Burada, enfeksiyon sırasında patojenik bakterilerin organ çapında tespit edilmesini ve floresan raportör aktivitelerinin miktarını belirlemeyi sağlayan bir prosedürü açıklıyoruz.
Enfeksiyonların çoğu, karmaşık anatomiye ve lokal olarak değişen konak fizyolojisine sahip üç boyutlu konak dokularında gerçekleşir. Patojen hücrelerin bu farklı ortamdaki konumu, stres seviyelerini, tepkilerini, kaderlerini ve hastalığın genel ilerlemesine ve tedavi başarısızlığına katkılarını önemli ölçüde etkiler. Bununla birlikte, μm boyutundaki patojen hücrelerin cm boyutundaki konakçı organlar içinde bulunmasındaki teknik zorluklar nedeniyle, bu araştırma alanı nispeten keşfedilmemiştir. Burada, bu zorluğun üstesinden gelmek için bir yöntem sunuyoruz. Enfekte farelerin tüm dalak, karaciğer lobları ve tüm lenf düğümleri boyunca tek tek Salmonella hücrelerini bulmak için seri iki fotonlu tomografi ve yapay zeka ile geliştirilmiş görüntü analizi kullanıyoruz. Floresan raportörler ve in vivo antikor uygulaması kullanılarak, tek Salmonella hücrelerinin replikasyon hızı, spesifik bağışıklık hücreleri ile lokal etkileşimleri ve antibiyotiklere bakteriyel yanıtlar belirlenebilir. Bu metodolojiler, üç boyutlu doku bağlamında enfeksiyonların kapsamlı bir şekilde incelenmesi, önlenmesi ve tedavisi için yollar açar.
Enfeksiyonlar, karmaşık anatomiye ve bölümlere ayrılmış fizyolojiye sahip dokularda meydana gelir. Enfekte dokuda bir arada bulunan çeşitli mikro ortamlar, yerel patojen alt kümelerinin kaderini ve bunların genel hastalık sonucuna katkılarını belirleyebilir 1,2,3. Bununla birlikte, cm boyutundaki dokulardaki mikrobiyal patojenlerin kapsamlı 3D haritalaması zorlu olmaya devam etmektedir4. Beynin ve diğer organların görüntülenmesi, sürekli gelişen deneysel stratejilere sahip oldukça aktif bir araştırma alanıdır5, ancak birçok yöntem hala μm boyutundaki bakteriyel patojenleri güvenle tanımlamak için gerekli olan μm altı çözünürlükten yoksundur. Buna karşılık, seri iki foton (STP) tomografi6, tüm dokuların μm altı düzlem içi çözünürlükle otomatik çok renkli, deformasyonsuz görüntülemesini sağlayarak tam hacimsel veri kümeleri verir. Bu yöntem, bir vibratom kullanılarak dokunun tekrarlanan fiziksel kesitini, ortaya çıkan blok yüzlerinin kızılötesi ışıkla aralıklı iki fotonlu görüntülemesi ile birleştirir. STP tomografisi, bağlantı haritaları oluşturmak için beyindeki ince aksonları haritalamak için yaygın olarak kullanılmaktadır 7,8,9,10.
STP tomografisi ayrıca bir tomografi kullanarak tüm enfekte dokulardaki11,12 bireysel mikrobiyal patojen hücrelerinin (Salmonella, Toxoplasma) 3D haritalanmasını sağlar. İkinci harmonik jenerasyon, arterlerin etrafında ve dalak trabekülleri gibi fibröz bantlarda kollajen kılıfları ortaya çıkarır ve böylece anatomik bağlam sağlar. İn vivo enjekte edilen floresan antikorlar, tek tek patojen hücreleri ile nötrofiller gibi sızan bağışıklık hücreleri arasındaki etkileşimleri ortaya çıkarmak için konakçı hücreleri boyamak için kullanılabilir. Burada, dokunun işlenmesini, görüntülenmesini, aydınlatma düzeltmesi ile görüntüleme karolarının dikilmesini, görüntülerin üç boyutlu olarak istiflenmesini ve makine öğrenimi araçlarını kullanarak segmentasyonu içeren boru hattı açıklanmaktadır. Bu boru hattı, konakçı bağlamları içinde tek tek patojenlerin, hücrelerin ve mikro kolonilerin 3B konumlarını verir. Mikrokoloniler içindeki tek tek hücrelerin sayısını saymak, çözünürlük sınırları nedeniyle zor olmaya devam etmektedir, ancak bu sayılar, mikrokoloninin entegre parlaklığına dayalı olarak tahmin edilebilir. Rekombinant GFP veya YFP eksprese eden patojenler mevcutsa, boru hattı diğer enfeksiyon modellerine kolayca uyarlanabilir.
Bakteriyel patojenlerin lokal doku bağlamı, lokal konak saldırılarını, bakteriyel adaptasyonları, konak patojen etkileşimlerinin ve antimikrobiyal kemoterapinin lokal sonuçlarını ve genel hastalık sonucuna bireysel katkıları belirlemek için çok önemlidir. Santimetre boyutundaki organlarda mikrometre boyutundaki bakterilerin görüntülenmesi zor olmuştur. Seri iki fotonlu (STP) tomografi, tüm organlardaki tek tek bakteri hücrelerini tespit etmek için yeterli uzamsal çözünürlük, otomatik kesit alma ve görüntüleme ve yeterli verim (günde ~ 1 organ) sağlar11. Konak antijenleri in vivo olarak boyanabilirken, patojen hücreler, hücre içi patojen hücrelerinin kapsamlı tespitini sağlamak için uygun floresan proteinleri eksprese etmelidir. Ortaya çıkan veri kümeleri (organ başına 0,5-1,5 TeraBayt), veri analizi ve depolaması için BT altyapıları için önemli zorluklar ortaya çıkarmaktadır.
Bu yöntemde birkaç kritik adım vardır. İlk olarak, floresan protein GFP veya YFP’nin saptanabilir ve homojen ekspresyonuna sahip bir patojen suşu gereklidir. İdeal olarak, plazmit kopya sayısı varyasyonuna bağlı floresan heterojenliğini en aza indirmek için bir kromozomal ekspresyon kaseti25 kullanılır. Yeterli floresan yoğunluğu gereklidir, ancak patojenin23 uygunluk bozukluklarını önlemek için aşırı floresan protein seviyelerinden kaçınılmalıdır. Uygun ekspresyon seviyeleri, uygun bir promotörün seçilmesi ve ribozomal bağlanma bölgesinin25 veya tüm 5′ çevrilmemiş bölgenin (UTR)26 ince ayarıyla elde edilebilir. İkinci olarak, perfüzyon fiksasyonu, kan dolaşımından mümkün olduğunca çok eritrositi uzaklaştırmak için tampon ile bir ilk yıkamayı içermelidir. Bu özellikle dalak ve karaciğer için kritiktir (bu organlardan eritrositin tamamen çıkarılması zor olsa da). Kalan eritrositler, spektrumun görünür kısmındaki ışığı emerek görüntüleme kalitesini tehlikeye atar27. Üçüncüsü, sabit dokuların kriyoprotektan içinde depolanması, özellikle iltihaplı dokularda yüksek olan ve patojen hücrelerin nispeten zayıf floresansını gölgede bırakabilen doku otofloresansını azaltmak için kritik öneme sahiptir11. Dördüncüsü, dokunun çevredeki agaroz bloğuna etkili bir şekilde çapraz bağlanması, doku agaroz bloğundan dışarı atlamadan düzgün vibratom kesimi için kritik öneme sahiptir. Beşincisi, floresan sinyaller ve bunların patojen hücreler olarak tanımlanması, patojen bileşenlerine karşı antikorlarla boyama (Gram-negatif bakteriler için lipopolisakkarit gibi) ve tomografi11’den alınan kesitlerin konfokal mikroskobu gibi ortogonal yaklaşımlar kullanılarak bağımsız olarak doğrulanmalıdır. Bazı enfekte dokular, patojen hücreler olarak kolayca yanlış yorumlanabilen benzer şekle ve örtüşen floresan spektrumlarına sahip oto-floresan parçacıklar içerir. Altıncısı, mikrokolonilerdeki patojen hücrelerin miktarı, doğruluğu değerlendirmek için konfokal mikroskopi gibi ortogonal yaklaşımlarla karşılaştırılmalıdır. Bu hesaplamalara dayanan genel bakteri yükleri, akış sitometrisi ve kaplama gibi ortogonal yaklaşımlarla karşılaştırılarak doğrulanmalıdır.
Yaygın olarak kullanılan STP protokolünün önemli modifikasyonları arasında, enfekte ve iltihaplı karaciğer, dalak ve Peyer yamalarında özellikle güçlü olan yeşil-sarı otofloresan girişimini azaltmak için fotoçoğaltıcı 211’in önüne 510/20 nm’lik dar bir bant geçiren filtre yerleştirilmesi yer alır. Bu tür organların beyne kıyasla (STP’nin diğer uygulamalarına hakim olan) güçlü otofloresan ve artan ışık saçılımı da düzensiz aydınlatma için daha etkili bir düzeltme ihtiyacı yaratır. Başka bir değişiklik olarak, bu protokol bu amaç için CIDRE yaklaşımı22’yi (Şekil 3) ve bakterilerin yapay zeka tabanlı segmentasyonunu kullanır. Son olarak, doku ön işlemesi, doku otofloresansını azaltan ve böylece nispeten zayıf floresan11 ile küçük patojen hücrelerinin saptanmasını kolaylaştıran -20 ° C’de kriyoprotektan içinde bir inkübasyon aşaması dahil edilerek değiştirildi.
Hiçbir patojen sinyali tespit edilemezse veya segmentasyon yetersiz hassasiyet (çok fazla patojen hücresi kaçırılır) veya yetersiz hassasiyet (çok fazla arka plan partikülü patojen hücresi olarak segmentlere ayrılır) verirse sorun giderme gerekli olabilir. Arka plan dokusu otofloresansı tespit edilebiliyorsa ancak çok az patojen sinyali varsa, patojenler yetersiz miktarda floresan proteini içerebilir. Bu, aynı enfekte dokudan alınan doku kesitlerinin konfokal mikroskobu veya doku homojenatlarının akış sitometrisi kullanılarak test edilebilir19,28. Altta yatan nedenler yetersiz ifade seviyeleri veya ifade kasetinin kararsızlığı olabilir. Azaltma stratejileri, ekspresyonu yönlendirmek için alternatif promotörleri, patojen türleri için floresan proteini kodlayan genlerin kodon adaptasyonunu, daha yüksek kopya sayısına sahip epizomal yapıların kullanılmasını veya kromozomal entegrasyon veya dengeli-ölümcül tamamlama ile ekspresyon kasetlerinin stabilizasyonunu içerebilir29. Floresan protein seçimi de önemlidir, ancak GFP.mut2, mWasabi, YPet ve TIMERbac ile tespit mümkündür. Segmentasyon yanlışsa, bunun nedeni yukarıda açıklandığı gibi ele alınabilecek çok zayıf patojen floresansı veya çok yüksek doku otofloresan arka planı olabilir. Agaroz bloğuna ve tomografiye gömülmeden hemen önce geniş kapsamlı yıkama solüsyonu perfüzyonu veya depolama tamponunda uzun süreli inkübasyon bu sorunları çözebilir. Son olarak, hassas sınıflandırma için sinir ağının yeterli eğitimi gereklidir, ancak aşırı eğitim, yeni örnekler için performansı bozan aşırı öğrenmeye yol açabilir.
Şu anda, başka hiçbir yöntem, tek tek bakterileri tespit etmek için tüm organları 3D olarak yeterli uzamsal çözünürlükte görüntüleyemez. Doku temizleme ve ışık tabakası mikroskobundaki gelecekteki gelişmeler benzer bir çözünürlük elde edebilir. Bu, daha yüksek hızda ve daha fazla floresan kanalıyla görüntülemeyi mümkün kılabilir.
STP’nin önemli bir sınırlaması, ~ 0.5 μm’lik düzlem içi piksel çözünürlüğü ve 5 ila 10 μm’lik dikey çözünürlüktür, bu da örneğin yoğun bir şekilde paketlenmiş bir mikrokoloni içinde yakın yerleşimli bakterileri çözmek için yetersizdir. Bununla birlikte, seçilen doku parçalarının sekonder yüksek çözünürlüklü konfokal mikroskobu için tomografi sonrası doku kesitleri almak mümkündür. STP’nin bir başka sınırlaması, aynı anda görüntülenebilen florofor sayısını kısıtlayan yalnızca üç floresan kanalının bulunmasıdır. Yine alınan doku kesitlerinin çoğullama yöntemleri ile sekonder analizi, seçilen doku parçaları için çok daha fazla markörün yerini ve yoğunluğunu ortaya koyabilmektedir. Bu bilgi, STP ile belirlendiği gibi çevredeki dokunun genel 3D yapısına entegre edilebilir.
Sonuç olarak, bu protokol konak-patojen etkileşimlerinin lokal ve tüm organ düzeyinde ayrıntılı olarak araştırılmasını sağlar. Protokol, diğer patojenlere (floresan suşlar olarak elde edilebilmeleri şartıyla), diğer organlara ve farklı konakçı türlere kolayca uyarlanabilir olmalıdır.
The authors have nothing to disclose.
Çalışma, İsviçre Ulusal Bilim Vakfı 310030_156818, 310030_182315 ve NCCR_ 180541 AntiResist (DB’ye) tarafından desteklenmiştir.
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 |