Pruebas de susceptibilidad a antibióticos inducidas por el estrés en un chip
Summary
Hemos desarrollado una plataforma microfluídica para la prueba rápida de la susceptibilidad a los antibióticos. El líquido se pasa a altas velocidades sobre las bacterias inmovilizadas en el fondo de un canal microfluídico. En presencia de estrés y antibióticos, las cepas susceptibles de bacterias mueren rápidamente. Sin embargo, las bacterias resistentes pueden sobrevivir a estas condiciones estresantes.
Abstract
Hemos desarrollado un método microfluídico rápido para la prueba de la susceptibilidad a los antibióticos en un ambiente basado en el estrés. El líquido se pasa a altas velocidades sobre las bacterias inmovilizadas en el fondo de un canal microfluídico. En presencia de estrés y antibióticos, las cepas susceptibles de bacterias mueren rápidamente. Sin embargo, las bacterias resistentes sobreviven a estas condiciones estresantes. La hipótesis detrás de este método es nueva: la activación de la tensión de los caminos bioquímicos, que son blancos de antibióticos, puede acelerar la prueba de la susceptibilidad antibiótico. En comparación con los métodos estándar de prueba de susceptibilidad a los antibióticos, el paso limitador de la velocidad -el crecimiento bacteriano- se omite durante la aplicación del antibiótico. La implementación técnica del método se realiza en una combinación de técnicas estándar y enfoques innovadores. Las partes estándar del método incluyen protocolos de cultivo bacteriano, definición de canales microfluídicos en polidimetilsiloxano (PDMS), monitoreo de viabilidad celular con fluorescencia y procesamiento de imágenes por lotes para el conteo de bacterias. Las partes innovadoras del método están en el uso del flujo de los medios de cultivo para la aplicación mecánica de la tensión, el uso de enzimas para dañar pero no para matar a las bacterias, y el uso de los substratos del microarray para el accesorio bacteriano. La plataforma desarrollada se puede utilizar en el desarrollo y las pruebas de fármacos antibióticos y no antibióticos relacionados. En comparación con los experimentos de suspensión bacteriana estándar, el efecto de la droga se puede activar y desactivar repetidamente durante períodos de tiempo controlados. La observación repetitiva de la misma población bacteriana es posible en el transcurso del mismo experimento.
Introduction
El aumento de la resistencia bacteriana intensifica la necesidad de pruebas rápidas de susceptibilidad a los antibióticos basadas en fenotipos para salvaguardar nuestros medicamentos de último recurso. Las pruebas de susceptibilidad estándar se basan en la inhibición del crecimiento bacteriano en presencia de antibióticos que tardan varias (8-24) horas en completarse. Hemos desarrollado una nueva prueba de susceptibilidad a los antibióticos en una plataforma microfluídica que se basa en la activación del estrés de las vías biosintéticas para acelerar la acción de los antibióticos.
Las pruebas de susceptibilidad a los antibióticos a escala microfluídica tienen la ventaja de un uso eficaz de la muestra, ya que requieren un pequeño número de bacterias. Además, los dispositivos microfluídicos pueden ser multiplexados para probar múltiples muestras en múltiples condiciones1,2. Recientemente, se han reportado una serie de métodos microfluídicos para las pruebas de susceptibilidad a los antibióticos3-9. En estos métodos, las bacterias se cultivan dentro de las gotitas nano- y picolitro3,7,en el volumen completo del canal microfluídico4-6,8,o como bacterias individuales localizadas eléctricamente en la superficie inferior del canal9. Aunque estas pruebas se llevan a cabo en canales microfluídicos, todas ellas monitorizan el crecimiento microbiano en presencia y ausencia de antibióticos similares a los métodos tradicionales. Las mediciones de crecimiento se toman a través de densidad óptica, colorantes sensibles al pH o imágenes brillantes de contraste de campo /fase o fluorescencia. Aunque algunas de estas pruebas son más rápidas que los métodos tradicionales, cada una de ellas detecta pasivamente la resistencia a los antibióticos. En otras palabras, estos métodos todavía requieren que el usuario espere el crecimiento bacteriano como la lectura final.
Por el contrario, hemos desarrollado un método que utiliza una combinación de cizalladura y estrés enzimático para activar vías bioquímicas sensibles a los antibióticos10. Desafiar a las bacterias estresadas con esos antibióticos crea una prueba de susceptibilidad más rápida. Las bacterias que son resistentes al antibiótico son capaces de soportar las condiciones estresantes. Las bacterias susceptibles, por otro lado, son rápidamente asesinadas por las tensiones combinadas. El porcentaje de muerte celular después de una hora, medido por microscopía utilizando una mancha fluorescente de células muertas, define el fenotipo de las bacterias (resistentes frente a susceptibles).
Para la implementación exitosa de nuestro método, las bacterias deben ser inmovilizadas en la superficie inferior del canal microfluídico. De esta manera, las bacterias pueden ser sometidas a varias tensiones y simultáneamente fotovidas bajo un microscopio en un solo plano. Un portaobjetos de vidrio de microscopio recubierto se utiliza para la inmovilización de bacterias. El portaobjetos está precubierto por el fabricante con grupos epóxido para la unión a proteínas inespecíficas. La unión inespecífica de estos epóxidos a proteínas de superficie bacterianas une covalentemente las bacterias a la superficie del portaobjetos.
Las cepas se prueban en condiciones idénticas (cizalladura + estrés enzimático) en ausencia (control) y presencia (experimento) de antibiótico. Las imágenes del microscopio de contraste de fase y fluorescencia de cada canal se toman automáticamente cada dos minutos durante una hora. Las designaciones de resistencia se hacen comparando el porcentaje de bacterias muertas en el canal experimental con las presentes en el canal de control. Después de una hora, una muestra con un porcentaje de muerte celular superior al 1% se considera susceptible, mientras que menos del 0,5% de muerte es indicativa de resistencia. Los porcentajes que se encuentran entre estos dos puntos de corte se consideran indeterminados y la muestra debe ser analizada de nuevo.
Los canales microfluídicos se definen en pdms, que es un material de elección para dispositivos microfluídicos11. Pdms es ópticamente transparente en una amplia gama de longitudes de onda, biocompatible, inerte, permeable a los gases y tiene baja permeabilidad a los líquidos; por lo tanto, es muy adecuado para estos experimentos.
La tensión mecánica/de cizalladura es creada por el flujo de medios a temperatura ambiente sobre las bacterias inmovilizadas. (Nota: El calentamiento de los medios a 37 °C no tiene un efecto significativo en el resultado del ensayo). Las bombas de jeringa automatizadas fuerzan los medios (que contienen tinción de células muertas +/- antibiótico, así como estresores enzimáticos opcionales) a través de los canales microfluídicos (200 μm x 400 μm) a una velocidad de flujo de 1 ml/min para dar 6,25 kPa de fuerza de cizallamiento o una velocidad de cizallamiento de 6.000 seg-1. Esta tasa es igual o excede las tensiones de cizallamiento previamente estudiadas en los estafilococos.
La enzima, lysostaphin, fue seleccionada para experimentos preliminares porque causa daño directo a la pared celular del estafilococo. La concentración de lysostaphin (0,7 ng/ml) era suficiente causar daño bacteriano de la pared celular, pero no suficiente causar muerte celular bacteriana sin el antibiótico en el marco de tiempo del experimento. Lysostaphin no se requiere para la designación correcta de susceptibilidad bacteriana pero aumenta el resultado, llevando a la muerte celular creciente en tensiones susceptibles. Por el contrario, la tensión de cizalladura es crítica para la función del ensayo. Cuando las cepas de Staphylococcus aureus sensibles a la meticilina se tratan con lisoestaphin y oxacilina en ausencia de flujo, no se registra muerte celular en el transcurso del experimento.
La viabilidad celular se monitorea con una mancha fluorescente de células muertas12. La selección del tinte se basó en su capacidad para teñir selectivamente solo las células dañadas, su no toxicidad para las células vivas y su baja fluorescencia de fondo, lo que permitió su adición directa a los medios celulares sin pasos adicionales. La selección de una concentración de colorante fluorescente de 0,25 μM fue para lograr niveles aceptables de señal durante un tiempo de exposición de 1,6 segundos a la luz de excitación por fluorescencia.
El beta-lactámico, oxacilina, fue utilizado en nuestros estudios preliminares. Las especies de S. aureus resistentes a la meticilina (MRSA) son resistentes a la oxacilina y no mostrarán ninguna muerte celular apreciable en el marco de tiempo del experimento. La concentración de 50 μg/ml se determinó en los estudios preliminares. Las concentraciones más bajas de antibióticos dieron menos separación entre cepas resistentes y susceptibles, mientras que concentraciones más altas no causaron una diferencia apreciable en los resultados experimentales.
Hemos relatado previamente el desarrollo exitoso de una prueba que combina tensiones mecánicas y enzimáticas que afectan directamente a la pared celular bacteriana13 con un antibiótico que inhibe la biosíntesis de la pared celular14,15. Estos experimentos de prueba de principio se llevaron a cabo en un panel de SARM y S. aureus sensible a la meticilina (MSSA). Sin embargo, con la selección de parámetros experimentales adecuados, nuestro método debe ser aplicable a múltiples especies de bacterias y múltiples clases de antibióticos.
Protocol
Representative Results
Discussion
El protocolo presentado fue validado y optimizado en un conjunto de experimentos con cepas de Staphylococcus aureus sensibles a la meticilina y resistentes a la meticilina10. Por lo tanto, este protocolo sin modificación debe ser directamente aplicable a otras cepas de S. aureus y otros antibióticos con mecanismos de acción que afectan a la biosíntesis de la pared celular bacteriana. Los tipos de bacterias distintas de S. aureus pueden requerir variación en los parámetros de te…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a los ingenieros y estudiantes del Centro Fraunhofer para la Innovación en Fabricación. Por ayudar en el diseño, mecanizado y automatización del sistema experimental, agradecemos a Andreas Prinzen, Holger Wirz, Doug Foss, David Chargin y el Dr. Sudong Shu. Agradecemos a Julia Kuckartz, Melanie Zimmermann, Niko Kraetzmar, Tim Gumbel, Josh Villanueva, Minori Shimizu y Katarzyna Kuliga por su ayuda con las pruebas de protocolos experimentales y la recopilación de datos. Reconocemos a los Doctores Anne E. Carpenter y Mark-Anthony Bray de la Plataforma de Imágenes en el Broad Institute de Harvard y el MIT por su ayuda con el desarrollo de la rutina de análisis de imágenes en CellProfiler. El proyecto descrito fue apoyado en parte por los Premios R21AI079474 y 1R01AI101446 del Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas. El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente los puntos de vista oficiales del Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas o de los Institutos Nacionales de Salud. El proyecto también contó con el apoyo de Fraunhofer USA.
Materials
| SYTOX Green | Invitrogen Corporation | S7020 | Dead cell fluorescence stain |
| Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma Aldrich, Inc | A9418-5G | Used for lysostaphin storage |
| Sodium Acetate | Sigma Aldrich, Inc | S8750-500G | Used for lysostaphin storage |
| Lysostaphin | Cell Sciences | CRL309A | Arrives as 1 mg solid. For storage: Dissolve in 20 mM sodium acetate. Mix with BSA solution to final concentration of 1% BSA and 100 µg/ml lysostaphin for storage |
| Oxacillin salt | Sigma Aldrich, Inc | 28221-1G | Antibiotic |
| Mueller Hinton Broth | Fisher Scientific | DF0757-17-6 | |
| Sodium chloride | Sigma Aldrixh | S3014-500G | 2% added to Mueller-Hilton broth prior to autoclaving |
| 1 ml, Luer-lock syringe | BD (Beckton, Dickinson and Comp.) | 14-823-2F | |
| 2 oz, Luer-lock syringe | BD (Beckton, Dickinson and Comp.) | 309653 – 60 mL | Overfill to ~65 ml |
| Microscope | |||
| Inverted Fluoresccence Microscope Olympus IX-70 | Cambridge Scientific | 9349 | |
| 60X, Fluorescence/Phase contrast objective | Olympus Corp. | LCPlan F1 60x/0.70 Ph2 | |
| Retiga 12-bit monochrome CCD camera | QImaging | RET-4000R-F-M-12-C | |
| Microscope automation | |||
| Shutters phase contrast/fluorescence | PRIOR Scientific | H204/H202 | |
| X/Y Stage | PRIOR Scientific | H107AENN | |
| Focus motor | PRIOR Scientific | H122 | |
| Joystick for XYZ control | PRIOR Scientific | CS152EF | |
| Proscan Controller | PRIOR Scientific | H3-XY2 | |
| Image Acquisition Software | Fraunhofer CMI | ||
| Flow Cell Assembly and PDMS | |||
| Flow Cell | BU Scientific Instruments Facility/Fraunhofer CMI | 3333-1044 | Engineering drawings were produced by Fraunhofer CMI |
| Glass window | Fraunhofer CMI | 3333-1054 | Glass window was cut to the proper size at Fraunhofer CMI |
| BOROFLOAT Window 50 mm x 50 mm | Edmund Optics Inc. | NT48-543 | |
| Sealing plate | BU Scientific Instruments Facility | 3333-1045 | |
| Epoxide glass slide | Arrayit Corporation | SuperEpoxy 2 | |
| PDMS master | Fraunhofer CMI | 3333-1053 | Master machined in aluminum or brass with UPM-0005 (ultrapresicion fly-cutting machine) |
| PDMS slide design | Fraunhofer CMI | 3333-1053 | |
| Tubing | |||
| Nut, Super flangeless Tinytight, headless, 1/16 in, PEEK, green | IDEX Health & Science | M-644-03 | Flow cell inputs/outputs are tapped for this ferrule |
| Ferrule, Tinytight, 1/16 in, 6-40, .030 in TH, PEEK w/ SS lock ring, black | IDEX Health & Science | M-657 | |
| Nut, Super flangeless Tinytight, headless, 1/16-1/32 in, 1/4-28, PEEK, natural | IDEX Health & Science | P-255 | |
| Ferrule, Super Falngeless, 1/16 in, Tefzel (ETFE), yellow | IDEX Health & Science | P-259 | Fits Luer-lock adapter |
| Tubing, Teflon FEP, .030 in x 1/16 in x 20 ft, green | IDEX Health & Science | 1520G | |
| Adapter, quick connect female Luer to female 1/4-28, PEEK, red | IDEX Health & Science | P-658 |
References
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