En musmodell för patogen-inducerad Kronisk inflammation vid lokala och system webbplatser
Summary
Djurmodeller har visat sig vara ovärderliga verktyg i att definiera värd och patogen specifika mekanismer som bidrar till utvecklingen av kronisk inflammation. Här beskriver vi en musmodell av oral infektion med humant patogen Porphyromonas gingivalis och detalj metoder för att bedöma utvecklingen av inflammation vid lokala och systemiska platser.
Abstract
Kronisk inflammation är en viktig drivkraft för patologisk vävnadsskada och en förenande egenskap hos många kroniska sjukdomar hos människor, inklusive neoplastisk, autoimmuna och kroniska inflammatoriska sjukdomar. Emerging bevis blandar in patogen-inducerad kronisk inflammation i utvecklingen och fortskridandet av kroniska sjukdomar med ett stort antal olika kliniska manifestationer. På grund av den komplexa och multifaktoriella etiologi av kroniska sjukdomar, designa experiment för bevis på orsakssamband och upprättandet av mekanistiska länkar är nästan omöjligt för människor. En fördel med att använda djurmodeller är att både genetiska och miljömässiga faktorer som kan påverka loppet av en viss sjukdom kan kontrolleras. Således utforma relevanta djurmodeller för infektion är ett viktigt steg i att identifiera värd och patogen specifika mekanismer som bidrar till kronisk inflammation.
Här beskriver vi en musmodell av patogen-inducerad kronisk inflammation på lokala och systemiska platser efter infektion med den muntliga patogen Porphyromonas gingivalis, en bakterie nära samband med människans tandlossning. Oral infektion av specifik patogenfri möss inducerar en lokal inflammatorisk reaktion som resulterar i destruktion av tand stödja käkbenet, ett kännetecken för tandlossning. I en etablerad musmodell av ateroskleros, infektion med P. gingivalis accelererar inflammatorisk plackavsättning inom aortasinus och Innominate artär, åtföljt av aktivering av det vaskulära endotelet, en ökad immun cellinfiltrat, och förhöjd expression av inflammatoriska mediatorer inom lesioner. Vi detalj metoder för bedömning av inflammation vid lokala och systemiska platser. Användningen av transgena möss och definierade bakteriella mutanter gör denna modell särskilt lämplig för att identifiera både värd och mikrobiella faktorer är inblandade i initiering, progression, och resultatet av sjukdomen. Additionally, kan modellen användas för att screena för nya terapeutiska strategier, bland annat vaccinering och farmakologisk behandling.
Introduction
Kronisk inflammation är en viktig drivkraft för patologisk vävnadsskada och en förenande egenskap hos många kroniska sjukdomar hos människor. Dessa sjukdomar innefattar neoplastiska, autoimmuna och kroniska inflammatoriska sjukdomar 1. Orsaken till många kroniska sjukdomar är oklart, men förstås vara komplex och multifaktoriell, som omfattar både genetiska anlag och införandet av miljöfaktorer. Medan perpetuators inflammations förblir svårfångade, de cellulära och molekylära profiler av immunaktivering lappar kraftigt med dessa mönster som observerats i värd svar på patogener 2.
Monterings bevis blandar infektion med patogena mikroorganismer i utvecklingen och progressionen av kronisk inflammation och dess olika kliniska manifestationer 2,3. Patogener kan inducera och upprätthålla kronisk inflammation direkt genom gräva värdens immunsystem och långvariga infektioner <sup> 4. I avsaknad av mikrobiell uthållighet, kan infektion fälla kronisk inflammation av autoimmuna reaktioner utlöses av molekylär härmning till självantigener, förändringar i självantigener som gör dem immunogena, eller skador som frigör tidigare maskerade värdantigen. Sällan dock har specifika patogener identifierats som den universella orsaken till en viss kronisk sjukdom. Snarare tyder de flesta tillgängliga data som patogener använder olika mekanismer för att framkalla kronisk inflammation med ett brett spektrum av kliniska manifestationer och sjukdomsutfall i genetiskt mottaglig värd 3. Således en detaljerad förståelse av de mekanismer genom vilka specifika patogener inducerar kronisk inflammation kan få stora konsekvenser för folkhälsan, samt behandling och förebyggande av många kroniska sjukdomar.
Även värden och patogena specifika mekanismer som bidrar till induktion och underhåll av kronisk inflammation ärdåligt kända, framsteg inom modellering av patogen-inducerad kronisk inflammation har börjat att främja vår förståelse av dessa processer. Den P. gingivalis oral infektionsmodell är en unik, väl karakteriserad musmodell av patogen-inducerad kronisk inflammation som tillåter analys av värd och patogena specifika mekanismer som bidrar till kronisk inflammation på lokal (oral benförlust) och systemiska platser (ateroskleros) 5,6.
P. gingivalis är en gramnegativ, anaerob muntliga patogen inblandad i human tandlossning, en infektion driven kronisk inflammatorisk sjukdom som kännetecknas av förstörelsen av tand stödjevävnad 7. Förutom patologi vid den initiala infektions, ackumulera bevis blandar in P. gingivalis -inducerad kronisk inflammation i utvecklingen och utvecklingen av systemiska sjukdomar inklusive ateroskleros 5, en sjukdom som kännetecknas av kronisk inflammation av den arteriella kärlväggen. Oral infektion av specifik patogenfri möss med P. gingivalis inducerar en lokal inflammatorisk reaktion som leder till förstörelse av tand stödja käkbenet 8. P. gingivalis kan utvinnas ur munnen på infekterade möss upp till 42 dagar efter infektion 8 och möss utvecklar höga nivåer av patogenspecifika titrar serumantikropps 9. I en etablerad musmodell av åderförkalkning med hjälp av apolipoprotein-E – / – möss (ApoE – / -), oral infektion med P. gingivalis inducerar kronisk inflammation som driver inflammatoriska plack nedfall inom aorta sinus 10 och Innominate artären 11. Progressiv inflammation i Innominate artär i P. gingivalis infekterade möss kan övervakas med levande djur med hjälp av in vivo-MRI. Histologiskt arteriella lesioner från P. gingivalis-infekterade möss uppvisar ökad ackumulering av lipider medfölernied genom aktivering av det vaskulära endotelet, en ökad immun cellinfiltrat, och förhöjd expression av inflammatoriska mediatorer 12. Användning av denna modell i knockoutmöss har klar roll värdsignalkomponenter och inflammatoriska mediatorer, liksom cellen specifika interaktioner som driver P. gingivalis -inducerad immunopatologi 12 – 14. Dessutom har experiment som utnyttjar definierade bakteriella mutanter identifierade kritiska P. gingivalis virulensfaktorer som bidrar till kronisk inflammation vid lokala och systemplatser 15.
Den här artikeln detaljer metoder för bedömning av P. gingivalis inducerad kronisk inflammation på lokala och systemiska platser. Vi tillhandahåller ett detaljerat protokoll för analys av alveolär benförlust med microCT använder Amira programvara. Dessutom definierar vi nyttan av serie in vivo levande djur MRI för bedömning av progressivflamma inom Innominate artären. Vi inkluderar metoder för visualisering och kvantifiering av inflammatoriska plack i artärskador, och beskriva deras histologiska karakterisering. Användningen av transgena möss och definierade bakteriella mutanter gör denna modell särskilt lämplig för att identifiera både värd och mikrobiella faktorer är inblandade i initiering, progression, och resultatet av sjukdomen. Dessutom kan modellen användas för att screena för nya terapeutiska strategier, bland annat vaccinering och farmakologisk behandling.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den P. gingivalis oral infektionsmodell ger ett värdefullt verktyg för studier av patogen-inducerad kronisk inflammation på lokala och systemiska platser. Denna unika modell möjliggör karakterisering av både värd och patogen specifika mekanismer som bidrar till kronisk inflammation och immunpatologi. Dessutom kan modellen användas för att screena för nya terapeutiska strategier, bland annat vaccinering och farmakologisk behandling. De steg som beskrivs i detta protokoll beskriver en framgångsrik anv?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av National Institutes of Allergy och infektionssjukdomar Grant P01 A1078894 till CAG
Materials
| Name of the Material/Eqiupment | Company | Catalogue Number | Comments |
| Amira analysis software | Visualization Sciences Group | ||
| Anaerobic chamber DW Scientific Model MG500 | Microbiology International | ||
| BHI | Becton-Dickinson | 211059 | |
| Hemin | Sigma-Aldrich | 51280-5G | |
| Menadione (Vitamin K) | Sigma-Aldrich | M5625-25G | |
| Yeast Extract | Becton-Dickinson | 212750 | |
| Carboxymethyl cellulose (medium viscocity) | Sigma-Aldrich | C-4888 | |
| Sulfamethoxazole and Trimethoprim Oral Suspension 200 mg/40 mg per 5ml | Hi-Tech Pharmacal | NDC 50383-823-16 | |
| μCT 40 | Scanco | ||
| HistoChoice Tissue Fixative | Sigma-Aldrich | H2904 | |
| Sudan IV | Sigma-Aldrich | S4261-25G | |
| vertical-bore 11.7T Avance spectrometer | Bruker | ||
| Paravision | Paravision | ||
| ImageJ | NIH | ||
| rat anti-mouse F4/80 | Serotec | MCA497R | |
| rat anti-mouse TLR2 | eBioscience | 13-9021-80 | |
| Leica S4 Dissecting Scope | Leica | ||
| Microm HM 550 Cryostat | Microm |
References
- Nathan, C., Ding, A. Nonresolving Inflammation. Cell. 140 (6), 871-882 (2010).
- Karin, M., Lawrence, T., Nizet, V. Innate immunity gone awry: linking microbial infections to chronic inflammation and. 124, 823-835 (2006).
- Connor, S. M., Taylor, C. E., Hughes, J. M. Emerging infectious determinants of chronic diseases. Emerging Infectious Diseases. 12 (7), 1051-1057 (2006).
- Barth, K., Remick, D. G., Genco, C. A. Disruption of immune regulation by microbial pathogens and resulting chronic inflammation. Journal of Cellular Physiology. , (2012).
- Hayashi, C., Gudino, C. V., Gibson, F. C., Genco, C. A. Review: Pathogen-induced inflammation at sites distant from oral infection: bacterial persistence and induction of cell-specific innate immune inflammatory pathways. Molecular Oral Microbiology. 25 (5), 305-316 (2010).
- Gibson, F. C., Ukai, T., Genco, C. A. Engagement of specific innate immune signaling pathways during Porphyromonas gingivalis induced chronic inflammation and atherosclerosis. Frontiers in Bioscience: a Journal and Virtual Library. 13, 2041-2059 (2008).
- Pihlstrom, B. L., Michalowicz, B. S., Johnson, N. W. Periodontal diseases. Lancet. 366 (9499), 1809-1820 (2005).
- Baker, P. J., Evans, R. T., Roopenian, D. C. Oral infection with Porphyromonas gingivalis and induced alveolar bone loss in immunocompetent and severe combined immunodeficient mice. Archives of Oral Biology. 39 (12), 1035-1040 (1994).
- Baker, P. J., Carter, S., Dixon, M., Evans, R. T., Roopenian, D. C. Serum antibody response to oral infection precedes but does not prevent Porphyromonas gingivalis-induced alveolar bone loss in mice. Oral Microbiology and Immunology. 14 (3), 194-196 (1999).
- Gibson, F. C., Hong, C., et al. Innate immune recognition of invasive bacteria accelerates atherosclerosis in apolipoprotein E-deficient mice. Circulation. 109 (22), 2801-2806 (2004).
- Hayashi, C., Viereck, J., et al. Porphyromonas gingivalis accelerates inflammatory atherosclerosis in the innominate artery of ApoE deficient mice. Atherosclerosis. 215 (1), 52-59 (2011).
- Hayashi, C., Madrigal, A. G., et al. Pathogen-mediated inflammatory atherosclerosis is mediated in part via Toll-like receptor 2-induced inflammatory responses. Journal of Innate Immunity. 2 (4), 334-343 (2010).
- Hayashi, C., Papadopoulos, G., et al. Protective role for TLR4 signaling in atherosclerosis progression as revealed by infection with a common oral pathogen. Journal of Immunology (Baltimore, Md.: 1950). 189 (7), 3681-3688 (2012).
- Papadopoulos, G., Weinberg, E. O., et al. Macrophage-Specific TLR2 Signaling Mediates Pathogen-Induced TNF-Dependent Inflammatory Oral Bone Loss. The Journal of Immunology. , (2012).
- Gibson, F. C., Hong , C., et al. Innate immune recognition of invasive bacteria accelerates atherosclerosis in apolipoprotein E-deficient mice. Circulation. 109 (22), 2801-2806 (2004).
- Miyamoto, T., Yumoto, H., Takahashi, Y., Davey, M., Gibson, F. C., Genco, C. A. Pathogen-accelerated atherosclerosis occurs early after exposure and can be prevented via immunization. Infection and Immunity. 74 (2), 1376-1380 (2006).
- Baker, P. J., Dixon, M., Roopenian, D. C. Genetic control of susceptibility to Porphyromonas gingivalis-induced alveolar bone loss in mice. Infection and Immunity. 68 (10), 5864-5868 (2000).
- Baker, P. J., Dixon, M., Evans, R. T., Roopenian, D. C. Heterogeneity of Porphyromonas gingivalis strains in the induction of alveolar bone loss in mice. Oral Microbiology and Immunology. 15 (1), 27-32 (2000).
- Daugherty, A. Mouse models of atherosclerosis. The American Journal of the Medical Sciences. 323 (1), 3-10 (2002).
- Weinreb, D. B., Aguinaldo, J. G. S., Feig, J. E., Fisher, E. A., Fayad, Z. A. Non-invasive MRI of mouse models of atherosclerosis. NMR in Biomedicine. 20 (3), 256-264 (2007).
