マウス腸におけるT4バクテリオファージと 大腸菌 の相互作用:宿主-バクテリオファージ動態をIn vivoで研究するためのプロトタイプモデル
Summary
細菌に感染するウイルスであるバクテリオファージ(ファージ)は、腸内細菌叢の不可欠な構成要素です。これらの共生生物は細菌の適応度と個体群動態を促進しますが、腸の恒常性や疾患にどのような影響を与えるかについてはほとんどわかっていません。このプロトコルは他のバクテリオファージ細菌の組に適応可能なマウス モデル内の隔離されたT4バクテリオファージを調査する。
Abstract
バクテリオファージ(ファージ)は、種レベルおよび株レベルの特異性を持つ細菌に感染するウイルスであり、既知のすべての生態系で最も豊富な生物学的実体です。腸内細菌叢に見られるような細菌群集内では、ファージは微生物叢の個体群動態を調節し、細菌の進化を促進することに関与しています。過去10年間でファージ研究への関心が再燃しており、その理由の一つは、溶解性ファージの宿主特異的な殺傷能力が、抗菌薬耐性菌の脅威の高まりに対抗するための有望なツールを提供していることです。さらに、ファージが腸粘液に付着することを示す最近の研究では、ファージが下にある上皮への細菌の侵入を防ぐ保護的な役割を担っている可能性があることが示唆されています。重要なことは、細菌のマイクロバイオームと同様に、ファジョームの破壊は炎症性腸疾患などの疾患の転帰の悪化と関連していることです。これまでの研究では、ファージが糞便濾液移植によって動物やヒトのマイクロバイオームを調節し、宿主の健康に利益をもたらすことが実証されています。この最近の研究の波により、腸内細菌叢の文脈でファージを研究するためのプロトコルを確立し、標準化する必要性が生じています。 このプロトコルはマウスの胃腸管において隔離されたT4バクテリオファージおよび細菌の宿主、 大腸菌を、調査する一組のプロシージャを提供する。ここで説明する方法は、ファージライセートから開始し、それをマウスに投与し、細菌の宿主とファージレベルへの影響を評価する方法を概説します。このプロトコルは他のバクテリオファージ細菌の組に修正され、加えることができ、生体内で宿主バクテリオファージの原動力を調査するための出発点を提供する 。
Introduction
バクテリオファージ(ファージ)は、細菌に感染して殺すウイルスで、種と菌株レベルの特異性があります1。ファージは、腸内細菌叢などの複雑な細菌群集で重要な役割を果たしており、個体群動態の調節や細菌の適応度の向上に関与しています2。過去10年間、抗菌薬耐性病原体の台頭3と、代替治療戦略としてのファージ療法の可能性により、ファージ研究への関心が再燃しています。近年、溶解性ファージカクテルは静脈内投与され、ヒトの重篤な抗生物質耐性細菌性敗血症感染症に一定の成功を収めています3,4。経口ファージ療法は、腸の感染症や炎症を治療するための抗生物質の潜在的な代替手段としても提案されています。さらに、ファージは、早産ブタの再発性クロストリジオイデス・ディフィシル感染症(rCDI)5,6、炎症性腸疾患(IBD)7,8、壊死性腸炎の治療において、細菌を除去するためにろ過された糞便微生物叢製剤である糞便濾液移植(FFT)の成功に関与しています9.これらの結果を考えると、既存のコミュニティに新規ファージを追加すると、標的細菌だけでなくコミュニティ全体に間接的な影響を与える可能性があるため、ファージと腸内細菌叢、およびファージと哺乳類宿主の両方との相互作用を考慮することが重要です2,10。
in vitroでのファージと標的細菌との相互作用の研究は、腸内におけるファージと細菌の相互作用のメカニズムと影響を理解するのに役立つことが証明されています。この設定では、カウドビラール目の大腸菌特異的T4ファージが腸粘液に付着するために、ビリオン表面の高抗原外カプシド(Hoc)タンパク質内に位置する免疫グロブリン(Ig)様ドメインを必要とすることが示されている11。さらに、トランズウェルアッセイは、T4ファージが上皮細胞培養と相互作用し、マクロピノサイトーシスによって細胞層を通過できることが示されています12,13。これらの結果は、ファージが真核細胞に感染できないにもかかわらず、後生動物の宿主と相互作用できるという仮説を支持しています。これらのモデルは有用ではあるが、ファージ、バクテリア、および後生動物の宿主間の三者間相互作用を包括的に調査するために必要な、腸内生態系で発生する複雑な相互作用の全範囲を欠いている。
マウスモデルは、複雑な環境下でファージを調査するための重要なツールです。ファージ投与の望ましい適用は、IBDを含む慢性炎症性疾患に関連する抗菌薬耐性感染症または病原菌を治療するための代替戦略としてである。しかし、新しい文献は、in vitroでのファージの挙動がin vivoの機能を完全には表していないことを示唆しています。Buttimerら14は、ファージカクテルは、簡略化されたヒト微生物叢コンソーシアムでは標的細菌を枯渇させることができたが、同じ細菌-ファージコンソーシアムでコロニーを形成したgnotobioticマウスではin vivoで再現できなかったことを実証した。さらに、従来のマウスマイクロバイオームでは、T7ファージは標的腸内細菌の選択的枯渇を引き起こしたが、時間の経過とともに緩やかな回復が観察され、耐性が進化したことを示している15。他の研究では、経口投与されたファージとその標的細菌株がin vivoで共存していることが実証されています2,16。実際、ファージとバクテリアの共存を超えて、ファージ投与は全体的な微生物叢群集の構成と機能に広範な変化をもたらしました2,16。いくつかの研究で、細菌量の変化とは無関係に、カウドウイルス類の相対存在量の増加とIBD 7,8,17との関連が明らかになっているため、これは疾患状況に関連しています7。これが病気の病因の要因なのか結果なのかは不明のままです。
ファージ調査の歴史的焦点は、ファージとその標的細菌との関係に関するものでした。ただし、ファージと後生動物の粘膜、上皮、および免疫系との間の潜在的な相互作用を考慮することも重要です。これらの相互作用はすべて、腸管ファージ感染に対する全体的な反応において重要な役割を果たします。これを実証するために、ファージは微生物叢8による干渉なしで免疫系への影響を解明するために無菌(GF)マウスを使用して研究されています。このシステムでは、ファージ核酸は、食作用免疫細胞(マクロファージおよび樹状細胞)のエンドソーム内に位置するToll様受容体(TLR)によって検出されました。これにより、下流のシグナル伝達が活性化され、インターフェロン(IFN)-γ 8またはI型IFN18のT細胞依存性産生が刺激された。さらに、Fluckigerらは、ファージコード(プロファージ)抗原の認識にメモリーCD8+ T細胞を関与させ、その結果、T細胞が腫瘍抗原と交差反応し、腫瘍負荷が軽減されたことを示しました。最後に、ファージ特異的抗体産生は、ファージが飲料水を介して継続的に動物モデルに送達されたマウス研究で文書化されており8,20、または数ヶ月にわたって繰り返し経口強制経口投与によって20、ファージタンパク質が体液性免疫応答を促進する能力を実証しています。ファージ接種のこれらのモードは、免疫系の最適かつ継続的なプライミングを可能にしますが、ファージと腸環境との間の自然に発生する相互作用や、経口適用されたファージ療法の動態を表していない可能性があります。これまでのところ、限られた数の研究が、単一コロニー化されたマウスモデルにおけるファージと単一の細菌種との相互作用を調べた21。しかし、単コロニー化されたマウスは、消化管(GI)と免疫発達に対する個々の種の微生物特異的な影響を解読する上で重要であることが証明され22,23,24、ファージ、標的細菌、および後生動物の宿主の間の三者間相互作用を理解するのに有用であることが証明される可能性があります。
興味深いことに、腸内ファージと腸内共生細菌の相互作用、および後生動物の宿主とその中に存在するファージとの間で発生する相互作用については、まだ学ぶべきことがたくさんあります。このプロトコルはgnotobioticマウス モデルを使用して隔離されたT4バクテリオファージおよび細菌の同等、 エシェリヒ属大腸菌 (K-12、BW25113)を調査する一組のプロシージャを提供する。また、これらの標準化された手順は、増殖パラメータを目的のペアに適合させることにより、他のファージ/バクテリアダイアドを最適化するための基盤を提供します。ここで説明する方法は、(1)マウスの経口強制経口投与のためのT4ファージおよびビヒクルライセートの調製;(2) 大腸菌 モノコロニー化gnotobioticマウスへのT4ファージの経口投与;(3)マウスの糞便および組織のT4ファージレベルを経時的に監視する。
ここで紹介した代表的な結果として、精製したT4ファージライセートは、Rohwer Labが管理するファージバンクストックから増殖させました。T4ファージを伝播させるためのファージ・オン・タップ法は、このプロトコルで参照されているように、適合させた25。この方法では、3日以内に高力価のエンドトキシン低ファージストックが得られます。このアプローチを利用して、10 mLの≥ 1010プラーク形成単位(pfu)/mLのT4ファージと<0.5エンドトキシン単位(EU)/mLを日常的に収集しました。マウスへの経口投与または静脈内投与の推奨エンドトキシンレベルは、それぞれ≤ 20 EU/mLおよび≤ 5 EU/kg/h(または20 gマウスの場合は0.1 EU)であり、in vivo 接種に適したファージ調製法です。すべてのファージストックを生理食塩水マグネシウム(SM)ファージバッファー(ステップ1.1.5.1で提供)に4°Cで保存しました。 大腸菌 はLB培地で培養した。さまざまなバクテリオファージとバクテリアのペアについて、多様な培地と成長条件をこのプロトコルから適合させることができます。ファージはまた、廃水、海水、土壌および腸内容物などの環境から供給することができ、SambrookおよびRussell26に従って、対象の各ファージ−宿主対25に対する適切な増殖および増殖条件を用いて調製前に単離および精製することができる。あるいは、ファージは、市販の供給源( 材料表を参照)またはファージバンクから得ることができる。
Protocol
Representative Results
Discussion
マイクロバイオームにおけるファージの研究は、細菌のファージと比較して大きな課題を提示します。具体的には、ファージは、原核生物と真核生物の種の配列決定と同定を容易にする16Sおよび18Sリボソームサブユニットに類似したすべてのファージに共通する保存された系統発生マーカーを含んでいない42。しかし、リード長、スループットの増加、コストの削減など、?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、この研究を行った土地が、xwməθkwəy̓əm(Musqueam)民族の伝統的で先祖代々の未割譲の領土であることを認めている。それが置かれている土地は、何千年もの間、この場所で世代から世代へと文化、歴史、伝統を受け継いできたマスケアムの人々にとって、常に学習の場でした。私たちは、他の人々が https://native-land.ca で生活し、働いている故郷についてもっと学ぶことを奨励しています。著者らは、カナダ自然科学工学評議会(NSERC)のカナダ大学院奨学金-修士号(N.P.)、Michael Smith Health Research BC Trainee Award(RT-2023-3174、MHへ)、カナダ自然科学工学研究評議会(NSERC)のディスカバリー助成プログラム(RGPIN-2019-04591からCT、RGPIN-2016-04282からLCO)、カナダ高等研究所/人間とマイクロバイオーム(FL-001253 Appt 3362、 CTへ)、Michael Smith Foundation for Health Research Scholar Award(18239、CTへ)、Canadian Institutes for Health Research(PJT-159458からLCO)、Canadian Foundation for Innovation(LCOへ34673、CTへ38277)。UBC Centre for Disease ModellingとubcFLOWはUBC GREx Biological Resilience Initiativeの支援を受けており、 Osborne研究室とTropini研究室のメンバーには、原稿の批判的な議論と評価をしてくれたことに感謝しています。 図1A と 図2A は、Biorender.com を使用して作成されました。
Materials
| 1-octanol (99%) | Thermofisher | CAAAA15977-AP | |
| 50 ml PES Steriflip Sterile Disposable Vacuum Filter Units | Millipore Sigma | SCGP00525 | |
| Agarose (Low-EEO/Multi-Purpose/Molecular Biology Grade) | Fisher BioReagents | BP160-500 | |
| Amicon® 100kDa Ultra-15 centrifugal filter device, Ultracel-100 | Millipore Sigma | UFC910008 | |
| BD Microtainer® Tubes, SST | BD Medical | 365967 | |
| Bioexclusion airtight cages (ISO cages) | Techiplast | 1245ISOCAGE | |
| C1000 Touch™ Thermal Cycler with 96-Well Fast Reaction Module | BioRad | 1851196 | |
| Calcium Chloride Dihydrate (White Crystals to Powder) | Fisher BioReagents | BP510-500 | |
| Cap Locks For 1.5ML Tube 100/pk | Andwin Scientific | 16812612 | |
| Chloroform (Ethanol as Preservative/Certified ACS) | Fisher | C298-500 | |
| Copper coated steel beads (4.5 mm) | Crosman Corporation | 0767 | |
| DNeasy Blood & Tissue Kit (50) | Thermo Scientific | 69504 | |
| DreamTaq Green PCR Master Mix (2X) | Thermo Scientific | K1081 | |
| Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) disodium salt solution, for molecular biology, 0.5 M in H2O | Sigma Aldrich | E7889 | |
| Fisher BioReagents™ Agar, Powder / Flakes, Fisher BioReagents™ | Fisher Bioreagents | BP1423-500 | |
| Fisher BioReagents™ Microbiology Media: LB Broth (Powder) – Lennox | Fisher Bioreagents | BP1427-500 | |
| GeneRuler 100 bp DNA Ladder | Thermo Scientific | SM0241 | |
| Green FastMix® qPCR mix, 1250 rxns | QuantaBio | 95072-012 | |
| HEPA filters for isocage lids, AUTOCLAVABLE H14 FILTERS FOR ISO LINE- IRRADIATED | Techiplast | UISOHEPAXTBOX-300 | |
| Magnesium sulfate heptahydrate | Fisher BioReagents | BP213-1 | |
| MaxQ 6000 Incubated Shaker | Thermo Scientific | 8354-30-0009 | |
| Microbiology Media: LB Broth (Powder) – Lennox | Fisher BioReagents | BP1427-500 | |
| Microcentrifuge Tubes with Locking Snap Cap, 2ml | Fisher | 14-666-315 | |
| Parafilm sealing film | Bemis | PM-996 | |
| Phage stocks | Carolina Biological Supply | n/a | |
| PicoLab® Mouse Diet 20 EXT | LabDiet | 5R58 | |
| Pierce™ Chromogenic Endotoxin Quant Kit | Thermo Scientific | A39552S | |
| RNase A (17,500 U) | Qiagen | 19101 | |
| RNase-free DNase Set | Qiagen | 79254 | |
| Sodium Bicarbonate (Fine White Powder) | Fisher Chemical | BP328-500 | |
| Sodium Chloride (Crystalline/Certified ACS) | Fisher Chemical | S271 | |
| Sonicator (probe model CL-18; power source model FB50) | Fisher scentific | n/a | |
| Sterile flexible film isolator | Class Biologically Clean | n/a | |
| SYBR™ Safe DNA Gel Stain | Invitrogen | S33102 | |
| T100 Thermal Cycler | BioRad | 1861096 | |
| T4 phage primer, forward (CCACACATAGCGCGAGTATAA) | IDT | n/a | |
| T4 phage primer, forward (GAAACTCGGTCAGGCTATCAA) | IDT | n/a | |
| TissueLyser II | Qiagen | 85300 | |
| Tris-HCl, 1M Solution, pH 8.0, Molecular Biology Grade, Ultrapure | Thermo Scientific | AAJ22638AE | |
| Water, (DNASE, RNASE free) | Fisher BioReagents | BP2484100 |
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