰環境にPa凝集体がどのように反応するかを研究する上で最大の課題の1つは、凝集形成を促進する栄養的に関連性の高い堅牢なシステムの欠如です。Paについて知られていることの多くは、細胞がプランクトニックに成長するインビトロシステムを使用して発見された、または生体内⁸で観察されていない特徴的な表面に付着した「キノコ」アーキテクチャで発見されている。フローセルや固体寒天などの古典的なバイオフィルム成長モデルは、細菌の挙動と抗生物質耐性のメカニズムに関する広範かつ貴重な知識を生み出していますが、これらの知見は必ずしもin vivoで翻訳されるとは限りません。多くのin vitroモデルは、ヒト感染部位の成長環境を模倣する能力が限られており、生体内研究では高価なコストが必要である。さらに、多くのin vivoモデルは、インビトロ技術によって得られる柔軟性と解像度を欠いている。

合成嚢胞性線維症痰(SCFM2)は、CF肺の慢性感染時に経験したようなPa成長の環境を提供するように設計されている。SCFM2は、ムチン、脂質、およびDNAに加えて、期待CF痰で同定された栄養源を含む。SCFM2のPa成長は、実際の痰の成長に必要なほぼ同一の遺伝子を必要とし、自然なPa凝集形成^9、10をサポートする。接種後、プランクトニック細胞は膨張によって大きさが大きくなる凝集体を形成する。個々のセル (移民と呼ばれます) は、集合から解放され、非植民地化された領域に移行され、新しい集合体¹⁰を形成します。この生命史は、単一の細胞の解像度でCLSMおよび画像解析を使用して観察することができる。SCFM2で形成されたPaの集合体は、CF肺¹⁰で観察されるものと同様のサイズである。このモデルは、リアルタイムで、ミクロンスケールで3次元で様々なサイズの複数の集合体を観察することができます。タイムラプス顕微鏡は、1回の実験で数千個(約50,000)の集合体を追跡することを可能にします。画像解析ソフトウェアを使用することで、個々の集合体レベルと母集団レベルの両方で、3次元の集合体積、表面積、位置を含むマイクログラフの集合式の定量を可能にします。表現型と位置によって集合体をグループ化する能力を有することで、異なる発達段階での凝集体の分化と、変化する微小環境^6,11への応答が可能となる。

SCFM2を使用してPa集合体を低容量および高スループットアッセイで研究すると、柔軟で費用対効果の高いモデルになります。定義された媒体として、SCFM2は複数のプラットフォームにわたって均一性および再現性を提供し、vitro⁹でPa集合体を研究するための栄養的および物理的に関連する方法を提供する。アプリケーションには、CLSMと組み合わせて空間組織と抗生物質耐性を高解像度で観察するアプリケーションが含まれます(この方法の論文で説明したように)。リアルタイムのミクロンスケールのデータを提供する実験を行う能力は、それらが生体内で起こり得る種間および種間相互作用の研究を可能にする。例えば、SCFM2は以前、P.が毒性および病原性に寄与する複数の遺伝子を調節するために利用するシステムのネットワークを介して、集合集団における細胞間コミュニケーションの空間的ダイナミクスを研究するために使用されてきた^。

図1: 主な実験工程のグラフィカル描写( A)SCFM2はPa細胞を接種し、ガラス底培養皿に凝集体を形成させる。(B)凝集体を共焦点顕微鏡に移し、抗生物質を加える。描かれているのは、抗生物質治療を伴わない3つの技術的複製(チャンバー1-3)と、接種されたSCFM2のコントロールウェル(4)である。凝集体は、18時間にわたってCLSMを用いて画像化され、(C)初期18時間イメージング後、死細胞を視覚化するためにヨウ化プロピジウムで骨材を処理し、所望の表現型を有する凝集体をFACSを用いてSCFM2から分離する。略語: SCFM2 = 合成嚢胞性線維症痰培地;Pa =緑膿菌CLSM = 共焦点レーザー走査顕微鏡;FACS = 蛍光活性化細胞分類。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

ここで、リアルタイムでPa集合体に対する抗生物質治療の影響を研究するSCFM2の有用性が示され、続いて下流分析のための明確な型素型を有する集合体の集団を分離する細胞選別アプローチの使用が示される(図1)。