Isolamento e identificazione congiuntivale dei commensali nei topi
Summary
Qui è presentato un protocollo per l’isolamento e l’amplificazione di batteri commenali congiuntivali anaerobici aerobici e facultativi del topo utilizzando un tampone oculare unico e una fase di arricchimento basata sulla coltura con successiva identificazione con metodi microbiologici basati e spettrometria di massa MALDI-TOF.
Abstract
La superficie oculare era un tempo considerata immune privilegiata e abiotica, ma recentemente sembra che ci sia una piccola ma persistente presenza commerciale. L’identificazione e il monitoraggio delle specie batteriche nella mucosa oculare sono stati impegnativi a causa della loro bassa abbondanza e della limitata disponibilità di una metodologia appropriata per la crescita e l’identificazione commensal. Esistono due approcci standard: metodi basati sulla cultura o sequenziamento del DNA. Il primo metodo è problematico a causa dei batteri recuperabili limitati e il secondo approccio identifica sia i batteri vivi che morti che portano a una rappresentazione aberrante dello spazio oculare. Abbiamo sviluppato un metodo robusto e sensibile per l’isolamento batterico basandoci su tecniche di coltivazione microbiologiche standard. Questa è una tecnica a base di tampone, utilizzando un tampone sottile “in-lab” realizzato che si rivolge alla congiuntiva inferiore, seguita da una fase di amplificazione per i generi anaerobici aerobici e facultativi. Questo protocollo ci ha permesso di isolare e identificare specie congiuntivali come Corynebacterium spp., Coagulase Negative Staphylococcus spp., Streptococcus spp. L’approccio è adatto a definire la diversità commenale nei topi in diverse condizioni di malattia.
Introduction
Lo scopo di questo protocollo è quello di migliorare l’isolamento specifico di microbi anaerobici aerobici e facultativi vitali e rari dalla congiuntiva oculare per caratterizzare il microbioma oculare. Studi approfonditi hanno profilato le comunità mucose commenali sulla pelle, l’intestino, le vie respiratorie e genitali e mostrano che queste comunità influenzano lo sviluppo del sistema immunitarioe la risposta 1,2,3. Le comunità commenali oculari hanno dimostrato di cambiare durante alcune patologie della malattia, come la malattia dell’occhiosecco 4,la sindrome di Sjogren5 e il diabete6. Tuttavia, la capacità di definire una tipica comunità commensale di superficie oculare è ostacolata dalla loro abbondanza relativamente bassa rispetto agli altri siti dimucosa 6,7,8. Ciò suscita una controversia sul fatto che esista un microbioma oculare residente e se esiste, se differisce dal microbioma cutaneo e, di conseguenza, il suo effetto locale sullo sviluppo e la risposta del sistema immunitario innato. Questo protocollo può aiutare a risolvere questa domanda.
Generalmente, gli approcci per definire la nicchia commensal oculare si basano sul sequenziamento e sulle tecnichebasate sulla cultura 4,7,9. 16 Il sequenziamento s rDNA e l’analisi BRISK7 mostrano una diversità più ampia rispetto alle tecniche basate sulla cultura, ma non sono in grado di distinguere tra microbi vivi e morti. Poiché la superficie oculare è ostile a molti microbi a causa delle proprietà antimicrobiche4 del film lacrimale che generano una vasta gamma di frammenti di DNA, gli approcci basati sul DNA rileveranno questi artefatti che possono distorcere i dati verso l’identificazione di batteri morti come commensal residenti piuttosto che contaminanti. Ciò si traduce in un’identificazione commensale aberrante e nella caratterizzazione dello spazio oculare come più elevato nell’abbondanza e nella diversità dei microbi10. Ciò rende difficile definire il microbioma oculare residente tramite metodi basati sul DNA. Considerando che le tecniche standard basate sulle impostazioni cultura non sono in grado di rilevare commensals perché il carico ètroppo basso 11. Il nostro metodo migliora le pratiche standard utilizzando un tampone sottile in grado di colpire la congiuntiva, evitando così la contaminazione dalla pelle vicina, così come il concetto che gli organismi vitali possono essere arricchiti da una breve coltura in mezzi densi di nutrienti con l’obiettivo di rianimare vitale ma non culturabile, oltre che arricchente per rari microbi vitali.
I risultati, l’abbondanza relativa di commensali oculari per tampone oculare, caratterizzano il microbioma residente congiuntiva e sono importanti per scopi comparativi. I nostri dati mostrano che c’è una differenza tra pelle e microbiota congiuntivale, così come una maggiore diversità con l’aumento dell’età e una differenza di abbondanza specifica per sesso. Inoltre, questo approccio ha trovato riproducibilmente differenze commenali nei topi knock-out12. Questo protocollo può essere applicato per descrivere il microbioma oculare che può variare a causa di pratiche di permanenza in gabbia, geografia o stato di malattia, così come gli effetti locali dei metaboliti commensali e dei prodotti sullo sviluppo e la risposta del sistema immunitario.
Protocol
Representative Results
Discussion
A causa dello stato paucibacterial della superficie oculare, molti laboratori hanno avuto difficoltà a isolare i commensaloculari 7,20, con conseguente basso numero di campioni con crescita, bassa abbondanza e bassa diversità8. Questo metodo migliora significativamente le pratiche di coltura standard4,21 con l’aggiunta di una fase di arricchimento, nonché un tampone per gli occh…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
I finanziamenti del P30 DK034854 hanno supportato VY, LB e studi nel Massachusetts Host-Microbiome Center e finanziamenti da NIH/NEI R01 EY022054 supportato MG.
Materials
| 0.1 to 10 µl pipet tip | USA Scientific | 1110-300 | autoclave before use |
| 0.5 to 10 µl Eppendorf pipet | Fisher Scientific | 13-690-026 | |
| 1 ml syringe | Fisher Scientific | BD309623 | 1 syringe for each eye swab group |
| 1.5 ml Eppendorf tubes | USA Scientific | 1615-5500 | autoclave before use |
| 1000 µ ml pipet tip | USA Scientific | 1111-2021 | autoclave before use |
| 200 to 1000µl Gilson pipetman (P1000) | Fisher Scientific | F123602G | |
| 25 G needle | Fisher Scientific | 14-826AA | 1 needle per eye swab group |
| 3 % Hydrogen Peroxide | Fisher Scientific | S25359 | |
| 37 ° C Incubator | Lab equipment | ||
| 70 % Isopropanol | Fisher Scientific | PX1840-4 | |
| Ana-Sed Injection (Xylazine 100 mg/ml) | Santa Cruz Animal Health | SC-362949Rx | |
| BD BBL Gram Stain kit | Fisher Scientific | B12539 | |
| Bunsen Burner | Lab equipment | ||
| Clean paper towels | Lab equipment | ||
| Cotton Batting/Sterile rolled cotton | CVS | ||
| Disposable 1 ml Pipets | Fisher Scientific | 13-711-9AM | for Gram stain and catalase tests |
| E.coli | ATTC | ATCC 8739 | |
| Glass slides | Fisher Scientific | 12-550-A3 | for Gram stain and catalase tests |
| Ketamine (100mg/ml) | Henry Schein | 9950001 | |
| Mac Conkey Agar Plates | Fisher Scientific | 4321270 | store at 4 °C until ready to use |
| Mannitol Salt Agar | Carolina Biological Supply | 784641 | Prepare plates according to mfr's instructions, store at 4 °C for 1 week |
| Mice | Jackson Labs | C57/BL6J | |
| Petri Dishes | Fisher Scientific | 08-757-12 | for Mannitol Salt agar plates |
| RPI Brain Heart Infusion Media | Fisher Scientific | 50-488525 | prepare according to directions and autoclave |
| SteriFlip (0.22 µm pore size polyester sulfone) | EMD/Millipore, Fisher Scientifc | SCGP00525 | to sterilize anesthesia |
| Sterile Corning Centrifuge Tube | Fisher Scientific | 430829 | anesthesia preparation |
| Sterile mouse cage | Lab equipment | ||
| Tooth picks (round bamboo) | Kitchen Essentials | autoclave before use and swab preparation | |
| Trypticase Soy Agar II with 5% Sheep's Blood Plates | Fisher Scientific | 4321261 | store at 4 °C until ready to use |
| Vitek target slide | BioMerieux Inc. Durham,NC | ||
| Vitek-MS | BioMerieux Inc. Durham,NC | ||
| Vitek-MS CHCA matrix solution | BioMerieux Inc. Durham, NC | 411071 | |
| Single use eye drops | CVS Pharmacy | Bausch and Lomb Soothe Lubricant Eye Drops, 28 vials, 0.02 fl oz. each |
References
- Arpaia, N., et al. Metabolites produced by commensal bacteria promote peripheral regulatory T cell generation. Nature. 504 (7480), 451-455 (2013).
- Hooper, L. V., Littman, D. R., Macpherson, A. J. Interactions between the microbiota and the immune system. Science. 336 (6086), 1268-1273 (2010).
- Nagpal, R., et al. Human-origin probiotic cocktail increases short chain fatty acid production via modulation of mice and human gut microbiome. Scientific Reports. 8 (1), 12649 (2018).
- Graham, J. E., et al. Ocular pathogen or commensal: a PCR based study of surface bacterial flora in normal and dry eyes. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 48 (12), 5616-5623 (2007).
- Wang, C., et al. Sjögren-Like Lacrimal Keratoconjunctivitis in Germ-Free Mice. International Journal of Molecular Sciences. 19 (2), 565-584 (2018).
- Ham, B., Hwang, H. B., Jung, S. H., Chang, S., Kang, K. D., Kwon, M. J. Distribution and diversity of ocular microbial communities in diabetic patients compared with healthy subjects. Current Eye Research. 43 (3), 314-324 (2018).
- Doan, T., et al. Paucibacterial microbiome and resident DNA virome of the healthy conjunctiva. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 57 (13), 5116-5126 (2016).
- Kugadas, A., Gadjeva, M. Impact of microbiome on ocular health. Ocular Surface. 14 (3), 342-349 (2016).
- Dong, Q., et al. Diversity of bacteria at healthy human conjunctiva. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 53 (8), 5408-5413 (2011).
- Zegans, M. E., Van Gelder, R. N. Considerations in understanding the ocular surface microbiome. American Journal of Opthalmology. 158 (3), 420-422 (2014).
- Fleiszig, S. M., Efron, N. Microbial flora in eyes of current and former contact lens wearers. Journal of Clinical Microbiology. 30 (5), 1156-1161 (1992).
- Lu, X., et al. Neutrophil L-Plastin Controls Ocular Paucibacteriality and Susceptibility to Keratitis. Frontiers in Immunology. 11, 547 (2020).
- Johnson, T. R., Case, C. L. . Laboratory Experiments in Microbiology. , (2010).
- Reiner, K. Catalase Test Protocol. American Society for Microbiology. , (2010).
- UK SMI. . Standards for Microbiology Investigation. UK SMI. , (2014).
- Sharp, S. E., Searcy, C. Comparison of mannitol salt agar and blood agar plates for identification and susceptibility testing of Staphylococcus aureus in specimens from cystic fibrosis patients. Journal of Clinical Microbiology. 44 (12), 4545-4546 (2006).
- Siegman-Igra, Y., Azmon, Y., Schwartz, D. Milleri group streptococcus–a stepchild in the viridans family. European Journal of Clinical Microbiology and Infectious Diseases. 31 (9), 2453-2459 (2012).
- Mohan, B., Zaman, K., Anand, N., Taneja, N. Aerococcus Viridans: A Rare Pathogen Causing Urinary Tract Infection. Journal of Clinical and Diagnostic Research. 11 (1), 1-3 (2017).
- Senneby, E., Nilson, B., Petersson, A. C., Rasmussen, M. Matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry is a sensitive and specific method for identification of aerococci. Journal of Clinical Microbiology. 51 (4), 1303-1304 (2013).
- Wan, S. J., et al. IL-1R and MyD88 contribute to the absence of a bacterial microbiome on the healthy murine cornea. Frontiers in Microbiology. 9, 1117 (2018).
- Ozkan, J., et al. Temporal Stability and Composition of the Ocular Surface Microbiome. Scientific Reports. 7 (1), 9880 (2017).
- Oliver, J. M. The viable but non-culturable state in bacteria. Journal of Microbiology. 43 (1), 93-100 (2005).
- Epstein, S. S. The phenomenon of microbial uncultivability. Current Opinion in Microbiology. 16 (5), 636-642 (2013).
- Whelan, F. J., et al. Culture-enriched metagenomic sequencing enables in-depth profiling of the cystic fibrosis lung microbiota. Nature Microbiology. 5 (2), 379-390 (2020).
- Raymond, F., et al. Culture-enriched human gut microbiomes reveal core and accessory resistance genes. Microbiome. 7, 56 (2019).
- Peto, L., et al. Selective culture enrichment and sequencing of feces to enhance detection of antimicrobial resistance genes in third-generation cephalosporin resistant Enterobacteriaceae. PLoS One. 14 (11), 0222831 (2019).
- Lauer, B. A., Masters, H. B. Toxic effect of calcium alginate swabs on Neisseria gonorrhoeae. Journal of Clinical Microbiology. 26 (1), 54-56 (1988).
- Dubois, D., et al. Performances of the Vitek MS matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry system for rapid identification of bacteria in routine clinical microbiology. Journal of Clinical Microbiology. 50 (8), 2568-2576 (2012).
- Kawakita, T., et al. double-blind study of the safety and Efficacy of 1%D-3-Hydroxybutyrate eye drops for Dry Eye Disease. Scientific Reports. 6, 20855 (2016).
- Lee, H. S., Hattori, T., Stevenson, W., Cahuhan, S. K., Dana, R. Expression of toll-like receptor 4 contributes to corneal inflammation in experimental dry eye disease. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 53 (9), 5632-5640 (2012).
- Simmons, K. T., Xiao, Y., Pflugfelder, S. C., de Paiva, C. S. Inflammatory response to lipopolysaccharide on the ocular surface in a murine dry eye model. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 57 (6), 2444-2450 (2016).
- Miller, D., Ioviano, A. The role of microbial flora on the ocular surface. Current Opinion in Allergy and Immunology. 9 (5), 466-470 (2009).
- Nayyar, A., Gindina, S., Barron, A., Hu, Y., Danias, J. Do epigenetic changes caused by commensal microbiota contribute to development of ocular disease? A review of evidence. Human Genomics. 14 (1), 11 (2020).
- Stevenson, W., et al. Dry eye disease: an immune-mediated ocular surface disorder. Archives of Ophthalmology. 130 (1), 90-100 (2012).
