في فيفو التحقيق من مضادات الميكروبات العلاج الضوء الأزرق للمقاومة للأدوية المتعددة baumannii الراكدة حرق العدوى عن طريق تلألؤ بيولوجي التصوير
Summary
Infections caused by multidrug-resistant (MDR) bacterial strains have emerged as a serious threat to public health, necessitating the development of alternative therapeutics. We present a protocol to evaluate the effectiveness of antimicrobial blue light (aBL) therapy for MDR Acinetobacter baumannii infections in mouse burns by using bioluminescence imaging.
Abstract
حرق العدوى ما زالت أحد أهم أسباب الاعتلال والوفيات. وقد أدى تزايد ظهور (MDR) البكتيريا المقاومة للأدوية المتعددة إلى الفشل المتكرر من العلاج بالمضادات الحيوية التقليدية. هناك حاجة ماسة إلى علاجات بديلة لمعالجة البكتيريا MDR.
نهجا مبتكرا غير المضادات الحيوية، وقد أظهرت مضادات الميكروبات الضوء الأزرق (ABL) والفعالية واعدة ضد الالتهابات MDR. آلية عمل ABL ليست مفهومة جيدا حتى الآن. والافتراض الشائع أن تحدث بشكل طبيعي حاملات ضيائيا الذاتية في البكتيريا (على سبيل المثال، البورفيرنيات خالية من الحديد، flavins، الخ) وولع ABL، التي تنتج بدورها السامة للخلايا أنواع الاكسجين التفاعلية (ROS) من خلال عملية الضوئية.
وخلافا للنهج آخر يستند خفيفة مضادة للميكروبات، والعلاج الضوئي مضادات الميكروبات (aPDT)، والعلاج ABL لا يتطلب ضلوع photosensitiz خارجية المنشأإيه. وكل ما تحتاجه لتصبح نافذة المفعول هي أشعة الضوء الأزرق. وبالتالي، فهي بسيطة وغير مكلفة. المستقبلات ABL هي الضيائية الخلوية المحلية في البكتيريا، بدلا من DNA. وهكذا، ويعتقد المحمول جوا لتكون أقل من ذلك بكثير السمية الوراثية لاستضافة خلايا من (UVC) أشعة فوق البنفسجية-C، والذي يسبب مباشرة الحمض النووي من التلف في الخلايا المضيفة.
في هذه الورقة، نقدم بروتوكول لتقييم فعالية العلاج ABL للعدوى baumannii MDR الراكدة في نموذج الفأر من حروق. باستخدام سلالة إضاءة الحيوية هندسيا، كنا قادرين على مراقبة noninvasively مدى الإصابة في الوقت الحقيقي في الحيوانات الحية. هذا الأسلوب هو أيضا أداة فعالة لرصد التوزيع المكاني للالتهابات في الحيوانات.
Introduction
تواصل حرق الالتهابات، والتي كثيرا ما ذكرت بسبب الإصابات الحرارية الجلدية، ليكون أحد أهم أسباب الاعتلال والوفيات 1. إدارة التهابات الحروق تم اختراق مزيدا من تزايد ظهور المقاوم للأدوية المتعددة (MDR) سلالات بكتيرية 2 بسبب الاستخدام المكثف للمضادات الحيوية. واحد البكتيريا سالبة الجرام MDR المهمة هي baumannii الراكدة، والذي يعرف لتترافق مع جروح المعركة الأخيرة ومقاومة للمضادات الحيوية المتاحة كلها تقريبا 3. تم الإبلاغ عن وجود الأغشية الحيوية في بؤر المصاب 4 و 5 و يعتقد أن تفاقم التسامح للمضادات الحيوية ودفاع المضيف 6 و 7 و يسبب العدوى المستمرة 8 و 9. لذلك، هناك pressinز بحاجة لتطوير العلاجات البديلة. في الاستراتيجية الوطنية لمكافحة البكتيريا للمضادات الحيوية المقاوم أعلنت في الآونة الأخيرة، وقد لوحظ تطوير علاجات بديلة للمضادات الحيوية كما فعل من قبل حكومة الولايات المتحدة (10).
النهج المضادة للميكروبات المستندة الخفيفة، كما يدل على ذلك اسمها، تتطلب أشعة الضوء مع أو من دون غيرها من العوامل. وتشمل هذه الأساليب العلاج المضادة للميكروبات الضوئي (aPDT)، الأشعة فوق البنفسجية-C (UVC) التشعيع، والضوء الأزرق مضادات الميكروبات (ABL). في الدراسات السابقة، فقد أظهرت فعالية واعدة في قتل MDR سلالات بكتيرية 11 و 12 و 13. ومن بين الأساليب الثلاث التي تتخذ من الضوء، وقد اجتذب ABL اهتماما متزايدا في السنوات الأخيرة نظرا لخصائص مضادة للجراثيم الجوهرية من دون استخدام الضيائية 14. في comparison إلى aPDT، ABL ينطوي فقط على استخدام الضوء، في حين يتطلب aPDT مزيج من الضوء والضيائي. ولذلك، ABL هي بسيطة وغير مكلفة 14. بالمقارنة مع UVC، ويعتقد المحمول جوا لتكون أقل من ذلك بكثير السامة للخلايا والسمية الوراثية إلى الخلايا المضيفة (15).
والهدف من هذا البروتوكول هو تحقيق فعالية ABL لعلاج التهابات الحروق الناجمة عن MDR A. baumannii في نموذج الفأر. نحن نستخدم البكتيريا المسببة للأمراض إضاءة الحيوية لتطوير نماذج الماوس الجديدة من العدوى الحرق التي تسمح للمراقبة غير الغازية من عبء البكتيرية في الوقت الحقيقي. مقارنة مع الطريقة التقليدية لأخذ العينات السوائل في الجسم / الأنسجة والطلاء لاحق ومستعمرة عد 16، توفر هذه التقنية نتائج دقيقة. عملية أخذ العينات الأنسجة يمكن إدخال مصدر آخر من الخطأ التجريبي. منذ شدة استضاءة البكتيرية يتناسب خطيا إلى corresالبرك البكتيري CFU 17، يمكننا قياس مباشرة بقاء البكتيريا بعد جرعة معينة من أشعة الضوء. من خلال رصد عبء البكتيرية في الحيوانات التي تعيش تلقي العلاج الخفيفة في الوقت الحقيقي، وحركية قتل البكتيريا يمكن أن توصف باستخدام عدد أقل بكثير من الفئران.
Protocol
Representative Results
Discussion
ABL هو طريقة جديدة لعلاج الالتهابات. منذ آلية عملها هي مختلفة تماما عن تلك التي العلاج الكيميائي، وهو أكثر من العلاج الطبيعي. وكيل التي تتوسط تأثير مضاد للميكروبات باللون الأزرق أشعة الضوء (400-470 نانومتر). مع تطور المصابيح الزرقاء، حصلنا على الوصول إلى نهج المضادة للجرا…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported in part by the Center for Integration of Medicine and Innovative Technology (CIMIT) under the U.S. Army Medical Research Acquisition Activity Cooperative Agreement (CIMIT No. 14-1894 to TD) and the National Institutes of Health (1R21AI109172 to TD). YW was supported by an ASLMS Student Research Grant (BS.S02.15). We are grateful to Tayyaba Hasan, PhD at the Wellman Center for her co-mentorship for YW.
Materials
| IVIS | PerkinElmer Inc, Waltham, MA | IVIS Lumina Series III | Pre-clinical in vivo imaging |
| Light-emitting diode LED | VieLight Inc, Toronto, Canada | 415 nm | Light source for illumination |
| Power/energy meter | Thorlabs, Inc., Newton, NJ | PM100D | Light irradiance detector |
| Mouse | Charles River Laboratories, Wilmington, MA | BALB/c | 7-8 weeks age, 17-19 g weight |
| Acinetobacter baumannii | Brooke Army Medical Center, Fort Sam Houston, TX | Clinical isolate | Engineered luminescent strain |
| Insulin Syringes | Fisher Scientific | 14-826-79 | BD Lo-Dose U-100 Insulin Syringes for injection |
| Sodium Chloride | Fisher Scientific | 721016 | 0.9% Sodium Chloride |
| Phosphate Buffered Saline, 1X Solution | Fisher Scientific | BP24384 | A standard phosphate buffer used in many biomolecular procedures |
| Brain Heart Infusion | Fisher Scientific | B11059 | Bacterial culture medium |
| Falcon 15mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-959-70C | For bacterial suspension centrifuge |
| Benchtop Incubated Orbital Shakers | Laboratory Supply Network, Inc, Atkinson, NH | Incu-Shaker Mini | For culturing of bacteria |
| Inoculating Loops | Fisher Scientific | 22-363-605 | For smearing bacterial inoclum on burn surface of mice |
| Fisher Scientific Redi-Tip Pipet Tips, 1-200µL | Fisher Scientific | 02-707-502 | Pipet Tips |
| Thermo Scientific Sorvall Legend X1 Centrifuge | Fisher Scientific | 75-004-220 | For bacterial suspension seperation |
| Brass Block | Small Parts, Inc., Miami, FL | 10 mm by 10 mm | For creation of burns in mice |
| Extreme Dragon PBI/Kevlar High-Heat Gloves | Superior Glove Works Ltd, Cheektowaga, NY | PBI83514 | Heat Resistant Gloves |
| Greiner dishes | Sigma-Aldrich Co. LLC | P5112-740EA | 35 mm ×10 mm |
| Corning Digital Hot Plate | Cole-Parmer Instrument Company, LLC | UX-84301-65 | 10" x 10", 220 VAC, for boiling water |
| Mouse/Rat Thin Line Water Heated Surgical Bed | E-Z Systems | EZ-211 | Prevents heat loss and hypothermia during surgery |
Referenzen
- Gibran, N. S. Summary of the 2012 ABA Burn Quality Consensus conference. J Burn Care Res. 34 (4), 361-385 (2013).
- Sommer, R., Joachim, I., Wagner, S., Titz, A. New approaches to control infections: anti-biofilm strategies against gram-negative bacteria. Chimia (Aarau). 67 (4), 286-290 (2013).
- Peleg, A. Y., Seifert, H., Paterson, D. L. Acinetobacter baumannii: emergence of a successful pathogen. Clin Microbiol Rev. 21 (3), 538-582 (2008).
- Uppu, D. S. Amide side chain amphiphilic polymers disrupt surface established bacterial bio-films and protect mice from chronic Acinetobacter baumannii infection. Biomaterials. 74, 131-143 (2016).
- Schaber, J. A. Pseudomonas aeruginosa forms biofilms in acute infection independent of cell-to-cell signaling. Infect Immun. 75 (8), 3715-3721 (2007).
- Hoiby, N., Bjarnsholt, T., Givskov, M., Molin, S., Ciofu, O. Antibiotic resistance of bacterial biofilms. Int J Antimicrob Agents. 35 (4), 322-332 (2010).
- Lebeaux, D., Ghigo, J. M., Beloin, C. Biofilm-related infections: bridging the gap between clinical management and fundamental aspects of recalcitrance toward antibiotics. Microbiol Mol Biol Rev. 78 (3), 510-543 (2014).
- Akers, K. S. Biofilms and persistent wound infections in United States military trauma patients: a case-control analysis. BMC Infect Dis. 14, 190 (2014).
- Burmolle, M., et al. Biofilms in chronic infections – a matter of opportunity – monospecies biofilms in multispecies infections. FEMS Immunol Med Microbiol. 59 (3), 324-336 (2010).
- . National strategy on combating antibiotic-resistant bacteria Available from: https://www.whitehouse.gov/sites/default/files/docs/carb_national_strategy.pdf (2014)
- Dai, T. Photodynamic therapy for Acinetobacter baumannii burn infections in mice. Antimicrob Agents Chemother. 53 (9), 3929-3934 (2009).
- Zhang, Y. Antimicrobial blue light therapy for multidrug-resistant Acinetobacter baumannii infection in a mouse burn model: implications for prophylaxis and treatment of combat-related wound infections. J Infect Dis. 209 (12), 1963-1971 (2014).
- Dai, T., et al. Ultraviolet C light for Acinetobacter baumannii wound infections in mice: potential use for battlefield wound decontamination?. J Trauma Acute Care Surg. 73 (3), 661-667 (2012).
- Dai, T. Blue light for infectious diseases: Propionibacterium acnes, Helicobacter pylori, and beyond?. Drug Resist Updat. 15 (4), 223-236 (2012).
- Yin, R. Light based anti-infectives: ultraviolet C irradiation, photodynamic therapy, blue light, and beyond. Curr Opin Pharmacol. 13 (5), 731-762 (2013).
- Haisma, E. M. Inflammatory and antimicrobial responses to methicillin-resistant Staphylococcus aureus in an in vitro wound infection model. PLoS One. 8 (12), e82800 (2013).
- Wang, Y. Antimicrobial Blue Light Inactivation of Gram-Negative Pathogens in Biofilms: In Vitro and In Vivo Studies. J Infect Dis. 213 (9), 1380-1387 (2016).
- Chen, D., Shen, Y., Huang, Z., Li, B., Xie, S. Light-Emitting Diode-Based Illumination System for In Vitro Photodynamic Therapy. Int J Photoenergy. 2012 (2), (2012).
- Demidova, T. N., Gad, F., Zahra, T., Francis, K. P., Hamblin, M. R. Monitoring photodynamic therapy of localized infections by bioluminescence imaging of genetically engineered bacteria. J Photochem Photobiol B. 81 (1), 15-25 (2005).
- Hamblin, M. R., Zahra, T., Contag, C. H., McManus, A. T., Hasan, T. Optical monitoring and treatment of potentially lethal wound infections in vivo. J Infect Dis. 187 (11), 1717-1725 (2003).
- Rowan, M. P. Burn wound healing and treatment: review and advancements. Critical Care. 19, 243 (2015).
- Marx, D. E., Barillo, D. J. Silver in medicine: The basic science. Burns. 40 (Supplement 1), S9-S18 (2014).
- Heyneman, A., Hoeksema, H., Vandekerckhove, D., Pirayesh, A., Monstrey, S. The role of silver sulphadiazine in the conservative treatment of partial thickness burn wounds: A systematic review. Burns. 42 (7), 1377-1386 (2016).
- Roberts, J. A. Individualised antibiotic dosing for patients who are critically ill: challenges and potential solutions. Lancet Infect Dis. 14 (6), 498-509 (2014).
- Dai, T. Blue light eliminates community-acquired methicillin-resistant Staphylococcus aureus in infected mouse skin abrasions. Photomed Laser Surg. 31 (11), 531-538 (2013).
- Uppu, D. S. Amide side chain amphiphilic polymers disrupt surface established bacterial bio-films and protect mice from chronic Acinetobacter baumannii infection. Biomaterials. 74, 131-143 (2016).
- Donlan, R. M., Costerton, J. W. Biofilms: survival mechanisms of clinically relevant microorganisms. Clin Microbiol Rev. 15 (2), 167-193 (2002).
- Olsen, I. Biofilm-specific antibiotic tolerance and resistance. Eur J Clin Microbiol Infect Dis. , (2015).
- Song, H. H. Phototoxic effect of blue light on the planktonic and biofilm state of anaerobic periodontal pathogens. J Periodontal Implant Sci. 43 (2), 72-78 (2013).
- Rosa, L. P., da Silva, F. C., Viana, M. S., Meira, G. A. In vitro effectiveness of 455-nm blue LED to reduce the load of Staphylococcus aureus and Candida albicans biofilms in compact bone tissue. Lasers Med Sci. 31 (1), 27-32 (2015).
- Guffey, J. S., Wilborn, J. In vitro bactericidal effects of 405-nm and 470-nm blue light. Photomed Laser Surg. 24 (6), 684-688 (2006).
- Enwemeka, C. S., Williams, D., Enwemeka, S. K., Hollosi, S., Yens, D. Blue 470-nm light kills methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) in vitro. Photomed Laser Surg. 27 (2), 221-226 (2009).
- Bumah, V. V., Masson-Meyers, D. S., Cashin, S. E., Enwemeka, C. S. Wavelength and bacterial density influence the bactericidal effect of blue light on methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). Photomed Laser Surg. 31 (11), 547-553 (2013).
- Maclean, M., MacGregor, S. J., Anderson, J. G., Woolsey, G. Inactivation of bacterial pathogens following exposure to light from a 405-nanometer light-emitting diode array. Appl Environ Microbiol. 75 (7), 1932-1937 (2009).
- Kim, M. Optical lens-microneedle array for percutaneous light delivery. Biomedical Optics Express. 7 (1o), 4220-4227 (2016).
