Este protocolo tiene como objetivo describir cómo estudiar el alcance de la internalización de Staphylococcus aureus y su capacidad para sobrevivir dentro de la célula huésped humana, así como la eficacia intracelular de los compuestos antimicrobianos.
Staphylococcus aureus expresa factores de virulencia para desencadenar su internalización en células eucariotas y para sobrevivir dentro de diferentes compartimentos subcelulares. Este artículo describe un ensayo de protección enzimática para estudiar el alcance de la internalización de S. aureus y su supervivencia intracelular en células fagocíticas no profesionales adherentes (NPCC), así como la eficacia intracelular de los compuestos antimicrobianos. Los NPPC se cultivan en una placa de múltiples pocillos hasta que alcanzan el 100% de confluencia. Los cultivos de S. aureus se cultivan durante la noche en medio de cultivo celular. La suspensión bacteriana se diluye de acuerdo con el número de células por pocillo para inocular las células a una multiplicidad controlada de infección. Las células inoculadas se incuban durante 2 h para permitir que las bacterias sean internalizadas por los NPPC, después de lo cual se agrega lisostafina al medio de cultivo para matar selectivamente las bacterias extracelulares. La lisostafina está presente en el medio de cultivo durante el resto del experimento.
En este punto, las células infectadas podrían incubarse con compuestos antimicrobianos para evaluar sus actividades intracelulares contra S. aureus. A continuación, las células se lavan tres veces para eliminar los medicamentos, y la carga intracelular de S. aureus se cuantifica mediante el cultivo en placas de agar. Alternativamente, para estudiar los factores de virulencia estafilocócica involucrados en la supervivencia intracelular y la toxicidad celular, la lisostafina podría inactivarse con proteinasa K para eliminar la necesidad de pasos de lavado. Este consejo mejora la fiabilidad de la cuantificación de la carga bacteriana intracelular, especialmente si las células tienden a desprenderse de la placa de cultivo cuando se infectan gravemente debido a la multiplicación de S. aureus intracelular. Estos protocolos se pueden utilizar con prácticamente todos los tipos de NPPC adherentes y con modelos de cultivo celular 3D como los organoides.
Staphylococcus aureus es a la vez un patógeno potencialmente mortal y una bacteria comensal de la piel y la mucosa que coloniza dos mil millones de individuos en todo el mundo1. En los seres humanos, los portadores nasales de S. aureus tienen un mayor riesgo de infección con su propia cepa de transporte; sin embargo, los determinantes multifactoriales del transporte de la mucosa de S. aureus aún no están claros1,2. Además de las infecciones agudas, los pacientes también pueden desarrollar infecciones crónicas por S. aureus que a menudo son difíciles de curar3. Una mejor comprensión de las interacciones huésped-patógeno durante la colonización y la infección es crucial para desarrollar nuevas estrategias terapéuticas y mejorar el manejo del paciente.
In vitro, S. aureus puede desencadenar su internalización en células huésped expresando la integrina α5β14. La interacción tripartita entre las proteínas de unión a fibronectina estafilocócicas ancladas a la pared celular de S. aureus, la fibronectina y la integrina β1 expresada en la superficie de la célula huésped es bien conocida como la vía principal de internalización de S. aureus en NPPC como queratinocitos, osteoblastos, fibroblastos y células epiteliales y endoteliales4. Estudios recientes muestran que S. aureus se puede encontrar dentro de las células humanas durante la colonización nasal5,6 y la infección7. Sin embargo, el papel del reservorio intracelular en la patogénesis de la infección por S. aureus sigue sin estar claro. Las células huésped podrían actuar como refugio para S. aureus, que está protegido tanto del sistema inmune8 como de la mayoría de los compuestos antimicrobianos6,9.
El ensayo de protección de lisostafina, descrito por Proctor10 a principios de la década de 1980, permite el estudio de los factores bacterianos y del huésped involucrados en la internalización de los aislados de S. aureus. La lisostafina es una bacteriocina producida por Staphylococcus simulans, que exhibe una potente actividad contra casi todos los aislados de S. aureus, incluidas las cepas resistentes a los antibióticos11. La lisostafina se ha utilizado para destruir sólo S. aureus extracelular para permitir el recuento de sólo bacterias intracelulares viables12. Esta técnica ha sido ampliamente utilizada y ha contribuido al descubrimiento de varios factores de virulencia de S. aureus. La gentamicina, sola y combinada con lisostafina, también se usa ampliamente para estudiar bacterias intracelulares.
Sin embargo, un estudio reciente mostró que la gentamicina entra en las células eucariotas y llega a las bacterias internalizadas de una manera dependiente del tiempo y la concentración13. Este estudio también demostró que la lisostafina no entra en las células eucariotas, confirmando que un ensayo de protección enzimática (EPA) basado en lisostafina es el ensayo más preciso para cuantificar la carga intracelular de S. aureus mediante cultivo13. Independientemente del compuesto que se use para destruir bacterias extracelulares (por ejemplo, lisostafina o gentamicina), debe eliminarse lavando las células antes de enchapar S. aureus intracelular en placas de agar. Los lavados sucesivos pueden resultar en el desprendimiento de células, especialmente células poco adherentes (por ejemplo, células muy infectadas), lo que conduciría a una subestimación de la carga intracelular de S. aureus . Este artículo describe en detalle cómo se puede utilizar epa para cuantificar la carga intracelular de S. aureus y para medir la eficacia intracelular de los compuestos antimicrobianos utilizando un modelo in vitro . Cabe destacar que se ha propuesto un método simple para mejorar la fiabilidad de la cuantificación de la carga intracelular evitando los lavados intensivos.
Los ensayos aquí descritos son valiosos para estudiar el grado de internalización y la supervivencia intracelular de S. aureus en NPCC, así como la eficacia intracelular de compuestos antimicrobianos6,15,16. Algunos pasos en ambos protocolos de ensayo pueden ser críticos. El estado de salud y la densidad de las células deben estar perfectamente controlados y consistentes entre experimentos independientes. El inóculo bacteriano debe estandarizarse cuidadosamente para obtener un MOI real cercano al MOI teórico objetivo. En general, se debe tener cuidado de no separar ninguna de las celdas mientras se pipetea. Los lavados para eliminar la lisostafina y los antibióticos son pasos críticos en la EPA. Se ha encontrado que el uso de la proteinasa K mejora este paso cuando no se usa ningún antibiótico (ver más abajo). Por último, pero no menos importante, las células deben estar completamente separadas en cada pozo y homogeneizadas completamente después de la incubación con el tampón de lisis para cuantificar de manera confiable la carga intracelular de S. aureus.
En algunos casos, se pueden encontrar problemas y primero se deben verificar varios puntos. En caso de falta de reproducibilidad, hay que tener en cuenta que S. aureus puede formar grumos, haciendo inexacta la cuantificación por absorbancia. La aglomeración de bacterias puede aumentar mediante centrifugación y pasos de lavado si se va a reemplazar el medio de cultivo (por ejemplo, para eliminar una proteína secretada). La suspensión bacteriana debe usarse rápidamente porque las bacterias continúan creciendo a temperatura ambiente. La eficacia de la lisostafina podría disminuir debido a condiciones de almacenamiento incorrectas, pH subóptimo para la actividad enzimática en los medios de cultivo, variabilidad en la actividad enzimática entre lotes y proveedores, y falta de sensibilidad a la lisostafina de algunas cepas en condiciones de crecimiento específicas. El rojo fenol podría tener un ligero efecto bacteriostático, especialmente cuando el medio de cultivo es relativamente pobre en nutrientes en comparación con los caldos típicos utilizados para el cultivo de bacterias. Por lo tanto, es recomendable utilizar un medio de cultivo celular sin rojo fenol, que también mejora las observaciones microscópicas de fluorescencia al reducir el ruido de fondo.
Aunque este método es una herramienta valiosa para estudiar el destino intracelular de diferentes cepas, se deben considerar algunos límites del método. El uso de un MOI muy alto puede sobrecargar la capacidad de internalización por parte de los NPPC y nivelar las diferencias entre las diferentes cepas probadas. El grado de internalización de la mayoría de las cepas citotóxicas puede subestimarse porque la lisostafina (o antibióticos) destruye rápidamente S. aureus que es liberado por las células dañadas. Por lo tanto, los experimentos con duraciones prolongadas (es decir, para estudiar la supervivencia intracelular o la actividad intracelular de los antibióticos) son más fáciles de establecer con cepas con baja citotoxicidad. Por lo tanto, el tiempo de incubación y el MOI deben ajustarse con precisión de acuerdo con la virulencia de la cepa, el tipo de célula y el objetivo experimental.
El método aquí descrito con el uso de lisostafina es más fiable que los basados en gentamicina porque, a diferencia de la lisostafina, la gentamicina tiende a ser internalizada por las células huésped13. La otra ventaja es la posibilidad de inactivar la lisostafina. La inhibición de la actividad de la lisostafina fue reportada por Kim et al.13 con el uso de EDTA para quelar iones de zinc o 1,10-fenantrolina; sin embargo, todavía se requieren lavados intensivos para eliminar la enzima antes de enchapar las bacterias. Aquí, la proteinasa K permite una rápida inactivación de la lisostafina. Observamos que las células tienden a desprenderse de la placa de cultivo cuando se infectan en gran medida debido a la multiplicación de S. aureus intracelular. Al omitir el paso de lavado final, el método iEPA simplificó en gran medida el manejo técnico y permitió la recuperación de las bacterias internalizadas en células poco adherentes o ya desprendidas.
Los reactivos y tampones más concentrados utilizados en iEPA también ayudaron a reducir el esfuerzo de pipeteo y minimizar la pérdida de células. Además, iEPA se puede utilizar con células en suspensión, así como con organoides que son difíciles de lavar. En conclusión, los ensayos de protección enzimática permiten estudiar el grado de internalización y el destino intracelular de S. aureus, así como la actividad intracelular de fármacos antimicrobianos con diferentes modelos in vitro . Se deben hacer mejoras para caracterizar mejor la relación entre internalización y citotoxicidad para apreciar mejor la importancia de desarrollar fármacos capaces de llegar a S. aureus dentro de la célula.
The authors have nothing to disclose.
Las cepas S. aureus SF8300 WT y SF8300 ΔfnbA/B fueron generosamente regaladas por el Prof. Binh Diep (Universidad de California, San Francisco, EE.UU.). Este trabajo fue apoyado por una subvención de la asociación FINOVI (#AO13 FINOVI) bajo los auspicios de la Fundación para la Universidad 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 |