Suivi longitudinal des infections des voies urinaires et leur traitement chez la souris à l’aide de l’imagerie par bioluminescence
Summary
Ce manuscrit décrit l’administration intravésicale de bactéries uropathogènes avec un opéron lux pour induire une infection des voies urinaires chez la souris et l’analyse longitudinale in vivo ultérieure de la charge bactérienne à l’aide de l’imagerie par bioluminescence.
Abstract
Les infections des voies urinaires (IVU) se classent parmi les infections bactériennes les plus courantes chez l’homme et sont systématiquement traitées avec des antibiotiques empiriques. Cependant, en raison de l’augmentation de la résistance microbienne, l’efficacité des antibiotiques les plus utilisés a diminué. Pour trouver d’autres options de traitement, il est très nécessaire de mieux comprendre la pathogenèse des infections urinaires et les mécanismes qui déterminent la susceptibilité aux infections urinaires. Afin d’étudier cela dans un modèle animal, un test reproductible et non invasif pour étudier l’évolution de l’infection urinaire est indispensable.
Pendant des années, l’étalon-or pour le dénombrement de la charge bactérienne a été la détermination des unités formant des colonies (UFC) pour un volume d’échantillon particulier. Cette technique nécessite des homogénats d’organes post-mortem et des dilutions en série, ce qui limite la production de données et la reproductibilité. Comme alternative, l’imagerie par bioluminescence (BLI) gagne en popularité pour déterminer la charge bactérienne. Le marquage des agents pathogènes à l’aide d’un opéron lux permet la détection et la quantification sensibles de manière non invasive, permettant ainsi un suivi longitudinal. Jusqu’à présent, l’adoption de l’BLI dans la recherche sur les infections urinaires reste limitée.
Ce manuscrit décrit la mise en œuvre pratique de BLI dans un modèle d’infection des voies urinaires chez la souris. Ici, un guide étape par étape pour la culture des bactéries, l’instillation intravésicale et l’imagerie est fourni. La corrélation in vivo avec l’UFC est examinée et une preuve de concept est fournie en comparant la charge bactérienne d’animaux infectés non traités avec des animaux traités aux antibiotiques. En outre, les avantages, les limites et les considérations spécifiques à la mise en œuvre de BLI dans un modèle d’infection urinaire in vivo sont discutés. La mise en œuvre de l’BLI dans le domaine de la recherche sur les infections urinaires facilitera grandement la recherche sur la pathogenèse des infections urinaires et la découverte de nouvelles façons de prévenir et de traiter les infections urinaires.
Introduction
Les infections des voies urinaires (IVU) sont parmi les infections bactériennes les plus courantes chez l’homme. Près de la moitié des femmes connaîtront une infection urinaire symptomatique au cours de leur vie1. Les infections limitées à la vessie peuvent donner lieu à des symptômes urinaires tels qu’une augmentation de la fréquence urinaire, l’urgence, l’hématurie, l’incontinence et la douleur. Lorsque l’infection monte dans les voies urinaires supérieures, les patients développent une pyélonéphrite, avec malaise, fièvre, frissons et maux de dos. En outre, jusqu’à 20% des patients atteints d’infections urinaires souffrent d’infections récurrentes entraînant une diminution spectaculaire de la sensibilité aux antibiotiques2,3,4. Au cours des dernières années, il y a eu un intérêt croissant pour les nouvelles thérapies pour le traitement et la prévention des infections urinaires récurrentes. Malgré une meilleure compréhension de l’immunité innée et adaptative des voies urinaires inférieures et des facteurs de virulence bactérienne nécessaires à l’invasion et à la colonisation, aucun changement radical dans le régime de traitement n’a été traduit dans la pratique urologique quotidienne2. Afin d’étudier la pathogenèse et la susceptibilité aux infections urinaires in vivo,un test reproductible et non invasif est indispensable.
Plusieurs modèles d’infection urinaire animale ont été décrits allant des nématodes aux primates, mais le modèle murin est principalement utilisé5,6. Ce modèle consiste en un cathétérisme transurétral de souris (femelles) et l’instillation ultérieure d’une suspension bactérienne, le plus souvent escherichia coli uropathogène (UPEC), directement dans la lumière de la vessie7. Après l’inoculation, la charge bactérienne a traditionnellement été quantifiée en déterminant les unités formant des colonies (UFC). Cette technique nécessite de sacrifier des animaux pour obtenir des homogénats d’organes post-mortem et des dilutions en série, ce qui limite la production de données et la reproductibilité. De plus, le suivi longitudinal de la charge bactérienne chez les animaux individuels n’est pas possible en utilisant cette technique.
En 1995, Contag et al. ont suggérél’utilisation d’agents pathogènes marqués au bioluminescent pour surveiller les processus pathologiques chez les animaux vivants8,9. Depuis lors, l’imagerie par bioluminescence (BLI) a été appliquée à de nombreux modèles d’infection tels que la méningite, l’endocardite, l’ostéomyélite, les infections de la peau et des tissus mous, etc.10,11,12. Dans le modèle UTI murin, une souche UPEC avec l’opéron lux complet(luxCDABE)de Photorhabdus luminescens peut être utilisée13. Une réaction enzymatique est catalysée par la luciférase bactérienne qui dépend de l’oxydation des aldéhydes à longue chaîne réagissant avec le mononucléotide de flavine réduit en présence d’oxygène, donnant la flavine oxydée, un acide gras à longue chaîne et la lumière12. L’opéron lux code pour la luciférase et d’autres enzymes nécessaires à la synthèse des substrats. Par conséquent, toutes les bactéries métaboliquement actives émettront continuellement de la lumière bleu-vert (490 nm) sans avoir besoin de l’injection d’un substrat exogène12. Les photons émis par les bactéries marquées luxpeuvent être capturés à l’aide de caméras CCD (Charge-Coupled Device) refroidies très sensibles.
L’utilisation de bactéries bioluminescentes dans un modèle d’infection urinaire permet la quantification longitudinale et non invasive de la charge bactérienne, en omettant la nécessité de sacrifier des animaux à des moments fixes pendant le suivi de la détermination de l’UFC. Malgré le large éventail de possibilités, l’accumulation de preuves de la robustesse de cette technique BLI dans d’autres domaines et de ses avantages par rapport aux modèles classiques d’infection urinaire, elle n’a pas été largement mise en œuvre dans la recherche sur les infections urinaires. Le protocole présenté ici fournit un guide détaillé étape par étape et met en évidence les avantages de BLI pour toutes les futures recherches sur les infections urinaires.
Protocol
Representative Results
Discussion
Avantages de BLI par rapport au nombre d’UFC
Données longitudinales
Un inconvénient majeur de la méthode traditionnelle de comptage de l’UFC pour quantifier la charge microbienne est l’exigence d’homogénats d’organes post-mortem, ne fournissant qu’un seul point de données transversale par animal. Inversement, BLI permet un suivi longitudinal non invasif des animaux infectés. Les animaux peuvent être photographiés 2 à 3 fois par jour, fournissant un aperçu détaillé d…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par des subventions de la Fondation pour la recherche – Flandre (FWO Vlaanderen; G0A6113N), le Conseil de recherche de la KU Leuven (C1-TRPLe; T.V. et W.E.) et le VIB (à la télévision). W.E. est chercheur clinique senior de la Research Foundation – Flanders (FWO Vlaanderen). La souche UTI89-lux était un don généreux du laboratoire du professeur Seed13.
Materials
| 96-well Black Flat Bottom Polystyrene Plate | Corning | 3925 | for in vitro imaging |
| Aesculap ISIS | Aesculap | GT421 | hair trimmer, with GT608 cap |
| Anesthesia vaporizer | Harvard apparatus limited | N/A | https://www.harvardapparatus.com/harvard-apparatus-anesthetic-vaporizers.html |
| Baytril 100 mg/mL | Bayer | N/A | Enrofloxacin |
| BD Insyte Autoguard 24 GA | BD | 382912 | Yellow angiocatheter, use sterile plastic tip for instillation |
| C57Bl/6J mice | Janvier | N/A | |
| Centrifuge 5804R | Eppendorf | EP022628146 | |
| Dropsense 16 | Unchained Labs | Trinean | to measure OD 600nm |
| Dulbecco's Phosphate Buffered Saline, Gibco | ThermoFisher Scientific | REF 14040-083 | |
| Ethanol 70% denaturated 5L | VWR international | 85825360 | |
| Falcon 14ml Round Bottom Polystyrene Tube, Snap-Cap | Corning | 352057 | |
| Falcon 50ml cellstart | Greiner | 227285 | |
| Hamilton GASTIGHT syringe, PTFE luer lock, 100 µL | Sigma-Aldrich | 26203 | to ensure slow bacterial instillation of 50 µL |
| Inoculation loop | Roth | 6174.1 | holder: Art. No. 6189.1 |
| Iso-Vet 1000mg/g | Dechra Veterinary products | N/A | Isoflurane |
| IVIS Spectrum In Vivo Imaging System | PerkinElmer | REF 124262 | imaging device |
| Kanamycine solution 50 mg/mL | Sigma-Aldrich | CAS 25389-94-0 | |
| Living Imaging Software | PerkinElmer | N/A | BLI acquisition software, version 4.7.3 |
| Luria Bertani Broth | Sigma-Aldrich | REF L3022 | alternatively can be made |
| Luria Bertani Broth with agar | Sigma-Aldrich | REF L2897 | alternatively can be made |
| Petri dish Sterilin 90mm | ThermoFisher Scientific | 101VR20 | to fill with LB agar supplemented with Km |
| Pyrex Culture flask 250 mL | Sigma-Aldrich | SLW1141/08-20EA | |
| Slide 200 Trinean | Unchained Labs | 701-2007 | to measure OD 600nm |
| UTI89-lux | N/A | N/A | Generous gift from Prof. Seed |
| Vortex | VWR international | 444-1372 |
Riferimenti
- Foxman, B. Epidemiology of urinary tract infections: incidence, morbidity, and economic costs. American Journal of Medicine. 113 (1), 5-13 (2002).
- O’Brien, V. P., Hannan, T. J., Nielsen, H. V., Hultgren, S. J. Drug and vaccine development for the treatment and prevention of urinary tract infections. Microbiology Spectrum. 4 (1), 1128 (2016).
- Nielubowicz, G. R., Mobley, H. L. Host-pathogen interactions in urinary tract infection. Nature Reviews Urology. 7 (8), 430-441 (2010).
- Foxman, B. The epidemiology of urinary tract infection. Nature Reviews Urology. 7 (12), 653-660 (2010).
- Carey, A. J., et al. Urinary tract infection of mice to model human disease: Practicalities, implications and limitations. Crititical Reviews in Microbiology. 42 (5), 780-799 (2016).
- Barber, A. E., Norton, J. P., Wiles, T. J., Mulvey, M. A. Strengths and limitations of model systems for the study of urinary tract infections and related pathologies. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 80 (2), 351-367 (2016).
- Hung, C. S., Dodson, K. W., Hultgren, S. J. A murine model of urinary tract infection. Nature Protocols. 4 (8), 1230-1243 (2009).
- Contag, C. H., et al. Photonic detection of bacterial pathogens in living hosts. Molecular Microbiology. 18 (4), 593-603 (1995).
- Contag, P. R., Olomu, I. N., Stevenson, D. K., Contag, C. H. Bioluminescent indicators in living mammals. Nature Medicine. 4 (2), 245-247 (1998).
- Doyle, T. C., Burns, S. M., Contag, C. H. In vivo bioluminescence imaging for integrated studies of infection. Cellular Microbiology. 6 (4), 303-317 (2004).
- Hutchens, M., Luker, G. D. Applications of bioluminescence imaging to the study of infectious diseases. Cellular Microbiology. 9 (10), 2315-2322 (2007).
- Avci, P., et al. In-vivo monitoring of infectious diseases in living animals using bioluminescence imaging. Virulence. 9 (1), 28-63 (2018).
- Balsara, Z. R., et al. Enhanced susceptibility to urinary tract infection in the spinal cord-injured host with neurogenic bladder. Infection and Immunity. 81 (8), 3018-3026 (2013).
- Huang, Y. Y., et al. Antimicrobial photodynamic therapy mediated by methylene blue and potassium iodide to treat urinary tract infection in a female rat model. Scientific Reports. 8 (1), 7257 (2018).
- Mulvey, M. A., Schilling, J. D., Hultgren, S. J. Establishment of a persistent Escherichia coli reservoir during the acute phase of a bladder infection. Infection and Immunity. 69 (7), 4572-4579 (2001).
- Hannan, T. J., Hunstad, D. A. A murine model for E. coli urinary tract infection. Methods in Molecular Biology. 1333, 83-100 (2016).
- Hopkins, W. J., Gendron-Fitzpatrick, A., Balish, E., Uehling, D. T. Time course and host responses to Escherichia coli urinary tract infection in genetically distinct mouse strains. American Society for Microbiology. 66 (6), 2798 (1998).
- Zhang, Y., et al. Efficacy of Nonsteroidal Anti-inflammatory Drugs for Treatment of Uncomplicated Lower Urinary Tract Infections in Women: A Meta-analysis. Infectious Microbes & Diseases. 2 (2), 77-82 (2020).
- Vanherp, L., et al. Sensitive bioluminescence imaging of fungal dissemination to the brain in mouse models of cryptococcosis. Disease Models & Mechanisms. 12 (6), 039123 (2019).
- Keyaerts, M., Caveliers, V., Lahoutte, T. Bioluminescence imaging: looking beyond the light. Trends in Molecular Medicine. 18 (3), 164-172 (2012).
- Marques, C. N., Salisbury, V. C., Greenman, J., Bowker, K. E., Nelson, S. M. Discrepancy between viable counts and light output as viability measurements, following ciprofloxacin challenge of self-bioluminescent Pseudomonas aeruginosa biofilms. Journal of Antimicrobial Chemotherapy. 56 (4), 665-671 (2005).
- Vande Velde, G., Kucharikova, S., Van Dijck, P., Himmelreich, U. Bioluminescence imaging increases in vivo screening efficiency for antifungal activity against device-associated Candida albicans biofilms. International Journal of Antimicrobial Agents. 52 (1), 42-51 (2018).
- Oliver, J. D. Recent findings on the viable but nonculturable state in pathogenic bacteria. FEMS Microbiology Reviews. 34 (4), 415-425 (2010).
- Kucharikova, S., Van de Velde, G., Himmelreich, U., Van Dijck, P. Candida albicans biofilm development on medically-relevant foreign bodies in a mouse subcutaneous model followed by bioluminescence imaging. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (95), e52239 (2015).
- Van de Velde, G., Kucharikova, S., Schrevens, S., Himmelreich, U., Van Dijck, P. Towards non-invasive monitoring of pathogen-host interactions during Candida albicans biofilm formation using in vivo bioluminescence. Cellular Microbiology. 16 (1), 115-130 (2014).
