Modello murino in vivo di infezione da impianto spinale

Summary

Il protocollo descrive un nuovo modello murino in vivo di infezione da impianto spinale in cui un impianto k-wire in acciaio inossidabile è infettato da Staphylococcus aureus Xen36 bioluminescente. La carica batterica viene monitorata longitudinalmente con imaging bioluminescente e confermata con la conta delle unità formanti colonie dopo l’eutanasia.

Abstract

Le infezioni da impianti spinali fanno presagire scarsi risultati poiché la diagnosi è difficile e l’eradicazione chirurgica è in contrasto con la stabilità meccanica della colonna vertebrale. Lo scopo di questo metodo è quello di descrivere un nuovo modello murino di infezione da impianto spinale (SII) che è stato creato per fornire uno strumento in vivo economico, rapido e accurato per testare potenziali terapie e strategie di trattamento per le infezioni da impianti spinali.

In questo metodo, presentiamo un modello di chirurgia spinale con approccio posteriore in cui un filo k in acciaio inossidabile viene trafitto nel processo spinoso L4 di topi wild-type C57BL/6J di 12 settimane e inoculato con 1 x 10³ CFU di un ceppo bioluminescente di batteri Staphylococcus aureus Xen36. I topi vengono quindi sottoposti a imaging longitudinale per la bioluminescenza in vivo nei giorni post-operatori 0, 1, 3, 5, 7, 10, 14, 18, 21, 25, 28 e 35. I segnali di imaging a bioluminescenza (BLI) provenienti da un campo visivo standardizzato vengono quantificati per misurare la carica batterica in vivo.

Per quantificare i batteri che aderiscono agli impianti e al tessuto perimplantare, i topi vengono sottoposti a eutanasia e vengono raccolti l’impianto e i tessuti molli circostanti. I batteri vengono staccati dall’impianto mediante sonicazione, coltivati durante la notte e quindi vengono contate le unità formanti colonie (CFU). I risultati acquisiti da questo metodo includono la conta batterica longitudinale misurata dalla bioluminescenza in vivo di S. aureus (flusso massimo medio) e la conta delle CFU dopo eutanasia.

Mentre i precedenti modelli animali di infezione della colonna vertebrale strumentata hanno comportato un’analisi invasiva dei tessuti ex vivo, il modello murino di SII presentato in questo documento sfrutta l’imaging ottico in vivo non invasivo e in tempo reale di batteri bioluminescenti per sostituire lo studio statico dei tessuti. Le applicazioni del modello sono ampie e possono includere l’utilizzo di ceppi batterici bioluminescenti alternativi, l’incorporazione di altri tipi di topi geneticamente modificati per studiare contemporaneamente la risposta immunitaria dell’ospite e la valutazione di nuove modalità diagnostiche e terapeutiche come antibiotici o rivestimenti implantari.

Introduction

Lo scopo di questo metodo è quello di descrivere un nuovo modello murino di infezione da impianto spinale (SII). Questo modello è stato progettato per fornire uno strumento economico e accurato per valutare in modo flessibile l’effetto delle variabili dell’ospite, dell’agente patogeno e/o dell’impianto in vivo. Il test di potenziali terapie e strategie di trattamento per le infezioni da impianti spinali in questo modello ha lo scopo di guidare lo sviluppo della ricerca prima dell’applicazione in modelli animali più grandi e studi clinici.

L’infezione correlata all’impianto dopo un intervento chirurgico alla colonna vertebrale è una complicanza devastante e purtroppo si verifica in circa il 3-8% dei pazienti sottoposti a chirurgia elettiva della colonna vertebrale 1,2,3,4,5 e fino al 65% dei pazienti sottoposti a chirurgia multilivello o di revisione 6. Il trattamento delle infezioni da impianti spinali spesso richiede più ricoveri, più interventi chirurgici e una terapia antibiotica prolungata. Le SII fanno presagire esiti negativi per i pazienti, tra cui compromissione neurologica, disabilità e un aumento del rischio di mortalità. La gestione della SII è estremamente costosa e costa fino a 900.000 dollari per paziente⁷.

Lo Staphylococcus aureus è il patogeno virulento più comune di SII 8,9,10,11. I batteri possono seminare l’hardware direttamente durante l’intervento chirurgico, attraverso la ferita durante il periodo postoperatorio o successivamente attraverso la diffusione ematogena. In presenza di impianti metallici, S. aureus forma un biofilm che protegge i batteri dalla terapia antibiotica e le cellule immunitarie. Sebbene la rimozione dell’hardware infetto possa aiutare a sradicare efficacemente un’infezione, ciò non è spesso fattibile nella colonna vertebrale senza causare destabilizzazione e rischiare una compromissione neurologica¹².

In assenza di espianto di hardware infetto, sono necessari nuovi approcci per prevenire, rilevare e trattare la SII. Storicamente, ci sono stati modelli animali limitati di SII per valutare in modo efficiente la sicurezza e l’efficacia di nuove terapie. I precedenti modelli animali di SII richiedevano un gran numero di animali e la raccolta di dati che richiedevano l’eutanasia, tra cui il conteggio delle colonie, l’istologia e la coltura^13,14,15. Mancando di un monitoraggio longitudinale in vivo, questi modelli forniscono solo un punto dati per animale e sono quindi costosi e inefficienti.

Un precedente lavoro che studiava un modello murino di infezione da artroplastica del ginocchio ha stabilito il valore e l’accuratezza dell’imaging ottico in vivo non invasivo per monitorare longitudinalmente il carico di infezione¹⁶. Il rilevamento della bioluminescenza consente di quantificare la carica batterica su un decorso temporale longitudinale in un singolo animale in modo umano, accurato ed efficiente. Inoltre, studi precedenti hanno dimostrato un’elevata correlazione tra la bioluminescenza in vivo e le CFU aderenti agli impianti¹⁷. La capacità di tracciare l’infezione nel tempo ha portato a una comprensione più sfumata dell’infezione correlata all’impianto. Inoltre, il monitoraggio longitudinale dell’infezione in questo modo ha permesso di valutare con precisione l’efficacia della terapia antibiotica e dei nuovi antimicrobici^16,17,18.

Sfruttando questi strumenti, abbiamo sviluppato e validato un modello di infezione postoperatoria dell’impianto spinale. Nel metodo presentato, utilizziamo un inoculo di S. aureus Xen36 bioluminescente per stabilire un modello murino in vivo di SII per monitorare longitudinalmente la carica batterica^16,17,18. Questo nuovo modello fornisce uno strumento prezioso per testare in modo efficiente le potenziali strategie di rilevamento, prevenzione e trattamento per la SII prima della loro applicazione in modelli animali più grandi e studi clinici.

Protocol

Tutti gli animali sono stati trattati in stretta conformità con le buone pratiche animali, come definito nei regolamenti federali come stabilito nell’Animal Welfare Act (AWA), nella Guida del 1996 per la cura e l’uso degli animali da laboratorio, nella politica PHS per la cura e l’uso umano degli animali da laboratorio, nonché nelle politiche e procedure dell’istituzione come stabilito nel Manuale di formazione per la cura e l’uso degli animali. e tutto il lavoro sugli animali è stato approvato dal Comitato per la Ri…

Representative Results

La procedura qui presentata è stata utilizzata per valutare l’efficacia dei regimi antibiotici in un modello murino in vivo di SII. In particolare, l’efficacia della terapia antibiotica combinata con vancomicina e rifampicina è stata confrontata con la monoterapia con vancomicina e con i controlli infetti non trattati. Prima dell’intervento chirurgico, i topi sono stati randomizzati alla terapia di combinazione, alla monoterapia o al controllo infetto. È stata eseguita un’analisi statistica…

Discussion

Le infezioni correlate all’impianto nella colonna vertebrale fanno presagire esiti negativi per i pazienti 1,2,3,4,5. A differenza di molte altre aree del corpo, l’hardware infetto nella colonna vertebrale spesso non può essere rimosso a causa del rischio di instabilità e compromissione neurologica. Questa sfida unica nel contesto dei batteri a biofilm resis…

Materials

Analytical Balance ME104	Mettler Toledo	30029067	120 g capacity, 0.1 mg readability, backlit LCD, internal adjustment, metal base
BD Bacto Tryptic Soy Broth	Becton Dickinson (BD)	BD 211825	BD Bacto Tryptic Soy Broth (Soybean-Casein Digest Medium)
Biomate 3S UV-VIS Spectrophotometer	Thermo Scientific	840-208300	Spectrophotometer; Thermo Scientific; BioMate 3S; Six-position cell holder; Spectral bandwidth: 1.8nm; Long-life xenon lamp; Store up to 40 test methods; 16L x 13W x 9 in. H; 19 lb.; 100/240V US line cord
Bioshield 720+ swinging bucket rotor	Thermo Scientific	75003183	Rotor, Swinging bucket; Thermo Scientific; BIOShield 720 high speed; Capacity: 4 x 180mL (0.72L); Angle: 90 deg. ; Max. speed/RCF: 6300rpm/7188 x g; Max. radius: 16.2cm
Branson Ultrasonics 2510R-MTH (Sonicator)	Branson Ultrasonics	CPX952217R	*similar model, our model is discontinued* Branson Ultrasonics MH Series Heated Ultrasonic Cleaning Bath, 120V, 0.75 gal
Bullet Blender Storm Homogenizer	Next Advance	BBY24M	The Bullet Blender Storm is the most powerful member of the Bullet Blender family. Homogenize up to 24 of your toughest samples (mouse femur, skin, cartilage, tumor, etc.) in just minutes. Air cooling™ minimizes sample heat up. Uses 1.5ml screw-cap RINO® tubes or snap-cap Eppendorf® Safe-lock™ tubes.
Germinator 500	Electron Microscopy Sciences	66118-10	The Germinator 500 is designed to decontaminate metal micro-dissecting instruments only. It is to be used exclusively for research purposes. The Germinator 500 should not be used as a substitute for traditional methods of terminal sterilization. Effective sterilization cannot be assured due to lack of routine sterilization-efficacy monitoring methods for glass bead sterilization. The Germinator 500 has been designed and built to pass the Validation of Dry Sterilizer Spore Suspension Test: USP XXIII, Part 1211.
Heracell 150i CO2 Incubator	Thermo Scientific	51026282	Single 150L
IVIS Lumina X5 Imaging System	Perkin Elmer	CLS148590	The IVIS Lumina X5 high-throughput 2D optical imaging system combines high-sensitivity bioluminescence and fluorescence with high-resolution x-ray into a compact system that fits on your benchtop. With an expanded 5 mouse field of view for 2D optical imaging plus our unique line of accessories to accelerate setup and labeling, it has never been easier or faster to get robust data—and answers—on anatomical and molecular aspects of disease.
MAXQ 4450 Digtial Incubating Bench Shaker	Thermo Scientific	SHKE4450	Shaker, Incubated; Thermo Scientific; Digital; MaxQ 4450; Speed 15 to 500rpm +/-1rpm; 5 deg. C above ambient to 80 deg. C; 120V 50/60Hz
PBS, Phosphate Buffered Saline	Fisher Bioreagents	BP24384	PBS, Phosphate Buffered Saline, 1X Solution, pH 7.4
Sorvall Legend Micro 21 Centrifuge, Ventilated	Thermo Scientific	75002436	24 x 1.5/2.0mL rotor with ClickSeal biocontainment lid
SORVALL LEGEND X1R 120V Centrifuge	Thermo Scientific	75004261	Centrifuge, Benchtop; Thermo Scientific; Sorvall Legend X1R (Refrigerated), 1L capacity; Max. Speed/RCF 15,200rpm/25,830 x g; CFC-free cooling -10C to +40C; 120V 60Hz
Staphylococcus aureus – Xen36	Perkin Elmer	119243	Staphylococcus aureus – Xen36 bioluminescent pathogenic bacteria for in vivo and in vitro drug discovery. This product was derived from a parental strain from the American Type Culture Collection, used under license. Staph. aureus-Xen36 possesses a stable copy of the Photorhabdus luminescens lux operon on the native plasmid.
TUTTNAUER AUTOCLAVE 2540E 120V	Heidolph Tuttnauer	23210401	Sterilizer, Benchtop; Heidolph; Tuttnauer; Model 2540E; Self-contained design with refillable reservoir controls water purity for sterilization; 120V 50/60Hz; 1400w. With electronic controls
Tween 80	Fisher Bioreagents	BP338-500	Tween 80, Fisher BioReagents, Non-ionic detergent for selective protein extraction
Vortex mixer VX-200	Labnet Internation	S0200	120V touch or continuous mixer, 230V: 0 – 2,850 rpm,120V: 0 – 3,400 rpm
0.9% Sodium Chloride	Pfizer Injectables/Hospira	00409-4888-10	0.9% Sodium Chloride Injection, USP