Voederen van Ticks on Animals voor Transmissie en Xenodiagnosis in Lyme Disease Research
Summary
De ziekte van Lyme is de meest gerapporteerde vector overgedragen ziekte in Noord-Amerika. De verwekker, Borrelia burgdorferi is een spirocheet bacterie overgedragen door Ixodes teken. Transmissie en detectie van infectie bij diermodellen wordt geoptimaliseerd door het gebruik van teek voeding, die hier beschreven.
Abstract
Toezending van het etiologische agens van de ziekte van Lyme, Borrelia burgdorferi, gebeurt door de bevestiging en bloed voeden van Ixodes soorten op teken zoogdiergastheren. In de natuur kan deze zoönotische bacteriële pathogenen verschillende reservoir gastheren gebruiken, maar de wit-betaalde muis (Peromyscus leucopus) is de primaire reservoir voor larven en nimfen teken in Noord-Amerika. Mensen zijn incidentele gastheren vaakst besmet met B. burgdorferi door de beet van teken in de nimfenstadium. B. burgdorferi past zijn gastheren gehele enzoötische cyclus, zodat de mogelijkheid om de functies van deze spirocheten en hun effecten verkennen zoogdierlijke gastheren vereist het gebruik van teken geeft. Daarnaast is de techniek van xenodiagnosis (met behulp van de natuurlijke vector voor detectie en herstel van een besmettelijke agent) bruikbaar in studies van cryptische infectie geweest. Voor het verkrijgen teken nymphal die haven B. burgdorferi,teken worden gevoed live-spirocheten in cultuur door middel van capillaire buizen. Twee diermodellen, muizen en niet-menselijke primaten, worden het meest gebruikt voor de ziekte van Lyme studies met tik geeft. We tonen de methoden waarmee deze teken kan worden gevoerd op en hersteld van dieren voor zowel infectie of xenodiagnosis.
Introduction
In 2011, de ziekte van Lyme was de 6 meest voorkomende Nationaal Aangifteplichtige ziekte in Noord-Amerika ( http://www.cdc.gov/lyme/stats/index.html ). B. burgdorferi is een veelzijdige microbe, zowel genetisch en antigeen (beoordeeld in 1). Zijn genetische constitutie bevat een grote (> 900 kB) chromosoom en maximaal 21 plasmiden (12 lineaire, circulaire 9), met plasmide inhoud variërend tussen isolaten. Veel wordt geleerd over deze spirocheet, als meer dan 90% van het plasmide open reading frames zijn verwant is aan enige bacteriële sequenties 2,3. B. burgdorferi biedt uiteenlopende antigenen als mogelijke doelwitten van gastheer immuniteit. Echter, een onbehandelde infectie vaak blijft. De interactie van spirocheten met de teek milieu en de gewervelde gastheer milieu moeten aanpassen door B. burgdorferi tijdens het infectieproces. Verschillende plasmide gecodeerdegenen is bekend dat verschillend tot expressie als reactie op veranderingen in temperatuur, pH, celdichtheid en zelfs fase van de teek levenscyclus 4-8.
De studie van B. burgdorferi aanpassing gehele enzoötische cyclus en gastheer responsen na infectie door de natuurlijke route is gebaseerd op het vermogen om teken voeden geschikte diermodellen. Dergelijke studies zijn ontmoeting met de technische uitdagingen van het genereren van teken die B. haven burgdorferi, en zorgen voor een efficiënte transmissie en / of het voeren van teken van het model host. Bovendien, de insluiting en terugwinning van geïnfecteerde teken essentieel. Onder de gebruikte modellen zijn muizen en niet-menselijke primaten, die elk fungeert als een waardevol instrument Lyme onderzoek. Zoals met de witte-betaalde muis, dat is een natuurlijke reservoir gastheer voor B. burgdorferi, het laboratorium muis is een zeer gevoelig host die persisterende infectie ondersteunt door B. burgdorferi 9. Folgende infectie van ziekte vatbare muizen, zoals C3H stam, de spirocheten verspreiden meerdere weefsels, waaronder de huid, blaas, spieren, gewrichten en het hart. Inflammatoire reacties op de infectie leiden tot zieke hart en gewrichtsweefsel. Terwijl de spirocheten volharden in deze gastheer en besmettelijke blijven, kan ontstekingshaarden onderbroken worden, niet in tegenstelling tot het proces bij de mens. Het muismodel heeft aldus verstrekte veel informatie over B. burgdorferi-geïnduceerde pathologie, met inbegrip van artritis en carditis en gastheer immuunreacties 10-12. Vanuit het perspectief van de ziekteverwekker, hebben bepaalde genen differentieel tot expressie in zoogdiercellen infectie gekenmerkt, zo hebben sommige nodig zijn voor de transmissie van de teek vector 13-21.
Hoewel verscheidene diersoorten zijn gebruikt om de ziekte van Lyme 22 bestuderen, rhesus makaken nauwst multi-orgaan karakter van menselijke ziekte na te bootsen 23. In tegenstelling tot anderediermodellen, de breedte van ziekteverschijnselen zoals erythema migrans, carditis, artritis en neuropathie van het perifere en centrale zenuwstelsel waargenomen bij makaken. Bij muizen, het reservoir gastheer voor B. burgdorferi, de ziekte verschilt per muizenstam en leeftijd 24, terwijl de vroege en late-verspreid manifestaties zijn ongewoon 9. Bovendien, andere knaagdieren, haasachtigen, en hoektanden allemaal niet aan neurologische ziekte vertonen van B. burgdorferi infectie 25. Belangrijk, makaken vertonen tekenen die kenmerkend zijn voor alle drie de fasen van Lyme-borreliose, namelijk vroeg-gelokaliseerde, vroeg-verspreid, en een laat stadium de ziekte van Lyme 26-28 zijn. Erythema migrans (EM) wordt verondersteld voor bij 70-80% van de menselijke gevallen 29 en wordt ook gezien bij rhesus makaken 28,30. Na infectie, de spirocheten verspreiden van de plaats van inoculatie meerdere organen. Spirochetal DNA is in het skelet mu gedetecteerdscles, hart, blaas, perifere zenuw en plexus, en in het centrale zenuwstelsel (hersenen, hersenstam en cerebellum, het ruggenmerg en de dura mater) 31.
Vink voeden met muizen is gebruikt door ons en andere onderzoeksteams voor vermeerdering van teek kolonies, in het reservoir competentie studies 32-36 en in studies van B. burgdorferi pathogenese 37-40. Deze techniek is ook gebruikt voor xenodiagnosis en testen van werkzaamheid van het vaccin in muizen 41-44. We hebben gevoed Ixodes teken op niet-menselijke primaten voor modelontwikkeling 28, een studie van de werkzaamheid van het vaccin 45, en voor xenodiagnosis bij de beoordeling van persistentie post-antibiotische behandeling 46. Teken die haven B. burgdorferi kan in een natuurlijke endemische cyclus worden gehandhaafd door voeden larven op besmette muizen en met behulp van de nimfen voor studies, zoals de spirocheten worden overgedragen via de levensfasen. In dit verslag, Instrueren we over hoe teken besmet met wild-type of mutant B. genereren burgdorferi, met behulp van capillaire sondevoeding. Dit kan ook worden bereikt door microinjectie 47 en door onderdompeling 48. Het doel van kunstmatige introductie van B. burgdorferi in teken kunnen zijn om mutante stammen die overdraagbaarheid onbekend bestuderen, een groep teken met een hoge infectie genereren en om de mogelijkheid op fouten bij het handhaven van een schoon en anderszins geïnfecteerde teek kolonie. Daarnaast tonen we teek voeden met muizen en niet-menselijke primaten, om zo de insluiting en terugwinning van vol teken te verzekeren. Het gebruik van teek voeding is essentieel voor toekomstige studies van immune reacties op B. burgdorferi infectie, potentiële Lyme werkzaamheid van het vaccin, en xenodiagnosis voor de detectie van occulte infecties.
Protocol
Representative Results
Discussion
Voor het verkrijgen teken die haven B. burgdorferi voor downstream studies, kan het teken zijn: (1) gevoed geïnfecteerde muizen op het larvale stadium; (2) ondergedompeld in B. burgdorferi culturen op een van beide het larvale of nimfenstadium 48, (3) gemicroinjecteerd met B. burgdorferi 47, of (4) capillair-gevoed B. burgdorferi 49. Hoewel elk van deze werkwijzen heeft zijn doel te garanderen dat een groot deel van het teken moet worden gebruikt voor…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen Nicole Hasenkampf en Amanda Tardo bedanken voor de technische ondersteuning. We danken ook Drs. Linden Hu en Adriana Marques voor aanbeveling van de LeFlap insluiting apparaat, en Dr Lise Gern voor instructie op de capillaire voedingswijze. Dit werk werd ondersteund door NIH / NCRR Grant 8 P20 GM103458-09 (MEE) en door het National Center for Research Resources en het Office of Research Infrastructure Programs (OriP) van de National Institutes of Health door subsidie P51OD011104/P51RR000164.
Materials
| Reagent | |||
| BSK-H | Sigma | B-8291 | |
| Ketamine HCl | |||
| Tangle Trap coating Paste | Ladd research | T-131 | |
| SkinPrep | Allegro Medical Supplies | 177364 | |
| LeFlap, 3″ x 3″ | Monarch Labs | ||
| Hypafix tape | Allegro Medical Supplies | 191523 | |
| SkinBond | Allegro Medical Supplies | 554536 | |
| UniSolve | Allegro Medical Supplies | 176640 | |
| Biatane Foam, adhesive 4″x4″ | Coloplast | 3420 | |
| DuoDerm CGF Dressing – 4″ x 4″, (3/4)” adhesive border | Convatec | 187971 | |
| Nonhuman primate jackets with flexible 2″ back panels; add drawstrings at top and bottom | Lomir Biomedical Inc. | ||
| EQUIPMENT | |||
| Pipet puller | David Kopf Instruments | Model 700C | |
| Dark field microscope | Leitz Wetzlar | Dialux | |
| Dissecting microscope | Leica | Zoom 2000 | |
| Mouse caging | Allentown caging |
Riferimenti
- Porcella, S. F., Schwan, T. G. Borrelia burgdorferi and Treponema pallidum: a comparison of functional genomics, environmental adaptations, and pathogenic mechanisms. Journal of Clinical Investigation. 107, 651-656 (2001).
- Fraser, C. M., et al. Genomic sequence of a Lyme disease spirochaete, Borrelia burgdorferi. Nature. 390, 580-586 (1997).
- Casjens, S., et al. A bacterial genome in flux: the twelve linear and nine circular extrachromosomal DNAs in an infectious isolate of the Lyme disease spirochete Borrelia burgdorferi. Molecular Microbiology. 35, 490-516 (2000).
- Carroll, J. A., Garon, C. F., Schwan, T. G. Effects of environmental pH on membrane proteins in Borrelia burgdorferi. Infection & Immunity. 67, 3181-3187 (1999).
- Gilmore, R. D., Mbow, M. L., Stevenson, B. Analysis of Borrelia burgdorferi gene expression during life cycle phases of the tick vector Ixodes scapularis. Microbes & Infection. 3, 799-808 (2001).
- Ramamoorthy, R., Philipp, M. T. Differential expression of Borrelia burgdorferi proteins during growth in vitro. Infection & Immunity. 66, 5119-5124 (1998).
- Ramamoorthy, R., Scholl-Meeker, D. Borrelia burgdorferi proteins whose expression is similarly affected by culture temperature and pH. Infection & Immunity. 69, 2739-2742 (2001).
- Schwan, T. G., Piesman, J. Temporal Changes in Outer Surface Proteins A and C of the Lyme Disease-Associated Spirochete, Borrelia burgdorferi, during the Chain of Infection in Ticks and Mice. J. Clin. Microbiol. 38, 382-388 (2000).
- Barthold, S. W., de Souza, M. S., Janotka, J. L., Smith, A. L., Persing, D. H. Chronic Lyme borreliosis in the laboratory mouse. Am. J. Pathol. 143, 959-971 (1993).
- Barthold, S. W., de Souza, M. Exacerbation of Lyme arthritis in beige mice. Journal of Infectious Diseases. 172, 778-784 (1995).
- Barthold, S. W., Feng, S., Bockenstedt, L. K., Fikrig, E., Feen, K. Protective and arthritis-resolving activity in sera of mice infected with Borrelia burgdorferi. Clin. Infect. Dis. 25, S9-S17 (1997).
- Miller, J. C., Ma, Y., Crandall, H., Wang, X., Weis, J. J. Gene expression profiling provides insights into the pathways involved in inflammatory arthritis development: Murine model of Lyme disease. Experimental and Molecular Pathology. 85, 20-27 (2008).
- Purser, J. E., Norris, S. J. Correlation between plasmid content and infectivity in Borrelia burgdorferi. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97, 13865-13870 (2000).
- Grimm, D., et al. Outer-surface protein C of the Lyme disease spirochete: a protein induced in ticks for infection of mammals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101, 3142-3147 (2004).
- Zhang, J. R., Norris, S. J. Kinetics and in vivo induction of genetic variation of vlsE in Borrelia burgdorferi. Infection & Immunity. 66 (1), 3689-3697 (1999).
- Hodzic, E., Feng, S., Freet, K. J., Borjesson, D. L., Barthold, S. W. Borrelia burgdorferi population kinetics and selected gene expression at the host-vector interface. Infection & Immunity. 70, 3382-3388 (2002).
- Hodzic, E., Feng, S., Freet, K. J., Barthold, S. W. Borrelia burgdorferi population dynamics and prototype gene expression during infection of immunocompetent and immunodeficient mice. Infection & Immunity. 71, 5042-5055 (2003).
- Liang, F. T., Nelson, F. K., Fikrig, E. Molecular adaptation of Borrelia burgdorferi in the murine host. Journal of Experimental Medicine. 196, 275-280 (2002).
- Samuels, D. S. Gene Regulation in Borrelia burgdorferi. Annual Review of Microbiology. 65, 479-499 (1146).
- Gilmore, R. D., et al. The bba64 gene of Borrelia burgdorferi, the Lyme disease agent, is critical for mammalian infection via tick bite transmission. Proceedings of the National Academy of Sciences. 107, 7515-7520 (2010).
- Fisher, M. A., et al. Borrelia burgdorferi σ54 is required for mammalian infection and vector transmission but not for tick colonization. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102, 5162-5167 (2005).
- Barthold, S. W. Animal models for Lyme disease. Laboratory Investigation. 72, 127-130 (1995).
- Pachner, A. R. Early disseminated Lyme disease: Lyme meningitis. American Journal of Medicine. 98, 30S-37S (1995).
- Barthold, S. W., Beck, D. S., Hansen, G. M., Terwilliger, G. A., Moody, K. D. Lyme Borreliosis in Selected Strains and Ages of Laboratory Mice. Journal of Infectious Diseases. 162, 133-138 (1990).
- Philipp, M. T., Johnson, B. J. Animal models of Lyme disease: pathogenesis and immunoprophylaxis. Trends in Microbiology. 2, 431-437 (1994).
- Roberts, E. D., et al. Pathogenesis of Lyme neuroborreliosis in the rhesus monkey: the early disseminated and chronic phases of disease in the peripheral nervous system. Journal of Infectious Diseases. 178, 722-732 (1998).
- Roberts, E. D., et al. Chronic lyme disease in the rhesus monkey. Laboratory Investigation. 72, 146-160 (1995).
- Philipp, M. T., et al. Early and early disseminated phases of Lyme disease in the rhesus monkey: a model for infection in humans. Infection & Immunity. 61, 3047-3059 (1993).
- Steere, A. C., Sikand, V. K., 348, T. r. e. a. t. m. e. n. t. .. N. .. E. n. g. l. .. J. .. M. e. d. .. The Presenting Manifestations of Lyme Disease and the Outcomes of Treatment. N. Engl. J. Med. 348, 2472-2474 (2003).
- Pachner, A. R., Delaney, E., O’Neill, T., Major, E. Inoculation of nonhuman primates with the N40 strain of Borrelia burgdorferi leads to a model of Lyme neuroborreliosis faithful to the human disease. Neurology. 45, 165-172 (1995).
- Cadavid, D., O’Neill, T., Schaefer, H., Pachner, A. R. Localization of Borrelia burgdorferi in the nervous system and other organs in a nonhuman primate model of lyme disease. Laboratory Investigation. 80, 1043-1054 (2000).
- Mather, T. N., Wilson, M. L., Moore, S. I., Ribiero, J. M. C., Spielman, A. Comparing the Relative Potential of Rodents as Reservoirs of the Lyme Disease Spirochete (Borrelia Burgdorferi).. American Journal of Epidemiology. 130, 143-150 (1989).
- Mather, T. N., Telford, S. R., Moore, S. I., Spielman, A. Borrelia burgdorferi and Babesia microti: Efficiency of transmission from reservoirs to vector ticks (Ixodes dammini). Experimental Parasitology. 70 (90), 55-61 (1990).
- Telford, S. R., Mather, T. N., Adler, G. H., Spielman, A. Short-tailed shrews as reservoirs of the agents of Lyme disease and human babesiosis. Journal of Parasitology. 76, 681-683 (1990).
- Mather, T. N., Fish, D., Coughlin, R. T. Competence of dogs as reservoirs for Lyme disease spirochetes (Borrelia burgdorferi). J. Am. Vet. Med. Assoc. 205, 186-188 (1994).
- Telford, S. R., Mather, T. N., Moore, S. I., Wilson, M. L., Spielman, A. Incompetence of deer as reservoirs of the Lyme disease spirochete. Am. J. Trop. Med. Hyg. 39, 105-109 (1988).
- Lin, T., et al. Analysis of an Ordered, Comprehensive STM Mutant Library in Infectious Borrelia burgdorferi: Insights into the Genes Required for Mouse Infectivity. PLoS ONE. 7, e47532 (2012).
- Lin, T., et al. Central Role of the Holliday Junction Helicase RuvAB in vlsE Recombination and Infectivity of Borrelia burgdorferi. PLoS Pathog. 5, e1000679 (2009).
- Jacobs, M. B., Norris, S. J., Phillippi-Falkenstein, K. M., Philipp, M. T. Infectivity of the Highly Transformable BBE02- lp56- Mutant of Borrelia burgdorferi, the Lyme Disease Spirochete, via Ticks. Infection and Immunity. 74, 3678-3681 (2006).
- Jacobs, M. B., Purcell, J. E., Philipp, M. T. Ixodes scapularis ticks (Acari: Ixodidae) from Louisiana are competent to transmit Borrelia burgdorferi, the agent of Lyme borreliosis. J. Med. Entomol. 40, 964-967 (2003).
- Bockenstedt, L., Mao, J., Hodzic, E., Barthold, S., Fish, D. Detection of Attenuated, Noninfectious Spirochetes in Borrelia burgdorferi-Infected Mice after Antibiotic Treatment. The Journal of Infectious Diseases. 186, 1430-1437 (2002).
- Barthold, S. W., et al. Ineffectiveness of tigecycline against persistent Borrelia burgdorferi. Antimicrobial Agents & Chemotherapy. 54, 643-651 (2010).
- de Silva, A. M., Telford, S. R., Brunet, L. R., Barthold, S. W., Fikrig, E. Borrelia burgdorferi OspA is an arthropod-specific transmission-blocking Lyme disease vaccine. Journal of Experimental Medicine. 183, 271-275 (1996).
- Fikrig, E., et al. Vaccination against Lyme disease caused by diverse Borrelia burgdorferi. Journal of Experimental Medicine. 181, 215-221 (1995).
- Philipp, M. T., et al. The outer surface protein A (OspA) vaccine against Lyme disease: efficacy in the rhesus monkey. Vaccine. 15, 1872-1887 (1997).
- Embers, M. E., et al. Persistence of Borrelia burgdorferi in Rhesus Macaques following Antibiotic Treatment of Disseminated Infection. PLoS ONE. 7, e29914 (2012).
- Kariu, T., Coleman, A. S., Anderson, J. F., Pal, U. Methods for Rapid Transfer and Localization of Lyme Disease Pathogens Within the Tick Gut. J. Vis. Exp. , e2544 (2011).
- Policastro, P. F., Schwan, T. G. Experimental infection of Ixodes scapularis larvae (Acari: Ixodidae) by immersion in low passage cultures of Borrelia burgdorferi. J. Med. Entomol. 40, 364-370 (2003).
- Broadwater, A. H., Sonenshine, D. E., Hynes, W. L., Ceraul, S., de Silva, A. M. Glass Capillary Tube Feeding: A Method for Infecting Nymphal Ixodes scapularis (Acari: Ixodidae) with The Lyme Disease Spirochete Borrelia burgdorferi. Journal of Medical Entomology. 39, 285-292 (2002).
- Hodzic, E., Feng, S., Holden, K., Freet, K. J., Barthold, S. W. Persistence of Borrelia burgdorferi following antibiotic treatment in mice. Antimicrob Agents Chemother. 52, 1728-1736 (2008).
- Bockenstedt, L. K., Mao, J., Hodzic, E., Barthold, S. W., Fish, D. Detection of attenuated, noninfectious spirochetes in Borrelia burgdorferi-infected mice after antibiotic treatment. Journal of Infectious Diseases. 186, 1430-1437 (2002).
- Schwan, T. G., Burgdorfer, W., Garon, C. F. Changes in infectivity and plasmid profile of the Lyme disease spirochete, Borrelia burgdorferi, as a result of in vitro cultivation. Infection and Immunity. 56, 1831-1836 (1988).
