Summary

Cefoperazon behandlade musmodell av kliniskt relevanta<em> Clostridium difficile</em> Stam R20291

Published: December 10, 2016
doi:

Summary

Detta protokoll beskriver cefoperazon musmodell av Clostridium difficile-infektion (CDI) med en kliniskt relevant och genetiskt foglig stam, R20291. Betoning på klinisk övervakning sjukdom, C. difficile bakteriell uppräkning, toxin cytotoxicitet och histopatologiska förändringar under CDI i en musmodell beskrivs i protokollet.

Abstract

Clostridium difficile is an anaerobic, gram-positive, spore-forming enteric pathogen that is associated with increasing morbidity and mortality and consequently poses an urgent threat to public health. Recurrence of a C. difficile infection (CDI) after successful treatment with antibiotics is high, occurring in 20-30% of patients, thus necessitating the discovery of novel therapeutics against this pathogen. Current animal models of CDI result in high mortality rates and thus do not approximate the chronic, insidious disease manifestations seen in humans with CDI. To evaluate therapeutics against C. difficile, a mouse model approximating human disease utilizing a clinically-relevant strain is needed. This protocol outlines the cefoperazone mouse model of CDI using a clinically-relevant and genetically-tractable strain, R20291. Techniques for clinical disease monitoring, C. difficile bacterial enumeration, toxin cytotoxicity, and histopathological changes throughout CDI in a mouse model are detailed in the protocol. Compared to other mouse models of CDI, this model is not uniformly lethal at the dose administered, allowing for the observation of a prolonged clinical course of infection concordant with the human disease. Therefore, this cefoperazone mouse model of CDI proves a valuable experimental platform to assess the effects of novel therapeutics on the amelioration of clinical disease and on the restoration of colonization resistance against C. difficile.

Introduction

Clostridium difficile är en anaerob, grampositiv, sporbildande bakterie som orsakar livshotande diarré 1. C. difficile-infektion (CDI) är associerad med ökad mänsklig morbiditet och mortalitet och resulterar i mer än $ 4,8 miljarder sjukvårdskostnader per år 1-4. 2013, de Centers for Disease Control and Prevention kategoriseras C. difficile som en brådskande antibiotikaresistens risk, vilket indikerar att det utgör ett akut hot mot folkhälsan en. För närvarande är antibiotikabehandling med vankomycin och metronidazol anses normen av omsorg för CDI 5. Olyckligtvis är återkommande CDI efter framgångsrik behandling med antibiotika hög, förekommer i 20-30% av patienterna 2,5-7. Därför är det nödvändigt att upptäckten av nya läkemedel mot denna enter patogen. För att utvärdera terapeutika mot C. difficile, en djurmodell som approximerar den mänskliga sjukdomen i acbehövs linically relevanta stammen.

Inledningsvis var Kochs postulat fastställts för C. difficile 1977 med hjälp av en klindamycin behandlad syrisk hamster modell 8. Denna modell är fortfarande används idag för att undersöka effekterna av C. difficile-toxiner på patogenes 9,10. Men CDI i hamstermodellen resulterar i hög dödlighet och inte närma kroniska lömsk sjukdom manifestationer som kan ses hos människor med CDI 10,11. Baserad på tillgänglighet och reagens tillgängligheten av murina plattformar inom forskning, är en musmodell av CDI relevanta.

Under 2008 genomfördes en robust musmodell av CDI fastställts genom att behandla möss med ett antibiotikum cocktail i dricksvatten (kanamycin, gentamicin, kolistin, metronidazol, och vankomycin) under 3 dagar följt av en intraperitoneal injektion av klindamycin 12. Detta renderade möss mottagliga för CDI och svår kolit. Beroing på ympen administrerade dosen, kan observeras en rad kliniska tecken och dödlighet med användning av denna modell. Sedan denna tid har olika antibiotiska regimer undersökts som förändrar den murina tarmfloran, minskande kolonisering motstånd mot den punkt där C. difficile kan kolonisera mag-tarmkanalen (översikt i Best et al., Och Lawley & Young) 13,14.

På senare tid har ett brett spektrum cefalosporin, cefoperazon, ges i dricksvattnet i 5 eller 10 dagar gör reproducerbart möss mottagliga för CDI 15. Eftersom administrering av tredje generationens cefalosporiner är förknippade med en ökad risk för CDI hos människor, användning av cefoperazon modellen bättre speglar naturligt förekommande sjukdomar 16. Cefoperazon-behandlade möss mottagliga för C. difficile har ifrågasatts med både C. difficile sporer och vegetativa celler av olika stammar som sträcker sig i kliniskrelevans och virulens 17. Trots vissa av de ursprungliga studier där man använt C. difficile vegetativa celler som smitt form, C. difficile sporer anses vara den stora överföringsteknik 18.

Under det senaste decenniet, C. difficile R20291, en NAP1 / BI / 027-stammen, har dykt upp, vilket epidemier av CDI 19,20. Vi försökte bestämma den kliniska sjukdomsförloppet när cefoperazon behandlade mössen med kliniskt relevant och genetiskt foglig C. difficile stam, R20291. Detta protokoll detaljer det kliniska förloppet, inklusive viktförlust, bakteriell kolonisering, toxin cytotoxicitet, och histopatologiska förändringar i mag-tarmkanalen hos möss utmanade med C. difficile R20291 sporer. Sammantaget visar denna musmodell för att vara en värdefull experimentell plattform för CDI tillnärmning mänskliga sjukdomar. Denna kännetecknas musmodell kan därför användas för att bedöma effekternaav nya läkemedel på förbättring av klinisk sjukdom och om återställande av kolonisationen motstånd mot C. difficile.

Protocol

Etiska riktlinjer: Institutional Animal Care och användning kommittén (IACUC) vid North Carolina State University College of Veterinary Medicine (NCSU) godkänt denna studie. NCSU Animal Care och använda policy gäller normer och riktlinjer som anges i djurskyddslagen och hälsoforskning Extension Act från 1985. Laboratoriedjuranläggningar vid NCSU följer riktlinjer som anges i handledningen för vård och användning av försöksdjur. Djurens hälsostatus bedömdes dagligen, och döende djur humant av…

Representative Results

Under en representativ studie var 5 veckor gamla C57BL / 6 WT möss förbehandlade med cefoperazon i sitt dricksvatten (0,5 mg / ml) under 5 dagar och fick en 2-dagars tvätta ur med regelbunden dricksvatten. Möss utmanades med 10 5 sporer av C. difficile R20291 via oral sondmatning på dag 0 (Figur 1A). Möss övervakades för viktminskning och kliniska tecken (letargi, aptitlöshet, diarré, och krökt kroppshållning) av CDI under 14 dagar. Utmani…

Discussion

This protocol characterizes the clinical course, including weight loss, bacterial colonization, toxin cytotoxicity, and histopathological changes in the gastrointestinal tract, of antibiotic-treated mice challenged with C. difficile R20291 spores. There are several critical steps within the protocol where attention to detail is essential. Accurate calculation of the C. difficile spore inoculum is critical. This calculation is based on the original C. difficile spore stock enumeration, which sho…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors would like to thank Trevor Lawley at the Wellcome Trust Sanger Institute for C. difficile R20291 spores and James S. Guy at the North Carolina State University College of Veterinary Medicine for Vero cells, both utilized in this manuscript. Animal histopathology was performed in the LCCC Animal Histopathology Core Facility at the University of North Carolina at Chapel Hill, with special assistance from Traci Raley and Amanda Brown. The LCCC Animal Histopathology Core is supported in part by an NCI Center Core Support Grant (2P30CA016086-40) to the UNC Lineberger Comprehensive Cancer Center. We would also like to thank Vincent Young, Anna Seekatz, Jhansi Leslie, and Cassie Schumacher for helpful discussions on the Vero cell cytotoxicity assay protocol. JAW is funded by the Ruth L. Kirschstein National Research Service Award Research Training grant T32OD011130 by NIH. CMT is funded by the career development award in metabolomics grant K01GM109236 by the NIGMS of the NIH.

Materials

#62 Perisept Sporidicial Disinfectant Cleaner  SSS Navigator 48027 This product will require dilution as recommended by the manufacturer
0.22 μm filter Fisherbrand 09-720-3 Alternative to filter plate for indivdiual samples tested in the Vero Cell Assay
0.25% Trypsin-EDTA Gibco 25200-056 Needs to be heated in water bath at 37C prior to use
0.4% Trypan Blue Gibco 15250-061
1% Peniciilin/Streptomycin Gibco 15070-063
10% heat inactivated FBS Gibco 16140-071 Needs to be heated in water bath at 37C prior to use
1ml plastic syringe  BD Medical Supplies 309628
1X PBS Gibco 10010-023
2 ml Micro Centrifuge Screw Cap Corning 430917
96 well cell culture flat bottom plate Costar Corning CL3595
96 well filter plate Millipore MSGVS2210
Adhesive Seal ThermoScientific AB-0558
Bacto Agar Becton Dickinson 214010 Part of TCCFA plates (see below)
Bacto Proteose Peptone Becton Dickinson 211684 Part of TCCFA plates (see below)
Cefoperazone MP Bioworks 199695
Cefoxitine Sigma C47856 Part of TCCFA plates (see below)
Clostridium difficile Antitoxin Kit Tech Labs T5000 Used as control for Vero Cell Assay
Clostridium difficile Toxin A List Biological Labs 152C Positive control for Vero Cell Assay
D-cycloserine Sigma C6880 Part of TCCFA plates (see below)
Distilled Water Gibco 15230
DMEM 1X Media Gibco 11965-092 Needs to be heated in water bath at 37C prior to use
Fructose Fisher L95500 Part of TCCFA plates (see below)
Hemocytometer Bright-Line, Sigma Z359629
KH2PO4 Fisher P285-500 Part of TCCFA plates (see below)
MgSO4 (anhydrous) Sigma M2643 Part of TCCFA plates (see below)
Millex-GS 0.22 μm filter Millex-GS SLGS033SS Filter for TCCFA plates 
Na2HPO4 Sigma S-0876 Part of TCCFA plates (see below)
NaCl Fisher S640-3 Part of TCCFA plates (see below)
Number 10 disposable scalpel blade Miltex, Inc 4-410
PCR Plates Fisherbrand 14230244
Plastic petri dish Kord-Valmark Brand 2900
Sterile plastic L-shaped cell spreader Fisherbrand 14-665-230
Syringe Stepper Dymax Corporation T15469
Taurocholate Sigma T4009 Part of TCCFA plates (see below)
Ultrapure distilled water Invitrogen 10977-015
C57BL/6J Mice The Jackson Laboratory 664 Mice should be 5-8 weeks of age
Olympus BX43F light microscope Olympus Life Science
DP27 camera Olympus Life Science
cellSens Dimension software  Olympus Life Science

References

  1. Lessa, F. C., et al. Burden of Clostridium difficile Infection in the United States. New England Journal of Medicine. 372, 825-834 (2015).
  2. Gerding, D. N., Lessa, F. C. The epidemiology of Clostridium difficile infection inside and outside health care institutions. Infect Dis Clin North Am. 29, 37-50 (2015).
  3. Dubberke, E. R., Olsen, M. A. Burden of Clostridium difficile on the healthcare system. Clin Infect Dis. 55, 88-92 (2012).
  4. Kociolek, L. K., Gerding, D. N. Breakthroughs in the treatment and prevention of Clostridium difficile infection. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. , (2016).
  5. Kelly, C. P., LaMont, J. T. Clostridium difficile–more difficult than ever. N Engl J Med. 359, 1932-1940 (2008).
  6. Louie, T. J., et al. Fidaxomicin versus vancomycin for Clostridium difficile infection. N Engl J Med. 364, 422-431 (2011).
  7. Bartlett, J. G., Onderdonk, A. B., Cisneros, R. L., Kasper, D. L. Clindamycin-associated colitis due to a toxin-producing species of Clostridium in hamsters. The Journal of infectious diseases. 136, 701-705 (1977).
  8. Kelly, M. L., et al. Improving the reproducibility of the NAP1/B1/027 epidemic strain R20291 in the hamster model of infection. Anaerobe. , (2016).
  9. Kuehne, S. A., et al. Importance of toxin A, toxin B, and CDT in virulence of an epidemic Clostridium difficile strain. The Journal of infectious diseases. 209, 83-86 (2014).
  10. Bartlett, J. G., Onderdonk, A. B., Cisneros, R. L. Clindamycin-associated colitis in hamsters: protection with vancomycin. Gastroenterology. 73, 772-776 (1977).
  11. Chen, X., et al. A mouse model of Clostridium difficile-associated disease. Gastroenterology. 135, 1984-1992 (2008).
  12. Lawley, T. D., Young, V. B. Murine models to study Clostridium difficile infection and transmission. Anaerobe. 24, 94-97 (2013).
  13. Best, E. L., Freeman, J., Wilcox, M. H. Models for the study of Clostridium difficile infection. Gut Microbes. 3, 145-167 (2012).
  14. Reeves, A. E., et al. The interplay between microbiome dynamics and pathogen dynamics in a murine model of Clostridium difficile Infection. Gut Microbes. 2, 145-158 (2014).
  15. Owens, R. C., Donskey, C. J., Gaynes, R. P., Loo, V. G., Muto, C. A. Antimicrobial-associated risk factors for Clostridium difficile infection. Clin Infect Dis. 46, 19-31 (2008).
  16. Theriot, C. M., et al. Cefoperazone-treated mice as an experimental platform to assess differential virulence of Clostridium difficile strains. Gut Microbes. 2, 326-334 (2011).
  17. Martin, J. S., Monaghan, T. M., Wilcox, M. H. Clostridium difficile infection: epidemiology, diagnosis and understanding transmission. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. , (2016).
  18. Connor, J. R., Johnson, S., Gerding, D. N. Clostridium difficile infection caused by the epidemic BI/NAP1/027 strain. Gastroenterology. 136, 1913-1924 (2009).
  19. He, M., et al. Emergence and global spread of epidemic healthcare-associated Clostridium difficile. Nat Genet. 45, 109-113 (2013).
  20. Perez, J., Springthorpe, V. S., Sattar, S. A. Clospore: a liquid medium for producing high titers of semi-purified spores of Clostridium difficile. Journal of AOAC International. 94, 618-626 (2011).
  21. Sorg, J. A., Dineen, S. S. Laboratory maintenance of Clostridium difficile. Curr Protoc Microbiol. , (2009).
  22. Edwards, A. N., Suarez, J. M., McBride, S. M. Culturing and maintaining Clostridium difficile in an anaerobic environment. Journal of visualized experiments : JoVE. , e50787 (2013).
  23. George, W. L., Sutter, V. L., Citron, D., Finegold, S. M. Selective and differential medium for isolation of Clostridium difficile. J Clin Microbiol. 9, 214-219 (1979).
  24. Knoblaugh, S., Randolph-Habecker, J., Rath, S., Dintzis, S. M. . Comparative Anatomy and Histology. , 15-40 (2012).
  25. Ammerman, N. C., Beier-Sexton, M., Azad, A. F. Growth and maintenance of Vero cell lines. Curr Protoc Microbiol. , (2008).
  26. Theriot, C. M., et al. Antibiotic-induced shifts in the mouse gut microbiome and metabolome increase susceptibility to Clostridium difficile infection. Nat Commun. 5, 3114 (2014).
  27. Koenigsknecht, M. J., et al. Dynamics and establishment of Clostridium difficile infection in the murine gastrointestinal tract. Infect Immun. 83, 934-941 (2015).
  28. Theriot, C., Bowman, A., Young, V. Antibiotic-Induced Alterations of the Gut Microbiota Alter Secondary Bile Acid Production and Allow for Clostridium difficile Spore Germination and Outgrowth in the Large Intestine. mSphere. 1, 00045 (2016).
  29. Xiao, L., et al. A catalog of the mouse gut metagenome. Nature biotechnology. 33, 1103-1108 (2015).
  30. Leslie, J. L., et al. Persistence and toxin production by Clostridium difficile within human intestinal organoids result in disruption of epithelial paracellular barrier function. Infect Immun. 83, 138-145 (2015).
  31. Stabler, R. A., et al. Comparative genome and phenotypic analysis of Clostridium difficile 027 strains provides insight into the evolution of a hypervirulent bacterium. Genome Biol. 10, 102 (2009).
  32. Valiente, E., Dawson, L. F., Cairns, M. D., Stabler, R. A., Wren, B. W. Emergence of new PCR ribotypes from the hypervirulent Clostridium difficile 027 lineage. J Med Microbiol. 61, 49-56 (2012).
check_url/kr/54850?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Winston, J. A., Thanissery, R., Montgomery, S. A., Theriot, C. M. Cefoperazone-treated Mouse Model of Clinically-relevant Clostridium difficile Strain R20291. J. Vis. Exp. (118), e54850, doi:10.3791/54850 (2016).

View Video