Yüksek verimli bir kullanımı<em> İn Vitro</em> Mikroakışkan Sistemi Ağız Çok türler biyofilm Geliştirmek İçin
Summary
Bu yöntemler kağıt amacı tipik insan Mikrobiyal dental plak tespit türler içeren çok tür biyofilm gelişmesi için mikroakışkan sisteminin kullanımını tarif etmektir. Yöntem biyofilm mimarisi, biyofilm canlılığı ve vurgulanır kültür-bağımlı veya kültür-bağımsız analizler için hasat biyofilm bir yaklaşım açıklamak için.
Abstract
Yaygın in vivo sözlü biyofilm içinde tespit sayısız türler içeren çok tür biyofilm gelişimi kolaylaştırmak in vitro sistemlerde birkaç yüksek verimli vardır. Bundan başka, bunun yerine yapay ortam, besin kaynağı olarak, doğal insan tükürük kullanan bir sistem olup, in vivo toplulukları taklit hücresel ve biyofilm özgü özellikleri ekspresyonunu desteklemek için özellikle tercih edilir. İnsan ağız boşluğu benzer koşullar altında, diş plakları supragingival için, tür kompozisyonu ile ilgili olarak, karşılaştırılabilir çok türleri, oral biyofilm geliştirilmesi için bir yöntem tarif eder. Özellikle, bu yöntemler makale piyasada mevcut mikroakışkan sistem türetilen çoklu türler sözlü biyofilm gelişimi kolaylaştırmak için uyarlanmış ve toplanmış tükürük içinde yetiştirilen nasıl anlatacağız. Ayrıca, ne sistemin bir açıklama confoca ile bağlantılı olarak da kullanılabilirl lazer tarama mikroskobu sunulacak mimari ve canlılık analizler için 3-D biyofilm yeniden inşa üretir. (Streptococcus, Neisseria, Veillonella, Gemella ve Porphyromonas dahil) mikroakışkan sistemde biyofilm içinde büyümek mikroorganizmaların geniş çeşitliliği dikkate alındığında, bir protokol ayrıca alt kültür veya DNA ekstraksiyon ve analiz için biyofilm hücreleri hasat nasıl açıklayan sunulacak. mikroakışkan biyofilm sistemi ve mevcut devlet-sanat veri analizleri, hem sınırları ele alınacaktır. Sonuçta, bu makalede, oral biyofilm çalışma artırmak ve mikroakışkan platformu ile entegre edilebilir ek teknolojilerin geliştirilmesine yardımcı olacak bir temel teknik sağlayacağı öngörülmektedir.
Introduction
Biyofilm mimari yüzeylerde 1 toplanır bakteri karmaşık topluluklar vardır. Bu topluluklar genellikle biyofilm 2 içinde birbirleriyle etkileşim sayısız türler içerirler. Sözlü biyofilm, görsel açıdan en göze çarpan olmak dental plak, bir insanlarda kalıcı bir sorun ve taksonomik çeşitli çoklu-tür toplulukların 3 nesil onların kontrolsüz gelişim sonuçları. Bu farklı toplulukların bileşeni bakteri serbest-yüzen (plankton) karşıtları 4-6 den antibiyotiklere daha dirençli 1.000 kata kadar olabilir. ABD'de yılda dişçi ofisine 500 milyon ziyaretleri ve yaklaşık 108.000.000.000 $ tedavi veya periodontal önlemek için: Diş çürüğü ve periodontal hastalığa neden olabilir bu oral biyofilm topluluklar, tedavi edilmemesi, önemli bir halk sağlığı yükü sonuçlandı Hastalık ve diş çürükleri 7.
zorlukları aşmak için kendi moral sürekli laboratuvar kültürleri ile çalışma çekici kolaylığı. "8 -Smith yıktığı çünkü içeriği"> "Birçok mikrobiyologlar, doğal koşullar altında mikrobiyal davranışı okuyan savunurken, bunların birkaç bunu. budur.Şu anda, sözlü biyofilm araştırma in vivo ve in vitro yaklaşımlar kullanarak çeşitli yapılır, kendi avantajları ve dezavantajları her 9,10. In vitro sık sık kurmak nispeten kolaydır ancak klinik olmayabilir modeli biyofilm sistemleri kullanmak yaklaşımlar / gerçek dünya alaka 10,11. in vivo yaklaşımlar genellikle insan ağız ortamında bazı yönlerini yeniden, ama yine sınırlamalar muzdarip nedeniyle hayvanlar arasındaki anatomi, fizyoloji, mikrobiyoloji ve immünoloji farklılıkları ve 12 insanlarda olabilir hayvan modeli sistemleri üzerine güveniyor, 13. Oral biyofilm unutulmamalıdırinsan gönüllülerin ağzından içinde stent düzenlenen emaye yüzeyler üzerinde geliştirilen, ancak bu yaklaşım halen nispeten pahalı ve emek-yoğun 14,15 olduğunu olabilir. Sonuçta, yeni ajanlar veya ağız sağlığı iyileştirmek için teknolojiler kontrollü klinik çalışma koşulları altında 11 insanlarda test edilir. Şu anda, yeni oral sağlık maddeleri tanımlamak ve değerlendirmek için sık sık kullanılan tarz operandi ilk laboratuvar çalışmaları, potansiyel etkinliği ayırt, ve sonra hayvan çalışmaları ve teknoloji 9 başarısını değerlendirmek için klinisyenlerin istihdam "alan denemeleri" gerçekleştirmek için gerçekleştirmek için, 16,17. Ne yazık ki, laboratuar çalışmaları büyük bir ayak izi işgal model sistemler güvenmek eğilimindedir, kullanmak için teknolojik zorlu ve genellikle 10,18 anlam potansiyeli gerçek dünyayı elde etmek için bir kaç türün biri ya da en toplulukları basitleştirilmiş içerir. Dental plak biyofilm bir compl birden türleri ve formu içerdiğini göz önüne alındığındaEski yapay ortam gerçek dünya senaryo 10,19 olanlara benzer bir şekilde davranan toplulukları oluşturmak için olası bir tane içeren biyofilm veya birkaç tür geliştirme, tükürük ortam dökülür. Zaman, maliyet, eğitim ihtiyaçlarını ve gerçek dünya ortamına göre laboratuar modeli biyofilm sistemlerinin zayıf temsilcisi doğasını ele almak için, biz son zamanlarda yüksek verim ve çevre germane biyofilm sistemi 20 (Şekil 1) geliştirdi. Bir aşı olarak orta ve muamele edilmemiş bir araya toplanmış insan bakteriyel hücre içeren tükürük (CCS) olarak hücre içermeyen havuzlanmış insan tükürük (CFS) kullanımı sistem yararlanır. Benzersiz, sistem aynı zamanda mikroakışkan teknoloji, bir konfokal lazer tarama mikroskobu ve kültür-bağımsız bakteriyel çeşitlilik analizi teknolojisini birleştiriyor. Böylece, model sistem bir inokulum 37 çoklu-tür biyofilm büyümeye olarak çevre germane (kullanarak tükürük olduğunu Filtre ve sterilize edilen akan C °tükürük) ve oral biyofilm erken supragingival plak 20 bulunanlara bolluğu temsilcisi Streptococcus, Neisseria, Veillonella ve Porphyromonas türler de dahil olmak üzere türler () içerirler.
Bu çalışma, yeni geliştirilen model sisteminin kullanımını açıklayan dikkate alındığında, özellikle dikkat konfokal lazer tarama mikroskobu (CLSM) Mikroakiskan birleşmesi ve kültür-bağımsız çeşitlilik analizi teknolojileri verilmelidir. Bizim araştırma grubu tarafından bu teknolojilerin sendika kasıtlı ve sadece yeni geliştirilen model sistem için yüksek verimli yeteneği ekler, ama aynı zamanda sorular kolayca diğer sistemlerle daha önce ele olamazdı sordu sağlar. Bu biyofilm üç boyutlu analiz için izin verir İlk olarak, CLSM geleneksel mikroskobu üzerinde belirgin avantajları vardır. Biyofilm heterojen zekâ gibi Genellikle hesaba katılmayan, bu son derece önemlidirh tür kompozisyonu ve mekansal konumuna saygı yanı sıra fizyolojik koşullar biyofilm 6,21 içinde farklı mekansal yerlerde empoze ediliyor. Üç-boyutlu render yazılım ve görüntü analiz yazılımı, biyofilm mimarisi, bileşen türler arasındaki mekansal ilişkiler ve antimikrobiyal öldürme ölçüde uyum içinde 22-24 analiz edilebilir. Bu tür özellikler standart iletilen ışık veya Epifloresans mikroskopi kullanılarak mümkün değildir. Dikkatle kontrollü koşullar (akış, sıcaklık, pH, vb) kapsamında biyofilm çalışma sağlar ve sadece sıvı 25-27 küçük hacimlerde gerektirir Sonraki, Mikroakiskan mikrobiyoloji alanında özellikle dikkat çekmiştir. Bu elde edildiği gibi bir karşılaştırma noktası olarak, benzer bir akış hızı ve kesme kuvveti ile, 20 saat için bir akış hücresi modeli sistemi (muhtemelen bir çok ağız biyofilm çalışmaları için dayanak modeli olarak kabul edilir bir sistem) içinde, insan tükürük bir oral biyofilm büyüyenmikroakışkan cihaz 28-31 800 ul karşı bir mikro-akışkan sisteminde, en az 200 ml gerektirir. Böylece, bir mikroakışkan bir model biyofilm sistemi tanımlanmış koşullar altında miktarı sınırlı malzemenin çalışma sağlar. Son olarak, Pyrosequencing teknoloji bir topluluk analizi gerçekleştirmek için malzeme sadece küçük miktarlarda ihtiyaç için son on yılda optimize ve hatta nadir biyofilm türlerinin kimliğini elde etmek için dizilim derinliğini kontrol etmek yeterince çok yönlü olmuştur. Bu tür bakteri etiket kodlanmış FLX amplikonu Pyrosequencing (bTEFAP) olarak bu teknolojinin kullanımı, biyofilm ekolojisi ile ilgili ilgili sorular için izin verdi 32,33 ele alınması. Bu tür sorular Pyrosequencing çünkü zaman ve plazmid kütüphaneleri ve veri 33,34 türetmek için gerekli olan karmaşık teknolojik ve analitik adımları oluşturmak için gerekli maliyetlerin mevcut değildi geçmişte zorluklar aşılanmış. Kültür bağımsız ap ile Tabii ki, büyük bir avantajörneğin, piro sıralamadır gibi yaklaşımlar çok, geleneksel laboratuar ortamı (örneğin, canlı fakat sınırlayıcı olmayan bir ekilebilir türler) içinde ayrı olarak büyüyemez bakteri türleri büyütüldü ve tanımlanan model sistem camia içinde göreli bolluk, 36 35 sayısal edilebilmesidir . Gibi erken 1963 olarak perspektif eklemek için, merhum Sigmund Socransky insan oral dişeti çatlak izole malzeme bakterilerin yaklaşık% 50 laboratuvar büyüme koşulları 37 kullanılarak kültür olamazdı tahmin.
Bu yöntemler makalenin amacı altında piyasada mevcut mikroakışkan (Bioflux) sistemde oral çok tür biyofilm geliştirmek yaklaşımı tanımlamak için: (i) koşullar, insan oral kavite temsilcisi ve (ii) tür kompozisyonu ve bolluğu ile bu supragingival plak karşılaştırılabilir. Ayrıca, hem ücretsiz ve ticari yazılım kullanarak, biz nasıl temel biyofilm vurgulamakmimari önlemler biyofilm biyokütle, pürüzleri ve canlılığı ölçmek için yaklaşımlar odaklanarak, CLSM verilerinden elde edilebilir (Canlı / Ölü boyama dayalı). Son olarak, bTEFAP tarafından çeşitlilik analizi için biyofilm malzeme hasat için gerekli adımlar anlatılmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yöntem, kağıt kurulumu için gerekli olan temel adımları vurgular ve toplanmış insan tükürük elde edilir ve filtre ile sterilize edilmiş% 25 toplanmış insan tükürük yetiştirilen ağızdan çok tür biyofilm geliştirilmesine olanak sağlayacak şekilde, bir mikro-akışkan sistemi çalıştırmak. Biyofilm karakterize Yaklaşımlar verilir ama bu tarif yaklaşımlar, örneğin, lekeler veya etiket sokulabilir, gibi değiştirilebilir ve ek teknolojiler olduğu unutulmamalıdır. Örneğin bir mesele …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar biyofilm büyüme protokolleri ve John Battista (Fluxion, San Francisco, CA) Bioflux sistemine ilişkin teknolojik konularla ilgili tavsiye formüle yardım William Nance (Michigan Üniversitesi) teşekkür ederim. Start-up fonları AHR için: (AHR için R21DE018820 NIH) ve Michigan Üniversitesi Bu çalışma, Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından desteklenen
Materials
| SUPPLIES AND EQUIPMENT | AVAILABLE FROM COMPANY | CATALOG NUMBER |
| Falcon 50mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-432-22 |
| Falcon 15mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-959-49D |
| Dithiothreitol (White Crystals or Powder/Electrophoresis), Fisher BioReagents | Fisher Scientific | BP172-5 |
| Sorval ultracentrifuge (SS-34 compatible) | Thermoscientific | Unit-dependent |
| Thermo Scientific SS-34 Rotor | Thermoscientific | 28-020 |
| Thermo Scientific Type 1 Reagent Grade Deionized Water | Thermo Scientific Inc | 23-290-065 |
| Nalgene Rapid-Flow Filter Units and Bottle Top Filters, PES Membrane, Sterile. | VWR | 73520-986 |
| Glycerol | Thermo Fisher Scientific Inc | NC0542269 |
| BioFlux microfluidic system | Fluxion | Bioflux 200 system |
| Bioflux 24-channel plate | Fluxion | 910-0004 |
| PBS (Gibco) | Thermo Fisher Scientific Inc | 10010023 |
| LIVE/DEAD stain (Invitrogen) | Invitrogen | L7012 |
| Confocal Laser Scanning Microscope | Lecia | SPE or eqivalent system |
| Epifluorescence Microscope | Multiple choices | Multiple choices |
| Pyrosequencing facilities | Multiple choices | Multiple choices |
| Decon SaniHol 70 Ethanol Solution | Fisher Scientific | 04-355-122 |
| Ultra Low Temperature Freezer -80°C | Multiple choices | Multiple choices |
| Tips (20, 200, and 1000uL) | Multiple choices | Multiple choices |
| Single Channel Variable Volume Pipettors (20, 200, 1000uL) | Multiple choices | Multiple choices |
| SOFTWARE | ||
| Bioflux dedicated software | Bioflux | |
| Imaris | Bitplane | |
| Leica SPE | Leica | |
| ImageJ | Freeware (http://imagej.nih.gov/ij/) | |
| COMSTAT/COMSTAT 2 | Freeware (http://www.comstat.dk/) | |
References
- Stoodley, P., Sauer, K., Davies, D. G., Costerton, J. W. Biofilms as complex differentiated communities. Annual review of microbiology. 56, 187-209 (2002).
- Wimpenny, J. Microbial metropolis. Advances in microbial physiology. 56, 29-84 (2009).
- Jakubovics, N. S., Kolenbrander, P. E. The road to ruin: the formation of disease-associated oral biofilms. Oral diseases. 16 (8), 729-739 (2010).
- Mah, T. F., O’Toole, G. A. Mechanisms of biofilm resistance to antimicrobial agents. Trends in microbiology. 9 (1), 34-39 (2001).
- Cate, J. M., Zaura, E. The numerous microbial species in oral biofilms: how could antibacterial therapy be effective. Advances in dental research. 24 (2), 108-111 (2012).
- Gilbert, P., Maira-Litran, T., McBain, A. J., Rickard, A. H., Whyte, F. W. The physiology and collective recalcitrance of microbial biofilm communities. Advances in microbial physiology. 46, 202-256 (2002).
- Anon, . Centers for Disease Control and Prevention (CDC): Oral health: Preventing cavities, gum disease, tooth loss, and oral cancers. , (2011).
- Smith, H., Smith, H., Taylor, J. . Microbial behavior, ‘in vivo’ and ‘in vitro. , 1-29 (1964).
- Haffajee, A. D., Socransky, S. S. Introduction to microbial aspects of periodontal biofilm communities, development and treatment. Periodontology. 42, 7-12 (2000).
- McBain, A. J. Chapter 4: In vitro biofilm models: an overview. Advances in applied microbiology. 69, 99-132 (2009).
- Baehni, P. C., Takeuchi, Y. Anti-plaque agents in the prevention of biofilm-associated oral diseases. Oral diseases. 9 Suppl 1, 23-29 (2003).
- Graves, D. T., Kang, J., Andriankaja, O., Wada, K., Rossa, C. Animal models to study host-bacteria interactions involved in periodontitis. Frontiers of oral biology. 15, 117-132 (2012).
- Chun, J., Kim, K. Y., Lee, J. H., Choi, Y. The analysis of oral microbial communities of wild-type and toll-like receptor 2-deficient mice using a 454 GS FLX Titanium pyrosequencer. BMC microbiology. 10, 101 (2010).
- Diaz, P. I., et al. Molecular characterization of subject-specific oral microflora during initial colonization of enamel. Applied and environmental microbiology. 72 (4), 2837-2848 (2006).
- Auschill, T. M., et al. Effect of two antimicrobial agents on early in situ biofilm formation. Journal of clinical periodontology. 32 (2), 147-152 (2005).
- Coenye, T., Nelis, H. J. In vitro and in vivo model systems to study microbial biofilm formation. Journal of microbiological. 83 (2), 89-105 (2010).
- Donlan, R. M. Role of biofilms in antimicrobial resistance. ASAIO journal. 46 (6), 47-52 (2000).
- Wimpenny, J. W. The validity of models. Advances in dental research. 11 (1), 150-159 (1997).
- Umland, T. C., et al. In vivo-validated essential genes identified in Acinetobacter baumannii by using human ascites overlap poorly with essential genes detected on laboratory media. 3 (4), (2012).
- Nance, W. C., et al. A high-throughput microfluidic dental plaque biofilm system to visualize and quantify the effect of antimicrobials. The Journal of antimicrobial chemotherapy. 68 (11), 2550-2560 (2013).
- Werner, E., et al. Stratified growth in Pseudomonas aeruginosa biofilms. Applied and environmental microbiology. 70 (10), 6188-6196 (2004).
- Rueden, C. T., Eliceiri, K. W. Visualization approaches for multidimensional biological image data. BioTechniques. 43 (1 Suppl), 33-36 (2007).
- Collins, T. J. ImageJ for microscopy. BioTechniques. 43, 25-30 (2007).
- Rao, D., Arvanitidou, E., Du-Thumm, L., Rickard, A. H. Efficacy of an alcohol-free CPC-containing mouthwash against oral multispecies biofilms. The Journal of clinical dentistry. 22 (6), 187-194 (2011).
- Rusconi, R., Garren, M., Stocker, R. Microfluidics expanding the frontiers of microbial ecology. Annual review of biophysics. 43, 65-91 (2014).
- Kim, J., Park, H. D., Chung, S. Microfluidic approaches to bacterial biofilm formation. Molecules. 17 (8), 9818-9834 (2012).
- Mosier, A. P., Cady, N. C. Analysis of bacterial surface interactions using microfluidic systems. Science progress. 94 (4), 431-450 (2011).
- Foster, J. S., Kolenbrander, P. E. Development of a multispecies oral bacterial community in a saliva-conditioned flow cell. Applied and environmental microbiology. 70 (7), 4340-4348 (2004).
- Cuadra-Saenz, G., et al. Autoinducer-2 influences interactions amongst pioneer colonizing streptococci in oral biofilms. Microbiology. 158 (7), 1783-1795 (2012).
- Rickard, A. H., et al. Autoinducer 2: a concentration-dependent signal for mutualistic bacterial biofilm growth). Molecular microbiology. 60 (6), 1446-1456 (2006).
- Corbin, A., Pitts, B., Parker, A., Stewart, P. S. Antimicrobial penetration and efficacy in an in vitro oral biofilm model. Antimicrobial agents and chemotherapy. 55 (7), 3338-3344 (2011).
- Diggle, M. A., Clarke, S. C. Pyrosequencing: sequence typing at the speed of light. Molecular biotechnology. 28 (2), 129-137 (2004).
- Hiyari, S., Bennett, K. M. Dental diagnostics: molecular analysis of oral biofilms. Journal of dental hygiene : JDH / American Dental Hygienists’ Association. 85 (4), 256-263 (2011).
- Filoche, S., Wong, L., Sissons, C. H. Oral biofilms: emerging concepts in microbial ecology. Journal of dental research. 89 (1), 8-18 (2010).
- Xu, J. Microbial ecology in the age of genomics and metagenomics: concepts, tools, and recent advances. Molecular ecology. 15 (7), 1713-1731 (2006).
- Rogers, G. B., Carroll, M. P., Bruce, K. D. Studying bacterial infections through culture-independent approaches. Journal of medical microbiology. 58 (11), 1401-1418 (2009).
- Socransky, S. S., et al. The microbiota of the gingival crevice area of man. I. Total microscopic and viable counts and counts of specific organisms. Archives of oral biology. 8, 275-280 (1963).
- Heydorn, A., et al. Quantification of biofilm structures by the novel computer program COMSTAT. Microbiology. 146 (10), 2395-2407 (2000).
- Nobbs, A. H., Lamont, R. J., Jenkinson, H. F. Streptococcus adherence and colonization. Microbiology and molecular biology reviews). MMBR. 73 (3), 407-450 (2009).
- Hope, C. K., Clements, D., Wilson, M. Determining the spatial distribution of viable and nonviable bacteria in hydrated microcosm dental plaques by viability profiling. Journal of applied microbiology. 93 (3), 448-455 (2002).
- Adams, H., et al. Development of a laboratory model to assess the removal of biofilm from interproximal spaces by powered tooth brushing. American journal of dentistry Spec No 12B-17B. 15, 12-17 (2002).
- Ledder, R. G., McBain, A. J. An in vitro comparison of dentifrice formulations in three distinct oral microbiotas. Archives of oral biology. 57 (2), 139-147 (2012).
