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我们提出了一项协议, 利用马达加斯加嘶咝蟑螂作为替代哺乳动物模型, 以进行细菌的毒力, 发病机制, 药物毒性, 药物功效, 和先天免疫反应研究。
在哺乳动物和昆虫之间, 先天免疫的许多方面都是守恒的。一只昆虫, 马达加斯加咝嘶蟑螂从Gromphadorhina,可以作为一个替代动物模型, 研究的毒力, 宿主-病原体相互作用, 先天免疫反应, 和药物的功效。提供的细节为饲养, 关心和饲养的嘘声蟑螂。我们还说明了它如何感染细菌, 如胞内病原体霍尔德鼻疽, b. 鼻疽和 b. thailandensis。使用嘶咝的蟑螂是不贵的, 并克服了在研究中使用哺乳动物的管理问题。此外, 使用嘶咝蟑螂模型发现的结果是可重现的, 类似于使用哺乳动物模型获得。因此, 马达加斯加的嘘声蟑螂代表了一个有吸引力的代理主机, 应该探索时进行动物研究。
近年来, 利用昆虫作为替代哺乳动物模型来研究细菌病机和先天宿主防御的作用已经越来越强劲。从后勤上来说, 这是由于他们相对低廉的成本和容易获得, 处理和照顾昆虫与哺乳动物相比。此外, 亦没有规管在研究中使用昆虫的政策;它不受任何动物使用委员会或政府机构规定的权限或限制的约束。昆虫作为替代动物模型特别适合于对毒力因子、宿主-病原体相互作用以及抗微生物药物功效的评估进行全面筛选研究。它们的使用可以减少用于研究的哺乳动物的数量从而克服动物实验行为所固有的一些伦理难题1,2。
昆虫可以充当替代宿主, 因为昆虫和哺乳动物的先天免疫系统之间有高度的共同性1,3。昆虫 plasmatocytes 和哺乳动物巨噬细胞吞噬微生物4。与中性粒细胞的昆虫对应的是血5,6。昆虫和哺乳动物细胞的胞内氧化爆裂通路相似;活性氧在这两种生产的同源 p47phox和 p67phox蛋白质5。在昆虫和 toll 样受体和 Interleukin-1 中, 在哺乳动物的收费受体下游的信号瀑布也非常相似;这两种结果都产生抗菌肽, 如防御7。因此, 昆虫可以用来研究一般的先天免疫机制, 共享的后生。
一种名叫马达加斯加的昆虫, 来自于Gromphadorhina,是现存最大的蟑螂物种之一, 在成熟时通常达到5到8厘米。它只原产于马达加斯加的岛屿, 其特征是发出咝嘶声--发出嘶咝的蟑螂通过呼吸口排出空气的声音, 称为气孔8。独特的嘘声充当一种社会通信的形式在嘶咝的蟑螂之间为求爱和攻击9 , 并且可以听见 , 当一个男性在它的栖所扰。与美国蟑螂和其他城市害虫相比, 马达加斯加的嘶咝蟑螂的移动速度很慢。它是容易照料和养殖;一只怀孕的臭蟑螂每次能生20到30个孩子。一只名叫若虫的婴儿, 在经历 6 molts 后的5月内达到性成熟, 并且在野外和圈养的5年中都可以存活8。
我们已利用马达加斯加嘶咝蟑螂作为代理主机感染与胞内病原体霍尔德鼻疽, b. 鼻疽, 和B. thailandensis 10,11.这些病原体的毒力与它们的毒力相比, 在霍尔德的基准动物模型, 叙利亚仓鼠。我们发现, 50% 致命剂量 (LD50) 的b. 鼻疽和b. 鼻疽在两个模型中都是相似的11。有趣的是, B. thailandensis,虽然无毒在啮齿目动物模型中, 是致命的在嘶咝蟑螂11。与B. thailandensis感染有关的这种差异突出说明了嘶咝蟑螂模型的效用;B. thailandensis衰减突变体可以更容易地解决在嘶咝蟑螂比啮齿动物模型。此外, 由于b. thailandensis通常用作b. 鼻疽和b. 鼻疽 10、12、13的模型有机体, 因此可以识别衰减突变。在其毒性更强的亲属中导致类似的目标。
尽管thailandensis的毒力与叙利亚仓鼠的毒性不同, 但在严重毒力因子, 如6型分泌 system-1 (T6SS-1) 的突变, 在b. 鼻疽和B. 鼻疽, 同样为 B. thailandensis 11而衰减。在该 T6SS 突变体 (T6SS-2 到 T6SS-6), 在B. 鼻疽中, 对叙利亚仓鼠的毒力没有任何影响, 在嘶蟑螂11中仍然有剧毒。因此, 嘶咝蟑螂是一个可行的替代动物模型为三霍尔德物种。最近, 我们利用嘶咝蟑螂作为替代动物模型, 研究抗疟药物氯喹 (CLQ) 对霍尔德感染10的有效性及其毒性。
在这里, 我们描述的饲养和照顾的马达加斯加嘶咝蟑螂, 并提供有关如何感染这种昆虫与三霍尔德物种的细节。此外, 我们说明, 嘶咝蟑螂是一个可行的替代模型, 研究毒力和药物的有效性, 在霍尔德感染, 它可能也可以作为替代宿主的其他细菌病原体在类似的研究。
1. 为维持一只嘘蟑螂蚁群作准备
2. 嘘声蟑螂关心和饲养
3. 蟑螂的实验准备
4. 细菌培养和制剂
注: 本协议中使用的细菌种类为b. 鼻疽、b. 鼻疽和 b. thailandensis.所有使用b. 鼻疽和b. 鼻疽的操作必须在安全级别 (BSL) 3 实验室中的第二类或第三类生物安全柜中执行。在位于 BSL2 或 BSL3 实验室的类似生物安全柜中执行与B. thailandensis的操作。遵循 BSL3 工作的制度标准操作程序。在处理细菌时, 遵循使用个人防护设备的机构指南。
5. 药物制剂
6. 喷油器的装配
7. 蟑螂注射液
8. 记录嘶咝蟑螂的发病率和死亡率
本节说明了当马达加斯加的蟑螂被b. 鼻疽、b. 鼻疽、或b thailandensis感染时所取得的结果;结果表明, 该昆虫是一种适合于不同种类的霍尔德的动物模型, 用于研究毒力、药物毒性和细菌感染的药效。在感染了减毒突变体 (Δhcp1) 的组中, 比在感染野生b 鼻疽K96243、父母b . 鼻疽 SR1 或b. thailandensis DW503 (图 1)。反之, 感染与剧毒突变体 (δhcp2或δhcp3) 同样杀死了野生B. 鼻疽(图 1)。感染与哺乳动物无毒霍尔德物种, B. thailandensis E264, 及其氨基糖苷类敏感衍生物 DW503, 表明, 嘘声蟑螂模型特别适合于阐明突变在B. thailandensis导致衰减 (图 2)。因此, 它是一个更适合的动物模型的B. thailandensis研究比啮齿动物模型。增加的浓度或多次注射的 CLQ 没有杀死嘶声蟑螂;这说明, 药物毒性也可以在嘶咝蟑螂模型(图 3)中进行测试。此外,图 4显示了 CLQ 对B. thailandensis感染的有效性。在图 5中显示了 "嘘蟑螂" 护理和感染的重要方面。表 1可用于在实验中对嘶咝蟑螂的发病率进行评分。
图 1:在注射后有剧毒和减毒的蟑螂存活霍尔德. 每组八只嘶咝蟑螂注射25µL 的细菌悬浮液。在5天内, 每天都要检查一次活着的蟑螂。(A) 在 100 CFUs 时, 用父母的B. 鼻疽SR1 (开放正方形) 或Δhcp1突变体 (闭合正方形) 注射了嘶咝蟑螂。(B) 嘘声蟑螂被注射了狂放的类型B. 鼻疽K96243 (开放正方形), δhcp1 (闭合的正方形), δhcp2 (开放三角), 或δhcp3 (开放圈子) 突变体在 10 CFUs。(C) 在 100 CFUs 时, 用父母的B. thailandensis DW503 (开放正方形) 或Δhcp1突变体 (闭合正方形) 注射了嘶咝蟑螂。最初在引用11中发布的图。请单击此处查看此图的较大版本.
图 2: 在注射增加浓度的情况下, 嘶声蟑螂生存率B. thailandensis LD50 确定.每组八只嘶野生的蟑螂注射了B. thailandensis E264 (A) 或氨基糖苷类敏感衍生物 DW503 (B), 存活期为7天。LD50是 3 CFUs, 用于 E264 和 6 CFUs DW503。请单击此处查看此图的较大版本.
图 3: 用氯喹注射后的嘶咝蟑螂存活.每组喷出五只嘶咝蟑螂 (A) 或连续两天 (B) 分别注射 250 (菱形)、500 (方形) 或1000µg (三角形) CLQ 或 PBS (圆圈), 存活时间为7天。请单击此处查看此图的较大版本.
图 4:感染后的蟑螂生存率B. thailandensis 和氯喹的治疗. 10 到12每组的嘶咝蟑螂感染了b. thailandensis DW503, 未处理 (方形), 感染了b. thailandensis DW503, 并与 CLQ 治疗 (三角形), CLQ 单独治疗 (钻石), 或未受感染和未经治疗 (圈)。生存记录了7天。生存曲线, 一个组合的4独立的实验, 被表示为一个百分比等于总人数的幸存者除以总数量的嘶声蟑螂的每一个治疗的日子表明。给定的 CFU 接种从10到 20 LD50不等。最初在引用10中发布的图。请单击此处查看此图的较大版本.
图 5:相关的图像与嘶咝蟑螂模型.(a) 雌嘶蟑螂头上缺乏突起。(B) 雄嘶蟑螂可以通过喇叭的存在来识别。(C) 一个嘶咝的蟑螂必须蜕皮出它的外骨骼生长。新兴的昆虫是白色的颜色, 但逐渐变暗, 因为新的外骨骼硬化。(D) 在实验过程中, 可能会在一个带通风孔的瓶盖塑料容器中安装嘶咝蟑螂。(E) 在 BSL3 条件下, 嘶咝蟑螂被装在螺丝盖塑料容器中。(F) 一个大的鼠标笼是用来房子一个嘶咝蟑螂殖民地。它应该包含食物, 水和纸板蛋纸盒为掩藏。(G) 在一个重复的吸管上注射1毫升注射器。(H) 通过在腹 terga 之间的皮肤膜上注射疫苗, 来接种嘶咝蟑螂。请单击此处查看此图的较大版本.
1 | 生活, 正常 | -积极移动 -能够抓住和抓住手指时, 嘶咝蟑螂被拾起 |
2 | 活着, 昏昏欲睡 | -不动, 但在被戳时爬行 |
3 | 活着, 奄奄一息 | -不动的腿塞在 -在被戳时不移动 -触角和/或腿移动时, 被戳 |
4 | 死 | -不动的腿塞在 -天线在被戳时不会移动 -腿不动时, 被戳 |
表 1: 嘶咝蟑螂发病率评分系统.整体评分为一组嘶咝蟑螂是基于嘶咝蟑螂与最高分的组。
最佳的实验条件始于一个健康的嘶咝蟑螂殖民地, 这需要一个最小的, 但一致的时间承诺。虽然嘶咝的蟑螂可以在一段较长的时间 (〜周) 没有食物和水, 每周或双周的笼子维护必须提供。这包括检查食物和水的供应, 确保笼子是干的。在高温的驯化和孵化过程中, 保持干燥的生活条件尤为重要;我们发现, 更多的嘘声蟑螂死亡, 并在更高的速度在较高的温度下, 容器没有每天清洗。
稳定的剂量或接种的嘘声蟑螂的关键是要用力按压重复吸管上的分配器按钮。我们建议练习这种技术, 把注射器装在重复的吸管上, 并进行空白注射。对于新的操作者来说, 最耗时的步骤是在注射的过程中保持或固定起嘶的蟑螂。因此, 我们也强烈建议, 在处理一个更雄心勃勃的项目之前, 实施多发嘶蟑螂的手持和注射技术。这可以通过维持一小群只用于注射的蟑螂来实现。虽然我们已经发现, 注射可以执行快速时, 在其一侧持有嘶咝蟑螂, 其他技术, 以持有嘶咝蟑螂 (如固定在一个光滑的弯曲表面嘶咝蟑螂; 栖息的嘶声蟑螂在中指, 而食指和拇指固定它) 可能是首选, 应该由不同的运营商探索。
使用嘶咝蟑螂模型比其他昆虫模型提供几个好处 (例如蜡蠕虫幼虫拱廊螟和果子飞行果蝇) 以前被使用作为动物模型与霍尔德感染16、17、18。例如, 实验性的窗口, 一个嘶咝蟑螂范围从几个月到几年, 允许灵活性的研究员, 而对于一个蜡蠕虫幼虫只有五天19,20。对于一只蜡虫幼虫, 五天期也与茧装箱相吻合;除去茧是一个劳动密集型的过程, 可能会对幼虫造成身体创伤20。更重要的是, 一个B. thailandensis T6SS-1 突变体在叙利亚仓鼠和嘘蟑螂11中都是剧毒的, 在拱廊中是致命的, 这表明加莱里亚不是一个好的研究模型一些变种人, 如 T6SS 在B. thailandensis (未显示数据)。
使用的嘘声蟑螂提出了几个优势比果蝇。嘶咝蟑螂是巨大的和一个坚固的身体质量与强硬的外骨骼, 使其易于处理, 在注射。相比之下, 果蝇很小, 需要专门的接种设备。此外, 虽然嘶咝蟑螂自然生活在类似或超过人体温度的温度, 最佳温度的果蝇是在22至28° c。这使得果蝇的限制使用在研究过程中, 依赖于人体温度 (如 multi-nucleated 巨细胞形成在霍尔德 10)。
有些缺点对使用嘶咝蟑螂确实存在。的遗传的嘶咝蟑螂是不一样的研究, 如那些果蝇, 甚至拱廊。嘶咝的蟑螂也有很大的 "恶心" 或严重的因素。然而, 嘶咝蟑螂仍然是一个有吸引力的和可行的代理主机为霍尔德, 提供了明显的优势, 其使用的研究, 是唯一的物种。正如我们已经说明的那样, 马达加斯加嘘声蟑螂是一个听话的代理主机为霍尔德, 它很可能也可以作为替代宿主的其他细菌病原体, 我们目前正在利用它在这种研究。
作者没有什么可透露的。
蔡、费希尔、DeShazer 和上午弗里德兰德设计了手稿中描述的程序。蔡、费希尔、法令 Falcinelli 和 DeShazer 进行了实验。蔡写了手稿。
作者感谢约书 j.w 罗恩, 诺拉 d. 多伊尔, 尼古拉斯 r. 卡特和史蒂芬 a. Tobery 为优秀的技术援助和大卫 p. Fetterer 和史蒂芬 j. 科恩进行统计分析。
这项工作得到了国防减少威胁局的建议, #CBCALL12 THRB1-1-0270 到上午 F 和 #CBS。MEDBIO 02.10 号路034至博士
意见、解释、结论和建议都是作者的观点, 并不一定得到美国陆军的认可。
本出版物的内容不一定反映国防部的意见或政策, 也不提及贸易名称、商业产品或组织意味着美国政府的认可。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Madagascar hissing cockroach | Carolina Biological Supply Co, Burlington, NC | 143668 | |
Kibbles n Bits, any flavor | Big Heart Pet Brands, San Francisco, CA | UPC #079100519378 | |
Snap on disposable plastic containers or equivalent | Rubbermaid, Huntersville, NC | UPC #FG7F71RETCHIL | |
Screw on disposable plastic containers or equivalent | Rubbermaid, Huntersville, NC | UPC #FG7J0000TCHIL | |
Tridak STEPPER series repetitive pipette | Dymax Corporation www.dymax.com | T15469 | |
Syringe (1 mL) | Becton Dickinson, Franklin Lakes, NJ | 309659 | |
Needle (26 or 27G x 1/2) | Becton Dickinson, Franklin Lakes, NJ | 305109, 305111 | |
Chloroquine diphosphate | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | C6628 | |
Phosphate buffered saline | Gibco/ Thermo Fisher Scientific, Gaithersburg, MD | 10010023 | |
Difco Luria- Bertani (Lennox) | Becton Dickinson, Sparks, MD | 240230 | |
Agar | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | A1296 | |
Glycerol | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | G6279 |
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