Este protocolo describe un método robusto para usar configuraciones de alto rendimiento para evaluar la eficacia antibacteriana de los cócteles de bacteriófagos.
Los patógenos bacterianos desafían continuamente los sistemas de seguridad alimentaria en todo el mundo. Con la creciente preocupación por la aparición de bacterias resistentes al calor y a los desinfectantes, se necesitan urgentemente nuevos agentes antibacterianos. Una estrategia de biocontrol basada en bacteriófagos es el uso terapéutico de fagos para controlar patógenos bacterianos en entornos agrícolas. El biocontrol de fagos es cada vez más aceptado como una tecnología sostenible, eficaz para descontaminar patógenos transmitidos por los alimentos. Para garantizar resultados de biocontrol efectivos, es crucial el cribado sistemático de combinaciones de fagos contra bacterias específicas en las condiciones ambientales requeridas. La eficacia antibacteriana de los cócteles de fagos puede verse afectada por los géneros de fagos y la combinación, las cepas bacterianas dirigidas, la multiplicidad de la infección, la temperatura y el tiempo. Para formular un cóctel de fagos con una eficacia superior, el método propuesto fue evaluar sistemáticamente la efectividad de los fagos individuales y los cócteles de fagos para matar los patógenos bacterianos transmitidos por los alimentos en condiciones específicas. La eficacia de la matanza bacteriana se monitoreó midiendo la densidad óptica a las temperaturas y duraciones deseadas. La eficacia superior de los fagos se determinó mediante la inhibición completa del crecimiento bacteriano. El método propuesto es un enfoque robusto y basado en la evidencia para facilitar la formulación de cócteles de fagos con una eficacia antibacteriana superior.
Los bacteriófagos (fagos) son virus que invaden naturalmente las células bacterianas, interrumpiendo el metabolismo bacteriano y causando la lisis de la bacteria. A diferencia de los antimicrobianos convencionales (por ejemplo, antibióticos), los espectros de fagos huésped son relativamente estrechos, solo capaces de infectar un conjunto específico de especies o cepas bacterianas y, por lo tanto, deben minimizar los efectos colaterales sobre la microbiota que benefician la salud animal y humana. Con el aumento de la resistencia a los antimicrobianos (RAM), los fagos y sus derivados conducen a antimicrobianos alternativos para controlar las enfermedades infecciosas bacterianas, incluidas las infecciones bacterianas por RAM en humanos y animales1,2. Los fagos tienen un potencial terapéutico confirmado contra >20 patógenos bacterianos que causan infecciones superficiales e infecciones del sistema respiratorio superior y del tracto gastrointestinal de los seres humanos3.
En entornos agrícolas, una estrategia de biocontrol basada en fagos es el uso terapéutico de fagos para controlar patógenos bacterianos. El biocontrol de fagos es bien aceptado como una tecnología verde, eficaz para descontaminar patógenos transmitidos por los alimentos (por ejemplo, Escherichia coli productora de toxina Shiga (STEC), Salmonella y Listeria) en varios alimentos4,5. Además, los fagos se pueden usar como desinfectantes para desinfectar superficies de procesamiento de alimentos y pieles de animales, que se pueden integrar en sistemas antimicrobianos convencionales (por ejemplo, productos químicos, vapor y pasteurización de agua caliente) para mejorar los resultados deseados y reducir los impactos ambientales. El uso de fagos para reducir las bacterias zoonóticas en animales también es prometedor1. Sin embargo, existe la necesidad de abordar los desafíos técnicos para mejorar los resultados del enfoque de biocontrol de fagos que se aplicará popularmente en diversos sistemas de producción de alimentos. El principal desafío es la eficacia deteriorada de los fagos debido al desarrollo de mutantes resistentes a las bacterias5 y los cambios en la fisiología bacteriana debido a la exposición a factores estresantes ambientales6.
Para minimizar el riesgo de resistencia a los fagos, se proponen cócteles de fagos (es decir, una combinación de múltiples fagos) que han mejorado la potencia de biocontrol en entornos agrícolas y acuícolas7. Sin embargo, a partir de varios estudios, se ha demostrado que los cócteles de fagos no siempre ofrecían una mejor efectividad que la administración de un solo fago. Por ejemplo, un cóctel de 3 fagos similares a T4 tenía un rango de huésped más estrecho contra las cepas de E. coli8. Además, AKFV33, miembro del Tequintavirus, tuvo mayor eficacia que un cóctel de cuatro fagos en la eliminación de E. coli O157 de la carne de vacuno, a pesar de las temperaturas de incubación aplicadas4. Recientemente, se ha informado que la efectividad de los fagos individuales no predice la eficacia de los cócteles de fagos para el control de O1579, ya que las interacciones entre múltiples fagos pueden alterar la eficacia. Lo más importante es que numerosos factores, como los géneros y combinaciones de fagos, las cepas específicas y los MOI, y las temperaturas y tiempos de incubación, pueden afectar las interacciones entre los fagos. Por lo tanto, la detección cuidadosa de combinaciones de fagos contra bacterias específicas para evaluar la sinergia o facilitación de fagos, o al menos para garantizar un antagonismo mínimo de fagos en condiciones ambientales específicas, es de vital importancia para obtener resultados óptimos. Aquí, se describe un método para evaluar sistemáticamente la eficacia de varias combinaciones de fagos contra patógenos transmitidos por los alimentos en una variedad de condiciones ambientales. El beneficio de este enfoque es permitir la detección de todos los posibles factores bióticos y abióticos que se predice que afectan la eficacia antibacteriana de los fagos en entornos naturales. En el protocolo, STEC O157 y sus fagos infecciosos se emplean como ejemplo.
Este protocolo describió un enfoque robusto para evaluar sistemáticamente la eficacia de los fagos contra patógenos transmitidos por los alimentos, incluidos STEC9 y Salmonella10. Un paso crítico es cuando se diluye el cultivo nocturno de bacterias, se recomienda usar un medio preenfriado y manipular la dilución con un cubo de hielo para minimizar el crecimiento bacteriano potencial. Además, se preparó la dilución de fagos antes de diluir el cultivo bacteriano. La etapa de enumeración 2.8 proporcionó números reales de inóculo bacteriano para el cálculo del MOI final aplicado. Para la preparación de fagos, generalmente se utilizan lisados de fagos crudos preparados por fagos de filtro infectados en 4-6 h de cultivo bacteriano. El paso crítico asociado con la infectividad de los fagos es siempre utilizar existencias de trabajo de fagos preparadas dentro de los 3 meses. El pipeteo extremadamente preciso (especialmente cuando se utiliza una pipeta multicanal) y la uniformidad del enfoque también son esenciales para obtener resultados comparables e interpretables. Se utilizó TSB modificado suplementado con 10 mM de Mg2+ para diluir fagos, cultivo bacteriano y medio base para optimizar la adsorción e infección de fagos.
A medida que las bacterias proliferan durante la fase de registro, incluso por debajo de la temperatura de la incubadora, se recomienda utilizar el cultivo diluido durante la noche en lugar del cultivo en fase logarítmica, para minimizar el crecimiento bacteriano potencial.
El protocolo propuesto tiene limitaciones. Primero, debido a que la microplaca solo puede contener 200 μL, la incubación prolongada puede causar una evaporación sustancial y no se recomienda. En este caso, el ensayo puede no ser adecuado para bacterias de crecimiento lento. En segundo lugar, el protocolo propuesto no fue capaz de monitorear la amplificación de los fagos. En tercer lugar, este protocolo no pudo monitorear el desarrollo de resistencia a fagos a lo largo del tiempo, un factor crítico que determina el resultado del tratamiento con fagos11,12. Se requieren experimentos de seguimiento para evaluar el rendimiento posterior del cóctel más influyente en el cribado para prevenir la aparición de mutantes antiphage en un extenso sistema de cultivo de caldo y otras matrices biológicas.
A diferencia de los antimicrobianos convencionales, la naturaleza biológica de los fagos afecta la complejidad del biocontrol y el uso terapéutico en entornos prácticos. Convencionalmente, la selección racional de cócteles de fagos se basa principalmente en la actividad lítica y la gama de fagos huéspedes. A menudo se recomiendan candidatos a fagos con la actividad lítica más fuerte y el rango de huésped más amplio13,14. Sin embargo, según el estudio actual, los fagos como rV5 y T1, aunque por sí solos no son tan virulentos como T4 y T5, facilitaron en gran medida el resultado general del biocontrol cuando se combinaron con T4 y / o T5. En consecuencia, para lograr una eficacia superior de los cócteles de fagos, se recomienda el cribado sistémico de la actividad antibacteriana de posibles combinaciones de fagos contra cepas del huésped objetivo en las condiciones ambientales deseadas. Además, la determinación de receptores para fagos candidatos y la inclusión de fagos con diversos receptores pueden prevenir la competencia por la unión del huésped, frustrar el rápido desarrollo de mutantes antifagos y mejorar los resultados del biocontrol13.
Este método permitió una cuantificación precisa de la cinética de lisis de fagos en un formato de alto rendimiento. Además, permitió la evaluación sistemática de diversos factores biológicos y ambientales sobre la eficacia antibacteriana de una variedad de fagos, facilitando así la formulación de cócteles de fagos con resultados optimizados. Se supone que las futuras aplicaciones y desarrollos del método implican el monitoreo in situ de la eficacia de cada fago dentro de los cócteles de fagos mediante el etiquetado de fluorescencia de los fagos. Además del protocolo propuesto, la comprensión de los determinantes genéticos que promueven efectos sinérgicos y facilitados entre fagos al coinfectar a un huésped facilitaría la formulación de cócteles de fagos apropiados con una eficacia superior.
The authors have nothing to disclose.
Esta investigación fue apoyada por el Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá (NSERC Discovery Grant, RGPIN-2019-04384), la Fundación Canadiense para la Innovación (Proyecto # 38710) y major Innovation Fund, Alberta. Agradecemos al Dr. John Kastelic por editar el manuscrito.
Essential supplies, reagents, and equipment | |||
Inoculating loops | VWR | 12000-806 | |
Magnesium sulfate heptahydrate | Sigma | 1374361 | MgSO4.7H2O |
Petri Dishes with Clear Lid | Fisher | FB0875713 | Diameter: 100 mm, sterile |
Phosphate-buffered saline (PBS) | Fisher | 10010023 | |
Pipet-Lite LTS Pipette L-1000XLS+ | METTLER TOLEDO | 17014382 | |
Pipet-Lite LTS Pipette L-300XLS+ | METTLER TOLEDO | 17014405 | |
Pipet-Lite Multi Pipette L12-20XLS+ | METTLER TOLEDO | 17013808 | |
Pipet-Lite Pipette, Unv. SL-20XLS+ | METTLER TOLEDO | 17014412 | |
Pipette Tips RT LTS 1000µL FL 768A/8-low retention | METTLER TOLEDO | 30389213 | |
Pipette Tips SR LTS 20µL F 960A/5 | METTLER TOLEDO | 17005860 | |
Pipette Tips SR LTS 300µL 768A/4 | METTLER TOLEDO | 17005867 | no filter |
Reservoir | METTLER TOLEDO | 89094-662 | |
Sterile, clear, 96-well flat-bottom polystyrene microplates with lids | Fisher | 168055 | |
Tryptic soy agar (TSA) | Sigma | 105458-0500 | |
Tryptic soy broth (TSB) | Sigma | 105459-0500 | |
T-Shaped Cell Spreaders | VWR | 76299-566 | |
Instruments | |||
Analog Vortex Mixer | Fisher | 02-215-414 | |
Compact Microbiological Incubators | Fisher | 50125590H | |
Magnetic Stirrer Hotplates | FIsher | 13-889-335 | |
Polygon Stir Bars | FIsher | 14-512-125 | length: 20 mm |
Synergy Neo2 Hybrid Multi-Mode Reader | Fisher | BTNEO2M | |
Software | |||
SAS | SAS Institute | 9.4 |