Un modello di imaging neonatale di sepsi batterica gram-negativa
Summary
L’infezione di topi neonatale con bioluminescente E. coli O1:K1:H7 provoca un’infezione settica con significativa infiammazione polmonare e patologia polmonare. Qui descriviamo le procedure per modellare e studiare ulteriormente la sepsi neonatale utilizzando l’imaging intravitale longitudinale in parallelo con l’enumerazione dei fardelli batterici sistemici, la profilazione infiammatoria e l’istopatologia polmonare.
Abstract
I neonati sono a maggior rischio di sepsi batterica a causa del profilo immunitario unico che mostrano nei primi mesi di vita. Abbiamo stabilito un protocollo per lo studio della patogenesi di E. coli O1:K1:H7, un sierotipo responsabile degli alti tassi di mortalità nei neonati. Il nostro metodo utilizza l’imaging intravitale dei cuccioli neonatale in diversi punti di tempo durante la progressione dell’infezione. Questa imaging, parallela alla misurazione dei batteri nel sangue, al profilo infiammatorio e all’istopatologia tissutale, significa un approccio rigoroso alla comprensione della dinamica dell’infezione durante la sepsi. Nell’attuale relazione, modelliamo due inoculi infettivi per il confronto dei fardelli batterici e della gravità della malattia. Scopriamo che l’infezione subscapulare porta alla diffusione dell’infezione da 10 h dopo l’infezione. A 24 ore, l’infezione da E. coli luminescente era abbondante nel sangue, nei polmoni e in altri tessuti periferici. L’espressione delle citochine infiammatorie nei polmoni è significativa a 24 ore, e questo è seguito da infiltrazioni cellulari e prove di danni ai tessuti che aumentano con la dose infettiva. L’imaging intravitale ha alcune limitazioni. Ciò include una soglia del segnale luminescente e alcune complicazioni che possono insorgere con i neonati durante l’anestesia. Nonostante alcune limitazioni, scopriamo che il nostro modello di infezione offre una visione per comprendere la dinamica dell’infezione longitudinale durante la sepsi murina neonatale, che non è stata esaminata a fondo fino ad oggi. Ci aspettiamo che questo modello possa anche essere adattato per studiare altre infezioni batteriche critiche durante la prima infanzia.
Introduction
La sepsi batterica è una preoccupazione significativa per i neonati che mostrano un profilo immunitario unico nei primi giorni di vita che non fornisce un’adeguata protezione dall’infezione1. La sepsi neonatale continua ad essere un problema sanitario significativo negli Stati Uniti, rappresentando oltre 75.000 casi all’anno solo negli StatiUniti 2. Per studiare queste infezioni in profondità, sono necessari nuovi modelli animali che ricapitolano aspetti della malattia umana. Abbiamo stabilito un modello di infezione neonatale del topo utilizzando Escherichia coli, O1:K1:H73. E. coli è la seconda causa principale di sepsi neonatale negli Stati Uniti, ma responsabile della maggior parte della mortalità associata alla sepsi4,5. Tuttavia, è la causa principale quando i bambini pre-termine e molto bassi di peso alla nascita (VLBW) sono considerati indipendentemente5. Il sierotipo K1 è più frequentemente associato a infezioni invasive del flusso sanguigno e meningite nei neonati6,7. Attualmente, non ci sono altre opzioni di trattamento oltre agli antibiotici e alle cure di supporto. Nel frattempo, i tassi di resistenza agli antibiotici continuano ad aumentare per molti batteri patogeni, con alcuni ceppi di E. coli resistenti a una moltitudine di antibiotici comunemente usati nel trattamento8. Pertanto, è imperativo continuare a generare metodi per studiare i meccanismi della sepsi e la risposta dell’ospite nei neonati. Questi risultati possono aiutare a migliorare i trattamenti attuali e gli esiti delle infezioni.
Lo stato immunitario dei neonati è caratterizzato da differenze fenotipiche e funzionali rispetto agli adulti. Ad esempio, elevati livelli di citochine antinfiammatorie e regolatorie, come l’interleuchina (IL)-10 e l’IL-27, hanno dimostrato di essere prodotti da macrofagi derivati dal sangue del cordone ombelicale e sono presenti a livelli maggiori nel siero dei neonati murini9,10,11. Ciò è coerente con i livelli più bassi di IFN-α, IFN-ɣ, IL-12 e TNF-α che sono frequentemente segnalati dalle cellule neonatale rispetto alle controparti adulte10. Inoltre, il sistema immunitario neonatale è inclinato verso una risposta cellulare T Th2 e regolatore rispetto agli adulti12. Un numero elevato di neutrofili, cellule T, cellule B, cellule NK e monociti sono presenti anche nei neonati, ma con notevoli compromissioni funzionali. Ciò include difetti nell’espressione dei marcatori di superficie cellulare e presentazione dell’antigene che suggeriscono immaturità13,14,15. Inoltre, i neutrofili neonatale sono significativamente carenti nella loro capacità di migrare a fattori chemiotattici16. Le cellule soppressori derivate da mieloidi (MSC) si trovano anche a livelli elevati nei neonati e recentemente hanno dimostrato di essere una fonte di IL-2711. Gli MSM sono altamente soppressivi nei confronti delle celleT 17. Collettivamente, questi dati dimostrano limitazioni nell’immunità neonatale che conferiscono una maggiore suscettibilità alle infezioni.
Per studiare la progressione del carico batterico e sezionare le risposte immunitarie protettive dell’ospite durante la sepsi neonatale, abbiamo sviluppato un nuovo modello di infezione. Topi neonatale a giorni 3-4 di vita sono difficili da iniettare nello spazio intraperitoneale o nella vena della coda. Nel nostro modello, ai cuccioli del giorno 3 o 4 viene somministrato l’inoculo batterico o pbs per via sottocutanea nella regione scapolare. Un’infezione sistemica si sviluppa e utilizzando luminescente E. coli O1:K1:H7, possiamo immaginare longitudinalmente singoli topi neonatale per seguire il carico batterico diffuso nei tessuti periferici. Questo è il primo modello segnalato ad utilizzare l’imaging intravitale per comprendere la cinetica della diffusione dei batteri durante la sepsi nei neonati murini3.
Qui descriviamo un protocollo per indurre infezioni settiche di E. coli nei topi neonatale3. Descriviamo come preparare l’inoculo batterico per l’iniezione e come raccogliere il tessuto per la valutazione della patologia, la misurazione dei marcatori infiammatori mediante l’analisi dell’espressione genica e l’enumerazione del carico batterico. Inoltre, viene descritto anche l’uso di E. coli luminescente per l’imaging intravitale di neonati infetti e la quantificazione dell’uccisione batterica da parte delle cellule immunitarie neonatale. Questi protocolli possono anche essere adattati per studiare altre importanti infezioni batteriche nei neonati. I dati qui presentati rappresentano un nuovo approccio generale alla comprensione della dinamica dell’infezione in un modello di sepsi neonatale traducibile.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il nostro modello di infezione subscapulare per indurre sepsi batterica nei topi neonatale è un nuovo metodo per studiare la diffusione longitudinale degli agenti patogeni batterici in tempo reale. L’imaging intravitale offre l’opportunità di esplorare la diffusione batterica in tempo reale nei neonati. Questo è fondamentale per comprendere la cinetica della diffusione batterica e per studiare ulteriormente la risposta e il danno dell’ospite nella fase appropriata della malattia. Ai cuccioli di topo viene somministrat…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto da fondi istituzionali a C.M.R.
Materials
| 1 mL Insulin Syringe | Coviden | 1188128012 | Inoculum or PBS injection |
| 10% Neutral Buffered Formalin | VWR | 89370-094 | Histopathology |
| ACK Lysis Buffer | Gibco | LSA1049201 | Bacterial clearance assay |
| Animal Tattoo Ink Paste | Ketchum | KI1482039 | Animal identification |
| Animal Tattoo Ink Green Paste | Ketchum | KI1471039 | Animal identification |
| Anti-Ly-6B.2 Microbeads | Miltenyi Biotec | 130-100-781 | Cell isolation |
| Escherichia coli O1:K1:H7 | ATCC | 11775 | |
| Escherichia coli O1:K1:H7-lux (expresses luciferase) | N/A | N/A | Constructed in-house at WVU |
| E.Z.N.A. HP Total Extraction RNA Kit | Omega Bio-tek | R6812 | RNA extration |
| DPBS, 1X | Corning | 21-031-CV | |
| Difco Tryptic Soy Agar | Becton, Dickinson and Company | 236950 | Bacterial growth |
| IL-1 beta Primer/Probe (Mm00434228) | Thermo Fisher Scientific | 4331182 | Cytokine expression qPCR |
| IL-6 Primer/Probe (Mm00446190) | Thermo Fisher Scientific | 4331182 | Cytokine expression qPCR |
| iQ Supermix | Bio-Rad | 1708860 | Real-time quantitative PCR |
| iScript cDNA Synthesis Kit | Bio-Rad | 1708891 | cDNA synthesis |
| Isolation Buffer | Miltenyi Biotec | N/A | Bacterial clearance assay |
| IVIS Spectrum CT and Living Image 4.5 Software | Perkin Elmer | N/A | Intravital imaging |
| LB Broth, Lennox | Fisher BioReagents | BP1427-500 | Bacterial growth |
| EASYstrainer (Nylon Basket) | Greiner Bio-one | 542 040 | Cell strainer |
| SpectraMax iD3 | Molecular Devices | N/A | Plate reader |
| Pellet Pestle Motor | Grainger | 6HAZ6 | Tissue homogenization |
| Polypropylene Pellet Pestles | Grainger | 6HAY5 | Tissue homogenization |
| Prime Thermal Cycler | Techne | 3PRIMEBASE/02 | cDNA synthesis |
| TNF-alpha Primer/Probe (Mm00443258) | Thermo Fisher Scientific | 4331182 | Cytokine expression qPCR |
| TriReagent (GTCP) | Molecular Research Center | TR 118 | RNA extration |
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