Hier beschrijven we een procedure die orgaanbrede detectie van pathogene bacteriën tijdens infectie en kwantificering van fluorescerende reporteractiviteiten mogelijk maakt.
De meeste infecties vinden plaats in driedimensionale gastheerweefsels met een ingewikkelde anatomie en lokaal variërende gastheerfysiologie. De positionering van pathogene cellen in deze diverse omgeving heeft een aanzienlijke invloed op hun stressniveaus, reacties, lot en bijdrage aan de algehele progressie van de ziekte en het falen van de behandeling. Vanwege de technische problemen bij het lokaliseren van pathogene cellen ter grootte van μm in gastheerorganen ter grootte van een cm, is dit onderzoeksgebied echter relatief onontgonnen. Hier presenteren we een methode om deze uitdaging aan te gaan. We maken gebruik van seriële twee-fotontomografie en AI-verbeterde beeldanalyse om individuele Salmonella-cellen te lokaliseren in de hele milt, leverkwabben en hele lymfeklieren van geïnfecteerde muizen. Met behulp van fluorescerende reporters en in vivo toediening van antilichamen kan de replicatiesnelheid van afzonderlijke Salmonella-cellen , hun lokale interactie met specifieke immuuncellen en bacteriële reacties op antibiotica worden bepaald. Deze methodologieën openen wegen voor een uitgebreid onderzoek naar infecties, hun preventie en behandeling binnen de driedimensionale weefselcontext.
Infecties komen voor in weefsels met een complexe anatomie en gecompartimenteerde fysiologie. De diverse micro-omgevingen die naast elkaar bestaan in het geïnfecteerde weefsel, kunnen het lot van lokale pathogene subgroepen en hun bijdragen aan de algehele ziekte-uitkomst bepalen. Het uitgebreid in 3D in kaart brengen van microbiële pathogenen in weefsels ter grootte van een cm blijft echter een uitdaging4. Beeldvorming van de hersenen en andere organen is een zeer actief onderzoeksgebied met voortdurend verbeterende experimentele strategieën5, maar veel methoden missen nog steeds de resolutie van minder dan μm die nodig zou zijn om bacteriële pathogenen ter grootte van μm met vertrouwen te identificeren. Seriële twee-foton (STP) tomografie6 daarentegen maakt geautomatiseerde meerkleurige, vervormingsvrije beeldvorming van hele weefsels mogelijk met een resolutie van minder dan μm in het vlak, wat volledige volumetrische datasets oplevert. Deze methode combineert herhaalde fysieke doorsnede van het weefsel met behulp van een vibratoom met intermitterende beeldvorming van twee fotonen van de opkomende blokvlakken met infrarood licht. STP-tomografie is veel gebruikt voor het in kaart brengen van dunne axonen in de hersenen om connectiviteitskaarten 7,8,9,10 vast te stellen.
STP-tomografie maakt het ook mogelijk om individuele microbiële pathogene cellen (Salmonella, Toxoplasma) in de gehele geïnfecteerde weefsels in kaart te brengen11,12 met behulp van een tomograaf. De tweede harmonische generatie onthult collageenomhulsels rond slagaders en in vezelachtige banden zoals de trabeculae van de milt, en biedt zo anatomische context. In vivo geïnjecteerde fluorescerende antilichamen kunnen worden gebruikt om gastheercellen te kleuren om interacties tussen individuele pathogene cellen en infiltrerende immuuncellen zoals neutrofielen te onthullen. Hier wordt de pijplijn beschreven met verwerking van het weefsel, beeldvorming, het naaien van beeldvormingstegels met verlichtingscorrectie, het stapelen van afbeeldingen in drie dimensies en segmentatie met behulp van machine learning-tools. Deze pijplijn levert 3D-posities op van individuele pathogenen, cellen en microkolonies binnen hun gastheercontext. Het tellen van het aantal individuele cellen binnen microkolonies blijft moeilijk vanwege resolutielimieten, maar dergelijke aantallen kunnen worden geschat op basis van de geïntegreerde helderheid van de microkolonie. De pijplijn kan gemakkelijk worden aangepast aan andere infectiemodellen als er recombinante GFP- of YFP-expressieve pathogenen beschikbaar zijn.
De lokale weefselcontext van bacteriële pathogenen is cruciaal voor het bepalen van lokale gastheeraanvallen, bacteriële aanpassingen, de lokale uitkomst van de interacties tussen gastheerpathogenen en antimicrobiële chemotherapie, en de individuele bijdragen aan de algehele uitkomst van de ziekte. Het afbeelden van bacteriën ter grootte van een micrometer in organen ter grootte van een centimeter was een uitdaging. Seriële twee-foton (STP) tomografie biedt voldoende ruimtelijke resolutie om individuele bacteriële cellen in hele organen te detecteren, geautomatiseerde secties en beeldvorming, en voldoende doorvoer (~1 orgaan per dag)11. Hoewel gastheerantigenen in vivo kunnen worden gekleurd, moeten pathogene cellen geschikte fluorescerende eiwitten tot expressie brengen om uitgebreide detectie van intracellulaire pathogene cellen te garanderen. De resulterende datasets (0,5-1,5 TeraByte per orgaan) vormen een grote uitdaging voor IT-infrastructuren voor data-analyse en -opslag.
Er zijn verschillende kritieke stappen in deze methode. Ten eerste is een pathogene stam met detecteerbare en homogene expressie van fluorescerend eiwit GFP of YFP vereist. Idealiter wordt een chromosomale expressiecassette25 gebruikt om de heterogeniteit van fluorescentie als gevolg van variatie in het plasmide-kopiegetal te minimaliseren. Voldoende fluorescentie-intensiteit is vereist, maar overmatige niveaus van fluorescerend eiwit moeten worden vermeden om fitnessstoornissen van de ziekteverwekker tevoorkomen23. Geschikte expressieniveaus kunnen worden verkregen door selectie van een geschikte promotor en fijnafstemming van de ribosomale bindingsplaats25 of het gehele 5′ niet-getransleerde gebied (UTR)26. Ten tweede moet de perfusiefixatie een eerste wasbeurt met buffer omvatten om zoveel mogelijk erytrocyten uit de bloedcirculatie te verwijderen. Dit is met name van cruciaal belang voor milt en lever (hoewel volledige verwijdering van erytrocyten uit deze organen moeilijk is). Resterende erytrocyten absorberen licht in het zichtbare deel van het spectrum, waardoor de beeldkwaliteit in gevaar komt27. Ten derde is de opslag van de vaste weefsels in de cryoprotectivum van cruciaal belang om de autofluorescentie van het weefsel te verminderen, die bijzonder hoog is in ontstoken weefsels en de relatief zwakke fluorescentie van de pathogene cellen kan overschaduwen. Ten vierde is de effectieve verknoping van het weefsel met het omringende agaroseblok van cruciaal belang voor een soepele vibratoomsnede zonder dat het weefsel uit het agaroseblok springt. Ten vijfde moeten fluorescerende signalen en hun identificatie als pathogene cellen onafhankelijk worden geverifieerd met behulp van orthogonale benaderingen zoals kleuring met antilichamen tegen pathogene componenten (zoals lipopolysaccharide voor Gram-negatieve bacteriën) en confocale microscopie van de secties die uit de tomograaf11 zijn gehaald. Sommige geïnfecteerde weefsels bevatten autofluorescerende deeltjes met een vergelijkbare vorm en overlappende fluorescentiespectra die gemakkelijk verkeerd kunnen worden geïnterpreteerd als pathogene cellen. Ten zesde moet de hoeveelheid pathogene cellen in microkolonies worden vergeleken met orthogonale benaderingen zoals confocale microscopie om de nauwkeurigheid te beoordelen. De totale bacteriële belasting op basis van deze berekeningen moet worden geverifieerd in vergelijking met orthogonale benaderingen zoals flowcytometrie en plating.
Belangrijke aanpassingen van het veelgebruikte STP-protocol zijn onder meer het plaatsen van een smalbanddoorlaatfilter 510/20 nm voor fotomultiplier 211, om interferentie van groen-gele autofluorescentie te verminderen die bijzonder sterk is in geïnfecteerde en ontstoken lever-, milt- en Peyer-pleisters. De sterke autofluorescentie en verhoogde lichtverstrooiing van dergelijke organen in vergelijking met de hersenen (die andere toepassingen van STP domineren) genereert ook een behoefte aan effectievere correctie voor ongelijkmatige verlichting. Als andere wijziging maakt dit protocol voor dit doel gebruik van de CITERRE-benadering22 (figuur 3) en op AI gebaseerde segmentatie van bacteriën. Ten slotte werd de voorbewerking van het weefsel gewijzigd door een incubatiestap in cryoprotectant bij -20 °C op te nemen, wat de autofluorescentie van het weefsel vermindert en zo de detectie van kleine pathogene cellen met een relatief zwakke fluorescentie vergemakkelijkt11.
Probleemoplossing kan nodig zijn als er geen pathogene signalen kunnen worden gedetecteerd, of segmentatie onvoldoende gevoeligheid oplevert (er worden te veel pathogene cellen gemist) of onvoldoende precisie (te veel achtergronddeeltjes worden gesegmenteerd als pathogene cellen). Als autofluorescentie van het achtergrondweefsel detecteerbaar is, maar er te weinig pathogene signalen zijn, kunnen de pathogenen onvoldoende hoeveelheden fluorescerende eiwitten bevatten. Dit kan worden getest met behulp van confocale microscopie van weefselsecties van hetzelfde geïnfecteerde weefsel of flowcytometrie van weefselhomogenaten19,28. Onderliggende redenen kunnen zijn: onvoldoende expressieniveaus of instabiliteit van de expressiecassette. Mitigatiestrategieën kunnen alternatieve promotoren omvatten om expressie te stimuleren, codon-aanpassing van de genen die coderen voor het fluorescerende eiwit voor de pathogene soorten, gebruik van episomale constructen met een hoger aantal kopieën, of stabilisatie van expressiecassettes door chromosomale integratie of gebalanceerde-letale complementatie29. De keuze van het fluorescerende eiwit is ook belangrijk, maar detectie is mogelijk met GFP.mut2, mWasabi, YPet en TIMERbac. Als segmentatie onnauwkeurig is, kan dit worden veroorzaakt door een te zwakke pathogene fluorescentie die kan worden aangepakt zoals hierboven beschreven, of door een te hoge autofluorescentieachtergrond in het weefsel. Uitgebreide perfusie van de wasoplossing of langdurige incubatie in de opslagbuffer onmiddellijk voor inbedding in het agaroseblok en tomografie kunnen deze problemen oplossen. Ten slotte is voldoende training van het neurale netwerk vereist voor nauwkeurige classificatie, maar overmatige training kan leiden tot overfitting die de prestaties van nieuwe monsters schaadt.
Momenteel is er geen andere methode die hele organen met voldoende ruimtelijke resolutie in 3D kan afbeelden voor het detecteren van individuele bacteriën. Toekomstige verbeteringen in weefselopruiming en light-sheet-microscopie zouden een vergelijkbare resolutie kunnen bereiken. Dit kan beeldvorming met hogere snelheid en met meer fluorescerende kanalen mogelijk maken.
Een belangrijke beperking van STP is de pixelresolutie in het vlak van ~0,5 μm en de verticale resolutie van 5 tot 10 μm, wat onvoldoende is voor het oplossen van dicht bij elkaar gelegen bacteriën, bijvoorbeeld in een dicht opeengepakte microkolonie. Het is echter mogelijk om weefselsecties na tomografie te verwijderen voor secundaire confocale microscopie met hoge resolutie van geselecteerde weefseldelen. Een andere beperking van STP is de beschikbaarheid van slechts drie fluorescentiekanalen, waardoor het aantal fluoroforen dat tegelijkertijd kan worden afgebeeld, wordt beperkt. Nogmaals, secundaire analyse van opgehaalde weefselsecties met multiplexing-methoden kan de locatie en intensiteit van veel meer markers voor geselecteerde weefseldelen onthullen. Deze informatie kan worden geïntegreerd in de algehele 3D-structuur van het omliggende weefsel zoals bepaald met STP.
Concluderend maakt dit protocol gedetailleerd onderzoek mogelijk naar interacties tussen gastheer en ziekteverwekker op lokaal en orgaanniveau. Het protocol moet gemakkelijk kunnen worden aangepast aan andere ziekteverwekkers (op voorwaarde dat ze kunnen worden verkregen als fluorescerende stammen), andere organen en verschillende gastheersoorten.
The authors have nothing to disclose.
Het werk werd ondersteund door de Zwitserse Nationale Wetenschapsstichting 310030_156818, 310030_182315 en NCCR_ 180541 AntiResist (naar DB).
Chemicals | |||
Agarose Low Melt | Roth | Art. 6351.5 25g | |
Boric acid | Sigma-Aldrich | 6768-500G | |
Instant adhesive Loctite 435 | Henkel | ||
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | P6148 | |
Poly(ethylene glycol) | Sigma-Aldrich | P5413-1kg | |
Polyvinylpyrrolidone | Sigma-Aldrich | PVP-100G | |
Sodium borohydride | Sigma-Aldrich | 71321-25g | |
Sodium hydroxide | Merck | 106453 | |
Sodium periodate | Sigma-Aldrich | 311448-100G | |
Sodium phosphate dibasic | Sigma-Aldrich | 71640-250G | |
Sodium phosphate monobasic dihydrate | Sigma-Aldrich | 71500-1KG | |
Sodium tetraborate | Sigma-Aldrich | 221732-100g | |
Sucrose | AppliChem | A4734,1000 | |
Tris-buffered saline (TBS) | Merck | T5912-1L | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | 9002-93-1 | |
Vacuum filtration 500 | TPP | TPP99250 | |
Equipment | |||
Blade | Campden Instruments Limited | 01-01-4692 | |
MAITAI Laser | Spectra-Physics | ||
Peel away plastic mold | Sigma-Aldrich | E6032-1CS | |
TissueCyte 1000 tomograph | TissueVision | ||
Antibody/dyes | |||
DAPI | Merck | D9542-5MG | |
Primary antibodies | |||
anti-LPS Salmonella, rabbit | Sifin | REF TS 1624 | |
anti-CD169-PE, clone 3D6.112 | Biolegend | 142403 | |
anti-Ly-6G-PE, clone 1A8 | Biolegend | 127608 | |
Secondary antibodies | Invitrogen | ||
chicken anti-rabbit Alexa 647 | Invitrogen | A-21443 | |
Software | Company | Version | |
Fiji | Image J | 1.54g or later | |
MATLAB | MathWorks | 2017b/2018b or later | |
Orchestrator (tomograph) | TissueVision | ||
Visualization software Imaris | Oxford Instruments | 9.9.0 or later |