Påvisning av enterohemorrhagiske Escherichia Coli kolonisering i Murine vert av ikke-invasiv i Vivo bioluminescens System
Summary
Detaljert protokollen musemodell for enterohemorrhagiske E. coli (EHEC) kolonisering ved hjelp av bioluminescens-merket bakterier er presentert. Påvisning av disse bioluminescent bakterier av en ikke-invasiv i vivo imaging system i levende dyr kan gå vår nåværende forståelse av EHEC kolonisering.
Abstract
Enterohemorrhagiske E. coli (EHEC) O157: H7, som er en infeksjon patogen som causesdiarrhea, hemoragisk kolitt (HS), og Hemolytisk uremisk syndrom (HUS), kolonisere til tarmkanalen mennesker. For å studere detaljert mekanismen av EHEC kolonisering i vivo, er det viktig å ha dyremodeller overvåke og kvantifisere EHEC kolonisering. Vi viser her en mus-EHEC kolonisering modell ved å gjøre det bioluminescent uttrykke plasmider til EHEC overvåke og kvantifisere EHEC kolonisering i levende verter. Dyr inokulert med bioluminescens-merket EHEC viser intense bioluminescent signaler i mus av oppdagelsen med en ikke-invasiv i vivo tenkelig system. Etter 1 og 2 dager legge infeksjon, bioluminescent signaler fortsatt ble oppdaget i infiserte dyr, noe som antyder at EHEC kolonisere i verter i minst 2 dager. Vi viser også at disse bioluminescent EHEC finne til musen-tarmen, spesielt i cecum og kolon, fra ex vivo bilder. Denne musen-EHEC kolonisering modellen kan tjene som et verktøy for å fremme nåværende kunnskap av EHEC kolonisering mekanismen.
Introduction
EHEC O157: H7 er en patogen som forårsaker diaré1, HS2, HUS3og selv akutt nyresvikt4 gjennom forurenset vann eller mat. EHEC er en sykdomsfremkallende enterobacterium og colonizes til fordøyelsessystemet mennesker1. Når EHEC overholder først vert intestinal epitel, injiserer de kolonisering faktorene i verten cellene til type III sekresjon systemet (T3SS) som fungerer som en molekylær sprøyte indusere en feste og effacing (A/E) lesjon senere å håndheve vedheft (kolonisering)5. Disse genene involvert i A/E lesjon formasjon er kodet av locus enterocyte effacement (LEE) virusets øya5.
Bioluminescens er en lys-produserende kjemisk reaksjon, i luciferase som gir sin substrat luciferin å generere synlig lys6. Denne enzymatisk prosess krever ofte oksygen eller adenosin trifosfat (ATP)6. Bioluminescens imaging (BLI) tillater forskere visualisering og kvantisering vert-patogen samhandlinger i levende dyr7. BLI kan beskrive bakteriell infeksjon syklusen i levende dyr ved å følge bioluminescent bakterier som de migrere til og invadere forskjellige vev7; Dette avslører en dynamisk progresjon av infeksjon. Videre er bakterielle belastningen i dyr knyttet til bioluminescent signal8; Det er derfor en praktisk indikator å anslå patologisk forholdene i forsøksdyr på en enkel og direkte måte.
Plasmider her finnes luciferase operon, luxCDABE, som er fra bakterien Photorhabdus luminescens som koder egen luciferase substrat7,9. Ved å gjøre denne luciferase-uttrykke plasmider til bakterier, kan kolonisering og infeksjon prosessene overvåkes ved å observere disse bioluminescent bakterier i levende dyr. Samlet tillater BLI og bioluminesens-merket bakterier forskere å overvåke bakteriell tall og beliggenheten, bakteriell viability med antibiotika/terapi behandling og bakteriell genuttrykk i infeksjon/kolonisering6, 7. mange patogene bakterier har blitt rapportert som express luxCDABE operon undersøke deres infeksjon syklus og/eller genet uttrykk i infeksjon. Disse bakterier, inkludert uropathogenic E. coli10, EHEC8,11,12,13, enteropathogenic E. coli (EPEC)8, Citrobacter rodentium14,15, Salmonella typhimurium16, Listeria monocytogenes17, Yersinia enterocolitica18,19, og Vibrio cholerae20, dokumentert.
Flere eksperimentelle modeller er utviklet for å lette studiet av EHEC kolonisering i vitro og vivo21,22,23. Men er det en mangel på passende dyremodeller å studere av EHEC kolonisering i vivo, og dermed en resulterende mangelen på detaljer. For å lette studie av EHEC kolonisering mekanisme i vivo, er det verdifullt å bygge dyremodeller å observere og kvantifisere EHEC kolonisering i levende dyr på en ikke-invasiv metode.
Dette manuskriptet beskriver en mus-EHEC kolonisering modell som bruker en bioluminescent uttrykke system for å overvåke EHEC kolonisering over tid i levende verter. Mus er intragastrically inokulert med bioluminescens-merket EHEC og bioluminescent signalet registreres i mus med en ikke-invasiv i vivo imaging system13. Mus infisert bioluminescens-merket EHEC viste betydelige bioluminescent signaler i deres tarmen etter 2 dager legge infeksjon, som foreslo at de bakteriene kolonisert i vert tarmen etter 2 dager legge infeksjon. Ex vivo bildedata viste at denne colonization er spesielt i cecum og kolon av mus. Ved å bruke denne musen-EHEC-modellen, kan bioluminescent EHEC koloniseringen oppdages i levende vert av en i vivo tenkelig system, for å studere detaljert mekanismer for enteric bakterier kolonisering, som kan fremme videre forståelse i EHEC-indusert fysiologiske og patologiske endringer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det har blitt rapportert at EHEC forvandlet luciferase plasmider blitt benyttet for å undersøke beliggenheten i verter eller genet uttrykk i vivo8,11,12. Murine modellen demonstrert her er også rapportert å gjenkjenne EHEC kolonisert tidsberegningen og lokalisering i murine vert8. Likevel, vi gir detaljert protokollen for hvordan å administrere EHEC vaksinering til mus intragastrically og n?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi erkjenner Chi-Chung Chen fra Institutt for medisinsk forskning, Chi Mei Medical Center (Tainan, Taiwan) for hjelp i mus infeksjon og støtte fra laboratoriet dyr midten av National Cheng Kung University. Dette arbeidet er støttet av Minister for vitenskap og teknologi (mest) gir (mest 104-2321-B-006-019, 105-2321-B-006-011, and106-2321-B-006-005) til CC.
Materials
| Shaker incubator | YIH DER | LM-570R | bacteria incubation |
| Orbital shaking incubator | FIRSTEK | S300 | bacteria incubation |
| pBSL180 | source of nptII gene | ||
| pAKlux2 | source of luxCDABE operon | ||
| T&A Cloning Kit | Yeastern Biotech | FYC001-20P | use for TA cloning |
| Nsi I | NEB | R0127S | use for plasmid cloning |
| Sca I | NEB | R0122S | use for plasmid cloning |
| Spe I-HF | NEB | R0133S | use for plasmid cloning |
| Sma I | NEB | R0141S | use for plasmid cloning |
| T4 ligase | NEB | M0202S | use for plasmid cloning |
| Ex Taq | TaKaRa | RR001A | use for PCR amplification |
| 10X Ex Taq Buffer | TaKaRa | RR001A | use for PCR amplification |
| dNTP Mixture | TaKaRa | RR001A | use for PCR amplification |
| PCR machine | applied Biosystem | 2720 thermal cycler | for PCR amplification |
| Glycerol | SIGMA | G5516-1L | use for bacteria stocking solution |
| NaCl | Sigma | 31434-5KG-R | chemical for making LB medium, 10 g/L |
| Tryptone | CONDA pronadisa | Cat 1612.00 | chemical for making LB medium, 10 g/L |
| Yeast Extract powder | Affymetrix | 23547-1 KG | chemical for making LB medium, 5 g/L |
| Agar | CONDA pronadisa | Cat 1802.00 | chemical for making LB agar |
| kanamycin | Sigma | K4000-5G | antibiotics, use for seleciton |
| streptomycin | Sigma | S6501-100G | antibiotics, eliminate the microbiota in mice |
| EDL933 competent cell | Homemade | method is on supplemental document | |
| Electroporator | MicroPulser | for electroporation | |
| Electroporation Cuvettes | Gene Pulser/MicroPulser | 1652086 | for electroporation |
| High-speed centrifuge | Beckman Coulter | Avanti, J-26S XP | use for centrifuging bacteria |
| Fixed-Angle Rotor | Beckman Coulter | JA25.5 | use for centrifuging bacteria |
| Fixed-Angle Rotor | Beckman Coulter | JLA10.5 | use for centrifuging bacteria |
| centrifuge bottles | Beckman Coulter | REF357003 | use for centrifuging bacteria |
| centrifuge bottles | Thermo Fisher scientific | 3141-0500 | use for centrifuging bacteria |
| eppendorf biophotometer plus | eppendorf | AG 22331 hamburg | for measuring the OD600 value of bacteria |
| C57BL/6 mice | Laboratory Animal Center of NCKU | ||
| lab coat, gloves | for personnel protection | ||
| isoflurane | Panion & BF Biotech Inc. | G-8669 | for mice anesthesia, pharmaceutical grade |
| 1ml syringe | use for oral gavage of mice | ||
| Reusable 22 G ball-tipped feeding needle | φ0.9 mm X L 50 mm | use for oral gavage of mice | |
| surgical scissors | use for mice experiment | ||
| Xenogen IVIS 200 imaging system | Perkin Elmer | IVIS spectrum | use for bioluminescent image capture |
| Living Image Software | Perkin Elmer | version 4.1 | use for quantifying the image data |
Referências
- Pennington, H. Escherichia coli O157. Lancet. 376 (9750), 1428-1435 (2010).
- Mayer, C. L., Leibowitz, C. S., Kurosawa, S., Stearns-Kurosawa, D. J. Shiga toxins and the pathophysiology of hemolytic uremic syndrome in humans and animals. Toxins (Basel). 4 (11), 1261-1287 (2012).
- Tarr, P. I., Gordon, C. A., Chandler, W. L. Shiga-toxin-producing Escherichia coli and haemolytic uraemic syndrome. Lancet. 365 (9464), 1073-1086 (2005).
- Obrig, T. G. Escherichia coli Shiga Toxin Mechanisms of Action in Renal Disease. Toxins (Basel). 2 (12), 2769-2794 (2010).
- Nguyen, Y., Sperandio, V. Enterohemorrhagic E. coli (EHEC) pathogenesis. Front Cell Infect Microbiol. 2, 90 (2012).
- Wiles, S., Robertson, B. D., Frankel, G., Kerton, A. Bioluminescent monitoring of in vivo colonization and clearance dynamics by light-emitting bacteria. Methods Mol Biol. 574, 137-153 (2009).
- Hutchens, M., Luker, G. D. Applications of bioluminescence imaging to the study of infectious diseases. Cell Microbiol. 9 (10), 2315-2322 (2007).
- Rhee, K. J., et al. Determination of spatial and temporal colonization of enteropathogenic E. coli and enterohemorrhagic E. coli in mice using bioluminescent in vivo imaging. Gut Microbes. 2 (1), 34-41 (2011).
- Karsi, A., Lawrence, M. L. Broad host range fluorescence and bioluminescence expression vectors for Gram-negative bacteria. Plasmid. 57 (3), 286-295 (2007).
- Lane, M. C., Alteri, C. J. S., Smith, S. N., Mobley, L. H. Expression of flagella is coincident with uropathogenic Escherichia coli ascension to the upper urinary tract. Proc Natl Acad Sci U S A. 104 (42), 16669-16674 (2007).
- Roxas, J. L., et al. Enterohemorrhagic E. coli alters murine intestinal epithelial tight junction protein expression and barrier function in a Shiga toxin independent manner. Lab Invest. 90 (8), 1152-1168 (2010).
- Siragusa, G. R., Nawotka, K., Spilman, S. D., Contag, P. R., Contag, C. H. . Real-Time Monitoring of Escherichia coli O157:H7 Adherence to Beef Carcass Surface Tissues with a Bioluminescent Reporter. , (1999).
- Kuo, C. J., et al. Mutation of the Enterohemorrhagic Escherichia coli Core LPS Biosynthesis Enzyme RfaD Confers Hypersusceptibility to Host Intestinal Innate Immunity In vivo. Front Cell Infect Microbiol. 6, 82 (2016).
- Wiles, S., et al. Organ specificity, colonization and clearance dynamics in vivo following oral challenges with the murine pathogen Citrobacter rodentium. Cell Microbiol. 6 (10), 963-972 (2004).
- Wiles, S., Pickard, K. M., Peng, K., MacDonald, T. T., Frankel, G. In vivo bioluminescence imaging of the murine pathogen Citrobacter rodentium. Infect Immun. 74 (9), 5391-5396 (2006).
- Contag, C. H., Contag, P. R., Mullins, J. I., Spillman, S. D., Stevenson, D. K., Benaron, D. A. Photonic detection of bacterial pathogens in living hosts. Mol Microbiol. 18 (4), 593-603 (1995).
- Hardy, J., Francis, K. P., DeBoer, M., Chu, P., Gibbs, K., Contag, C. H. Extracellular replication of Listeria monocytogenes in the murine gall bladder. Science. 303 (5659), 851-853 (2004).
- Kaniga, K., Sory, M. P., Delor, I., Saegerman, C., Limet, J. N., Cornelis, G. R. Monitoring of Yersinia enterocolitica in Murine and Bovine Feces on the Basis of the Chromosomally Integrated luxAB Marker Gene. Appl Environ Microbiol. 58 (3), 1024-1026 (1992).
- Trcek, J., Fuchs, T. M., Trulzsch, K. Analysis of Yersinia enterocolitica invasin expression in vitro and in vivo using a novel luxCDABE reporter system. Microbiology. 156 (Pt 9), 2734-2745 (2010).
- Morin, C. E., Kaper, J. B. Use of stabilized luciferase-expressing plasmids to examine in vivo-induced promoters in the Vibrio cholerae vaccine strain CVD 103-HgR. FEMS Immunol Med Microbiol. 57 (1), 69-79 (2009).
- Law, R. J., Gur-Arie, L., Rosenshine, I., Finlay, B. B. In vitro and in vivo model systems for studying enteropathogenic Escherichia coli infections. Cold Spring Harb Perspect Med. 3 (3), a009977 (2013).
- Ritchie, J. M. Animal Models of Enterohemorrhagic Escherichia coli Infection. Microbiol Spectr. 2 (4), EHEC-0022-2013 (2014).
- Chou, T. C., et al. Enterohaemorrhagic Escherichia coli O157:H7 Shiga-like toxin 1 is required for full pathogenicity and activation of the p38 mitogen-activated protein kinase pathway in Caenorhabditis elegans. Cell Microbiol. 15 (1), 82-97 (2013).
- Alexeyev, M. F., Shokolenko, I. N. Mini-Tnl 0 transposon derivatives for insertion mutagenesis and gene delivery into the chromosome of Gram-negative bacteria. Gene. 160 (1), 59-62 (1995).
- Wiegand, I., Hilpert, K., Hancock, R. E. Agar and broth dilution methods to determine the minimal inhibitory concentration (MIC) of antimicrobial substances. Nat Protoc. 3 (2), 163-175 (2008).
- Pansare, V., Hejazi, S., Faenza, W., Prud’homme, R. K. Review of Long-Wavelength Optical and NIR Imaging Materials: Contrast Agents, Fluorophores and Multifunctional Nano Carriers. Chem Mater. 24 (5), 812-827 (2012).
- Heim, R., Cubitt, A. B., Tsien, R. Y. Improved green fluorescence. Nature. 373 (6516), 663-664 (1995).
- Weissleder, R. A clearer vision for in vivo imaging. Nat Biotechnol. 19 (4), 316-317 (2001).
- Frangioni, J. In vivo near-infrared fluorescence imaging. Current Opinion in Chemical Biology. 7 (5), 626-634 (2003).
- Collins, J. W., et al. Citrobacter rodentium: infection, inflammation and the microbiota. Nat Rev Microbiol. 12 (9), 612-623 (2014).
- Mallick, E. M., et al. A novel murine infection model for Shiga toxin-producing Escherichia coli. J Clin Invest. 122 (11), 4012-4024 (2012).
- Petty, N. K., et al. The Citrobacter rodentium genome sequence reveals convergent evolution with human pathogenic Escherichia coli. J Bacteriol. 192 (2), 525-538 (2010).
- Kovach, M. E., Elzer, P. H., Hill, D. S., Robertson , G. T., Farris, M. A., Roop, R. M., Peterson, K. M. Four new derivatives of the broad-host-range cloning vector pBBR1MCS, carrying different antibiotic-resistance cassettes. Gene. 166 (1), 175-176 (1995).
- Galen, J. E., Nair, J., Wang , J. Y., Wasserman, S. S., Tanner, M. K., Sztein , M. B., Levine, M. M. Optimization of Plasmid Maintenance in the Attenuated Live Vector Vaccine Strain Salmonella typhiCVD 908-htrA. Infect Immun. 67 (12), 6424-6433 (1999).
- Francis, K. P., et al. Visualizing pneumococcal infections in the lungs of live mice using bioluminescent Streptococcus pneumoniae transformed with a novel gram-positive lux transposon. Infect Immun. 69 (5), 3350-3358 (2001).
- Goldwater, P. N., Bettelheim, K. A. Treatment of enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) infection and hemolytic uremic syndrome (HUS). BMC Med. 10, (2012).
