WinCFモデル - 肺感染症の微生物学を研究するための粘液で閉鎖された細気管支の安価で収縮可能なマイクロコスモス
Summary
粘液は、嚢胞性線維症の気道を差し込ま（CF）の患者は、微生物病原体が繁栄するための理想的な環境です。原稿は、彼らが病気を引き起こし、どのように化学的条件の変化は、微生物のダイナミクスを駆動することができ模倣環境でCF肺microbiomeを研究するための新規な方法を説明します。
Abstract
多くの慢性気道疾患は、気道の粘液詰まりをもたらす。嚢胞性線維症を有する個体の肺は、それらの粘液栓付き細気管支が微生物のコロニー形成のための好都合な生息環境を作り出す典型的な場合である。様々な病原体が、この環境で相互作用し、CF疾患に関連する多くの症状を引き起こす。微生物群集のように、その生息地の化学的条件は、地域社会の構造と動態に大きな影響を与えます。例えば、異なる微生物は、異なるレベルの酸素または他の溶質濃度で増殖する。これは、酸素濃度がコミュニティの生理学および構造を駆動すると考えられるCF肺においても当てはまる。ここに記載されている方法は、肺環境を模倣し、病気を引き起こすような方法で病原体を増殖させるように設計されています。次に、これらの微生物の化学的環境の操作を用いて、肺感染のストリーはその微生物生態学を支配する。この方法は、WinCFシステムと呼ばれ、人工喀痰培地および細い毛細血管に基づいており、粘液栓の細気管支に存在するのと同様の酸素勾配を提供する。喀痰の培地pHや抗生物質の圧力などの化学的条件を操作することにより、着色インジケータを用いて試料中の微生物学的差異を視覚化することができ、気体またはバイオフィルムの産生を観察し、または各試料の核酸含量を抽出し、
Introduction
本稿に記載された方法は、WinCFシステム1と呼ばれています。 WinCFの全体的な目標は、粘液で満たされた肺の細気管支の環境をシミュレートできる実験装置を提供することです。これは、嚢胞性線維症（CF）、慢性閉塞性肺疾患（COPD）、喘息などを含む粘液過剰分泌の表現型を有する肺疾患の微生物病原体を研究するための扱いやすいシステムを可能にします。手順は、肺の分泌物が最終的に粘液2と細気管支および他の小さな通路を埋め、クリアする太くて硬くなることが原因の変異によって特徴付けられるCFの研究、のために特別に設計されました。吸入空気は、もはや多くの肺胞に到達しても細菌のコロニー3、4の生息地を提供することができるので、肺の中のこのような閉塞は、ガス交換を阻害しません。での微生物の増殖を防止することができません過剰な肺粘液は最終的に気道の複雑な慢性感染症の発症につながる。これらのコミュニティには、ウイルス、菌類、 緑膿菌などの細菌など、さまざまな生物が含まれています。すべて相互に相互作用しています（5,6,7,8）。 CF肺ミクロバイオームの活性は、肺悪化と呼ばれる症状の激しさに関与していると考えられている1,9,10,11。 WinCFはこれらの悪化のまわりの微生物のコミュニティ行動の研究を可能にし、現在肺微生物生態学を研究するための基礎実験システムとして機能するように拡張されている。伝統的に、悪化は、肺から採取した試料の直接分析によって研究されてきた。多くの交絡因子が微生物bの直接分析を行いますWinCFシステムでは、これらの因子の多くが除去され、肺マイクロビームの挙動がより直接的に研究され、粘液詰め気管支叢における細菌活性のより精密な分析が可能になる。
WinCFシステムは、肺環境を効果的に模倣する方法で細菌を増殖および分析する方法を提供する。肺細菌を増殖させる従来の方法は、しばしば伝統的な寒天プレート上でサンプルを培養することを必要とした。これらの方法は、試料を大気中の酸素に開放したままにし、粘液12,13 で閉塞した肺細気管支に見られる低酸素状態およびしばしば無酸素状態を考慮に入れない。好気性条件下で寒天培地で培養することは、CF肺の環境と似たものではなく、治療しようとしている病原体の行動に関する臨床医や研究者を誤解させる可能性があります。さらに、寒天プレート上の細菌に利用可能な栄養素人工痰媒体（ASM）を利用してWinCFで説明されている実際の喀痰で利用可能なものとは異なる。 Sriramulu らの シュードモナス培養によって示されるように図14に示すように 、ASMは、痰の微生物に利用可能な資源を模倣し、痰の物理的な一貫性を再現する特定の成分セットを含む。罹患した肺は特定のマイクロビームを有するので、このような微生物の研究は、理想的には肺の特定の状態においても行われるべきである。
WinCFシステムは、実際の肺気管支内で起こるような微生物の変化を観察するための実験条件の迅速な分析と簡単な操作を可能にする。この技術は、痰、唾液、他の体の分泌物および純粋なまたは混合された細菌培養物を含む、無数の関連するサンプルタイプの接種を可能にする。実験装置の性質は、微生物学的なコミュニティの振舞いであり、多数の微生物学的およびオミックス手順の下流での容易な適用を可能にするように設計されている。そのような研究は、細菌のコミュニティ構成が環境の物理化学的条件に基づいて変化するため重要である。 WinCFを用いて、培地の化学的条件を操作して、細菌活性への影響を分析することができる。例えば、培地を接種する前に培地の酸性度を変更することができる。インキュベーション後、これらの各条件における細菌活性を直接比較することができ、これらの痰試料中の細菌が様々なpHに応答してどのように挙動するかについての結論を導くことができる。ここでは、WinCFシステムを適用する手順と、肺微生物に対する影響を研究するために培地化学を操作する方法の例を概説します。
Protocol
Representative Results
Discussion
CFと肺の微生物学的メイクは、生物の多種多様なが含まれていますが、肺内の条件は、可能性の高い微生物の種類が生き残ると、13〜15を繁栄できるかに大きな影響を与えています。具体的なメカニズムは、それを通して、これらの条件が変化し、それが肺microbiomeに持って正確な効果は現時点では、一般的に不明です。この実験的な方法では、我々…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、多剤耐性病原体の治療に対するシステム生物学的アプローチである助成金1 U01 AI124316-01の資金提供のために、R. QuinnとNIH / NIAIDに資金を提供してVertex PharmaceuticalsとCystic Fibrosis Research Innovation Awardを承認したいと考えています。また、UCSDの機械工学シニアデザインコースの機械宇宙工学科にもこの作業のエンジニアリング面での協力を促していただき、感謝します。
Materials
| Color-Coded Capillary Tubes | Fisher Scientific | 22-260943 | |
| Cha-seal Tube Sealing Compound | Kimble-Chase | 43510 | |
| Mucin from porcine stomach | Sigma | M1778 | |
| Ferritin, cationized from horse spleen | Sigma | F7879 | |
| Salmon sperm DNA Sodium salt (sonified) | AppliChem Panreac | A2159 | |
| MEM Nonessential Amino Acids | Corning cellgro | 25-025-CI | |
| MEM Amino Acids | Cellgro | 25-030-CI | |
| Egg Yolk Emulsion, 50% | Dalynn Biologicals | VE30-100 | |
| Potassium Chloride | Fisher Scientific | P2157500 | |
| Sodium Chloride | Fisher Scientific | S271500 | |
| 15mL centriguge tubes with Printed Graduations and Flat Caps | VWR | 89039-666 | |
| 50mL centrifuge tubes with Printed Graduations and Flat Caps | VWR | 89039-656 | |
| 1.5mL microcentrifuge tubes | Corning | MCT-150-R | |
| 2.0mL microcentrifuge tubes | Corning | MCT-200-C |
References
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