اللثوية Porphyromonas كما كائن نموذج لتقييم تفاعل البكتيريا اللاهوائية مع خلايا المضيف
Özet
This article presents two protocols: one to measure anaerobic bacteria that can successfully invade and survive within the host, and the other to visualize anaerobic bacteria interacting with host cells. This study can be applied to any cultivable anaerobe and any eukaryotic cell type.
Abstract
البكتيريا اللاهوائية يفوق بكثير الجرام aerobes في العديد من منافذ الإنسان مثل القناة الهضمية والفم والمهبل. وعلاوة على ذلك، والتهابات اللاهوائية شائعة وكثيرا من السكان الأصليين. قدرة بعض الكائنات الممرضة اللاهوائية لغزو الخلايا البشرية يعطيها تدابير التكيف للهروب المناعة الفطرية وكذلك لتعديل سلوك الخلية المضيفة. ومع ذلك، وضمان أن البكتيريا اللاهوائية هي حية أثناء التحقيق التجريبي للأحداث قد تشكل تحديات. اللثوية Porphyromonas، واللاهوائية سلبية الغرام، غير قادرة على غزو مجموعة متنوعة من الخلايا غير البلعمية حقيقية النواة. توضح هذه المقالة كيفية بنجاح الثقافة وتقييم قدرة P. اللثوية لغزو الخلايا البشرية الوريد السري البطانية (HUVECs). وقد وضعت بروتوكولين: واحدة لقياس البكتيريا التي يمكن أن تغزو بنجاح والبقاء على قيد الحياة داخل المضيف، والآخر لتصور البكتيريا تتفاعل مع الخلايا المضيفة. هذه التقنيات تتطلب استخدام وسيلة anaerobic غرفة لتزويد P. اللثوية مع بيئة اللاهوائية للنمو الأمثل.
ويستند البروتوكول الأول على فحص حماية المضادات الحيوية، التي تستخدم إلى حد كبير لدراسة غزو الخلايا المضيفة عن طريق البكتيريا. ومع ذلك، وفحص حماية مضاد حيوي غير محدود؛ تقاس فقط البكتيريا داخل الخلايا التي هي زروع بعد العلاج بالمضادات الحيوية وتحلل الخلية المضيفة. لتقييم جميع البكتيريا تتفاعل مع الخلايا المضيفة، سواء الحية والميتة، وضعنا البروتوكول الذي يستخدم المجهر الفلورسنت لدراسة التفاعل المضيف الممرض. وصفت البكتيريا fluorescently مع 2 "، 7'-التسويات الدولية (2-carboxyethyl) -5- (و6) -carboxyfluorescein acetoxymethyl استر (BCECF-AM) واستخدامها لتصيب الخلايا حقيقية النواة تحت الظروف اللاهوائية. بعد تثبيت مع امتصاص العرق وpermeabilization مع 0.2٪ تريتون X-100، وصفت الخلايا المضيفة مع TRITC phalloidin ودابي لتسمية الهيكل الخلوي الخلية والنواة، على التوالي. متعددة معهد العالم العربيويتم الحصول على غيس التي اتخذت في نقاط الاتصال المختلفة (Z-كومة) لتصور الزمانية المكانية من البكتيريا. الأساليب المستخدمة في هذه الدراسة يمكن تطبيقها على أي اللاهوائية الصالحة وأي نوع من الخلايا حقيقية النواة.
Introduction
البكتيريا اللاهوائية استعمار تقريبا جميع أسطح جسم الإنسان. على الرغم من أن السائد في النباتات في مساحات المعوية والبولي التناسلي حيث تركيزات الأكسجين منخفضة، كانت موجودة أيضا عند مستويات مرتفعة على الجلد والفم والأنف، والحلق 1. البكتيريا اللاهوائية هي سبب شائع للالتهابات الداخلية وكثيرا ما معزولة عن المواقع المصابة. ومع ذلك، بسبب طبيعتها الحساسية، يمكن اللاهوائية يكون من الصعب عزل والثقافة. الدراسات التي تنطوي على البكتيريا اللاهوائية ويجب أن يتم في ظل ظروف مقيدة. تقنيات اللاهوائية الثقافة الحديثة تسمح للباحثين لتقليد إعدادات اللاهوائية اللازمة لدراسة العديد من السلالات المختبر اللاهوائي أو حتى العزلات السريرية 2،3.
وقد وضعت البكتيريا اللاهوائية المسببة للأمراض علاقة دينامية والتطور المشترك مع الخلايا المضيفة التي يقيمون فيها. معظم اللاهوائية عرضة للقتل من قبل الاستجابة المناعية قبل الوصول infectiمستويات الأوس. ومع ذلك، فقد وضعت بعض البكتيريا المسببة للأمراض آليات للهروب من أو تخريب الاستجابة المناعية. انهم تحقيق هذا الهدف من خلال آليات مثل التهرب من الاعتراف المناعة، وتحييد وسطاء المناعة، تغيير مناعة خلوية، غزو الخلايا المضيفة، وتغيير في مأمن مما يشير إلى 4. Porphyromonas اللثوية، واللاهوائية سلبية الغرام المتورطين في كل من الفم و الأمراض خارج الفم، مثال واحد من العوامل المسببة للأمراض البكتيرية تكييفها للغاية قادرة على التسبب في تغييرات المسببة للأمراض في البلد المضيف 5-7.
جيوب بيوفيلم البلاك تراكمت في الشقوق العميقة التي تشكلت بين الأسنان والأنسجة المخاطية اللثة يمكن أن تؤوي البكتيريا اللاهوائية التي يتم حمايتها من الأكسجين في الغلاف الجوي 8. هذه الجيوب اللثوية بمثابة المتخصصة لمختلف العوامل الممرضة اللاهوائية، مثل P. اللثوية 9. P. اللثوية هو الممرض حجر الزاوية التي هي قادرة على إعادة تشكيلهاجي المجتمع الميكروبية عن طريق الفم بطرق تعزز تطور وتقدم أمراض اللثة 10. وتنتج عدد كبير من العوامل الفوعة التي تنشط ضد طائفة واسعة من البروتينات المضيفة ويوفر آليات التهرب من دفاعات المضيف (11). بل هو أيضا قادرة على غزو طلائي، البطانية، الأرومة الليفية، وخلايا الرباط اللثة في المختبر 12-14 والحية 15. من خلال غزو فعالية الخلايا المضيفة، P. اللثوية يمكن الهروب الحصانة المضيف. الغزو الفعال للخلايا المضيفة لا يسمح للبكتيريا للهروب دفاعات المضيف ولكن أيضا بمثابة خزان للفي المستقبل إعادة العدوى، وكذلك يغير الخلية المضيفة. هناك حاجة لدراسات الآليات الجزيئية المشاركة في التصاق واستيعاب البكتريا عن طريق الخلايا المضيفة. وتركز البحث في العديد من المختبرات على فهم الأحداث الجزيئية المرتبطة استيعاب P. اللثوية من قبل الخلايا المضيفةفضلا عن الآليات المستخدمة لقمع واختطاف الاستجابة المناعية والبقاء على قيد الحياة معادية آليات دفاع المضيف.
هناك العديد من فحوصات قادرة على تحديد وتوصيف مسببات الأمراض التي هي قادرة على غزو الخلايا المضيفة. ومع ذلك، في الدراسات المختبرية مع مسببات الأمراض اللاهوائية تشكل العديد من المشاكل التجريبية للباحث أساسا لأنه من الصعب إجراء دراسات التي تعتمد على أدوات ضخمة في غياب الأكسجين. ويضاف إلى ذلك حقيقة أن الخلايا حقيقية النواة تتطلب الأوكسجين في النمو، وبالتالي يجب أن تكون مستعدة بشكل منفصل في حاضنات زراعة الأنسجة. وثمة طريقة لتجنب مثل هذه العقبات تتمثل في إجراء الدراسات تحت الأوكسجين في الغلاف الجوي، ولكن هذا من شأنه أن يجعل نمو البكتيريا اللاهوائية مستحيلا. وثمة طريقة أخرى تتمثل في استخدام البكتيريا قتلوا الحرارة لنقل العدوى ودراسة التفاعلات الخلية المضيفة. ومع ذلك، توجد اختلافات بين البكتيريا قتلوا الحرارة وقابلة للحياة أن يقلل من أهميتها من interacti المضيف الممرضفي 16. فمن المركزي لدراسة البكتيريا قادرة على البقاء مع التعبير دون تغيير التفاعل مع الخلايا المضيفة؛ وبالتالي، طرق زراعة P. يتم إعطاء اللثوية في بيئة لا هوائية. أيضا، وقد أثبت بروتوكولين فعالة من حيث التكلفة بسيطة لتقييم قدرة P. اللثوية على أن يكون داخليا من قبل خلايا الإنسان السري الوريد البطانية (HUVECs). ويستند البروتوكول الأول على شعبية مقايسة حماية المضادات الحيوية. على الرغم من أن الفحص واضح وصريح، يتم إعطاء الاعتبارات عند استخدام الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية. يتطلب البروتوكول الثاني استخدام المجهر الضوئي فلوري لتصور التفاعل والمنضوية P. اللثوية. كل تجربة لها حدودها والمزايا التي سيتم مناقشتها لتوفير الباحث الخطوط العريضة لدراسة الغزو من البكتيريا اللاهوائية. على الرغم من أن المخطوطة الحالية دراسات P. اللثوية وHUVECs، هذه البروتوكولات يمكن استخدامها للعديد من البكتيريا اللاهوائية أخرى أيضاكما لأنواع أخرى من الخلايا المضيفة.
Protocol
Representative Results
Discussion
كل الطرق المذكورة أعلاه يمكن استخدامها لتصميم فحوصات محددة لتقييم تفاعل البكتيريا اللاهوائية مع الخلايا حقيقية النواة. ومع ذلك، هناك العديد من الاعتبارات اللازمة لإجراء التجارب بنجاح. هي أول السلالات الجرثومية لاستخدامها في الدراسة.
<p class="jove_content" style=";text-align:right;dir…Açıklamalar
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We would like to thank Dr. Hiroshi Miyazaki, Dr. Scott Henderson, Dr. Todd Kitten, Dr. Justin Hutcherson, Dr. Catherine Jauregui, and Collin R. Berry. This work was supported by NIH NIDCR grants R01DE016124, R01DE018039, and R01DE023304 to J.P. Lewis.
Microscopy was performed at the VCU Department of Anatomy and Neurobiology Microscopy Facility, supported, in part, with funding from NIH-NINDS Center core grant (5P30NS047463).
Materials
| Vinyl Anaerobic Chamber-Type B | Coy Laboratory Products | Model 2000 incubator | |
| TSA II Trypticase Soy Agar w/5% Sheep Blood | BBL | 221261 | |
| Human Umbilical Vein Endothelial Cells 10-donor Pool | LifeLine Technology | FC-0044 | |
| VascuLife VEGF Medium Complete Kit | LifeLine Technology | LL-0003 | |
| TrypKit | LifeLine | LL-0013 | |
| Saponin | Riedel-de Haen | 16109 | |
| Gentamicin Sulfate Salt | Sigma-Aldrich | G-1264 | |
| Metronidazole | Sigma-Aldrich | M-3761 | |
| BCECF-AM | LifeTechnologies | B1150 | |
| TRITC Phalloidin | Sigma-Aldrich | P1951 | |
| 18 mm Circular Coverslips | Electron Microscopy Sciences | 72222-01 | |
| VectaShield Mounting Medium with DAPI | Vector Laboratories | H-1200 |
Referanslar
- Hentges, D. J. The Anaerobic Microflora of the Human Body. Clin. Infect. Dis. 16 (4), S175-S180 (1993).
- Willis, A. T. . Anaerobic bacteriology: clinical and laboratory practice. , (2014).
- Wren, M. W., Baldwin, A. W., Eldon, C. P., Sanderson, P. J. The anaerobic culture of clinical specimens: a 14-month study. J. Med. Microbiol. 10 (1), 49-61 (1977).
- Woolard, M. D., Frelinger, J. A. Outsmarting the host: bacteria modulating the immune response. Immunol. Res. 41 (3), 188-202 (2008).
- Mayrand, D., Holt, S. C. Biology of asaccharolytic black-pigmented Bacteroides species. Microbiol. Rev. 52 (1), 134-152 (1988).
- Lamont, R. J., Jenkinson, H. F. Life below the gum line: pathogenic mechanisms of Porphyromonas gingivalis. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 62 (4), 1244-1263 (1998).
- Haffajee, A. D., Socransky, S. S. Microbial etiological agents of destructive periodontal diseases. Periodontol. 2000. 5 (1), 78-111 (1994).
- Listgarten, M. A. Structure of the microbial flora associated with periodontal health and disease in man. A light and electron microscopic study. J. Periodontol. 47 (1), 1-18 (1976).
- Ximénez-Fyvie, L. A., Haffajee, A. D., Socransky, S. S. Comparison of the microbiota of supra- and subgingival plaque in health and periodontitis. J. Clin. Periodontol. 27 (9), 648-657 (2000).
- Darveau, R. P., Hajishengallis, G., Curtis, M. A. Porphyromonas gingivalis as a potential community activist for disease. J. Dent. Res. 91 (9), 816-820 (2012).
- Holt, S. C., Kesavalu, L., Walker, S., Genco, C. A. Virulence factors of Porphyromonas gingivalis. Periodontol. 2000. 20 (1), 168-238 (1999).
- Lamont, R. J., Yilmaz, &. #. 2. 4. 6. ;. Z. In or out: the invasiveness of oral bacteria. Periodontol. 2000. 30 (1), 61-69 (2002).
- Lamont, R. J., et al. Porphyromonas gingivalis invasion of gingival epithelial cells. Infect. Immun. 63 (10), 3878-3885 (1995).
- Belton, C. M., Izutsu, K. T., Goodwin, P. C., Park, Y., Lamont, R. J. Fluorescence image analysis of the association between Porphyromonas gingivalis and gingival epithelial cells. Cell. Microbiol. 1 (3), 215-223 (1999).
- Rautemaa, R., et al. Intracellular localization of Porphyromonas gingivalis thiol proteinase in periodontal tissues of chronic periodontitis patients. Oral Dis. 10 (5), 298-305 (2004).
- Kaufmann, S. H. Immunity to intracellular bacteria. Annu. Rev. Immunol. 11 (1), 129-163 (1993).
- Diaz, P., Rogers, A. The effect of oxygen on the growth and physiology of Porphyromonas gingivalis. Oral Microbiol. Immunol. 19 (2), 88-94 (2004).
- Lewis, J. P., Iyer, D., Anaya-Bergman, C. Adaptation of Porphyromonas gingivalis to microaerophilic conditions involves increased consumption of formate and reduced utilization of lactate. Mikrobiyoloji. 155, 3758-3774 (2009).
- Edwards, A. N., Suarez, J. M., McBride, S. M. Culturing and maintaining Clostridium difficile in an anaerobic environment. J. Vis. Exp. (79), e50787 (2013).
- Strober, W. Trypan blue exclusion test of cell viability. Curr. Protoc. Immunol. , (2001).
- Koch, A. L., Crandall, M. Photometric measurement of bacterial growth. The American Biology Teacher. 30 (6), 481-485 (1968).
- Wikins, T. D., Holdeman, L. V., Abramson, I. J., Moore, W. E. Standardized single-disc method for antibiotic susceptibility testing of anaerobic bacteria Antimicrob. Agents Chemother. 1 (6), 451-459 (1972).
- Bauer, A. W., Kirby, W. M., Sherris, J. C., Turck, M. Antibiotic susceptibility testing by a standardized single disk method. Am. J. Clin. Pathol. 45 (4), 493-496 (1966).
- Mandell, G. L. Interaction of intraleukocytic bacteria and antibiotics. J. Clin. Invest. 52 (7), 1673-1679 (1973).
- Menzies, B. E., Kourteva, I. Internalization of Staphylococcus aureus by endothelial cells induces apoptosis. Infect. Immun. 66 (12), 5994-5998 (1998).
- Naito, M., et al. Determination of the genome sequence of Porphyromonas gingivalis strain ATCC 33277 and genomic comparison with strain W83 revealed extensive genome rearrangements in P. gingivalis. DNA Res. 15 (4), 215-225 (2008).
- Goebel, W., Kuhn, M. Bacterial replication in the host cell cytosol. Curr. Opin. Microbiol. 3 (1), 49-53 (2000).
- Gospodarowicz, D. C. Extracellular matrix and control of proliferation of vascular endothelial cells. J. Clin. Invest. 65 (6), 1351-1364 (1980).
- DeQuach, J. A., et al. Simple and high yielding method for preparing tissue specific extracellular matrix coatings for cell culture. PloS One. 5 (9), e13039 (2010).
- Sellers, J. R., Cook, S., Goldmacher, V. S. A cytotoxicity assay utilizing a fluorescent dye that determines accurate surviving fractions of cells. J. Immunol. Methods. 172 (2), 255-264 (1994).
- Van Veen, H. W., et al. Generation of a proton motive force by the excretion of metal-phosphate in the polyphosphate-accumulating Acinetobacter johnsonii strain 210A. J. Biol. Chem. 269 (47), 29509-29514 (1994).
- Jackson, V. N., Halestrap, A. P. The kinetics, substrate, and inhibitor specificity of the monocarboxylate (lactate) transporter of rat liver cells determined using the fluorescent intracellular pH indicator, 2′,7′-bis(carboxyethyl)-5(6)-carboxyfluorescein. J. Biol. Chem. 271 (2), 861-868 (1996).
- He, J., et al. Role of Porphyromonas gingivalis FeoB2 in metal uptake and oxidative stress protection. Infect. Immun. 74 (7), 4214-4223 (2006).
- Anaya-Bergman, C., et al. Porphyromonas gingivalis ferrous iron transporter FeoB1 influences sensitivity to oxidative stress. Infect. Immun. 78 (2), 688-696 (2010).
- Ueshima, J., et al. Purification, gene cloning, gene expression, and mutants of Dps from the obligate anaerobe Porphyromonas gingivalis. Infect. Immun. 71 (3), 1170-1178 (2003).
- Johnson, M. B., Criss, A. K. Fluorescence microscopy methods for determining the viability of bacteria in association with mammalian cells. JoVE. (79), (2013).
- Cordes, T., Maiser, A., Steinhauer, C., Schermelleh, L., Tinnefeld, P. Mechanisms and advancement of antifading agents for fluorescence microscopy and single-molecule spectroscopy. Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (14), 6699-6709 (2011).
- Pawley, J. . Handbook of biological confocal microscopy. , (2010).
- Gursoy, U., Könönen, E., Uitto, V. Prevotella intermedia ATCC 25611 targets host cell lamellipodia in epithelial cell adhesion and invasion. Oral Microbiol. Immunol. 24 (4), 304-309 (2009).
- Sengupta, D., et al. Interaction of Prevotella intermedia strain 17 leucine-rich repeat domain protein AdpF with eukaryotic cells promotes bacterial internalization. Infect. Immun. 82 (6), 2637-2648 (2014).
- Reyes, L., Herrera, D., Kozarov, E., Roldán, S., Progulske-Fox, A. Periodontal bacterial invasion and infection: contribution to atherosclerotic pathology. J. Clin. Periodontol. 40, S30-S50 (2013).
- Grant, M. M., et al. Oxygen tension modulates the cytokine response of oral epithelium to periodontal bacteria. J. Clin. Periodontol. 37 (12), 1039-1048 (2010).
- Biedermann, A., Kriebel, K., Kreikemeyer, B., Lang, H. Interactions of Anaerobic Bacteria with Dental Stem Cells: An In Vitro Study. PloS One. 9 (11), e110616 (2014).
- Kriebel, K., Biedermann, A., Kreikemeyer, B., Lang, H. Anaerobic Co-Culture of Mesenchymal Stem Cells and Anaerobic Pathogens-A New In Vitro Model System. PloS One. 8 (11), e78226 (2013).
- Peyyala, R., Kirakodu, S. S., Novak, K. F., Ebersole, J. L. Oral microbial biofilm stimulation of epithelial cell responses. Cytokine. 58 (1), 65-72 (2012).
- Halldorsson, S., Lucumi, E., Gòmez-Sjöberg, R., Fleming, R. M. Advantages and challenges of microfluidic cell culture in polydimethylsiloxane devices. Biosens Bioelectro. 63, 218-231 (2015).
- Iyer, D., et al. AdpC is a Prevotella intermedia 17 leucine-rich repeat internalin-like protein. Infect. Immun. 78 (6), 2385-2396 (2010).
