Method Article
* 이 저자들은 동등하게 기여했습니다
생쥐는 일반적으로 Mycobacterium abscessus에 의한 감염에 내성이 있으며, 이는 폐 감염에 대해 절실히 필요한 항생제의 발견 및 개발을 복잡하게 만듭니다. 여기에서는 면역 능력이 있는 마우스에서 지속적인 감염을 전달하는 것으로 나타난 접종 준비 및 기관 내 감염 방법에 대해 설명합니다.
가급적이면 폐를 감염시키는 환경 병원체인 Mycobacterium abscessus에 대한 만성 감염에 대한 강력한 마우스 모델이 절실히 필요합니다. 일 년 동안 지속된 다약물 요법은 환자의 치료율이 약 50%에 달할 정도로 용납할 수 없을 정도로 낮기 때문에 더 나은 항생제를 개발하기 위해 예측 전임상 도구가 필요합니다. 그러나 면역 능력이 있는 마우스는 일반적으로 M. 농양에 의한 폐 감염에 내성이 있습니다. 면역 능력이 있는 마우스에서 M. 농 양에 대한 지속적인 감염을 확립하려는 수많은 시도가 문헌에 보고되었습니다. 이 중 기관내 경로를 통해 C57BL/6 마우스에 접종한 한천 비드 포매 박테리아에 의존하는 방법이 가장 유망한 것으로 입증되었습니다. 이 접근법의 주요 한계는 재현 가능한 크기와 박테리아 수의 한천 비드를 준비한 후 기관 내 접종과 관련된 기술적 과제입니다. 여기에서는 먼저 최적의 직경과 재현 가능한 박테리아 burden의 M. abscessus-loaded 한천 비드를 전달하는 최적화된 프로토콜에 대한 자세한 설명을 제공합니다. 다음으로, 접종 장치의 표면 부착으로 인한 비드 및 박테리아의 손실을 방지하고 한천이 포함된 M. 농양의 재현 가능한 폐 침착을 달성하도록 최적화된 기관내 접종의 세부 프로토콜을 제공합니다. 목표는 구현의 용이성과 뛰어난 실험실 간 재현성을 보장하는 것입니다.
Mycobacterium abscessus(Mab) 폐질환에 대한 치료 옵션은 제한적이며, 경구용 항생제, 비경구 항생제 및 간헐적 흡입 항생제를 투여하는 다약물 요법이 포함되며, 이들 대부분은 최적의 살균 활성이 부족하고 심각한 독성과 관련이 있습니다 1,2,3,4,5. 더 짧고, 더 안전하고, 더 효과적인 치료법이 시급히 필요합니다. 마이코박테리아 감염에 대한 마우스 모델은 효과적인 약물 및 약물 요법의 발견 및 최적화에 중요한 역할을 했습니다 6,7. 그러나 Mab 감염에 대한 항생제의 전임상 평가는 마우스에서 진행성 및 지속적인 폐 감염을 확립하는 것이 어렵기 때문에 어려운 것으로 입증되었습니다 8,9.
면역 능력이 있는 마우스 균주를 Mab에 감염시키면 주로 일시적인 집락화가 발생하고 병원체가 빠르게 제거됩니다10,11. 임상적으로 관찰된 만성 감염을 달성하기 위해, 면역 능력이 있는 마우스에서 녹농균(Pseudomonas aeruginosa) 또는 헤모필루스 인플루엔자(Haemophilus influenza)와 같은 기회주의적 병원체의 지속성 및 면역병리학적 반응을 촉진하기 위해 아가로스(agarose) 또는 한천(한천)과 같은 고정제(immobilizing agents)가 사용되어 왔다 12,13,14. 이 모델은 최근 면역 능력이 있는 C57BL/6N 마우스15,16,17,18에서 Mab ATCC 19977에 의해 만성 호흡기 감염을 달성하도록 조정되었습니다. 이 방법은 ~1 × 104 to 1 × 106 집락 형성 단위(CFU)로 기관내 접종 후 최대 45일 동안 지속적인 감염을 유도했으며, 감염된 마우스의 만성 감염 발생률은 90%-100%19이고 붕괴되는 한천 비드 주위에 조직화된 육아종의 형성이 있었습니다18. Mab을 구슬에 삽입하면 선천면역계의 빠른 제거를 방지할 수 있으며, 박테리아가 가득한 구슬은 면역 세포 동원을 위한 병소를 구성하여 육아종의 형성과 만성 감염의 확립을 유발하는 것으로 보인다18. 한천/아가로스 비드는 최소한의 염증 반응을 유도하는 상대적으로 불활성인 생체 물질을 구성합니다. 또한 비드가 천천히 분해되어 이물질 알레르기 반응이나 유도된 섬유증 문제를 피할 수 있습니다. 마이크로 분무 장치를 사용하거나 사용하지 않은 기관내 감염은 접종물이 폐에 효과적으로 침착되도록 보장하며, 8,20,21 정맥 주사 또는 비강 내 접종보다 임상적 노출 및 감염을 더 잘 재현한다.
따라서 이 모델은 많은 이점을 제공합니다. 그러나 (i) 재현 가능한 비드 크기 달성, (ii) 재현 가능한 비드 박테리아 부담 확보, (iii) 접종물의 일관된 기관 내 전달 보장과 같은 기술적 특성의 몇 가지 과제도 함께 제공됩니다. 여기에서는 이러한 목표를 안정적으로 달성하고 실험실 간 재현성을 보장하기 위한 자세한 프로토콜을 제공합니다.
모든 동물 연구는 메릴랜드 베데스다에 소재한 NIAID(NIH)의 기관 동물 관리 및 사용 위원회(Institutional Animal Care and Use Committee)의 승인을 받아 미국 국립보건원(National Institutes of Health)의 실험 동물 관리 및 사용 가이드(Guide for the Care and Use of Laboratory Animals)에 따라 수행되었습니다. 모든 절차는 기관 동물 관리 및 사용 위원회의 승인을 받았습니다. M. abscessus 와 관련된 모든 연구는 생물안전성 봉쇄 레벨 2의 실험실에서 수행되었습니다.
1. 한천 구슬 끼워 넣어진 M. 농양 inoculum의 준비
2. 한천 구슬 끼워넣어진 M. 농양 inoculum의 적정
3. 주사기와 바늘을 통한 비드 분배 테스트
알림: 구슬이 주사기나 바늘 표면에 달라붙지 않도록 하기 위해 다음 단계가 포함되었습니다. 플라스틱 표면에 부착되어 구슬이 손실되는 것을 방지하기 위해 유리 주사기와 24G 금속 공급 바늘을 사용하는 것이 중요하다는 것이 밝혀졌습니다.
4. 마우스의 기관내 접종
비드 크기 및 부담
한천 비드 및 이의 박테리아 부담을 시각화하기 위해, mCherry 적색 형광 단백질을 Mab 유형 균주 ATCC 19977에서 구성적 Hsp60 프로모터 하에서 발현하고 상기한 바와 같이 이 균주를 한천 비드에 내장했습니다. 그림 1A 는 비드 크기의 범위를 보여줍니다(스케일 바 = 200μm). 그림 1B 는 6개의 독립적인 비드 제제의 부담을 보여주며, 설명된 절차의 재현성을 보여줍니다.
주사기 푸시스루(push-through) 및 기관내 접종 후 박테리아 주입(bacterial inplantion)의 도금
기관내 접종은 두 단계로 최적화되었습니다. CFU/mL는 비드가 주사기를 통과하고 연결된 튜브를 통과할 때 비드 또는 박테리아 손실이 발생하지 않도록 하기 위해 유리 주사기를 통과하기 전과 후에 접종물에 열거되었습니다. 표 1 은 두 개의 독립적인 비드 제제(시험 1 및 2)의 초기 박테리아 역가와 단일 주사기 로드에서 '푸시드스루' 샘플 100mL당 회수된 CFU 수를 보여줍니다. 비드 및 박테리아 손실을 방지하려면 금속 튜브에 연결된 유리 주사기가 필요합니다. 한천 구슬은 플라스틱 표면에 달라붙는 경향이 있습니다.
비드 준비에서 시간 경과에 따른 CFU 계수는 비드의 박테리아 부담이 1주 동안 4°C에서 안정적으로 유지되었으며 2주당 박테리아 부담이 ~2배 감소하고 폐 침착이 손상되지 않은 것으로 나타났습니다. 다음으로, 5 내지 8 마리의 마우스 그룹을 3 개의 독립적 인 비드 제제로 감염시켜 기관 내 접종 절차의 재현성을 테스트했습니다. 표 2 는 마우스당 폐 CFU의 수를 보여주며, 설명된 대로 감염 후 24시간 동안 열거되어 있습니다.
마지막으로, 감염의 운영자 간 재현성은 각각 다른 운영자가 수행한 10개의 CD-1 마우스로 구성된 3개 그룹을 감염시켜 평가했습니다. 감염 후 24시간 이내에 열거된 폐 CFU가 그림 2에 나와 있습니다.
그림 1: 비드 크기를 평가하고 M. abscessus 박테리아 부하를 시각화 및 정량화하기 위한 파일럿 실험. (A) M. abscessus ATCC 19977 균주를 함유하는 한천 비드로, 구성적 hsp60 프로모터 하에서 mCherry 적색 형광 단백질을 발현하도록 조작되었습니다. 5μl의 비드 현탁액을 유리 슬라이드에 펴고 카메라(10x 대물렌즈)가 장착된 형광 현미경으로 이미지화했습니다. 각 빨간 점은 ~70-250 μm 범위의 직경의 한천 구슬 내에 둘러싸인 형광 박테리아 세포입니다. (B) 방법의 재현성을 보여주는 6개의 개별 비드 제제의 박테리아 부담(CFU/mL). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 감염의 작업자간 재현성. 10 CD-1 암컷 마우스 그룹은 동일한 비드 제제를 사용하여 설명된 대로 3명의 독립적인 작업자에 의해 기관내 감염되었습니다. 감염 후 24시간 동안 열거된 폐 CFU가 표시됩니다. O1, O2, O3: 연산자 1, 2, 3. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
CFU/100 μL | ||
비드 준비 | 트라이얼 1 | 트라이얼 2 |
1.13E+05 | 2.40E+05 | |
주사기 푸시스루 시료 | ||
1 | 1.14E+05 | 5.10E+05 |
2 | 1.36E+05 | 4.10E+05 |
3 | 9.30E+04 | 3.90E+05 |
4 | 9.80E+04 | 3.60E+05 |
5 | 1.14E+05 | |
평균의 | 1.11E+05 | 4.18E+05 |
증권 시세 표시기 | 1.69E+04 (15%) | 6.50E+04 (16%) |
표 1: 유리 주사기와 금속 공급 바늘을 통과한 후 100μL 샘플당 집락 형성 단위(CFU).
트라이얼 1 | 트라이얼 2 | 트라이얼 3 | |||
마우스 ID | 폐 CFU/마우스 | 마우스 ID | 폐 CFU/마우스 | 마우스 ID | 폐 CFU/마우스 |
남-1 | 6.50E+03 | 남-6 | 2.20E+05 | 남-11 | 6.80E+04 |
남-2 | 1.10E+04 | 남-7 | 2.70E+05 | 남-12 | 1.70E+05 |
남-3 | 1.40E+04 | 남-8 | 8.10E+04 | 남-13 | 2.10E+05 |
남-4 | 3.20E+03 | 엠-9 | 1.40E+05 | 남-14 | 4.40E+04 |
남-5 | 4.50E+03 | 남-10 | 1.30E+05 | 남-15 | 7.50E+04 |
남-16 | 1.01E+05 | ||||
남-17 | 7.00E+04 | ||||
남-18 | 5.80E+03 | ||||
평균의 | 7.84E+03 | 평균의 | 1.68E+05 | 평균의 | 9.30E+04 |
증권 시세 표시기 | 4.54E+03 (58%) | 증권 시세 표시기 | 7.57E+04 (45%) | 증권 시세 표시기 | 6.67E+04 (72%) |
표 2: 접종 24시간 후 마우스 폐에 한천 비드 내장 M. 농 양 이식
한천 비드에서 박테리아의 균일한 분포를 보장하려면 용융된 한천-박테리아 혼합물을 오일 상태에 첨가하기 전에 균일하게 현탁시키는 것이 중요합니다. 오일-한천-박테리아 부피 비율은 비드 크기를 제어하는 데 중요합니다. 오일 대 한천 비율이 높을수록 더 작은 한천 비드가 형성됩니다. 한천-박테리아 현탁액을 오일 상태와 혼합할 때 온도 제어가 중요합니다. 오일-한천 혼합물은 유화 및 액적 형성이 가능할 만큼 충분히 따뜻해야 하지만 박테리아에 해를 끼치지 않을 만큼 충분히 차가워야 합니다. 혼합물을 실온 이하로 냉각하면서 계속 교반하면 한천 방울이 형성되고 응고될 수 있습니다.
교반 플레이트의 적절한 보정, 교반 막대의 크기, 플라스크의 모양과 크기는 균일한 와류의 중요한 결정 요인입니다. 플라스크 중앙에 위치한 교반 막대는 대칭 와류를 생성하여 균일한 혼합을 보장합니다. 중심에서 벗어난 교반 막대는 불안정한 와류를 일으켜 불규칙한 모양의 비드를 생성하고 비드에 기포를 도입할 수 있습니다. 교반 막대의 위치를 실시간으로 모니터링하고 조정하는 것이 좋습니다. 플라스크의 부피는 오일-한천 혼합물의 부피에 비례해야 합니다. 500mL 플라스크는 90mL 오일-한천 혼합물을 회전시켜 눈에 보이는 소용돌이를 생성하는 데 이상적입니다. 더 큰 플라스크를 사용할 때는 효과적인 혼합과 안정적인 와류 사이의 균형을 이루기 위해 오일-한천 혼합물의 부피, 교반기의 크기 및 와류 속도를 조정하는 것이 중요합니다. 공정 중 및 비드 준비 전반에 걸쳐 일관된 볼텍싱 속도를 유지하는 것은 배치 간 재현성에 매우 중요합니다.
한천 비드 준비 공정, 특히 와류 속도 및 오일-한천 비율은16,22에서 약간의 수정으로 조정됩니다. 회전하는 소용돌이 내의 전단력은 본질적으로 다양한 크기의 비드를 생성합니다. 이러한 크기 변동성을 최소화하기 위해 비드 채취 단계는 몇 가지 세척 단계를 도입하여 수정되었으며, 작은 크기의 비드(및 유리 박테리아)를 확실히 제거하기 위해 원심분리 속도와 시간을 줄이는 그라데이션을 사용했습니다. 원하는 크기의 비드를 농축하기 위해 마이크로 메쉬 필터를 사용하여 더 큰 비드와 무작위 유착을 통해 형성되었을 수 있는 비드를 효과적으로 걸러냈습니다. 비드 슬러리가 마우스의 기관 내 접종을 위해 주사기와 연결된 튜브를 통과할 때 비드 또는 박테리아 손실을 방지하려면 유리 주사기, 24G 금속 공급 바늘 및 금속 연결 튜브를 사용하는 것이 중요합니다.
이 방법의 주요 한계는 재현 가능한 비드 부담 및 폐 이식을 달성하기 위한 비드 준비 및 기관 내 접종의 기술적 복잡성입니다. 세부 사항에 대한 주의와 문제 해결 능력이 필요합니다. 또한, 이 모델은 표준 치료 항생제와 Mab 환자에게 투여되는 가장 빈번한 항생제 조합의 효능을 테스트하여 완전히 검증되지 않았습니다.
현재, 환자에 대한 단일 제제 및 약물 조합의 효능을 모델9로 합리적으로 예측할 수 있을 정도로 만성 Mab 감염에 대한 마우스 모델은 검증되지 않았습니다. 한천 비드 내장 C57BL/6 마우스 시스템은 항균 치료 15,19,23의 효능을 테스트하기 위해 활용되었습니다. 한천 비드 포매티드 C57BL/6 마우스 시스템에 가장 가까운 대안은 C3HeB/FeJ 마우스 모델로, 이는 지속적인 만성 감염을 달성하기 위해 덱사메타손 면역억제에 의존합니다24,25. 여기에 설명된 프로토콜의 장점은 (i) 완전한 면역 역량이 있고 가장 저렴한 C57BL/6 마우스를 사용할 수 있고, (ii) 잘 특성화된 유형 균주 ATCC 19977로 생산적이고 만성적인 감염을 얻을 수 있으며, (iii) 화학적으로 유도된 면역 억제 요건이 없어 매일 덱사메타손 주사의 필요성을 우회하여 잠재적인 약물 간 상호 작용 및 폐 면역 병리학에 미치는 영향을 피할 수 있다는 것입니다.
신약 후보 물질 및 약물 요법을 평가하기 위한 만성 Mab 감염에 대한 검증된 마우스 모델이 없다는 점을 감안할 때 8,9, 여기에 설명된 기술은 이 분야를 발전시키고, 전임상 효능 데이터의 예측 가치를 개선하고, 내구성 있는 치료법을 제공할 수 있는 잠재력이 가장 높은 약물 요법의 우선 순위를 지정하고, Mab 폐 질환에 대한 약물 발견 및 개발을 전반적으로 가속화할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이 방법은 다른 폐 병원체에 적용할 수 있으며 녹농균 또는 헤모필루스 인플루엔자에 대한 확고한 실적이 있습니다. 여기에 설명된 프로토콜의 주요 목적은 구현의 용이성과 우수한 실험실 간 재현성을 보장하기 위해 충분한 세부 정보와 권장 사항을 제공하는 것입니다.
저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다
이 연구는 낭포성 섬유증 재단(Cystic Fibrosis Foundation)의 자금 지원을 받았으며, TD 및 VD에 DICK24XX0상을 수여했으며, NIH-NIAID에서 TD 및 VD에 R01-AI132374를 지원했습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
125-mL bottle | Corning | 8388 | Sterile |
3 x 3 Tube Holding Rack | Fisher | 5972-0030PK | Disinfected prior to use |
3D Printed Mouse Stand | Transworld Marketing | custom designed and produced | Disinfected prior to use |
48-well dilution Plate | Celltreat | 229192 | Sterile |
50-mL centrifuge tubes | Greiner Bio-One | 227261 | Sterile |
Anesethia Machine | E-Z Systems | EZ-AF9000 SYSTEM | n/a |
Avanti J-15R | Beckman Coulter | B99517 | Centrifuge |
Barrier Pipette Tips in Lift-off Lid Rack 1000G | Thermo Scientific ART | 21-236-2A | Sterile |
Biohazard bag | Fisherbrand | 22-044561 | |
Connector Ring | pluriSelect | 41-50000-03 | |
Cotton-Tipped Applicators | Puritan | 22-029-571 | Sterile |
Disposable Inoculation Loops Yellow Sterile 100 in ziplock bag | Cole-Parmer Essentials | 03-391-562 | Sterile |
Disposable Poly-Lined Towel Drape | Dynarex | 19-310-671 | Sterile |
Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline | Thomas Scientific | 21-031-CM | Sterile |
Funnel | pluriSelect | 42-50000 | Sterile |
GE Ultrospec 10 | Sigma-Aldrich | GE80211630 | Spectrophotometer |
Gentlemacs Tissue Dissociator | Miltenyi Biotec | 130-096-427 | Not heat activated |
Hamilton Syringe | Hamilton | 80801 | Disinfected prior to use |
Heavy Mineral Oil | Sigma-Aldrich | 330760-1L | Sterile |
Isoflurane solution 250 ml bottle | Covetrus | 29405 | Skin Corrosion/Irritation: Category 2, Serious Eye Damage/Eye Irritation: Category 2A, Specific target organ systemic toxicity (single exposure): Category 3 May cause drowsiness and dizziness, Causes serious eye irritation, Causes skin irritation. Do not inhale, use in well ventilated area. |
M Tubes (gentleMACS) | Miltenyi Biotec | 130-096-335 | Sterile |
Magnetic stirrer MR Hei-Connect | Heidolph | 505-40000-13-1 | |
Magnetic stirring bar | Thomas Scientific | 1181L08 | Sterile |
Mechanical Pipet 100–1000 µL | Gilson PIPETMAN L | FA10006M | Disinfected prior to use |
Mechanical Pipet 20–200 µL | Gilson PIPETMAN L | FA10003MG | Disinfected prior to use |
Metal Animal Feeding Needle 24 G | Braintree Scientific | N-VP 24G-1S | Must be sterilized (autoclaved) |
Middlebrook 7H10 Agar | Sigma-Aldrich | M0303-500G | Sterilized (autoclaved) |
Middlebrook 7H11 Agar | Thermo Fisher | R4554002 | Sterilized (autoclaved) |
Middlebrook 7H9 medium | Beckton Dickinson | 271310 | Sterilized (autoclaved) |
Mouse Stand Parts | TriMech Solutions | SRV-AMS-FDM | Disinfected prior to use |
Nonabsorbable Silk Suture | Fisher Scientific | 18020-50 | n/a |
OADC Liquid Enrichment for use with Middlebrook Media 500 ml | Thermo Scientific Remel | R450605 | Sterile |
PBS (10x), pH 7.4 Sterile Filtered 500 mL | Gibco | 70-011-044 | Sterile |
Peroxiguard Wipes | Peroxigard | 29221 | n/a |
Petri Dishes with Clear Lid Round 100mmx 15mm | Fisherbrand | FB0875712 | Sterile |
PluriStrainer 200 mm | pluriSelect | 43-50200-03 | Sterile; cell strainer |
Roller bottles | Corning | 430165 | Sterile |
Serological pipette | Corning | 4489 | Sterile |
Spectrophotometer cuvettes 1.5 mL | Fisher Scientific | 14955127 | Sterilized (autoclaved) |
Syringe stoppers or clips (nylon) | Trimech | SRV-AMS-MJF | Disinfected prior to use |
Tryptic Soy Broth | Sigma-Aldrich | T8907-500G | Sterile |
Tween 80 | Fisher | 170793 | Filter sterilized |
Wide Bore Filtered Pipette Tips Lift-off Lid Rack 200G | Thermo Scientific ART | 21-236-1A | Sterile |
JoVE'article의 텍스트 или 그림을 다시 사용하시려면 허가 살펴보기
허가 살펴보기This article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. 판권 소유
당사 웹 사이트에서는 사용자의 경험을 향상시키기 위해 쿠키를 사용합니다.
당사 웹 사이트를 계속 사용하거나 '계속'을 클릭하는 것은 당사 쿠키 수락에 동의하는 것을 의미합니다.