Questo manoscritto descrive un metodo per lo screening di librerie mutanti di Candida albicans di dimensioni moderate per fenotipi di morfogenesi durante l’infezione attiva in un ospite di mammifero utilizzando la microscopia confocale non invasiva.
La Candida albicans è un importante agente patogeno umano. La sua capacità di passare da una forma morfologica all’altra è fondamentale per la sua patogenesi; Questi cambiamenti morfologici sono regolati da una complessa rete di segnalazione controllata in risposta a stimoli ambientali. Questi componenti regolatori sono stati altamente studiati, ma quasi tutti gli studi utilizzano una varietà di stimoli in vitro per innescare la filamento. Per determinare come la morfogenesi è regolata durante il processo di patogenesi, abbiamo sviluppato un sistema di microscopia in vivo per ottenere immagini ad alta risoluzione spaziale di organismi sottoposti a formazione di ife all’interno dell’ospite mammifero. Il protocollo qui presentato descrive l’uso di questo sistema per lo screening di piccole collezioni di ceppi mutanti di C. albicans, permettendoci di identificare i regolatori chiave della morfogenesi mentre si verifica nel sito di infezione. Vengono presentati risultati rappresentativi, dimostrando che alcuni regolatori della morfogenesi, come il regolatore trascrizionale Efg1, hanno fenotipi coerenti in vitro e in vivo, mentre altri regolatori, come l’adenilciclasi (Cyr1), hanno fenotipi significativamente diversi in vivo rispetto a quelli in vitro.
La Candida albicans è un comune agente patogeno fungino umano, che causa malattie mucocutanee, malattie disseminate e infezioni tissutali localizzate1. Una caratteristica chiave della fisiologia di C. albicans è la sua complessa crescita polimorfica, che è legata al suo ruolo sia come commensale che come patogeno 2,3,4. In condizioni di ricche sostanze nutritive in vitro a 30 °C, cresce tipicamente come lievito ovoidale in erba. Una varietà di fattori scatenanti ambientali, tra cui la privazione di nutrienti, i cambiamenti di pH, la crescita a 37 ° C, l’esposizione al siero e la crescita quando incorporati nell’agar, provocano la transizione verso un modello di crescita polarizzato, con conseguente formazione di vere ife e / o pseudoife5. L’inizio della crescita polarizzata e la conseguente crescita di organismi filamentosi è indicato come morfogenesi.
A causa dell’importanza della morfogenesi nella virulenza dell’organismo, la regolazione della formazione delle ife è stata ampiamente studiata 6,7. Esiste una complessa rete di vie di segnalazione e regolazione trascrizionale che innesca la morfogenesi. Nonostante la relazione della morfogenesi di C. albicans con la patogenesi, la maggior parte degli studi che studiano la morfogenesi hanno utilizzato stimoli in vitro per innescare la formazione di ifele. Sta diventando sempre più chiaro che i vari modelli in vitro di filamento non sono identici in termini di percorsi regolatori individuali stimolati. Inoltre, nessuna condizione di crescita in vitro corrisponde strettamente al complesso ambiente dell’ospite. Data l’importanza di C. albicans come patogeno umano, l’obiettivo di questo protocollo è quello di studiare la sua morfogenesi durante l’infezione attiva in un ospite di mammifero utilizzando un sistema con throughput moderato, consentendo così a un investigatore di esaminare le librerie mutanti di C. albicans.
Per facilitare queste indagini, è stato sviluppato un sistema di imaging in vivo che ci permette di ottenere immagini ad alta risoluzione spaziale delle cellule di C. albicans durante l’infezione del padiglione auricolare di un topo anestetizzato utilizzando un microscopio confocale invertito 8,9,10. Poiché la pelle del padiglione auricolare è piuttosto sottile, queste immagini possono essere ottenute senza la necessità di dissezione tissutale. Pertanto, i dati quantitativi sul fenotipo possono essere misurati nel sito di infezioni attive all’interno del tessuto ospite. Il protocollo qui descritto prevede la trasformazione di un ceppo di riferimento e di uno o più ceppi mutanti con diverse cassette di espressione proteica fluorescente11,12. I ceppi fluorescenti che esprimono proteine vengono quindi miscelati e co-iniettati per via intradermica. Dopo che l’infezione è stata stabilita, l’imaging confocale viene utilizzato per quantificare sia la frequenza della filamento che la lunghezza dei filamenti formati. I dati ottenuti dai ceppi mutanti sono normalizzati a quelli ottenuti dal ceppo di riferimento, che è presente nella stessa regione tissutale, fornendo così un controllo interno. Questo sistema ci ha permesso di selezionare con successo diverse serie di ceppi mutanti di C. albicans, molti dei quali presentano difetti di morfogenesi in vitro 9,10. Molti di questi ceppi filano facilmente in vivo, evidenziando l’importanza dei modelli in vivo per lo studio della morfogenesi.
Questo modello utilizza la microscopia confocale per ottenere immagini degli organismi di C. albicans mentre crescono all’interno del tessuto di un ospite di mammifero, permettendoci così di valutare i fenotipi della morfogenesi durante l’infezione attiva. Il processo di morfogenesi è centrale per la patogenesi di C. albicans ed è stato ampiamente studiato utilizzando una varietà di saggi in vitro 2,3,4. Tuttavia, nessun test in vitro può modellare completamente il complesso ambiente biochimico e strutturale dell’ospite.
Il protocollo qui descritto è focalizzato sull’uso di questo sistema di imaging in vivo per lo screening di una serie / libreria di mutanti di C. albicans per identificare i geni coinvolti nella morfogenesi durante l’infezione. L’uso di ceppi di C. albicans che esprimono diverse proteine fluorescenti ci permette di quantificare in vivo la morfogenesi dei ceppi mutanti di C. albicans rispetto a quella di un ceppo di riferimento. Il confronto della morfogenesi nel mutante con il ceppo di riferimento all’interno della stessa area di infezione assicura che gli organismi siano esposti ad ambienti identici. Ciò consente la misurazione quantitativa della percentuale di cellule sottoposte a filamentazione, nonché l’entità della filamento. La normalizzazione delle misurazioni dei ceppi mutanti con quelle del ceppo di riferimento ci consente di confrontare meglio le prestazioni di un mutante con un altro.
I risultati rappresentativi qui presentati dimostrano il potenziale per una discrepanza significativa tra fenotipi in vitro e in vivo . Il ceppo mutante di C. albicans efg1ΔΔ è spesso usato come controllo negativo per i saggi di morfogenesi in quanto non riesce a filarsi in quasi tutte le condizioni in vitro 20. Sebbene i risultati in vivo fossero molto simili ai risultati in vitro , anche questo ceppo gravemente ostacolato ha occasionalmente formato filamenti nell’ambiente del tessuto ospite (Figura 3). Questo sottolinea la forza dell’ambiente ospite nell’innescare la morfogenesi.
Al contrario, il ceppo mutante cyr1ΔΔ dimostra una sostanziale discordanza tra crescita in vitro e in vivo; sebbene nessuna delle cellule mutanti subisca filamentazione in vitro, circa la metà delle cellule cresce come filamenti in vivo (Figura 4)10,21. È interessante notare che questi filamenti erano significativamente più corti di quelli formati dal ceppo di riferimento, suggerendo che CYR1 contribuisce al tasso di crescita del filamento o alla capacità di mantenere un fenotipo filamentoso. Per facilitare l’analisi della lunghezza del filamento, la lunghezza del percorso della curva dei filamenti è stata misurata utilizzando una proiezione bidimensionale delle immagini. Nelle proiezioni bidimensionali di filamenti che crescono in tre dimensioni, qualsiasi filamento che cresce su un asse che non è parallelo al piano xy proietterà più corto della sua lunghezza reale. Poiché questo scorcio si verifica anche per il ceppo di riferimento, la valutazione della distribuzione delle lunghezze dei filamenti in una proiezione bidimensionale consente ancora un confronto quantitativo tra i ceppi di riferimento e mutanti. L’analisi della lunghezza del filamento in due anziché tre dimensioni richiede un’analisi dell’immagine meno intensiva; Pertanto, può essere eseguito in tempi relativamente brevi su un tipico computer desktop. L’utilizzo di questa analisi più semplice consente di includere la distribuzione della lunghezza del filamento come parte di un protocollo di screening, fornendo una comprensione più sfumata della capacità di ciascun mutante di subire morfogenesi senza causare ritardi sostanziali nel throughput.
Gli studi rappresentativi qui presentati sono stati eseguiti utilizzando topi DBA2/N, che hanno un difetto nel loro sistema del complemento che causa un mancato reclutamento di neutrofili nel sito dell’infezione da C. albicans 22. L’obiettivo di questi studi era quello di studiare i meccanismi di regolazione della filamentazione di C. albicans all’interno del tessuto ospite. Pertanto i topi DBA2/N sono stati utilizzati per evitare di confondere i risultati a causa della suscettibilità o della resistenza di un singolo ceppo ai neutrofili. Poiché la risposta dei neutrofili anti-C. albicans può influire sulla filamento23, il reclutamento dei neutrofili nel sito di infezione potrebbe influire sui risultati di un test di morfogenesi. Se un ceppo è in grado di filamentare in vivo ma è fortemente inibito dalla filamento quando sono presenti neutrofili, la filamentazione verrebbe rilevata nei topi DBA2/N, ma sarebbe improbabile che venga osservata quando si usano topi con chemiotassi neutrofila intatta. Pertanto, lo sforzo del mouse utilizzato come host è un fattore importante quando si utilizza questo protocollo.
È improbabile che l’osservazione che il ceppo mutante efg1ΔΔ non riesca a filamentarsi in vivo sia correlata alle risposte dei neutrofili dell’ospite, perché anche questo ceppo non riesce a filarsi in vitro. La filamentazione osservata in vivo con il ceppo cyr1ΔΔ è discordante con la sua mancata filamento in vitro. I dati del modello zebrafish dell’infezione da C. albicans indicano che i neutrofili che rispondono sono importanti nella prevenzione della morfogenesi24. Pertanto, è improbabile che l’uso di topi DBA2/N, privi di risposte neutrofile, spieghi l’aumento della filamentazione del ΔΔ cyr1in vivo rispetto a quello in vitro. Tuttavia, l’ambiente in vivo sta chiaramente influenzando la morfogenesi del ceppo cyr1ΔΔ; pertanto, ulteriori indagini su questo ceppo possono fornire importanti informazioni sulla regolazione della morfogenesi di C. albicans durante le infezioni attive. Il protocollo qui descritto è progettato come un test di screening per identificare ceppi come il ceppo cyr1ΔΔ da utilizzare in studi futuri.
L’uso di un sistema di anestesia a gas a basso flusso è molto utile per questo protocollo (Figura 1A, B). Durante lo sviluppo iniziale di questo protocollo, i topi sono stati anestetizzati usando un cocktail anestetico iniettabile di ketamina mescolato con xilazina. Mentre era possibile eseguire immagini limitate con quel metodo anestetico, la durata dell’anestesia era imprevedibile, richiedendo che le sessioni di imaging fossero terminate rapidamente per evitare che il topo si riprendesse dall’anestesia durante l’imaging. I sistemi anestetici tradizionali per via inalatoria sono ingombranti e richiedono alti tassi di flusso di gas anestetici, spesso richiedendo di essere utilizzati all’interno di una cappa aspirante. Pertanto, i tradizionali sistemi anestetici inalati sarebbero molto difficili da usare con i vincoli di spazio di un microscopio confocale senza esporre inavvertitamente i ricercatori agli agenti anestetici. L’uso di un sistema anestetico inalato a basso flusso consente un’anestesia coerente dell’animale mantenendo un ambiente sicuro per lo sperimentatore. Il naso a basso flusso consente un facile posizionamento dell’animale sia per l’inoculazione che per la microscopia. Il tubo di erogazione di piccolo calibro e a basso volume consente l’uso di tubi relativamente lunghi, che consentono di posizionare la macchina per anestesia a una distanza sufficiente per non interferire con la microscopia.
La clorofilla presente nel tipico topo porta ad una significativa autofluorescenza tissutale25. Ciò crea un rumore sostanziale nelle immagini, rendendo difficile ottenere immagini di alta qualità e ad alta risoluzione spaziale. Quando gli animali sono stati nutriti con chow privo di clorofilla per 7 giorni prima dell’imaging, il background da autofluorescenza era sostanzialmente diminuito nei tessuti, ma la clorofilla depositata nei capelli continuava ad essere problematica. La rimozione dei peli sui padiglioni auricolari utilizzando una crema depilatoria chimica da banco è efficace nel ridurre al minimo l’autofluorescenza nei capelli (Figura 1C, D). Pertanto, la combinazione di chow privo di clorofilla e un’adeguata depilazione ha ridotto sostanzialmente l’autofluorescenza e migliorato notevolmente la qualità dell’immagine. Poiché i peli vengono rimossi dall’orecchio prima dell’imaging, il colore dei capelli dell’animale non influisce su questo sistema. Questo protocollo è stato utilizzato con successo per studiare le infezioni da C. albicans in topi BALB / c (bianco), C57BL / 6 (nero) e DBA2 / N (marrone). Il protocollo può essere utilizzato anche con topi knockout C57BL/6 carenti di vari geni dell’ospite; Ciò consentirà future indagini su come il sistema immunitario dell’ospite dei mammiferi influisce sulla filamento. Una caratteristica di questo modello non discussa in questo protocollo è che, poiché questo sistema di imaging non è invasivo, lo stesso animale può essere ripreso ripetutamente per diversi giorni, consentendo di seguire l’andamento della singola infezione nel tempo. Questa caratteristica giocherà probabilmente un ruolo chiave negli studi futuri sull’interazione ospite-patogeno.
In sintesi, questo protocollo si traduce in immagini ad alta risoluzione spaziale di C. albicans che crescono nel tessuto di un ospite di mammifero vivo, consentendo una valutazione accurata della morfogenesi nei ceppi mutanti 8,9,10. I risultati presentati qui dimostrano come questo protocollo possa essere utilizzato per lo screening di una libreria di mutanti di C. albicans. Dei mutanti di C. albicans testati fino ad oggi, una gran parte dei mutanti con difetti noti nella morfogenesi in vitro si sottopongono prontamente alla filamentazione in vivo 9,10. Ciò evidenzia l’importanza di includere un sistema in vivo come questo negli esperimenti progettati per chiarire i meccanismi della patogenesi di C. albicans.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato supportato dalla sovvenzione NIH 1R01AI33409 e dal Dipartimento di Pediatria, Carver College of Medicine, Università dell’Iowa.
#1.5 coverslips | Thermo-Fisher | 20811 | large enough to cover the universal stage opening |
0.1 mL Insulin syringes | EXELint | 26018 | Can use syringes that are 5/16"–1/2" long and 29–32 G |
3.7% formaldehyde in dPBS | Sigma-Aldrich | SHBJ5734 | |
70% Ethanol/30% water | Decon Laboratories | A05061001A | |
Alcohol prep pads | Covidien | 5110 | Alternative: gauze pads soaked in 70% isopropyl alcohol |
C.albicans reference strain and experimental strains | SN250 | FGSC Online Catalog | The specific C. albicans strain varies with experiment and the investigators goals. We have used strains derived from SC5314 as well as other clinical isolates. |
Chlorophyl free mouse chow | Envigo | 2920x | |
Computer | Dell | Optiplex 7050 | Computer that can run imaging software for acquisition and for analysis of images. A variety of imaging software is available and varies with the specific microscope and user system. |
Cotton tip applicator | Pro Advantage | 76200 | |
DBA2/N (6-12 week old mice) | BALB/c and C57/BL6 mice can also be used. The latter allow for the use of widely available knockout mouse models as well as mouse models in which individual cell types, such as phagocytes, are identified by their expression of fluorescent proteins. | ||
Double sided tape designed to hold fabric to skin (fashion tape) | local pharmacy or grocery store | Double sided adhesive tape designed for keeping clothing in place over human skin. This is typically available over the counter in pharmacies and variety stores. It is important to use this type of tape as it is designed for gentle adherence to skin. Examples: https://www.amazon.com/Womens-Fashion-Clothing-Transparent-Suitable/dp/B08S3TWR3H/ref=sr_1_40?crid=2UWFL8FMFAKGM&keywords =fashion+tape&qid=1649174406&sprefix= fashion+tape%2Caps%2C70&sr=8-40 https://www.amazon.com/Fearless-Tape-Sensitive-Clothing-Transparent/dp/B07QY8V5XT/ref=sr_1_26?crid=2UWFL8FMFAKGM&keywords =fashion+tape&qid=1649174320&sprefix= fashion+tape%2Caps%2C70&sr=8-26 https://www.amazon.com/Hollywood-Fashion-Secrets-Tape-Floral/dp/B009RX77MK/ref=sr_1_29?crid=2UWFL8FMFAKGM&keywords =fashion+tape&qid=1649174406&sprefix= fashion+tape%2Caps%2C70&sr=8-29 |
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Dulbecco's phosphate buffered saline | Gibco / Thermo-Fisher | 14190-144 | Must be sterile; open a new container for every experiment |
Fetal bovine serum | Gibco / Thermo-Fisher | 26140-079 | |
Gauze pad | Pro Advantage | P157112 | |
Gel eye lurbicant | local pharmacy or grocery store | ||
ImageJ or FIJI analysis software | NIH | ImageJ (FIJI) | |
Isoflurane | Akorn | J119005 | |
Leica DMi8 (SP8 platform) with Leica 11506375 objective lens | Leica | DMi8 (SP8) | The objective lens (Leica 11506375) used here is a 25x water immersion lens to allow us to have a high NA (0.95) while approximating the refractive index of the ear tissue. The microscope (Leica DMi8 (SP8 platform) has 488 nm and 638 nm diode laser lines and is equipped with filter-free spectral detection with computer controlled adjustable bandwidth for detection of emission light. The stage must have enough clearance to allow the objective to reach the bottom coverslip without hitting the stage. |
Low-flow anesthesia system or traditional anesthesia vaporizer | Kent Scientific International | SomnoSuite | |
Nair hair remover lotion | local pharmacy or grocery store | Over the counter depilatory cream | |
Nourseothricin | Jena Bioscience | AB-101L | |
pENO1-NEON-NATR pENO1-iRFP-NATR plasmids | Fluorescent protein expression transformation constructs generously given to us by Dr. Robert Wheeler (Seman, et al., 2018, Infection and Immunity; Bergeron, et al., 2017, Infection and Immunity) | ||
Pressure sensitive laboratory tape | Tape & Label Graphic Systems Inc | 1007910 | |
RPMI1640 cell culture medium | Gibco / Thermo-Fisher | 11875-093 | |
Thimble, plastic 15 mL conical tube, or Falcon 5 mL round bottom polystyrene tubes | Falcon | 352196 | To safely hold the animals ear during injectinos |