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介绍了一种在水流下实时成像真菌生物膜形成的流动装置的组装、操作和清洗。我们还提供并讨论了用于获取图像的定量算法。
在口咽念珠菌病中,念珠菌属的成员必须坚持和生长在口腔粘膜表面, 而在唾液流动的影响下。虽然在流的增长模型已经开发, 许多这些系统是昂贵的, 或不允许成像, 而细胞在流动。我们开发了一种新的仪器, 使我们能够想象在流动和实时的白色念珠菌细胞的生长和发展。在这里, 我们详细介绍了该流程设备的组装和使用的协议, 以及所生成数据的量化。我们能够量化单元格附加到和从幻灯片中分离的速率, 以及确定随时间推移的幻灯片上生物量的测量值。该系统既经济又多功能, 与许多类型的光学显微镜, 包括廉价的台式显微镜, 并能延长成像时间相比, 其他流系统。总的来说, 这是一个低吞吐量的系统, 可以提供非常详细的实时信息的生物膜生长的真菌物种在流动。
白色念珠菌(C. 白念珠菌) 是人类的一种机会性真菌病原体, 可感染多种组织类型, 包括口腔粘膜表面, 导致口咽念珠菌病, 并导致受影响的个人的生活质量降低1。生物膜的形成是影响白念珠菌发病的重要特征, 对白念珠菌生物膜的形成和功能进行了大量的研究2,3,4, 5, 其中许多已使用静态 (无流)体外模型进行。然而, 白念珠菌必须坚持和生长在唾液流在口腔中存在。许多流动系统已经开发, 以允许活细胞成像6,7,8,9,10。这些不同的流系统是为不同的目的而设计的, 因此每个系统都有不同的优点和缺点。我们发现, 许多适合C. 白念珠菌的流动系统成本高昂, 需要复杂的制造部件, 或者在流动过程中无法成像, 必须在成像之前停止。因此, 我们开发了一种新的流动装置来研究11流动下的白念珠菌生物膜形成。在我们的流量仪设计过程中, 我们遵循了这些主要考虑因素。首先, 我们希望能够实时量化生物膜生长和发展的多个方面, 而无需使用荧光细胞 (允许我们轻松研究突变菌株和未修改的临床分离株)。其次, 我们希望所有部件都能在商业上提供, 几乎没有任何修改 (i. e., 没有定制制造), 允许其他人更容易地重新创建我们的系统, 并允许轻松维修。第三, 我们还希望允许在相当高的流速率下延长成像时间。最后 , 我们希望 , 经过一段时间的细胞附着到基质动 , 能够监测生物膜生长在较长的时间 , 而不引入新的细胞。
这些考虑促使我们开发了图 1所示的双瓶循环流系统。两个烧瓶允许我们将实验分为两个阶段, 一个附着阶段, 从细胞种子附着烧瓶中吸取, 以及使用无细胞培养基继续生物膜生长的生长阶段, 而无需添加新细胞。该系统设计用于显微镜的孵育室, 其前面的滑块和油管 (2 到 5,图 1) 放置在孵化器内, 而所有其他组件放置在一个大型辅助容器外显微镜。此外, 带有附加温度探针的电炉搅拌器用于保持附着烧瓶中的真菌细胞37摄氏度。由于它是循环的, 这个系统能够连续成像在流动期间 (可以超过36小时取决于条件), 并可用于大多数标准显微镜, 包括直立或倒置台式显微镜。在这里, 我们讨论了流量设备的组装、操作和清洗, 并提供了一些基本的 ImageJ 定量算法来分析实验后的视频。
1. 组装流量设备
2. 执行实验
3. 清洁流动装置
4. 量化视频
注意: 所有文件都需要转换为标记图像文件 (TIF) 格式才能正常工作。此外, 为了比较实验, 重要的是所有的图像都采用相同的显微镜和成像参数, 如上文所述。
在图 2a和补充视频 1中, 使用野生型白色白细胞在37摄氏度下进行正常过夜延时实验的代表性图像。图像经过对比增强, 可提高可见性。对原始数据进行量化, 在图 2B中可以看出代表性图。为了生成这些图, 数据首先归一化到成像区域 (即除以总成像面积), 分离进一步归一化为生物量, 如上所述。此外, 附件和剥离显示累积值随着时间的推移, 而不是由流生物膜量化宏生成的单个帧值。一旦图表达到这个阶段, 统计比较可以通过回归分析进行。
图 1: 两相循环流装置示意图.连接黑线表示油管, 箭头指示正常运行过程中的流向。(a) 说明了流动系统的一般示意图。为方便起见, 流系统分为绿色边 (滑块的上游) 和橙色边 (滑块的下游)。粗体数字对应于材料表中列出的零件。阀门标签只需标记在实验中放置油管夹或绑扎的位置。过滤器顺序如下: 8–20个µm 内联过滤器、9–10µm 内联过滤器、10–2µm 过滤瓶 (FB) 和11–0.22 µm 单使用一次性过滤器。原理图不是缩放。(B) 附件烧瓶的橡皮塞的特写视图, 说明通过端口的四个组件: 介质插座、允许气体交换的0.2 µm 空气滤清器、温度探头 (需要钻孔一个额外的孔) 和媒体返回。(C) 对脉动阻尼器 (PD) 和 FB 的特写视图, 以及每个端口使用的螺钉盖总成。这些瓶子需要气密才能起作用。PD 的出口油管应比进气管更深入到瓶子中, 以便正常工作。FB 中的灰色矩形表示钢过滤器。请点击这里查看这个数字的更大版本.
图 2: 在37摄氏度下生长的白色念珠菌野生型细胞.(A) 在所指明的时间点在37摄氏度下形成的独立王国的代表性暗场显微图像。比例尺 = 100 µm (B) 具有代表性的图像量化数据。在成像区域内的总生物量 (由密度测定法确定)、细胞附着的累积速率和生物量的百分比 (对生物量正常化的剥离率) 随时间而显示。数据是 n ≥3个实验的手段。请点击这里查看这个数字的更大版本.
补充视频 1.白色念珠菌野生型细胞生长在37摄氏度的流动下.这段延时暗场显微镜视频显示了在附着阶段 (在左上角显示的时间) 的 WT 细胞附着在基底上; 每2分钟采集的图像), 随后的生长和发展在生长阶段 (2 小时开始; 每15分钟采集的图像)。细胞种子培养基 (1 x 106) 在附着阶段使用, 而无细胞培养基在生长阶段使用。流是从右向左。缩放栏 = 50 µm.请点击这里查看视频。(右键单击可下载.
使用上述流程系统, 可以生成真菌生物膜生长和发育的定量延时视频。为了使实验进行比较, 必须确保成像参数保持不变, 这一点至关重要。这包括确保为每个实验设置科勒照明的显微镜 (许多参考线可在线进行此过程)。除了成像参数, 在使用流设备时还要牢记一些重要步骤。首先, 确保气泡疏水阀在流体流动过程中保持真空, 这一点很重要, 因为如果不这样做, 将导致空气通过气泡疏水阀被拉入。同样, 当气泡疏水阀不处于真空状态时 (即, 当输送流动装置时), 进气口和出水口必须保持箝位关闭;否则, 空气将通过 PTFE 膜泄漏。在气泡疏水阀再次放置在真空下之前, 不需要取下此夹钳。最后, 监控您的流量设备是否有潜在堵塞或泄漏非常重要。检查系统堵塞的最有效方法是检查附件或生长瓶、PD 和 FB 的入口是否有介质滴落。如果一切运作顺利, 这些媒体应该以相对相似的价格滴水。如果堵塞是存在的, 你通常可以确定的位置, 因为管道刚上游的堵塞将更加僵硬。
获得数据后, 我们提供大量 ImageJ 宏来定量视频。这些宏决定了生物膜生长和发育的多个参数, 包括生物量的测量, 以及细胞附着到表面或生物膜的速率。提供的宏的说明如下所示。
完整分析执行下面列出的所有分析, 并自动输出数据。此宏可以在没有打开的图像文件的情况下执行, 而其他所有要求打开的视频。执行时, 它将提示用户打开一个附件堆栈文件, 然后是一个增长堆栈文件。在此之后, 它将自动分析图像并将包含所有数据表的数据文件夹输出到与附件图像文件相同的文件夹中。附件计数器宏仅在附件文件上执行;所有其他分析都在附件和增长文件的串联堆栈上执行。生成的输出数据文件是文本文件, 但应导入 excel 以便于使用。
总和强度分析将分析活动窗口的每个帧。它将每个像素的所有灰色值添加到步骤4.3.7 中指定的较低阈值之上, 并输出每个帧的一个累计值。生成的值与框架内的生物量成正比, 直到发生任何摄像机饱和度为止。然后将数据规范化到成像区域的区域;这不是由宏执行的。
覆盖区域分析将分析活动窗口的每个帧, 以百分比表示单元格覆盖的帧区域 (高于下限阈值)。
附件计数器将使用帧减法来确定每个帧之间附加的所有单元格的总和强度。因此, 第一个数据点是在1和2帧之间附加的细胞的生物量;第二个数据点是2和3帧之间的附着细胞的生物量, 等等。这些数据应规范化为成像区域的区域。为了便于可读性, 在绘制图形之前集成此值也很有帮助。
脱离计数器的工作原理与附件计数器相同, 但会反转帧减法, 这样就可以确定每个帧之间分离的单元格的总和强度。这些数据还应规范化为成像区域的区域, 并在绘制之前集成。在集成之前, 这些数据可以进一步规范化为总和强度分析中计算的前一个帧的总总和强度。这个新值表示在该时间点与生物膜分离的细胞比例, 这通常是更有价值的数据, 因为分离细胞的生物量会随着生物膜生物量的增加而增大。
虽然这里提供的流量系统比其他流系统更复杂, 但它确实提供了几个优点。许多这些优点是由于我们使用了商业上可用的通道幻灯片。可用于这些幻灯片的组织培养处理足以使念珠菌细胞附着在表面上。此外, 该通道幻灯片的轮廓类似于传统的幻灯片, 使其易于用于各种显微镜系统, 包括在低放大倍率下使用透射光的直立显微镜。使用这种显微镜, 我们可以使用暗场显微镜, 这使得数据的量化变得容易得多, 特别是与荧光显微镜相比 (因为没有光漂白和低光毒性)。传统显微术 (没有光学切片), 是权力保守的, 意味着从焦点细胞贡献类似数量的光子到图像, 像在类似大小12的焦点单元格。这意味着, 尽管我们的单平面成像, 全3D 生长生物膜仍在整个实验中量化, 即使更高的区域是不集中的。这种单平面成像具有显著降低细胞光毒性损伤的优势, 但不提供生物膜3D 结构的任何信息。然而, 这种流动系统也可与荧光细胞和共聚焦显微镜一起使用, 以获得此信息13。
独特的两瓶循环装置, 我们的流量设备也有许多优点。首先, 许多流系统要求将幻灯片预播种的细胞, 但我们使用一个单独的细胞种子附着烧瓶允许我们图像和量化细胞, 因为他们坚持在幻灯片, 而在流动, 我们觉得这是更类似于发生了什么c0>in 体内。此外, 我们以前已经能够调整我们的显微镜的高速成像和图像粘附事件, 因为他们实时发生, 而不是量化他们后, 事实11。其次, 有一个无细胞生长瓶, 再循环和可以保持无细胞在延长的持续时间, 使我们能够了解生物膜如何在流动下生长超过24小时, 通常不能用非循环系统完成的持续时间.我们还没有确定我们的流量系统能达到的上限, 但我们已经成功地完成了36小时的实验;然而, 实验时间越长, 泄漏或过滤器堵塞的几率就越大。许多因素会影响实验的潜在持续时间, 包括细胞的生长速率、胶粘剂的粘度以及菌丝形成的程度, 这使得在实验的持续时间上很难定义一个上限。但是, 如果所需的持续时间比所示的流量设备要长得多, 则过滤器可以用在线紫外线 (UV) 灭菌盒代替, 如前面所描述的8。此灭菌盒还可允许此流动装置用于图像细菌;我们以前的图像细菌菌株的尝试导致0.2 µm 过滤器的快速堵塞。最终, 我们选择不采用 UV 杀菌, 因为这个盒子是定制制造的, 这将导致死细胞循环。
这个流程系统的另一个优点是, 相对于商业系统来说, 它是相当便宜的, 特别是如果你需要购买一个显微镜。在我们的实验室, 我们能够购买一个基本的透射光台式显微镜, 并将整个显微镜放在一个大型标准对流孵化器内。唯一的主要要求是, 显微镜应该有一个快门功能 (机械或电气), 以执行延时显微镜。
该系统通用性强, 具有许多优点, 是一种低吞吐量的方法。与其他可用的流量系统不同, 我们的流量设备无法并行增长多个菌株。由于广泛的准备和清洁时间, 我们只能够执行两个实验一个星期。然而, 许多其他流动系统是相当昂贵的, 并且可能堵塞当念珠菌细胞生长在菌丝形成条件下。
此外, 这个流动系统是相当复杂的相比, 其他人, 可能很难保持在运行中。经过多次实验, 过滤器开始堵塞, 油管开始磨损薄, 部件开始生锈或松动;因此需要更换这些元件。过滤器的使用使该系统与某些真菌菌株的生长条件不相容;特别是, 任何诱导絮凝的东西都会迅速堵塞20µm 的在线过滤器。但是, 在使用流系统的经验充足的时候, 在它们导致实验失败之前, 更容易检测潜在的问题。可以做的一件事, 使日常运行的流量器具更简单的是有一个机械师制造的泡沫陷阱外壳的一个可高压灭菌材料 (如铝或不锈钢) 的复制品, 让你热压罐的气泡疏水阀与其余的流动装置, 由于 PTFE 膜和适配器组件的气泡疏水阀是可高压灭菌。
最后, 本文提出的两相循环流仪是一种独特的模型, 用于在流动和实时的情况下对真菌进行体外生物膜形成的图像和定量。虽然系统有其局限性, 但它具有很强的适应性, 适用于大多数显微镜。
作者没有什么可透露的。
作者想承认韦德博士 Sigurdson 在设计流动装置方面提供了宝贵的投入。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Pump | Cole Parmer | 07522-20 | 6 |
Pump head | Cole Parmer | 77200-60 | 6 |
Tubing | Cole Parmer | 96410-14 | N/A |
Bubble trap adapter | Cole Parmer | 30704-84 | 3 |
Bubble trap vacuum adapter for 1/4” ID vacuum line | Cole Parmer | 31500-55 | 3 |
In-line filter adapter (4 needed) | Cole Parmer | 31209-40 | 8,9 |
Orange-side Y | Cole Parmer | 31209-55 | 7 |
Green-side Y | ibidi | 10827 | 2 |
* Slides | ibidi | 80196 | 4 |
* Slide luers | ibidi | 10802 | 4 |
Vacuum assisted Bubble trap | Elveflow/Darwin microfluidics | KBTLarge - Microfluidic Bubble Trap Kit | 3 |
Media flasks | Corning | 4980-500 | 1 |
0.2 µm air filter | Corning | 431229 | 1 |
Threaded glass bottle for PD and filter flask (2 needed) | Corning | 1395-100 | 5,10 |
Ported Screw cap for PD and filter flask (2 needed) | Wheaton | 1129750 | 5,10 |
Screwcap tubing connector | Wheaton | 1129814 | 5,10 |
Tubing connector beveled washer | Danco | 88579 | 5,10 |
Tubing connector flat washer | Danco | 88569 | 5,10 |
Clamps for in-line filters and downstream Y (7 needed) | Oetiker/MSC Industrial Supply Company | 15100002-100 | 7,8,9 |
Clamp tool | Oetiker/MSC Industrial Supply Company | 14100386 | N/A |
20 micron in-line media filter | Analytical Scientific Instruments | 850-1331 | 8 |
10 micron in-line media filter | Analytical Scientific Instruments | 850-1333 | 9 |
2 micron inlet media filter | Supelco/Sigma-Aldrich | 58267 | 10 |
* 0.22 µm media filter | Millipore | SVGV010RS | 11 |
* 0.22 µm media filter “adapter” | BD Biosciences | 329654 | 11 |
Rubber stopper | Fisher Scientific | 14-131E | 1 |
Hotplate stirrer with external probe port | ThermoFisher Scientific | 88880006 | N/A |
Temperature probe | ThermoFisher Scientific | 88880147 | N/A |
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