Summary

Isolering af lipoprotein partikler fra hønseæg æggeblomme til undersøgelse af bakteriel Patogenchlorid fedtsyre inkorporering i membran Fosfolipids

Published: May 15, 2019
doi:

Summary

Denne metode giver en ramme for at studere inkorporering af eksogene fedtsyrer fra komplekse vært kilder i bakterielle membraner, især Staphylococcus aureus. For at opnå dette, protokoller for tilsætning af lipoprotein partikler fra hønseæg æggeblomme og efterfølgende fedtsyre profilering af bakterielle fosfolipider udnytter massespektrometri er beskrevet.

Abstract

Staphylococcus aureus og andre gram positive patogener inkorporerer fedtsyrer fra omgivelserne i membran Fosfolipiderne. Under infektion, de fleste af eksogene fedtsyrer er til stede i Host lipoprotein partikler. Der er fortsat usikkerhed med hensyn til reservoirer af værts fedtsyrer og de mekanismer, hvormed bakterier ekstrahere fedtsyrer fra lipoprotein partiklerne. I dette arbejde beskriver vi protokoller for berigelse af low-density lipoprotein (LDL) partikler fra hønseæg æggeblomme og afgøre, om LDLs fungere som fedtsyre reservoirer for S. aureus. Denne metode udnytter upartisk lipidomic analyse og kylling LDLs, en effektiv og økonomisk model for udforskning af interaktioner mellem LDLs og bakterier. Analysen af S. aureus integration af eksogene fedtsyrer fra LDLs udføres ved hjælp af høj opløsning/nøjagtig massespektrometri og tandem massespektrometri, der muliggør karakterisering af fedtsyre sammensætningen af bakterien membran og objektiv identifikation af nye kombinationer af fedtsyrer, som opstår i bakterielle membran lipider ved udsættelse for LDLs. Disse avancerede massespektrometri teknikker tilbyder en uovertruffen perspektiv af fedtsyre inkorporering ved at afsløre de specifikke eksogene fedtsyrer indarbejdet i Fosfolipiderne. De metoder, der er skitseret her, er tilpasningsdygtige til studiet af andre bakterielle patogener og alternative kilder til komplekse fedtsyrer.

Introduction

Methicillin-resistent S. aureus (MRSA) er den førende årsag til sundhedsrelateret infektion, og den associerede antibiotikaresistens er en betydelig klinisk udfordring1,2,3. Derfor er udviklingen af nye terapeutiske strategier en høj prioritet. En lovende behandlingsstrategi for gram-positive patogener hæmmer fedtsyre syntesen, et krav til membran fosfolipid produktion, der i S. aureus, omfatter phosphatidylglycerol (PG), lysyl-PG, og cardiolipin4. I bakterier, fedtsyre produktion sker via fedtsyre syntese II pathway (fasii)5, som er betydeligt forskellig fra eukaryote modstykke, gør fasii et attraktivt mål for antibiotika udvikling5,6 . FASII-hæmmere primært Target FabI, et enzym, der kræves for fedtsyre kulstofkæde forlængelse7. Fabi-hæmmeren triclosan anvendes i vid udstrækning i forbruger-og medicinalvarer8,9. Yderligere Fabi-hæmmere er ved at blive udviklet af flere farmaceutiske virksomheder til behandling af S. aureus infektion10,11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26. Men, mange gram-positive patogener, herunder S. aureus, er i stand til at scavenging eksogene fedtsyrer for phospholipid syntese, omgåelse fasii hæmning27,28,29. Således diskuteres det kliniske potentiale af fasii-hæmmere på grund af betydelige huller i vores viden om kilderne til vært fedtsyrer og de mekanismer, hvormed patogener ekstrakt fedtsyrer fra værten27,28. For at afhjælpe disse mangler, vi udviklet en objektiv lipidomisk analysemetode til at overvåge inkorporering af eksogene fedtsyrer fra lipoprotein partikler i membran fosfolipider af S. aureus.

Under sepsis, vært lipoprotein partikler repræsenterer en potentiel kilde til Host-afledte fedtsyrer i Vaskulaturen, som et flertal af vært fedtsyrer er forbundet med partiklerne30. Lipoproteiner består af en hydrofile Shell sammensat af phospholipider og proteiner, som vedlægger en hydrofobe kerne af triglycerider og kolesterol estere31. Fire store klasser af lipoproteiner–chylomicron, meget lav densitet lipoprotein, high-density lipoprotein, og low-density lipoprotein (LDL)-er produceret af værten og fungere som lipid transport køretøjer, leverer fedtsyrer og kolesterol til og fra Host celler via vasculature. LDLs er rigelige i esterificeret fedtsyre, herunder triglycerider og kolesterol estere31. Vi har tidligere påvist, at højt renset humane LDLs er en levedygtig kilde til eksogene fedtsyrer til PG syntese, hvilket giver en mekanisme for FASII-hæmmer bypass32. Rensning af humane ldl’er kan være teknisk udfordrende og tidskrævende, mens kommercielle kilder til rensede humane ldl’er er uoverkommeligt dyre at bruge rutinemæssigt eller til at udføre store bakterie skærme. For at løse disse begrænsninger, har vi ændret en procedure for berigelse af LDLs fra kylling æggeblomme, en rig kilde til lipoprotein partikler33. Vi har med succes brugt umålrettet, høj opløsning/nøjagtig massespektrometri og tandem massespektrometri til at overvåge inkorporering af humane LDL-afledte fedtsyrer i membranen af S. aureus32. I modsætning til tidligere rapporterede metoder, denne fremgangsmåde kan kvantificere individuelle fedtsyrer isomerer for hver af de tre store stafylokok phospholipid typer. Oliesyre (18:1) er en umættet fedtsyre til stede i alle Host lipoprotein partikler, der let inkorporeres i S. aureus fosfolipids29,30,32. S. aureus er ikke i stand til oliesyre syntese29; Derfor fastsætter mængden af phospholipid-indarbejdet oliesyre tilstedeværelsen af vært lipoprotein-afledte fedtsyrer i stafylokoken membran29. Disse phospholipid arter kan identificeres ved den state-of-the-art massespektrometri metode, der er beskrevet her, tilbyder hidtil uset opløsning af membranens sammensætning af S. aureus dyrket i nærværelse af en fedtsyre kilde det sandsynligt møder under infektion.

Protocol

Bemærk: følgende protokol for tilsætning af LDL-partikler fra kyllingægge blomme er afledt af Moussa et al. 200233. 1. fremstilling af hønseæg æggeblomme til berigelse af LDL-partikler Sanitize to store hønseæg ved at vaske skaller med 70% ethanol opløsning og lad lufttørre. Sanitize ægge separatoren ved hjælp af 70% ethanol opløsning og lad lufttørre. Fastgør ægseparatoren på læben på et mellemstort bægerglas. Knæk hv…

Representative Results

Protokollen for tilsætning af LDL fra kyllingægge blomme er illustreret i figur 1. Denne proces begynder ved at fortynde hele æggeblomme med saltvand og adskille æggeblomme tørstof benævnt granulat fra den opløselige eller plasma fraktion indeholdende Ldl’er (figur 1)33. LDL-indholdet i plasma fraktionen er yderligere beriget ved udfældning af ~ 30-40 kDa β-livetiner (figur 2<…

Discussion

S. aureus inkorporerer eksogene fedtsyrer i dets membran fosfolipider27,32,43. Fosfolipid syntese ved hjælp af eksogene fedtsyrer omgår fasii hæmning, men også ændrer de biofysiske egenskaber af membranen27,32,44. Mens inkorporering af eksogene fedtsyrer i phospholipider af gram-positive patogener er veldokumenteret, mangl…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker medlemmerne af hammer laboratoriet for deres kritiske evaluering af manuskriptet og støtte til dette arbejde. Dr. Alex Horswill fra University of Colorado School of Medicine venligt forudsat AH1263. Dr. Chris Waters laboratorium på Michigan State University leverede reagenser. Dette arbejde blev støttet af American Heart Association Grant 16SDG30170026 og start-up midler fra Michigan State University.

Materials

Ammonium sulfate Fisher BP212R-1 ≥99.5% pure
Cell culture incubator Thermo MaxQ 6000
Centrafuge Thermo 75-217-420 Sorvall Legen XTR, rotor F14-6×250 LE
Costar assay plate Corning 3788 96 well
Filter paper Schleicher & Schuell 597
Large chicken egg N/A N/A Common store bought egg
Microplate spectrophotometer BioTek Epoch 2
NaCl Sigma S9625
S. aureus strain AH1263 N/A N/A Provided by Alex Horswill of the University of Colorado
Dialysis tubing Pierce 68700 7,000 MWCO
Tryptone Becton, Dickison and Company 211705
0.5 mm zirconium oxide beads Next Advance ZROB05
Bullet Blender Next Advance BBX24B
Methanol (LC-MS grade) Fisher A4561
Chloroform (reagent grade) Fisher MCX10559
Isopropanol (LC-MS grade) Fisher A4611
Dimyristoyl phosphatidylcholine Avanti Polar Lipids 850345C-25mg
Ammonium bicarbonate Sigma 9830 ≥99.5% pure
Ammonium formate Sigma 70221-25G-F
Xcalibur software Thermo Scientific OPTON-30801
LTQ-Orbitrap Velos mass spectrometer Thermo Scientific high resolution/accurate mass MS
Agilent 1260 capillary HPLC Agilent
SpeedVac Vacuum Concentrators Thermo Scientific

Riferimenti

  1. Noskin, G. A., et al. National trends in Staphylococcus aureus infection rates: impact on economic burden and mortality over a 6-year period (1998-2003). Clinical Infectious Diseases. 45 (9), 1132-1140 (2007).
  2. Noskin, G. A., et al. The burden of Staphylococcus aureus infections on hospitals in the United States: an analysis of the 2000 and 2001 Nationwide Inpatient Sample Database. Archives of Internal Medicine. 165 (15), 1756-1761 (2005).
  3. Laible, B. R. Antimicrobial resistance: CDC releases report prioritizing current threats. South Dakota medicine. 67 (1), 30-31 (2014).
  4. Zhang, Y. M., Rock, C. O. Membrane lipid homeostasis in bacteria. Nature Reviews Microbiology. 6 (3), 222-233 (2008).
  5. Zhang, Y. M., White, S. W., Rock, C. O. Inhibiting bacterial fatty acid synthesis. Journal of Biological Chemistry. 281 (26), 17541-17544 (2006).
  6. Sohlenkamp, C., Geiger, O. Bacterial membrane lipids: diversity in structures and pathways. FEMS Microbiology Reviews. 40 (1), 133-159 (2016).
  7. Schiebel, J., et al. Staphylococcus aureus FabI: inhibition, substrate recognition, and potential implications for in vivo essentiality. Structure. 20 (5), 802-813 (2012).
  8. Heath, R. J., Li, J., Roland, G. E., Rock, C. O. Inhibition of the Staphylococcus aureus NADPH-dependent enoyl-acyl carrier protein reductase by triclosan and hexachlorophene. Journal of Biological Chemistry. 275 (7), 4654-4659 (2000).
  9. Heath, R. J., Yu, Y. T., Shapiro, M. A., Olson, E., Rock, C. O. Broad spectrum antimicrobial biocides target the FabI component of fatty acid synthesis. Journal of Biological Chemistry. 273 (46), 30316-30320 (1998).
  10. Park, H. S., et al. Antistaphylococcal activities of CG400549, a new bacterial enoyl-acyl carrier protein reductase (FabI) inhibitor. Journal of Antimicrobial Chemotherapy. 60 (3), 568-574 (2007).
  11. Schiebel, J., et al. Rational design of broad spectrum antibacterial activity based on a clinically relevant enoyl-acyl carrier protein (ACP) reductase inhibitor. Journal of Biological Chemistry. 289 (23), 15987-16005 (2014).
  12. Yum, J. H., et al. In vitro activities of CG400549, a novel FabI inhibitor, against recently isolated clinical staphylococcal strains in Korea. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 51 (7), 2591-2593 (2007).
  13. Kaplan, N., et al. Mode of action, in vitro activity, and in vivo efficacy of AFN-1252, a selective antistaphylococcal FabI inhibitor. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 56 (11), 5865-5874 (2012).
  14. Karlowsky, J. A., Kaplan, N., Hafkin, B., Hoban, D. J., Zhanel, G. G. AFN-1252, a FabI inhibitor, demonstrates a Staphylococcus-specific spectrum of activity. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 53 (8), 3544-3548 (2009).
  15. Ross, J. E., Flamm, R. K., Jones, R. N. Initial broth microdilution quality control guidelines for Debio 1452, a FabI inhibitor antimicrobial agent. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 59 (11), 7151-7152 (2015).
  16. Hunt, T., Kaplan, N., Hafkin, B. Safety, tolerability and pharmacokinetics of multiple oral doses of AFN-1252 administered as immediate release (IR) tablets in healthy subjects. Journal of Chemotherapy. 28 (3), 164-171 (2016).
  17. Hafkin, B., Kaplan, N., Hunt, T. L. Safety, tolerability and pharmacokinetics of AFN-1252 administered as immediate release tablets in healthy subjects. Future Microbiology. 10 (11), 1805-1813 (2015).
  18. Flamm, R. K., Rhomberg, P. R., Kaplan, N., Jones, R. N., Farrell, D. J. Activity of Debio1452, a FabI inhibitor with potent activity against Staphylococcus aureus and coagulase-negative Staphylococcus spp., including multidrug-resistant strains. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 59 (5), 2583-2587 (2015).
  19. Yao, J., Maxwell, J. B., Rock, C. O. Resistance to AFN-1252 arises from missense mutations in Staphylococcus aureus enoyl-acyl carrier protein reductase (FabI). Journal of Biological Chemistry. 288 (51), 36261-36271 (2013).
  20. Tsuji, B. T., Harigaya, Y., Lesse, A. J., Forrest, A., Ngo, D. Activity of AFN-1252, a novel FabI inhibitor, against Staphylococcus aureus in an in vitro pharmacodynamic model simulating human pharmacokinetics. Journal of Chemotherapy. 25 (1), 32-35 (2013).
  21. Parsons, J. B., et al. Perturbation of Staphylococcus aureus gene expression by the enoyl-acyl carrier protein reductase inhibitor AFN-1252. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 57 (5), 2182-2190 (2013).
  22. Kaplan, N., et al. In vitro activity (MICs and rate of kill) of AFN-1252, a novel FabI inhibitor, in the presence of serum and in combination with other antibiotics. Journal of Chemotherapy. 25 (1), 18-25 (2013).
  23. Kaplan, N., Garner, C., Hafkin, B. AFN-1252 in vitro absorption studies and pharmacokinetics following microdosing in healthy subjects. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 50 (3-4), 440-446 (2013).
  24. Banevicius, M. A., Kaplan, N., Hafkin, B., Nicolau, D. P. Pharmacokinetics, pharmacodynamics and efficacy of novel FabI inhibitor AFN-1252 against MSSA and MRSA in the murine thigh infection model. Journal of Chemotherapy. 25 (1), 26-31 (2013).
  25. Karlowsky, J. A., et al. In vitro activity of API-1252, a novel FabI inhibitor, against clinical isolates of Staphylococcus aureus and Staphylococcus epidermidis. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 51 (4), 1580-1581 (2007).
  26. Yao, J., et al. A Pathogen-Selective Antibiotic Minimizes Disturbance to the Microbiome. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 60 (7), 4264-4273 (2016).
  27. Brinster, S., et al. Type II fatty acid synthesis is not a suitable antibiotic target for Gram-positive pathogens. Nature. 458 (7234), 83-86 (2009).
  28. Balemans, W., et al. Essentiality of FASII pathway for Staphylococcus aureus. Nature. 463 (7279), E3-E4 (2010).
  29. Parsons, J. B., Frank, M. W., Subramanian, C., Saenkham, P., Rock, C. O. Metabolic basis for the differential susceptibility of Gram-positive pathogens to fatty acid synthesis inhibitors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (37), 15378-15383 (2011).
  30. Abdelmagid, S. A., et al. Comprehensive profiling of plasma fatty acid concentrations in young healthy Canadian adults. PLoS One. 10 (2), e0116195 (2015).
  31. Feingold, K. R., Grunfeld, C. Introduction to Lipids and Lipoproteins. Endotext. , (2000).
  32. Delekta, P. C., Shook, J. C., Lydic, T. A., Mulks, M. H., Hammer, N. D. Staphylococcus aureus utilizes host-derived lipoprotein particles as sources of exogenous fatty acids. Journal of Bacteriology. 200 (11), (2018).
  33. Moussa, M., Marinet, V., Trimeche, A., Tainturier, D., Anton, M. Low density lipoproteins extracted from hen egg yolk by an easy method: cryoprotective effect on frozen-thawed bull semen. Theriogenology. 57 (6), 1695-1706 (2002).
  34. Breil, C., Abert Vian, M., Zemb, T., Kunz, W., Chemat, F. Bligh and Dyer and Folch Methods for Solid-Liquid-Liquid Extraction of Lipids from Microorganisms. Comprehension of Solvatation Mechanisms and towards Substitution with Alternative Solvents. International journal of molecular sciences. 18 (4), (2017).
  35. Lydic, T. A., Busik, J. V., Reid, G. E. A monophasic extraction strategy for the simultaneous lipidome analysis of polar and nonpolar retina lipids. Journal of Lipid Research. 55 (8), 1797-1809 (2014).
  36. Bowden, J. A., Bangma, J. T., Kucklick, J. R. Development of an automated multi-injection shotgun lipidomics approach using a triple quadrupole mass spectrometer. Lipids. 49 (6), 609-619 (2014).
  37. Haimi, P., Uphoff, A., Hermansson, M., Somerharju, P. Software tools for analysis of mass spectrometric lipidome data. Analytical Chemistry. 78 (24), 8324-8331 (2006).
  38. Hewelt-Belka, W., et al. Comprehensive methodology for Staphylococcus aureus lipidomics by liquid chromatography and quadrupole time-of-flight mass spectrometry. Journal of Chromatography A. 1362, 62-74 (2014).
  39. Jolivet, P., Boulard, C., Beaumal, V., Chardot, T., Anton, M. Protein components of low-density lipoproteins purified from hen egg yolk. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 54 (12), 4424-4429 (2006).
  40. Bylesjö, M., et al. OPLS discriminant analysis: combining the strengths of PLS-DA and SIMCA classification. Journal of Chemometrics. 20 (8-10), 341-351 (2006).
  41. Noble, R. C., Cocchi, M. Lipid metabolism and the neonatal chicken. Progress in Lipid Research. 29 (2), 107-140 (1990).
  42. Cherian, G., Holsonbake, T. B., Goeger, M. P. Fatty acid composition and egg components of specialty eggs. Poultry Science. 81 (1), 30-33 (2002).
  43. Parsons, J. B., Frank, M. W., Rosch, J. W., Rock, C. O. Staphylococcus aureus Fatty Acid Auxotrophs Do Not Proliferate in Mice. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 57 (11), 5729-5732 (2013).
  44. Sen, S., et al. Growth-Environment Dependent Modulation of Staphylococcus aureus Branched-Chain to Straight-Chain Fatty Acid Ratio and Incorporation of Unsaturated Fatty Acids. PLoS One. 11 (10), e0165300 (2016).
  45. Wang, M., Huang, Y., Han, X. Accurate mass searching of individual lipid species candidates from high-resolution mass spectra for shotgun lipidomics. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 28 (20), 2201-2210 (2014).
  46. Peti, A. P. F., Locachevic, G. A., Prado, M. K. B., de Moraes, L. A. B., Faccioli, L. H. High-resolution multiple reaction monitoring method for quantification of steroidal hormones in plasma. Journal of Mass Spectrometry. 53 (5), 423-431 (2018).
  47. Neves, M. M., Heneine, L. G. D., Henry, M. Cryoprotection effectiveness of low concentrations of natural and lyophilized LDL (low density lipoproteins) on canine spermatozoa. Arquivo Brasileiro de Medicina Veterinaria e Zootecnia. 66 (3), 769-777 (2014).
  48. Liu, P. V., Hsieh, H. C. Inhibition of Protease Production of Various Bacteria by Ammonium Salts – Its Effect on Toxin Production and Virulence. Journal of Bacteriology. 99 (2), 406 (1969).
  49. Suller, M. T., Russell, A. D. Triclosan and antibiotic resistance in Staphylococcus aureus. Journal of Antimicrobial Chemotherapy. 46 (1), 11-18 (2000).
  50. Yao, C. H., Liu, G. Y., Yang, K., Gross, R. W., Patti, G. J. Inaccurate quantitation of palmitate in metabolomics and isotope tracer studies due to plastics. Metabolomics. 12, (2016).
check_url/it/59538?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Delekta, P. C., Lydic, T. A., Hammer, N. D. Isolation of Lipoprotein Particles from Chicken Egg Yolk for the Study of Bacterial Pathogen Fatty Acid Incorporation into Membrane Phospholipids. J. Vis. Exp. (147), e59538, doi:10.3791/59538 (2019).

View Video