En icke-invasiv och tekniskt icke intensiva metod för induktion och fenotypning av experimentell bakteriell lunginflammation hos möss
Summary
Flera metoder har beskrivits i litteraturen för modellering bakteriell lunginflammation hos möss. Häri beskriver vi en icke-invasiv, billig, snabb metod för att inducera lunginflammation via aspiration (dvs., inhalation) av ett bakteriellt inokulum pipetteras i orofarynx. Nedströms metoder för bedömning av lung medfödda immunsvaret är också detaljerad.
Abstract
Även samhällsförvärvad lunginflammation är fortfarande ett stort folkhälsoproblem, har musmodeller av bakteriell lunginflammation nyligen underlättat betydande prekliniska framsteg i vår förståelse av den underliggande cellulära och molekylära patogenes. In vivo-musmodeller fånga den integrerade fysiologi och motståndskraft i värdförsvarssvar i ett sätt som inte avslöjas av alternativa, förenklade ex vivo metoder. Flera metoder har beskrivits i litteraturen för intrapulmonell ympning av bakterier i möss, inklusive aerosol, intranasal leverans, peroral endotrakeal kanyle under "blinda" och synlig villkor, och transkutan endotrakeal kanyle. Alla metoder har relativa fördelar och begränsningar. Häri beskriver vi i detalj en icke-invasiv, tekniskt icke-intensiva, billig och snabb metod för intratrakeal leverans av bakterier som innebär aspiration (dvs inandning) av musenav en smittsam inokulum pipetterades i orofarynx medan under narkos. Denna metod kan användas för pulmonell tillförsel av ett stort antal olika icke-frätande biologiska och kemiska medel, och är relativt lätt att lära sig, även för laboratorier med minimal tidigare erfarenhet med lung förfaranden. Förutom att beskriva aspirationspneumoni metoden, vi ger också steg-för-steg-anvisningar för att analysera den efterföljande in vivo lung medfödda immunsvaret hos mus, i synnerhet metoder för att kvantifiera bakteriell clearance och cellulära immunsvar hos den infekterade luftvägarna. Detta integrerade och enkelt sätt att lunginflammation bedömning möjliggör snabb och robust utvärdering av effekten av genetiska och miljömässiga manipulationer på lung medfödd immunitet.
Introduction
Samhällsförvärvad pneumoni är fortfarande den vanligaste dödsorsaken från infektion i USA, med lite totala förändringen i dödlighet under de senaste 40 åren, trots förbättringar i vaccination och antibiotiska strategier 1,2. Trots avsaknaden av märkbara framsteg på folkhälsonivå, under de senaste åren dramatiska framsteg har gjorts i vår förståelse av den molekylära och cellulära patogenesen av lunginflammation, med många av dessa framsteg som möjliggjorts genom användning av musmodeller av lunginfektion. Den genetiska spårbarhet musen har likheten mellan de murina och humana immunsystem, och det stora utbud av murina inriktade immunologiska reagens som har blivit kommersiellt tillgängliga tillsammans underlättas snabba framsteg på fältet.
Musmodeller av bakteriell lunginflammation som beskrivs i litteraturen har i allmänhet åberopas en av fyra tekniska vägar för patogen ympning: i) aerosolbildning; ii) intranasal leverans; iii) peroral leverans; och iv) kirurgisk intratrakeal injektion (dvs trakeotomi) 3. Alla smittvägar har fördelar och nackdelar 3. I synnerhet i förhållande exponering av de övre luftvägarna, risken för inblandning av oronasala flora, krav för narkos, variationen av inokulatet levereras till den distala lungan, lobära fördelning av de levererade patogener, tekniska krav expertis, och procedur sjuklighet varierar kraftigt mellan dessa tillvägagångssätt.
Vanligen används perorala infektionstekniker inkluderar endotrakeal (translaryngeal) kanyle via antingen en "blinda" (icke-visualiserade) tillvägagångssätt, eller under direkt struphuvud visualisering 3-5. Båda metoderna, medan robust, kräver omfattande utbildning och även medföra risk för skada på övre luftvägarna. I denna rapport beskriver vi en tekniskt icke intensiva, icke-invasiv, billig och snabb metod för peroral infektion, wföljande bakterier (Klebsiella pneumoniae i exemplet) pipetteras i orofarynx av en sövd mus levereras till lungorna via aspiration (dvs inandning). Vi och andra har använt aspirationspneumoni tekniken framgångsrikt 6-9. Denna mångsidiga och lättlärd lungleveransmetod kan utsträckas till leverans av många ytterligare icke-frätande medel till lungorna, inklusive cytokiner och andra proteiner, patogen-associerade molekyler (t.ex. lipopolysackarid), celler (dvs, adoptiv överföring), och toxiner (t.ex. bleomycin). Förutom att diskutera viktiga tekniska överväganden beskriver vi också ett integrerat, kvantitativ metod för att bedöma den efterföljande värd svar på lunginflammation, inklusive nedströms mätning av bakteriell clearance (dvs kolonibildande enhet [CFU] kvantifiering i lungan och perifera organ) och leukocyter ackumulering i luftrummet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Musmodeller av bakteriell lunginflammation, samarbetar med riktad genmodifiering och in vivo biologiska och farmakologiska interventioner, har gett viktiga insikter i lungvärdförsvar svar. Stora framsteg har gjorts i synnerhet i vår förståelse av kemokiner och adhesionsmolekyler som styr rekryteringen av neutrofiler till den infekterade luftrummet 10,11. In vivo-modeller av lunginflammation, till skillnad från cellbaserade eller alternativa metoder, också har gett viktiga insikter end…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported in part by the Intramural Research Program of the National Institutes of Health, National Institute of Environmental Health Sciences (Z01 ES102005).
Materials
| Klebsiella pneumoniae, serotype 2 | ATCC | 43816 | |
| Tryptic soy broth | Becton Dickenson | 211825 | |
| Excel Safelet IV Catheters, 18G x 1 1/4" | Claflin Medical Equipment | MEDC-031122 | |
| Hema 3 Solution 1 | Fisher | 23-122-937 | |
| Hema 3 Solution 2 | Fisher | 23-122-952 | |
| Hema 3 Fixative | Fisher | 23-122-929 | |
| 27½ gauge tuberculin syringes | Fisher | 14-826-87 | |
| Lithium heparin plasma collectors | Fisher | 2675187 | |
| L-shaped disposable spreaders | Lab Scientific | DSC | |
| 1x PBS, pH 7.4 | prepared in-house | n/a | Distilled water (5 L), NaCl (40 g), KCl (1 g), Na2HPO4 (5.75 g), KH2PO4 (1 g) |
| ACK lysis buffer | prepared in-house | n/a | NH4Cl (4.145 g), KHCO3 (0.5 g), EDTA (18.6 mg), bring up to 500 ml with distilled water and pH to 7.4 |
References
- Mizgerd, J. P. Acute lower respiratory tract infection. N Engl J Med. 358 (7), 716-727 (2008).
- Waterer, G. W., Rello, J., Wunderink, R. G. Management of community-acquired pneumonia in adults. Am J Respir Crit Care Med. 183 (2), 157-164 (2011).
- Mizgerd, J. P., Skerrett, S. J. Animal models of human pneumonia. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 294 (3), L387-L398 (2008).
- Revelli, D. A., Boylan, J. A., Gherardini, F. C. A non-invasive intratracheal inoculation method for the study of pulmonary melioidosis. Front Cell Infect Microbiol. 2, 164 (2012).
- Morales-Nebreda, L., et al. Intratracheal administration of influenza virus is superior to intranasal administration as a model of acute lung injury. J Virol Methods. 209, 116-120 (2014).
- Aujla, S. J., et al. IL-22 mediates mucosal host defense against Gram-negative bacterial pneumonia. Nat Med. 14 (3), 275-281 (2008).
- Chen, K., et al. Th17 cells mediate clade-specific, serotype-independent mucosal immunity. Immunity. 35 (6), 997-1009 (2011).
- Draper, D. W., et al. ATP-binding cassette transporter G1 deficiency dysregulates host defense in the lung. Am J Respir Crit Care Med. 182 (3), 404-412 (2010).
- Robinson, K. M., et al. Influenza A exacerbates Staphylococcus aureus pneumonia by attenuating IL-1beta production in mice. J Immunol. 191 (10), 5153-5159 (2013).
- Mizgerd, J. P. Molecular mechanisms of neutrophil recruitment elicited by bacteria in the lungs. Semin Immunol. 14 (2), 123-132 (2002).
- Balamayooran, G., Batra, S., Fessler, M. B., Happel, K. I., Jeyaseelan, S. Mechanisms of neutrophil accumulation in the lungs against bacteria. Am J Respir Cell Mol Biol. 43 (1), 5-16 (2010).
- Quinton, L. J., et al. Hepatocyte-specific mutation of both NF-kappaB RelA and STAT3 abrogates the acute phase response in mice. J Clin Invest. 122 (5), 1758-1763 (2012).
- Gowdy, K. M., et al. Key role for scavenger receptor B-I in the integrative physiology of host defense during bacterial pneumonia. Mucosal Immunol. 8 (3), 559-571 (2015).
- Madenspacher, J. H., et al. p53 Integrates host defense and cell fate during bacterial pneumonia. J Exp Med. 210 (5), 891-904 (2013).
- Brain, J. D., Knudson, D. E., Sorokin, S. P., Davis, M. A. Pulmonary distribution of particles given by intratracheal instillation or by aerosol inhalation. Environ Res. 11 (1), 13-33 (1976).
- Card, J. W., et al. Gender differences in murine airway responsiveness and lipopolysaccharide-induced inflammation. J Immunol. 177 (1), 621-630 (2006).
- Ivanov, I. I., et al. Induction of intestinal Th17 cells by segmented filamentous bacteria. Cell. 139 (3), 485-498 (2009).
- Hooper, L. V., Littman, D. R., Macpherson, A. J. Interactions between the microbiota and the immune system. Science. 336 (6086), 1268-1273 (2012).
