Teken kunstmatige membraanvoeding voor Ixodes scapularis
Summary
Hier wordt een methode gepresenteerd om teken in vitro te voeden via een kunstmatig membraansysteem om gedeeltelijke of volledige stuwing van een verscheidenheid aan tekenlevensfasen mogelijk te maken.
Abstract
Teken en de bijbehorende ziekten zijn een belangrijk onderwerp van studie vanwege hun volksgezondheid en veterinaire last. De voedingsbehoeften van teken tijdens zowel studie als opfok kunnen echter experimentele vragen of het vermogen van laboratoria om teken en hun bijbehorende pathogenen te onderzoeken, beperken. Een kunstmatig membraanvoedingssysteem kan deze problemen verminderen en nieuwe onderzoeksmogelijkheden openen die misschien niet mogelijk waren met traditionele diervoedersystemen. Deze studie beschrijft een kunstmatig membraanvoedingssysteem dat is verfijnd voor voedings- en stuwingssucces voor alle ixodes scapularis-levensfasen . Bovendien kan het kunstmatige membraanvoedingssysteem dat in deze studie wordt beschreven, worden aangepast voor gebruik met andere tekensoorten door eenvoudige verfijning van de gewenste membraandikte. De voordelen van een kunstmatig membraanvoedingssysteem worden gecompenseerd door de arbeidsintensiviteit van het systeem, de extra omgevingsfactoren die van invloed kunnen zijn op het voedingssucces en de noodzaak om de techniek voor elke nieuwe soort en levensfase van teken te verfijnen.
Introduction
Door teken overgedragen ziekten hebben een sterke invloed op de gezondheid van mens en dier over de hele wereld en zijn verantwoordelijk voor meer dan tweederde van alle vectorgerelateerde ziekten in de VS van 2004 tot 20161. Bovendien is het aantal gevallen de afgelopen jaren toegenomen, waarbij meer mensen en vee worden getroffen door teken en de bijbehorende ziekten 2,3. Hoewel er waarschijnlijk tal van oorzaken zijn voor de stijgende trend in het aantal gevallen, is het veranderende klimaat een belangrijke factor 3,4. De voorspelde voortdurende toename van het aantal door teken overgedragen ziektegevallen onderstreept de noodzaak om nieuwe hulpmiddelen te ontwikkelen om de relaties tussen teken en de ziekteverwekkers die ze overbrengen te onderzoeken.
Het is bekend dat teken tijdens het voeden veranderingen in fysiologie en genexpressie ondergaan en dat deze veranderingen een rol spelen bij de overdracht van ziekteverwekkers 5,6. Het kan moeilijk zijn om studies uit te voeren die de effecten van volledige en gedeeltelijke voeding op de overdracht en verwerving van pathogenen onderzoeken met behulp van diermodellen, met name in situaties waarin knaagdiermodellen niet vatbaar zijn voor infectie door een bepaald pathogeen. Anaplasma phagocytophilum Variant-1 stam wordt bijvoorbeeld van nature overgedragen tussen Ixodes scapularis en herten, maar is niet in staat om muizen te infecteren, wat de tekeninfectie in het laboratorium bemoeilijkt7. Kunstmatige voedingssystemen kunnen ook worden toegepast om pathogenen zoals Borrelia burgdorferi te helpen bestuderen via het gebruik van transgene mutanten met gendeleties die transmissie of infectie remmen8. Het gebruik van een kunstmatig voedingssysteem helpt onderzoekers de rol van de genen te isoleren door infectie of overdracht alleen aan de kant van de teek toe te staan, waardoor elke gastheerrespons wordt geïsoleerd die dergelijke studies kan verstoren.
Evenzo kunnen sommige levensfasen van teken die betrokken zijn bij ziekte en overdracht van dieren mogelijk niet worden geïnduceerd om zich te voeden met gemeenschappelijke laboratoriummodelsoorten. Ixodes scapularis-vrouwtjes moeten bijvoorbeeld worden gevoed met grotere dieren, meestal konijnen9. Hoewel vaak toegankelijk voor laboratoriumexperimenten, overtreffen de administratieve en houderijvereisten voor het gebruik van konijnen die van kleine knaagdieren en kunnen ze voor sommige laboratoria onbetaalbaar zijn. Andere tekensoorten, met name die welke van veterinair belang zijn, moeten worden gevoederd met runderen of andere grote dieren die in de meeste laboratoria niet praktisch te gebruiken zijn. In vitro voeding en infectiemethoden, zoals kunstmatige membraanvoeding, bieden alternatieven voor het gebruik van grote of exotische gastheerdieren.
Bovendien maakt het gebruik van een kunstmatig voersysteem bepaalde analyses mogelijk die mogelijk niet mogelijk zijn met traditionele diervoedingsmethoden. Een voorbeeld hiervan is dat, door de bloedbron van het voedingsmechanisme te scheiden, onderzoek van de rol die het bloed van verschillende gastheren kan hebben in B. burgdorferi-transmissie mogelijk wordt10. Dit onderzoek van gastheerbloed en de rol die bloed zelf speelt in afwezigheid van de immuunrespons van de gastheer is een belangrijke factor bij het kunnen begrijpen van pathogeentransmissiecycli en een die kunstmatige voedingssystemen kunnen helpen beantwoorden11. Het wordt ook mogelijk om de exacte transmissieaantallen van een pathogeen tijdens een feed te kwantificeren in plaats van alleen het overdrachtssucces en de vestiging in een gastheer 8,12 te onderzoeken.
Sommige van de eerste kunstmatige voedingsmembranen gemaakt voor harde teken werden gemaakt van dierenhuiden of van dieren afgeleide membranen in de jaren 1950 en 196013,14. Vanwege de biologische aard van deze membranen waren er problemen met zowel de productie van nieuwe membranen als de houdbaarheid. In de jaren 1990 werden volledig kunstmatige membranen ontwikkeld die gebruik maakten van een backing van gaas, papier of stof met siliconenimpregnatie15,16. Siliconen waren ideaal omdat de fysieke eigenschappen de rekbaarheid en lichte kleverigheid van de huid nabootsen, samen met de bio-inherente aard. Voortbouwend hierop beschreven Krober en Guerin, op wiens werk deze techniek was gebaseerd, een met siliconen geïmpregneerde rayonmembraanvoedingstechniek voor de kunstmatige voeding van I. ricinus17.
Verfijning van de methoden voor I. scapularis, een nauw verwante soort, heeft geleid tot opmerkelijke verschillen in de hardheid van siliconen die worden gebruikt bij membraanimpregnatie, het recept voor membraanproductie, afmetingen van de kamer en het aanhechtingsstimulerend middel. Hoewel de verfijningen die in deze studie zijn gerapporteerd, hebben geresulteerd in vergelijkbare membraankenmerken als die gerapporteerd door Andrade et al., die ook een op siliconen gebaseerd membraan op basis van Krober en Guerin ontwikkelden voor gebruik in I. scapularis, is er een verschil in de siliconenimpregnatiestappen, wat de flexibiliteit biedt om dit protocol te gebruiken voor onrijpe levensfasen van I. scapulularis15, 18. Deze studie beschrijft ook toevoegingen en technische wijzigingen op basis van herhaald gebruik van deze methode, best practices die resulteren in een succesvolle feed en het oplossen van problemen die zich kunnen voordoen. Deze methode is gebruikt om alle actieve levensfasen te voeden, teken te infecteren met pathogene bacteriën en teken bloot te stellen aan meerdere doseringen antibiotica 19,20. Hoewel de getoonde kunstmatige membraanvoedingsmethode voor I. scapularis is, is deze methode gemakkelijk aan te passen aan andere soorten teken met kleine wijzigingen in de membraandikte.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kunstmatige membraanvoeding van teken biedt een nuttig hulpmiddel voor een verscheidenheid aan experimentele procedures, maar zal waarschijnlijk niet voor alle toepassingen het voeren van dieren vervangen. Het onderhouden van grote kolonies teken in alle levensfasen zonder diervoeding is over het algemeen onhoudbaar. In plaats daarvan is het kunstmatige voedingssysteem waardevol voor andere doeleinden, zoals het infecteren van teken met pathogenen die niet worden ondersteund door modelgastheersers, het evalueren van de e…
Materials
| 00-10 Hardness Silicone | Smooth-On | Ecoflex 00-10 | Trial size from Smooth-On Store |
| 00-50 Hardness Silicone | Smooth-On | Ecoflex 00-50 | Trial size from Smooth-On Store |
| 30 Hardness Silicone | Smooth-On | Mold Star 30 | Trial size from Smooth-On Store |
| 6-well cell culture plates | Corning Incorporated | 3516 | |
| Adenosine triphosphate (ATP) | Millipore Sigma | A1852-1VL | Used to make an aqueous solution of 3 mM ATP that has been filter sterlized via 0.2 micometer filter |
| Bovine blood | HemoStat | DBB500 | Mechanically defibrinated; 500 mL is usually sufficient for one experiment |
| Clingwrap | Fisherbrand | 22-305654 | |
| Filter Paper | Fisherbrand | 09-790-2C | Autoclave and let cool before using. Can use Fine quality instead of medium too |
| Fluon (aqueous polytetrafluoroethylene) | Bioquip | 2871 | Available from other sources such as https://canada-ant-colony.com/products/fluon-ptfe-10ml |
| Glucose | Millipore Sigma | G8270-100G | |
| Hexane | Millipore Sigma | 139386-100ML | |
| Lens paper | Fisherbrand | 11-995 | 100% rayon |
| Nystatin | Gold Biotechnology | N-750-10 | |
| Parafilm | Fisherbrand | S37440 | |
| Penicillin/streptomycin/fungizone | Gibco | 15240-096 | Or equivalent generic with concentration as follows (10,000 units/mL of penicillin, 10,000 µg/mL of streptomycin, and 25 µg/mL of Amphotericin B) |
| Phagostimulant | Made in House | Collected from prior tick feeds | |
| Polycarbonate Pipe | McMaster-Carr | 8585K204 | Cut to 45 mm length, 1.25 inch outer diameter, 1 inch inner diameter. Cutting requires a chop saw grinding wheel. |
| Rubber O-rings | McMaster-Carr | 9452K38 | 5 mm thick, 1.25 inch inner diameter |
| Soft touch forceps | VWR | 470315-238 | |
| Super glue | cyanoacrylate glue | ||
| Unryu paper | Art supply stores | mulberry fiber 10 g/m2. Purchased at Wet Paint art supply store, St. Paul, MN, USA |
References
- Rosenberg, R., et al. Vital signs: trends in reported vectorborne disease cases – United States and territories, 2004-2016. Morbidity and Mortality Weekly Report. 67 (17), 496-501 (2018).
- Busch, J. D., et al. Widespread movement of invasive cattle fever ticks (Rhipicephalus microplus) in southern Texas leads to shared local infestations on cattle and deer. Parasites & Vectors. 7, 188 (2014).
- Süss, J., Klaus, C., Gerstengarbe, F. W., Werner, P. C. What makes ticks tick? Climate change, ticks, and tick-borne diseases. Journal of Travel Medicine. 15 (1), 39-45 (2008).
- Gray, J. S., Dautel, H., Estrada-Peña, A., Kahl, O., Lindgren, E. Effects of climate change on ticks and tick-borne diseases in Europe. Interdisciplinary Perspectives on Infectious Diseases. 2009, 593232 (2009).
- Sonenshine, D. E. . Biology of Ticks. , (1991).
- Schwan, T. G., Piesman, J., Golde, W. T., Dolan, M. C., Rosa, P. A. Induction of an outer surface protein on Borrelia burgdorferi during tick feeding. Proceedings of the National Academy of Sciences. 92 (7), 2909-2913 (1995).
- Massung, R. F., Priestley, R. A., Miller, N. J., Mather, T. N., Levin, M. L. Inability of a variant strain of Anaplasma phagocytophilum to infect mice. The Journal of Infectious Diseases. 188 (11), 1757-1763 (2003).
- Koci, J., Bernard, Q., Yang, X., Pal, U. Borrelia burgdorferi surface protein Lmp1 facilitates pathogen dissemination through ticks as studied by an artificial membrane feeding system. Scientific Reports. 8 (1), 1910 (2018).
- Levin, M. L., Schumacher, L. B. M. Manual for maintenance of multi-host ixodid ticks in the laboratory. Experimental and Applied Acarology. 70 (3), 343-367 (2016).
- Hart, T., Yang, X., Pal, U., Lin, Y. P. Identification of Lyme borreliae proteins promoting vertebrate host blood-specific spirochete survival in Ixodes scapularis nymphs using artificial feeding chambers. Ticks and Tick-Borne Diseases. 9 (5), 1057-1063 (2018).
- Hart, T. M., et al. Host tropism determination by convergent evolution of immunological evasion in the Lyme disease system. PLoS Pathogens. 17 (7), (2021).
- Bernard, Q., et al. Plasticity in early immune evasion strategies of a bacterial pathogen. Proceedings of the National Academy of Sciences. 115 (16), 3788-3797 (2018).
- Pierce, A. E., Pierce, M. H. A note on the cultivation of Boophilus microplus (Canestrini, 1887) (Ixodidae: Acarina) on the embyonated hen egg. Australian Veterinary Journal. 32 (6), 144-146 (1956).
- Doube, B. M., Kemp, D. H. The influence of temperature, relative humidity and host factors on the attachment and survival of Boophilus microplus (Canestrini) larvae to skin slices. International Journal for Parasitology. 9 (5), 449-454 (1979).
- Kröber, T., Guerin, P. M. An in vitro feeding assay to test acaricides for control of hard ticks. Pest Management Science. 63 (1), 17-22 (2007).
- Kuhnert, F., Diehl, P. A., Guerin, P. M. The life-cycle of the bont tick Amblyomma hebraeum in vitro. International Journal for Parasitology. 25 (8), 887-896 (1995).
- Kröber, T., Guerin, P. M. In vitro feeding assays for hard ticks. Trends in Parasitology. 23 (9), 445-449 (2007).
- Andrade, J. J., Xu, G., Rich, S. M. A silicone membrane for in vitro feeding of Ixodes scapularis (Ixodida: Ixodidae). Journal of Medical Entomology. 51 (4), 878-879 (2014).
- Oliver, J. D., et al. Infection of immature Ixodes scapularis (Acari: Ixodidae) by membrane feeding. Journal of Medical Entomology. 53 (2), 409-415 (2016).
- Oliver, J. D., et al. Growth dynamics and antibiotic elimination of symbiotic Rickettsia buchneri in the tick Ixodes scapularis (Acari: Ixodidae). Applied and Environmental Microbiology. 87 (3), (2021).
- Graham, E. E., Poland, T. M. Efficacy of Fluon conditioning for capturing cerambycid beetles in different trap designs and persistence on panel traps over time. Journal of Economic Entomology. 105 (2), 395-401 (2012).
- Munderloh, U. G., Liu, Y., Wang, M., Chen, C., Kurtti, T. J. Establishment, maintenance and description of cell lines from the tick Ixodes scapularis. Journal of Parasitology. 80 (4), 533-543 (1994).
- Lehane, A., et al. Prevalence of single and coinfections of human pathogens in Ixodes ticks from five geographical regions in the United States, 2013-2019. Ticks and Tick-Borne Diseases. 12 (2), (2021).
- González, J., Bickerton, M., Toledo, A. Applications of artificial membrane feeding for ixodid ticks. Acta Tropica. 215, (2021).
- Król, N., et al. Evaluating transmission paths for three different Bartonella spp. in Ixodes ricinus ticks using artificial feeding. Microorganisms. 9 (5), 901 (2021).
- Anderson, J. F., Magnarelli, L. A. Biology of ticks. Infectious Disease Clinics of North America. 22 (2), 195-215 (2008).
