脊椎インプラント感染のin vivoマウスモデル
Summary
プロトコルはステンレス鋼kワイヤー インプラントが生物発光黄色 ブドウ球 菌Xen36と感染する脊髄インプラント伝染の新しい生体内のマウス モデルを記述する。細菌負荷は、生物発光イメージングで縦断的に監視され、安楽死後のコロニー形成ユニット数で確認されます。
Abstract
脊椎インプラント感染症は、診断が困難であり、外科的根絶が機械的脊椎の安定性と相反するため、予後不良の前兆です。この方法の目的は、脊椎インプラント感染症の潜在的な治療法と治療戦略をテストするための安価で迅速、かつ正確なin vivoツールを提供するために作成された脊椎インプラント感染症(SII)の新しいマウスモデルを説明することです。
この方法では、12週齢のC57BL/6J野生型マウスのL4棘突起にステンレス鋼のkワイヤーを固定し、黄色ブドウ球菌Xen36細菌の生物発光株の1 x 103 CFUを接種する後方アプローチ脊椎手術のモデルを提示します。次に、マウスを術後0、1、3、5、7、10、14、18、21、25、28、および35日目のin vivoで生物発光について縦断的に画像化します。標準化された視野からの生物発光イメージング(BLI)信号を定量化して、in vivoの細菌負荷を測定します。
インプラントやインプラント周囲組織に付着した細菌を定量するために、マウスを安楽死させ、インプラントや周囲の軟部組織を採取します。バクテリアは超音波処理によってインプラントから分離され、一晩培養され、次にコロニー形成単位(CFU)がカウントされます。この方法から得られた結果には、in vivo 黄色ブドウ球菌 の生物発光によって測定された縦断的細菌数(平均最大フラックス)と安楽死後のCFU数が含まれます。
これまでの脊椎感染症の動物モデルには、侵襲的なex vivo組織分析が含まれていましたが、この論文で紹介するSIIのマウスモデルは、生物発光細菌の非侵襲的でリアルタイムのin vivo光学イメージングを活用して、静的組織研究に取って代わります。このモデルの用途は多岐にわたり、代替の生物発光細菌株の利用、宿主の免疫応答を同時に研究するための他の種類の遺伝子改変マウスの組み込み、抗生物質やインプラントコーティングなどの新しい診断および治療モダリティの現在または調査が含まれます。
Introduction
この方法の目的は、脊椎インプラント感染症(SII)の新しいマウスモデルを記述することです。このモデルは、in vivoで宿主、病原体、および/またはインプラント変数の影響を柔軟に評価するための安価で正確なツールを提供するように設計されています。このモデルで脊椎インプラント感染症の潜在的な治療法と治療戦略をテストすることは、より大きな動物モデルや臨床試験に適用する前に研究開発を導くことを目的としています。
脊椎手術後のインプラント関連の感染症は壊滅的な合併症であり、残念ながら、選択的脊椎手術を受けている患者の約3〜8%に発生します1,2,3,4,5およびマルチレベルまたは再手術を受けている患者の最大65%6。脊椎インプラント感染症の治療には、多くの場合、複数回の入院、複数回の手術、および長期の抗生物質療法が必要です。SIIは、神経学的障害、障害、死亡リスクの増加など、患者の転帰不良の前兆です。SIIの管理は非常に費用がかかり、患者1人あたり90万ドル以上の費用がかかります7。
黄色ブドウ球菌は、SII 8,9,10,11の最も一般的な病原体です。細菌は、手術中に直接、術後の傷口から、または後に血行性の広がりを介してハードウェアに種をまく可能性があります。金属インプラントの存在下で、黄色ブドウ球菌は抗生物質療法や免疫細胞から細菌を保護するバイオフィルムを形成します。感染したハードウェアの除去は、感染を効果的に根絶するのに役立つ可能性がありますが、これは、不安定化を引き起こし、神経学的障害のリスクを冒さずに脊椎で実行できないことがよくあります12。
感染したハードウェアを摘出できない場合、SIIを予防、検出、治療するための新しいアプローチが必要です。歴史的に、新しい治療法の安全性と有効性を効率的に評価するためのSIIの動物モデルは限られていました。SIIの以前の動物モデルでは、多数の動物と、コロニーカウント、組織学、培養など、安楽死を必要とするデータポイントの収集が必要でした13,14,15。これらのモデルは、縦断的なin vivoモニタリングを欠いているため、1匹の動物につき1つのデータポイントしか提供しないため、高価で非効率的です。
人工膝関節置換術感染のマウスモデルを研究した以前の研究では、感染負荷を縦断的に監視するための非侵襲的in vivo光学イメージングの価値と精度が確立されました16。生物発光の検出により、1匹の動物の細菌負荷を縦断的に、人道的、正確、効率的に定量化することができます。さらに、以前の研究では、in vivo生物発光とインプラントに接着したCFUとの間に高い相関関係があることが実証されています17。感染を経時的に追跡する能力は、インプラント関連の感染のより微妙な理解につながりました。さらに、このように縦断的感染を監視することで、抗生物質療法と新規抗菌薬の有効性を正確に評価できるようになりました16,17,18。
これらのツールを活用して、術後の脊椎インプラント感染のモデルを開発し、検証しました。提示された方法では、生物発光黄色ブドウ球菌Xen36の接種物を利用して、細菌負荷を縦断的に監視するためのSIIのin vivoマウスモデルを確立します16,17,18。この新しいモデルは、より大きな動物モデルや臨床試験に適用する前に、SIIの潜在的な検出、予防、および治療戦略を効率的にテストするための貴重なツールを提供します。
Protocol
Representative Results
Discussion
脊椎のインプラント関連の感染症は、患者の転帰不良の前兆です1,2,3,4,5。体内の他の多くの領域とは異なり、脊椎の感染したハードウェアは、不安定性や神経学的障害のリスクがあるため、取り除くことができないことがよくあります。全身抗生物質療法に耐性のある?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、これらの実験の主要な資金源として、北米小児整形外科学会のバイオメット脊椎助成金と国立衛生研究所の臨床トランスレーショナルサイエンス研究所KL2助成金、およびHH Lee Surgical Research Grantの両方を受け取ったことに感謝したいと思います。
Materials
| Analytical Balance ME104 | Mettler Toledo | 30029067 | 120 g capacity, 0.1 mg readability, backlit LCD, internal adjustment, metal base |
| BD Bacto Tryptic Soy Broth | Becton Dickinson (BD) | BD 211825 | BD Bacto Tryptic Soy Broth (Soybean-Casein Digest Medium) |
| Biomate 3S UV-VIS Spectrophotometer | Thermo Scientific | 840-208300 | Spectrophotometer; Thermo Scientific; BioMate 3S; Six-position cell holder; Spectral bandwidth: 1.8nm; Long-life xenon lamp; Store up to 40 test methods; 16L x 13W x 9 in. H; 19 lb.; 100/240V US line cord |
| Bioshield 720+ swinging bucket rotor | Thermo Scientific | 75003183 | Rotor, Swinging bucket; Thermo Scientific; BIOShield 720 high speed; Capacity: 4 x 180mL (0.72L); Angle: 90 deg. ; Max. speed/RCF: 6300rpm/7188 x g; Max. radius: 16.2cm |
| Branson Ultrasonics 2510R-MTH (Sonicator) | Branson Ultrasonics | CPX952217R | *similar model, our model is discontinued* Branson Ultrasonics MH Series Heated Ultrasonic Cleaning Bath, 120V, 0.75 gal |
| Bullet Blender Storm Homogenizer | Next Advance | BBY24M | The Bullet Blender Storm is the most powerful member of the Bullet Blender family. Homogenize up to 24 of your toughest samples (mouse femur, skin, cartilage, tumor, etc.) in just minutes. Air cooling™ minimizes sample heat up. Uses 1.5ml screw-cap RINO® tubes or snap-cap Eppendorf® Safe-lock™ tubes. |
| Germinator 500 | Electron Microscopy Sciences | 66118-10 | The Germinator 500 is designed to decontaminate metal micro-dissecting instruments only. It is to be used exclusively for research purposes. The Germinator 500 should not be used as a substitute for traditional methods of terminal sterilization. Effective sterilization cannot be assured due to lack of routine sterilization-efficacy monitoring methods for glass bead sterilization. The Germinator 500 has been designed and built to pass the Validation of Dry Sterilizer Spore Suspension Test: USP XXIII, Part 1211. |
| Heracell 150i CO2 Incubator | Thermo Scientific | 51026282 | Single 150L |
| IVIS Lumina X5 Imaging System | Perkin Elmer | CLS148590 | The IVIS Lumina X5 high-throughput 2D optical imaging system combines high-sensitivity bioluminescence and fluorescence with high-resolution x-ray into a compact system that fits on your benchtop. With an expanded 5 mouse field of view for 2D optical imaging plus our unique line of accessories to accelerate setup and labeling, it has never been easier or faster to get robust data—and answers—on anatomical and molecular aspects of disease. |
| MAXQ 4450 Digtial Incubating Bench Shaker | Thermo Scientific | SHKE4450 | Shaker, Incubated; Thermo Scientific; Digital; MaxQ 4450; Speed 15 to 500rpm +/-1rpm; 5 deg. C above ambient to 80 deg. C; 120V 50/60Hz |
| PBS, Phosphate Buffered Saline | Fisher Bioreagents | BP24384 | PBS, Phosphate Buffered Saline, 1X Solution, pH 7.4 |
| Sorvall Legend Micro 21 Centrifuge, Ventilated | Thermo Scientific | 75002436 | 24 x 1.5/2.0mL rotor with ClickSeal biocontainment lid |
| SORVALL LEGEND X1R 120V Centrifuge | Thermo Scientific | 75004261 | Centrifuge, Benchtop; Thermo Scientific; Sorvall Legend X1R (Refrigerated), 1L capacity; Max. Speed/RCF 15,200rpm/25,830 x g; CFC-free cooling -10C to +40C; 120V 60Hz |
| Staphylococcus aureus – Xen36 | Perkin Elmer | 119243 | Staphylococcus aureus – Xen36 bioluminescent pathogenic bacteria for in vivo and in vitro drug discovery. This product was derived from a parental strain from the American Type Culture Collection, used under license. Staph. aureus-Xen36 possesses a stable copy of the Photorhabdus luminescens lux operon on the native plasmid. |
| TUTTNAUER AUTOCLAVE 2540E 120V | Heidolph Tuttnauer | 23210401 | Sterilizer, Benchtop; Heidolph; Tuttnauer; Model 2540E; Self-contained design with refillable reservoir controls water purity for sterilization; 120V 50/60Hz; 1400w. With electronic controls |
| Tween 80 | Fisher Bioreagents | BP338-500 | Tween 80, Fisher BioReagents, Non-ionic detergent for selective protein extraction |
| Vortex mixer VX-200 | Labnet Internation | S0200 | 120V touch or continuous mixer, 230V: 0 – 2,850 rpm,120V: 0 – 3,400 rpm |
| 0.9% Sodium Chloride | Pfizer Injectables/Hospira | 00409-4888-10 | 0.9% Sodium Chloride Injection, USP |
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