Method Article
L’analyse ex vivo décrite dans cette étude à l’aide d’extraits d’homogénéisation intestinale et de taches d’immunofluorescence représente une nouvelle méthode pour examiner la morphogenèse hyphale de Candida albicans dans le tractus gastro-intestinal. Cette méthode peut être utilisée pour étudier les signaux environnementaux régulant la transition morphogenétique dans l’intestin.
Candida albicans morphogenèse hyphale dans le tractus gastro-intestinal (GI) est étroitement contrôlée par divers signaux environnementaux, et joue un rôle important dans la diffusion et la pathogénie de cet agent pathogène fongique opportuniste. Cependant, les méthodes pour visualiser l’hyphe fongique dans le tractus gastro-intestinal in vivo sont difficiles, ce qui limite la compréhension des signaux environnementaux dans le contrôle de ce processus de morphogenèse. Le protocole décrit ici démontre une nouvelle méthode ex vivo pour la visualisation de la morphogenèse hyphale dans les extraits d’homogénéisation intestinale. À l’aide d’un essai ex vivo, cette étude démontre que le contenu cécal des souris traitées aux antibiotiques, mais pas des souris témoins non traitées, favorise la morphogenèse hyphale de C. albicans dans la teneur en intestin. En outre, l’ajout de groupes spécifiques de métabolites intestinaux au contenu cécal des souris traitées aux antibiotiques régule différemment la morphogenèse hyphale ex vivo. Pris ensemble, ce protocole représente une nouvelle méthode pour identifier et étudier les signaux environnementaux qui contrôlent la morphogenèse hyphale de C. albicans dans le tractus gastro-intestinal.
Candida albicans est un pathogène fongique opportuniste et polymorphe qui est normalement proportionnel, mais qui peut subir un changement morphologique en une forme virulente capable de causer des infections potentiellement mortelles chez les personnes immunocompromisées1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. C. albicans est l’une des principales causes d’infections nosocomiales systémiques, avec un taux de mortalité de 40\u201260%, même avec un traitement antifongique2,14,15. Bien que C. albicans réside dans différents créneaux d’accueil, y compris le systèmereproducteur féminin 16,17, la cavité buccale des personnes en bonne santé18 et le tractus gastro-intestinal (GI)19,20, la majorité des infections systémiques proviennent du tractus gastro-intestinal et en outre, la source de l’infection systémique est souvent confirmée pour être letractus gastro-intestinal 21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34. La pathogénie de C. albicans dans le tractus gastro-intestinal est influencée par un large éventail de facteurs; cependant, une caractéristique majeure nécessaire à la virulence est la transition d’une morphologie des cellules de levure en une morphologie virulente des cellules hyphaliques35,36,37,38,39,40,41,42,43,44. C. albicans attachement et la diffusion du tractus gastro-intestinal pendant l’infection est fortement associée à sa capacité à passer d’une levure proportionnelle à hyphe virulente, permettant aux champignons de causer des maladies invasives44,45,46,47,48,49,50,51,52,53.
Une variété de facteurs dans l’intestin, y compris n-acétylglucosamine, réguler la formation d’hyphal par C. albicans. Par conséquent, il est crucial de réduire l’écart dans la connaissance concernant la morphogenèse hyphale de cet agent pathogène fongique dans letractus gastro-intestinal 54,55,56. Des preuves récentes indiquent que divers métabolites intestinaux contrôlent différemment la morphogenèse hyphale de C. albicans in vitro57,58,59,60. Cependant, les contraintes techniques présentent des problèmes lorsqu’on tente d’étudier la formation d’hyphes de C. albicans dans des échantillons intestinaux in vivo, en particulier la coloration des cellules de levure et d’hyphes et l’analyse quantitative du développement hyphal. Pour comprendre la morphogenèse hyphale de C. albicans dans le tractus gastro-intestinal, une méthode ex vivo a été développée à l’aide d’extraits solubles de contenu intestinal homogénéisé de souris pour étudier l’effet des métabolites sur la morphogenèse hyphale fongique. Utilisant des échantillons d’intestin de souris résistantes et sensibles à l’infection par l’IG de C. albicans, cette méthode aidera à identifier et à étudier l’effet des métabolites, des antibiotiques et des xénobiotiques sur la morphogenèse hyphale fongique dans le tractus gastro-intestinal.
Tous les protocoles animaux ont été approuvés par le Midwestern University Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) tel que décritavant 57. Le Comité institutionnel de soins et d’utilisation des animaux de l’Université du Midwest a approuvé cette étude en vertu du Protocole IACUC de l’UTW #2894. Les politiques de soins aux animaux de l’UTW suivent la Politique du Service de santé publique (SSP) sur les soins et l’utilisation des animaux de laboratoire et les politiques énoncées dans la Loi sur le bien-être des animaux (AWA).
1. Les souris étudient le protocole standard
2. Préparation des plaques d’agar extrait-peptone-dextrose (YPD) de levure
3. Préparation ex vivo pour l’essai hyphal de morphogenèse
4. Ajout exogène de métabolites aux extraits homogénéisés d’intestin pour l’essai hyphal de morphogenèse
5. Essai de morphogenèse de C. albicans (immunostaining et imagerie)
Ces résultats ainsi que les résultats antérieurs du laboratoire Thangamani60 indiquent que lorsque C. albicans est cultivé ex vivo dans des extraits d’homogénéisation intestinale prélevés dans l’estomac, les intestins grêles et les gros intestins de souris témoins non traitées et traitées aux antibiotiques, C. albicans se développe généralement avec une morphologie de levure (figure 1B). Cependant, lorsqu’il est cultivé dans l’extrait cécal à partir de souris traitées aux antibiotiques, C. albicans subit facilement la morphogenèse, ce qui entraîne des échantillons contenant des formes de levure et d’hyphes (Figure 1B); cela ne se produit pas chez les souris témoins. Ceci soutient des résultats précédents, qui ont montré une augmentation significative des formes d’hyphe dans les échantillons cultivés dans les extraits cecal antibiotiques-traités, mais pas dans n’importe quels autres extraits antibiotique-traitésd’intestin 60. Ces résultats suggèrent que le traitement antibiotique provoque des changements dans l’environnement cécal, qui induisent la morphogenèse hyphale de C. albicans. En outre, la localisation spécifique de ce phénotype remarqué seulement dans le cecum suggère également que ces conditions hyphae-promotion peuvent ne pas nécessairement présenter dans tout le tractus gastro-intestinal, mais sont plutôt limitées à des segments spécifiques du tractus gastro-intestinal en fonction de la disponibilité des nutriments, métabolites et autres molécules inconnues.
Puisque l’extrait cécal des souris antibiotiques-traitées favorise la morphogenèse de C. albicans57,58,59,60,nous avons examiné si l’addition exogène d’un groupe choisi de métabolites d’intestin (identifiés des études in vitro précédentes) à la teneur cecal des souris cef-traitées affectera la morphogenèse de C. albicans ex vivo. Des travaux antérieurs effectués par le laboratoire Thangamani ont caractérisé le profil métabolomique de l’homogénéité à teneur cécale extraite de souris non traitées et traitées aux antibiotiques, révélant des changements significatifs dans l’abondance de divers métabolites à la suite d’un traitement antibiotique, en particulier une diminution de l’abondance des acides biliaires secondaires et une abondanceaccrue de glucides 60. En outre, cette étude a identifié que les acides biliaires secondaires et les acides carboxyliques inhibent le développement d’hyphe, tandis que les hydrates de carbone comprenant le glucose, favorisent la morphogenèse hyphal de C. albicans in vitro60. Les résultats indiquent que l’ajout d’un pool de métabolites inhibiteurs de l’intestin contenant de l’acide désoxycholique (DCA, 0,5 mg/mL), de l’acide lithocholic (LCA, 0,1 mg/mL), acide palmitique (0,1 mg/mL), acide p-tolylacetic (0,1 mg/mL), acide sébacique (0,5 mg/mL), 2 l’acide méthylbutyrique (0,5 mg/mL) et l’acide lactique (5 mg/mL) à l’homogénéité cécale des souris traitées au cef ont complètement inhibé la morphogenèse hyphale ex vivo. D’autre part, l’addition exogène du glucose (1 mg/mL) à l’homogénéate cecal des souris cef-traitées a montré un ex vivo massif de développement hyphal (figure 2B). Collectivement, ces résultats indiquent que l’addition des métabolites d’intestin de nouveau à l’homogénéate cecal des souris cef-traitées régule différentiellement la morphogenèse de C. albicans, confirmant ainsi des résultats in vitro précédents. Ces résultats indiquent que les métabolites intestinaux jouent un rôle essentiel dans la morphogenèse hyphale de C. albicans et la compréhension des cibles génétiques et des voies de signalisation modulées par ces métabolites aidera au développement de nouvelles approches thérapeutiques pour prévenir et traiter les infections à C. albicans.
Figure 1 : Analyse ex vivo pour déterminer l’effet du traitement de cefoperazone sur la morphogenèse hyphale de C. albicans dans le contenu intestinal. (A) Schéma de protocole. (B) Le contenu intestinal traité aux antibiotiques (panneaux supérieurs) et non traité (panneaux du bas) a été prélevé sur l’estomac, les intestins grêles, les ccums et les gros intestins des souris C57BL/6J. Le contenu intestinal inoculé avec C. albicans SC5314 a été incubé à 37 °C pendant 4\u20125 h et taché d’anticorps C. albicans. Les cellules ont été imaged au grossissement de 40x. Des images représentatives sont affichées ici. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2 : Ajout exogène de métabolites intestinaux au contenu cécal des souris traitées au cef sur la formation hyphe de C. albicans ex vivo. (A) Schéma de protocole. (B) Piscine inhibitrice de métabolites intestinaux contenant du DCA (0,5 mg/mL), du LCA (0,1 mg/mL), de l’acide palmitique (0,1 mg/mL), de l’acide p-tolylacétique (0,1 mg/mL), de l’acide sébacique (0,5 mg/mL); L’acide 2-méthylbutyrique (0.5 mg/mL), et l’acide lactique (5 mg/mL) ou le glucose (1 mg/mL) ont été ajoutés de nouveau à la teneur en cecal des souris cef-traitées, mélangées complètement et incubées à 37 °C pendant 15 min pour effectuer l’essai ex vivo hyphae. Le contenu cécal inoculé avec C. albicans SC5314 a été incubé à 37 °C pendant 4\u20125 h et taché d’anticorps C. albicans. Les cellules ont été imaged au grossissement de 40x. Des images représentatives sont affichées ici. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
La méthode décrite ici présente une nouvelle façon d’étudier l’effet des impacts antibiotiques, diététiques, xénobiotiques et thérapeutiques sur la morphogenèse hyphale de C. albicans dans le tractus gastro-intestinal. Puisque la majorité des infections systémiques proviennent du tractusgastro-intestinal 21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34 et la formation d’hyphe est un facteur de virulence critique qui favorise la diffusion de C. albicans du tractus gastro-intestinal, la compréhension des facteurs qui contrôlent cette morphogenèse dans le tractus gastro-intestinal permettra d’élargir les connaissances sur les mécanismes de pathogénie et d’identifier de nouvelles options de traitement.
Bien que la méthode présentée ici soit relativement simple, certaines étapes examinées ci-dessous ont été identifiées comme critiques et importantes. (i) L’inoculum initial de C. albicans devrait être optimal pour permettre à la fois la croissance et la morphogenèse hyphale des champignons. Avec la disponibilité limitée des éléments nutritifs dans les extraits homogénéisés d’intestin, le volume plus élevé de l’inoculum peut réduire de manière significative la croissance fongique et le processus de morphogenèse. Cependant, la croissance de différents isolats cliniques et souches sont susceptibles d’être variables, optimisant ainsi l’inoculum et le temps d’incubation pour des isolats spécifiques de C. albicans est essentiel. (ii) Les étapes multiples de centrifugation lors de la préparation de l’extrait d’homogénéisation intestinale se sont révélés cruciales pour enlever autant que possible les débris dans le contenu intestinal. iii) En raison de la vitesse relativement faible de centrifugation (pour éviter d’endommager les structures hyphes), il faut prendre soin d’éviter la perte cellulaire pendant les étapes d’immunostaining dans ce protocole.
Des méthodes alternatives pour visualiser l’hyphe fongique dans le tractus gastro-intestinal ont été utilisées dans le passé, avec certains avantages et limitations associés à chaque méthode. Une méthode relativement notable utilisant l’hybridation in situ fluorescente (FISH) pour visualiser l’hyphe fongique dans le tractus gastro-intestinal a été récemment démontrée par Witchley et coll.61,62. Il s’agit d’une méthode in vivo prometteuse actuellement disponible pour détecter l’hyphae de C. albicans directement dans le tractus gastro-intestinal, mais la complexité de ce protocole rend difficile son adaptation à des études initiales rapides et à grande échelle. Des méthodes traditionnelles d’histopathologie ont également été utilisées dans le passé pour vitaliser les formes de levure et d’hyphae de C. albicans dans le tractus gastro-intestinal. Cependant, l’observation et l’imagerie des cellules fongiques avec l’histopathologie de base, et les taches d’hématoxyline et d’Éosin (H/E) restent provocantes, car beaucoup de méthodes standard de fixation ont le potentiel de perturber la couche muqueuse des échantillons de tractus gastro-intestinaux, endommageant souvent des structures hyphales dans le processus et menant aux rapports contradictoires au-dessus de l’abondance relative de la morphologie hyphal de cellules pendant l’infection63,64,65,66. Cette méthode a été développée pour éviter les dommages à l’hyphe pendant le traitement pour résoudre ce problème. En outre, les explantations tissulaires ont été utilisées comme un moyen d’examiner les conditions biologiques ex vivo, mais ces méthodes sont généralement ciblées et utiles pour examiner le potentiel d’adhérence ou d’invasion de C. albicans67, mais aussi ils excluent généralement la majorité des composants de métabolomique et de microbiome qui contribuent à la pathogénie in vivo. Bien que le protocole ex vivo décrit ici n’imite pas complètement l’environnement gastro-intestinal in vivo tel que décritprécédemment 61,62, il fournit les conditions les plus proches possibles que C. albicans rencontre dans l’environnement intestinal par rapport aux méthodes in vitro en utilisant des conditions de croissance artificielle.
Ce protocole peut être utilisé pour des tests de dépistage de base afin d’identifier l’impact des signaux environnementaux dans le tractus gastro-intestinal sur la morphogenèse hyphale de C. albicans. Cette méthode permet de dépister rapidement de grands groupes de composés, y compris de petits inhibiteurs de molécules, de nouveaux antimycotiques et métabolites, et de les dépister rapidement pour le développement de l’hyphal, et pourrait être utilisée dans le dépistage des traitements thérapeutiques ou l’identification des facteurs de risque de maladie systémique. Puisque C. albicans colonise dans tout le tractus gastro-intestinal, ce protocole aidera davantage à identifier les signaux environnementaux présents dans les segments spécifiques du tractus gastro-intestinal qui contrôlent la morphogenèse hyphale chez les personnes prenant des antibiotiques, des agents chimiothérapeutiques, et chez les patients présentant des troubles métaboliques, y compris le diabète sucré. En fin de compte, la méthode décrite ici permet une caractérisation rapide de la morphogenèse hyphale chez C. albicans sur un large éventail de facteurs environnementaux d’une manière qui est plus biologiquement pertinente que les méthodes in vitro actuelles et qui est sensiblement plus rapide et plus économe en ressources que les méthodes in vivo actuelles.
Les auteurs n’ont pas d’intérêts financiers concurrents ou d’autres conflits d’intérêts.
Les auteurs reconnaissent les ressources et le soutien du centre de recherche cellulaire et moléculaire de base de l’Université du Midwest.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 - 10 µL Pipet Tips | Fisher Scientific | 02-707-454 | Misc |
100 - 1000 µL Pipet Tips | Fisher Scientific | 02-707-400 | Misc |
20 - 200 µL Pipet Tips | Fisher Scientific | 02-707-451 | Misc |
2-methylbutyric acid | Sigma | 193070-25G | hyphal-inhibitory compound |
488 goat anti-rabbit IgG | Invitrogen (Fisher) | A11008 | IF Staining secondary ab |
Agar | Fisher | BP1423-500 | YPD agar component |
Automated Imaging Microscope | Keyence | BZX700 | |
Candida Albicans Antibody | Invitrogen (Fisher) | PA1-27158 | IF Staining primary ab |
cefoperazone | Cayman | 16113 | antibiotic |
deoxycholic acid | Sigma | 30960 | hyphal-inhibitory compound |
D-Glucose | Fisher | D16-500 | hyphal-promoting compound |
forceps | Fisher | 08-885 | |
lactic acid | Alfa Aesar | AAAL13242-06 | hyphal-inhibitory compound |
lithocholic acid | Sigma | L6250-10G | hyphal-inhibitory compound |
palmitic acid | Sigma | P5585-10G | hyphal-inhibitory compound |
Paraformaldehyde | Alfa Aesar | A11313 | IF Staining fixative |
Phosphate-buffered saline (PBS), 10x | Alfa Aesar | J62692 | PBS component |
p-tolylacetic acid | SCBT | sc-257959 | hyphal-inhibitory compound |
sebacic acid | Sigma | 283258-250G | hyphal-inhibitory compound |
sharp ended scissors | Fisher | 28301 | |
sterile Milli-Q water | N/A | N/A | Misc |
YPD Broth | BD Biosciences | 242810 | YPD agar component |
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