Este protocolo tem como objetivo descrever como estudar a extensão da internalização do Staphylococcus aureus e sua capacidade de sobreviver dentro da célula hospedeira humana, bem como a eficácia intracelular de compostos antimicrobianos.
Staphylococcus aureus expressa fatores de virulência para desencadear sua internalização em células eucariotes e sobreviver dentro de diferentes compartimentos subcelulares. Este artigo descreve um ensaio de proteção enzimática para estudar a extensão da internalização de S. aureus e sua sobrevivência intracelular em células fagocíticas não profissionais aderentes (NPPCs), bem como a eficácia intracelular de compostos antimicrobianos. Os NPPCs são cultivados em uma placa multi-poço até atingirem 100% de confluência. Culturas S. aureus são cultivadas da noite para o dia no meio da cultura celular. A suspensão bacteriana é diluída de acordo com o número de células por poço para vacinar as células em uma multiplicidade controlada de infecção. As células inoculadas são incubadas por 2h para permitir que as bactérias sejam internalizadas pelos NPPCs, seguindo as quais a linsstalfina é adicionada ao meio de cultura para matar seletivamente bactérias extracelulares. A linsstafina está presente no meio cultural para o resto do experimento.
Neste ponto, as células infectadas poderiam ser incubadas com compostos antimicrobianos para avaliar suas atividades intracelulares contra S. aureus. Em seguida, as células são lavadas três vezes para remover as drogas, e a carga intracelular S. aureus é então quantificada por culminar em placas de ágar. Alternativamente, para estudar fatores de virulência estafilocócica envolvidos na sobrevivência intracelular e toxicidade celular, a linstafina poderia ser inativada com proteinase K para eliminar a necessidade de lavar etapas. Esta dica melhora a confiabilidade da quantificação da carga bacteriana intracelular, especialmente se as células tendem a se desprender da placa de cultura quando ficam fortemente infectadas por causa da multiplicação do S. aureus intracelular. Esses protocolos podem ser usados com praticamente todos os tipos de NPPCs aderentes e com modelos de cultura celular 3D, como organoides.
Staphylococcus aureus é um patógeno com risco de vida e uma bactéria commensal da pele e a mucosa que coloniza dois bilhões de indivíduos em todo o mundo1. Em humanos, portadores nasais de S. aureus têm um risco aumentado de infecção com sua própria cepa de transporte; no entanto, os determinantes multifatoriais do transporte mucosal S. aureus ainda não estão claros1,2. Além das infecções agudas, os pacientes também podem desenvolver infecções crônicas de S. aureus que muitas vezes são desafiadoras para curar3. Uma melhor compreensão das interações hospedeiro-patógeno durante a colonização e infecção é crucial para o desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas e melhoria do manejo do paciente.
In vitro, S. aureus pode desencadear sua internalização em células hospedeiras expressando o α5β1 integrin4. A interação tripartite entre as proteínas de ligação de fibronectina staphylococcal ancoradas na parede celular de S. aureus, a fibronectina e a integrin β1 expressa na superfície celular hospedeira é bem conhecida como a principal via da internalização de S. aureus em NPPCs como queratinócitos, osteoblastos, fibroblastos e células epiteliais e endoteliais4. Estudos recentes mostram que S. aureus pode ser encontrado dentro de células humanas durante a colonização nasal5,6 e infecção7. No entanto, o papel do reservatório intracelular na patogênese da infecção por S. aureus permanece incerto. As células hospedeiras poderiam atuar como um abrigo para S. aureus, que é protegido tanto do sistema imunológico8 quanto da maioria dos compostos antimicrobianos6,9.
O ensaio de proteção à linstafina, descrito pelo Proctor10 no início da década de 1980, permite o estudo de fatores bacterianos e hospedeiros envolvidos na internalização dos isolados de S. aureus. Lysostaphin é uma bactericina produzida por simuladores staphylococcus, que exibe atividade potente contra quase todos os isolados de S. aureus, incluindo cepas resistentes a antibióticos11. A linsstalfina tem sido usada para destruir apenas s. aureus extracelular para permitir a contagem de apenas bactérias intracelulares viáveis12. Esta técnica tem sido amplamente utilizada e tem contribuído para a descoberta de vários fatores de virulência de S. aureus. A gentamicina, sozinha e combinada com a linfotaphina, também é amplamente utilizada para estudar bactérias intracelulares.
No entanto, um estudo recente mostrou que a gentamicina entra em células eucarióticas e atinge bactérias internalizadas de forma tempo e dependente de concentração13. Este estudo também demonstrou que a lysostaphina não entra em células eucarióticas, confirmando que um ensaio de proteção enzimática à base de lysostaphin (EPA) é o ensaio mais preciso para quantificar a carga intracelular S. aureus pela cultura13. Independentemente de qual composto é usado para destruir bactérias extracelulares (por exemplo, lysostaphin ou gentamycin), ele deve ser removido lavando as células antes de emplacamento de S. aureus intracelular em placas de ágar. Lavagens sucessivas podem resultar no descolamento das células, especialmente células pouco aderentes (por exemplo, células fortemente infectadas), o que levaria a uma subestimação da carga intracelular S. aureus . Este artigo descreve em detalhes como a EPA pode ser usada para quantificar a carga intracelular S. aureus e medir a eficácia intracelular de compostos antimicrobianos usando um modelo in vitro . Note-se que foi proposto um método simples para melhorar a confiabilidade da quantificação da carga intracelular, evitando lavagens intensivas.
Os ensaios aqui descritos são valiosos para estudar a extensão da internalização e a sobrevivência intracelular de S. aureus em NPPCs, bem como a eficácia intracelular dos compostos antimicrobianos6,15,16. Alguns passos em ambos os protocolos de ensaio podem ser críticos. A condição de saúde e a densidade das células devem ser perfeitamente controladas e consistentes entre experimentos independentes. O inóculo bacteriano deve ser cuidadosamente padronizado para obter um MOI real próximo ao MOI teórico alvo. Em geral, deve-se tomar cuidado para não desprender nenhuma das células durante a pipetação. As lavagens para remover a linstalfina e os antibióticos são passos críticos na EPA. O uso de proteinase K foi encontrado para melhorar esta etapa quando nenhum antibiótico é usado (veja abaixo). Por último, mas não menos importante, as células devem ser totalmente separadas em cada poço e completamente homogeneizadas após a incubação com o tampão de lise para quantificar de forma confiável a carga intracelular S. aureus.
Em alguns casos, as questões podem ser encontradas, e vários pontos devem ser verificados primeiro. Em caso de falta de reprodutibilidade, deve-se ter em mente que S. aureus pode formar aglomerados, tornando a quantificação por absorvência imprecisa. O agrupamento de bactérias pode ser aumentado por centrifugação e etapas de lavagem se o meio de cultura for substituído (por exemplo, para eliminar uma proteína secreta). A suspensão bacteriana deve ser usada rapidamente porque as bactérias continuam a crescer à temperatura ambiente. A eficácia da lysostaphin pode diminuir devido às condições incorretas de armazenamento, pH subótimal para atividade enzimática na mídia cultural, variabilidade na atividade enzimática entre lotes e provedores e falta de sensibilidade à linfotefina de algumas cepas em condições específicas de crescimento. O vermelho fenol pode ter um leve efeito bacteriostático, especialmente quando o meio de cultura é relativamente pobre em nutrientes em comparação com os caldos típicos usados para o cultivo de bactérias. Assim, é aconselhável usar um meio de cultura celular sem fenol vermelho, o que também melhora as observações microscópicas de fluorescência reduzindo o ruído de fundo.
Embora este método seja uma ferramenta valiosa para estudar o destino intracelular de diferentes cepas, alguns limites do método devem ser considerados. O uso de um MOI muito alto pode sobrecarregar a capacidade de internalização por NPPCs e nivelar as diferenças entre as diferentes cepas testadas. A extensão da internalização das cepas mais citotóxicas pode ser subestimada porque a linstafina (ou antibióticos) destrói rapidamente o S. aureus que é liberado por células danificadas. Assim, experimentos com durações prolongadas (ou seja, para estudar sobrevida intracelular ou atividade intracelular de antibióticos) são mais fáceis de configurar com cepas com baixa citotoxicidade. Portanto, o tempo de incubação e o MOI devem ser ajustados com precisão de acordo com a virulência da cepa, o tipo celular e o objetivo experimental.
O método descrito aqui com o uso de linfotaphina é mais confiável do que aqueles baseados na gentamicina porque, ao contrário da linsaphina, a gentamicina tende a ser internalizada pelas células hospedeiras13. A outra vantagem é a possibilidade de inativar a linsstalaphina. A inibição da atividade de lisefotaphina foi relatada por Kim et al.13 com o uso de EDTA para quelatar íons de zinco ou 1,10-fenoanthrolina; no entanto, lavagens intensivas ainda são necessárias para remover a enzima antes de emplacamento das bactérias. Aqui, proteinase K permite a rápida inativação da linsstalaphina. Observamos que as células tendem a se desprender da placa de cultura quando se tornam fortemente infectadas por causa da multiplicação do S. aureus intracelular. Ao pular a etapa final de lavagem, o método iEPA simplificou muito o manuseio técnico e possibilitou a recuperação das bactérias internalizadas em células frouxamente aderentes ou já separadas.
Os reagentes e tampões mais concentrados utilizados no iEPA também ajudaram a reduzir o esforço de pipetação e minimizar a perda de células. Além disso, o iEPA pode ser usado com células em suspensão, bem como com organoides de difícil lavagem. Em conclusão, ensaios de proteção enzimática permitem o estudo da extensão da internalização e do destino intracelular de S. aureus, bem como a atividade intracelular de antimicrobianos com diferentes modelos in vitro . Melhorias devem ser feitas para caracterizar melhor a relação entre internalização e citotoxicidade para apreciar melhor a importância do desenvolvimento de drogas capazes de atingir S. aureus dentro da célula.
The authors have nothing to disclose.
As cepas SF8300 WT e SF8300 ΔfnbA/B foram generosamente dotadas pelo Prof. Binh Diep (Universidade da Califórnia, São Francisco, EUA). Este trabalho foi apoiado por uma bolsa da associação FINOVI (#AO13 FINOVI) sob a égide da Fundação para a Universidade de Lyon.
24-well plate | CORNING-FALCON | 353047 | |
A549 cell line | ATCC | CCL-185 | |
Acetate buffer solution pH 4.6 | Fluka | 31048 | Used to prepare lysostpahine stock solution at 10 mg/mL in 20 mM sodium acetate. |
AMBICIN (Recombinant lysostaphin) | AMBI | LSPN-50 | Lyophilized recominant lysostaphin. Freeze at -80 °C for long-term storage. |
COS – Colombia agar + 5% sheep blood | Biomerieux | 43049 | Any agar plate suitable for growing staphylococci can be used instead. |
Densitometer WPA CO8000 | Biochrom Ltd. | 80-3000-45 | Cell density meter |
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium, high glucose with phenol red | Sigma-Aldrich | D6429 | |
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium, high glucose without phenol red | Sigma-Aldrich | D1145 | |
Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline | Sigma-Aldrich | D8537 | |
Dulbecco′s Phosphate-buffered Saline with MgCl2 and CaCl2, sterile-filtered | Sigma-Aldrich | D8662 | |
Dulbecco′s Phosphate-buffered Saline, sterile-filtered | Sigma-Aldrich | D8537 | |
Easyspiral dilute | Interscience | 414000 | Automatic diluter and spiral plater |
Fetal bovine serum | Gibco | 10270-106 | |
HaCaT cell line | Cell lines service (CLS) | 300493 | |
Hoechst 33342, Trihydrochloride, Trihydrate, 10 mg/mL Solution in Water | Fisher scientific | 11534886 | |
Propidium iodide, 1.0 mg/mL solution in water | Invitrogen | P3566 | |
Proteinase K, recombinant 20 mg/mL | Eurobio | GEXPRK01-B5 | > 30 U/mg, lot 901727 |
Scan 4000 | Interscience | 438000 | Automatic colony counter |
Sterile water | OTEC | 600500 | |
T-75 culture flask | CORNING-FALCON | 353136 | |
TC20 Automated cell counter | Biorad | 1450102 | Automatic cell counter |
Tris 1 M pH 8.0 | Invitrogen | AM9855G | Used to prepare lysostaphine working solution at 1 mg/mL in 0.1 M Tris-HCl. |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | |
Trypsin – EDTA solution | Sigma-Aldrich | T3924 | 0.05% porcine trypsin and 0.02% EDTA in Hanks′ Balanced Salt Solution with phenol red |
Wide-field fluorescence microscope | Nikon | Ti2 |