Method Article
O ensaio ex vivo descrito neste estudo utilizando extratos de homogeneização intestinal e coloração de imunofluorescência representa um novo método para examinar a morfogênese húfa de Candida albicans no trato GI. Este método pode ser utilizado para investigar os sinais ambientais que regulam a transição morfogenética no intestino.
A morfogênese húfala candida albicans no trato gastrointestinal (GI) é fortemente controlada por vários sinais ambientais, e desempenha um papel importante na disseminação e patogênese deste patógeno fúngico oportunista. No entanto, os métodos para visualizar a hifa fúngica no trato GI in vivo são desafiadores, o que limita a compreensão dos sinais ambientais no controle desse processo de morfogênese. O protocolo aqui descrito demonstra um novo método ex vivo para visualização da morfogênese hifal em extratos homogeneizados intestinais. Usando um ensaio ex vivo, este estudo demonstra que o conteúdo cecal de camundongos tratados com antibióticos, mas não de camundongos de controle não tratados, promovem a morfogênese háfagênese C. albicans no conteúdo intestinal. Além disso, adicionar de volta grupos específicos de metabólitos intestinais ao conteúdo cecal de camundongos tratados com antibióticos regula diferencialmente a morfogênese hifalina ex vivo. Em conjunto, este protocolo representa um novo método para identificar e investigar os sinais ambientais que controlam a morfogênese húfa cofálica no trato GI.
Candida albicans é um patógeno fúngico oportunista e polimórfico que normalmente é commensal, mas pode sofrer uma alteração morfológica em uma forma virulenta capaz de causar infecções fatais em indivíduos imunocomprometidos1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. C. albicans é uma das principais causas de infecções nosocomiais sistêmicas, com uma taxa de mortalidade de 40\u201260% mesmo com tratamento antifúngico2,14,15. Embora os albicanos residam em diferentes nichos hospedeiros, incluindo o sistema reprodutivo feminino16,17, a cavidade oral de indivíduos saudáveis18 e o trato gastrointestinal (GI)19,20, a maioria das infecções sistêmicas originárias do trato GI e, além disso, a fonte de infecção sistêmica é frequentemente confirmada como o trato GI21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34. C. a patogenicidade dos albicanos no trato GI é influenciada por uma ampla gama de fatores; no entanto, uma característica importante necessária para a virulência é a transição de uma morfologia celular levedura para uma morfologia de células hífas virulenta35,36,37,38,39,40,41,42,43,44. C. o apego e disseminação do trato de GI durante a infecção está altamente associado à sua capacidade de transição de uma levedura commensal para hifa virulenta, permitindo que os fungos causem doença invasiva44,45,46,47,48,49,50,51,52,53.
Uma variedade de fatores no intestino, incluindo n-acetilglucosamina, regulam a formação hifáfal por C. albicans. Portanto, é crucial diminuir a lacuna de conhecimento sobre a morfogênese hifal deste patógeno fúngico no trato GI54,55,56. Evidências recentes indicam que vários metabólitos intestinais controlam diferencialmente a morfogênese háfa de C. albicans in vitro57,58,59,60. No entanto, as restrições técnicas apresentam problemas ao tentar estudar a formação de c. albicans hyphae em amostras in vivo, especialmente a coloração de leveduras e células de higia e análise quantitativa do desenvolvimento de higificos. Para entender a morfogênese hábica de C. albicans no trato GI, um método ex vivo foi desenvolvido utilizando extratos solúveis de conteúdo intestinal homogeneizado de camundongos para estudar o efeito de metabólitos na morfogênese húfa fúngica. Utilizando amostras intestinais de camundongos resistentes e suscetíveis à infecção por C. albicans GI, este método ajudará a identificar e estudar o efeito de metabólitos, antibióticos e xenobióticos na morfogênese húfa fúngica no trato GI.
Todos os protocolos de animais foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais da Universidade do Centro-Oeste (IACUC), conforme descrito antesde 57. O Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais da Universidade do Centro-Oeste aprovou este estudo sob o Protocolo MWU IACUC #2894. As políticas de atenção animal da MWU seguem a Política de Atenção e Uso de Animais de Laboratório do Serviço Público de Saúde (PHS) e as políticas previstas na Lei de Bem-Estar Animal (AWA).
1. Os ratos estudam o protocolo padrão
2. Preparação de placas de ágar extrato de levedura-peptone-dextrose (YPD)
3. Preparação ex vivo para ensaio de morfogênese hifal
4. Adição exógena de metabólitos aos extratos homogeneizantes do intestino para o ensaio de morfogênese hifál
5. Ensaio de morfogênese de albicanos (imunostaining e imagem)
Esses resultados, juntamente com os achados anteriores do laboratório Thangamani60, indicam que quando os albicanos são cultivados ex vivo em extratos homogeneizados intestinais retirados do estômago, intestinos delgados e intestinos grandes de controle não tratado e camundongos tratados com antibióticos, C. albicans geralmente se desenvolve com uma morfologia de levedura(Figura 1B). No entanto, quando cultivados no extrato cecal de camundongos tratados com antibióticos, os albicanos prontamente sofrem morfogênese, resultando em amostras contendo formas de levedura e hifa(Figura 1B); isso não ocorre em ratos de controle. Isso suporta resultados anteriores, que mostraram um aumento significativo das formas de higia em amostras cultivadas em extratos cecal tratados com antibióticos, mas não em quaisquer outros extratos intestinais tratados com antibióticos60. Esses resultados sugerem que o tratamento com antibióticos causa alterações no ambiente cecal, que induzem morfogênese hifalina de C. albicans. Além disso, a localização específica deste fenótipo notado apenas no ceco também sugere que essas condições promotoras de higeia podem não necessariamente estar presentes em todo o trato GI, mas, em vez disso, estão restritas a segmentos específicos do trato GI, dependendo da disponibilidade de nutrientes, metabólitos e outras moléculas desconhecidas.
Uma vez que o extrato cecal de camundongos tratados com antibióticos promove a morfogênese de C. albicans57,58,59,60, examinamos se a adição exógena de um grupo selecionado de metabólitos intestinais (identificados a partir de estudos in vitro anteriores) ao teor cecal de camundongos tratados com cef afetará a morfogênese de C. albicans ex vivo. Trabalhos anteriores realizados pelo laboratório de Thangamani caracterizaram o perfil metabolômico do conteúdo cecal homogenate extraído de camundongos não tratados e tratados com antibióticos, revelando mudanças significativas na abundância de vários metabólitos como resultado do tratamento antibiótico — especificamente, diminuição da abundância de ácidos biliares secundários e aumento da abundância de carboidratos60. Além disso, este estudo identificou que ácidos biliares secundários e ácidos carboxílicos inibem o desenvolvimento de hifas, enquanto carboidratos, incluindo glicose, promovem a morfênese háfaca de C. albicans in vitro60. Os resultados indicam que a adição de um pool de metabólitos inibitórios do intestino contendo ácido desoxicólico (DCA, 0,5 mg/mL), ácido litocólico (LCA, 0,1 mg/mL), ácido palmítico (0,1 mg/mL), ácido p-tolylacetic (0,1 mg/mL), ácido sebacic (0,5 mg/mL), 0,5 mg/mL), 0,5 mg/mL), 0,5 mg/mL), 0,5 mg/mL), 0,5 mg/mL), 0,5 mgs/mL), 0,5 mg/mL), 0 2-metilbutírico ácido (0,5 mg/mL) e ácido láctico (5 mg/mL) para o homogeneado cecal de camundongos tratados com cef completamente inibiram a morfogênese hifacal ex vivo. Por outro lado, a adição exógena de glicose (1 mg/mL) ao homogeneado cecal de camundongos tratados com cef mostrou um desenvolvimento de higfêquico maciço ex vivo (Figura 2B). Coletivamente, esses achados indicam que a adição de metabólitos intestinais de volta ao homogeneto cecal dos camundongos tratados com cef regula diferencialmente a morfogênese dos c. albicanos, confirmando assim achados in vitro anteriores. Esses resultados indicam que os metabólitos intestinais desempenham um papel crítico na morfogênese háfaca dos albicanos e a compreensão dos alvos genéticos e caminhos de sinalização modulados por esses metabólitos ajudarão no desenvolvimento de novas abordagens terapêuticas para prevenir e tratar infecções por C. albicans.
Figura 1: Ensaio ex vivo para determinar o efeito do tratamento cefoperazone em C. albicans húfalogênese no conteúdo intestinal. (A) Esboço esquemático do protocolo. (B) Os conteúdos intestinais tratados com antibióticos (painéis superiores) e não tratados (painéis inferiores) foram retirados dos estômagos, intestinos delgados, cecos e intestinos grossos de camundongos C57BL/6J. O conteúdo intestinal inoculado com C. albicans SC5314 foi incubado a 37 °C por 4\u20125 h e manchado com anticorpo C. albicans. As células foram imagens com ampliação de 40x. Imagens representativas são mostradas aqui. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Adição exógena de metabólitos intestinais ao conteúdo cecal de camundongos tratados com cef na formação de hifalia de C. albicans ex vivo. (A) Esboço esquemático do protocolo. (B) Piscina de metabólitos inibitórios contendo DCA (0,5 mg/mL), LCA (0,1 mg/mL), ácido palmítico (0,1 mg/mL), ácido p-tolylacetic (0,1 mg/mL), ácido sebacic (0,5 mg/mL); 2-ácido metilbutírico (0,5 mg/mL) e ácido láctico (5 mg/mL) ou glicose (1 mg/mL) foram adicionados de volta ao teor cecal de camundongos tratados com cef, misturados completamente e incubados a 37 °C por 15 min para realizar o ensaio ex vivo hyphae. Os conteúdos cecal inoculados com C. albicans SC5314 foram incubados a 37 °C por 4\u20125 h e manchados com anticorpo C. albicans. As células foram imagens com ampliação de 40x. Imagens representativas são mostradas aqui. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
O método descrito aqui apresenta uma nova maneira de investigar o efeito de antibióticos, impactos dietéticos, xenobióticos e terapêuticos na morfogênese hífa de C. albicans no trato GI. Uma vez que a maioria das infecções sistêmicas se origina do trato GI21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34 e a formação de hifa é um fator crítico de virulência que promove a disseminação de C. albicanos do trato GI, entendendo os fatores que controlam essa morfogênese no trato GI, expandirão o conhecimento sobre mecanismos de patogênese e identificarão novas opções de tratamento.
Embora o método aqui apresentado seja relativamente simples, algumas etapas discutidas abaixo foram identificadas como críticas e importantes. i O inóculo inicial dos albicanos C. deve ser ideal para permitir tanto o crescimento quanto a morfogênese hifal de fungos. Com a disponibilidade limitada de nutrientes nos extratos homogeneizadores do intestino, maior volume de inóculo pode reduzir significativamente o crescimento fúngico e o processo de morfogênese. No entanto, o crescimento de diferentes isolados clínicos e cepas provavelmente será variável, assim, otimizar o inóculo e o tempo de incubação para isolados específicos de C. albicans é essencial. (ii) Várias etapas de centrifugação ao preparar o extrato de homogeneização intestinal foram consideradas cruciais para remover os detritos no conteúdo intestinal o máximo possível. (iii) Devido à velocidade relativamente baixa de centrifugação (para evitar danificar estruturas hifais), deve-se tomar cuidado para evitar a perda celular durante as etapas imunossurgiantes deste protocolo.
Métodos alternativos para visualizar hifas fúngicas no trato GI têm sido utilizados no passado, com certas vantagens e limitações associadas a cada método. Um método relativamente notável usando a hibridização fluorescente in situ (FISH) para visualizar hifas fúngicas no trato GI foi recentemente demonstrado por Witchley et al.61,62. Trata-se de um método in vivo promissor atualmente disponível para detectar c. albicans hyphae diretamente no trato GI, no entanto, a complexidade deste protocolo dificulta a adaptação a estudos de triagem inicial rápida e em larga escala. Métodos tradicionais de histopatologia também foram usados no passado para vitalizar as formas de levedura e hifa de C. albicans no trato GI. No entanto, a observação e a imagem de células fúngicas com histopatologia básica, e manchas de Hematoxilina e Eosina (H/E) permanecem desafiadoras, já que muitos métodos de fixação padrão têm o potencial de interromper a camada mucosa de amostras do trato GI, muitas vezes danificando estruturas de higeêquico no processo e levando a relatos contraditórios sobre a abundância relativa da morfologia celular hiphal durante a infecção63,64,65,66. Este método foi desenvolvido para evitar danos à hifa durante o processamento para abordar esta questão. Além disso, as explanações teciduais têm sido utilizadas como forma de examinar as condições biológicas ex vivo, porém esses métodos são geralmente focados e úteis para examinar o potencial de adesão ou invasão dos C. albicans67, mas também geralmente excluem a maioria dos componentes metabolômicos e microbiomas que contribuem para a patogênese in vivo. Embora o protocolo ex vivo descrito aqui não imite completamente o ambiente in vivo GI, como descrito anteriormente61,62, ele fornece as condições mais próximas possíveis que os c. albicans encontram no ambiente intestinal em comparação com métodos in vitro usando condições de crescimento artificial.
Este protocolo pode ser usado para ensaios básicos de triagem para identificar o impacto dos sinais ambientais no trato GI em C. albicans hyphal morphogenesis. Este método permite que grandes grupos de compostos, incluindo inibidores de pequenas moléculas, novos antimicostes e metabólitos sejam rastreados rapidamente para o desenvolvimento de higeêfas, podendo ser usados na triagem de tratamentos terapêuticos ou na identificação de fatores de risco para doenças sistêmicas. Uma vez que os c. albicans colonizam todo o trato GI, este protocolo ajudará ainda mais na identificação dos sinais ambientais presentes nos segmentos específicos do trato GI que controlam a morfogênese hifalina em indivíduos que tomam antibióticos, agentes quimioterápicos e em pacientes com distúrbios metabólicos, incluindo diabetes mellitus. Em última análise, o método descrito aqui permite a caracterização rápida da morfogênese háfana em C. albicans sobre uma ampla gama de fatores ambientais de uma maneira que é mais biologicamente relevante do que os métodos in vitro atuais e é substancialmente mais rápido e eficiente em recursos do que os métodos in vivo atuais.
Os autores não têm interesses financeiros concorrentes ou outros conflitos de interesse.
Os autores reconhecem recursos e apoio da instalação de pesquisa de núcleos celulares e moleculares da Universidade do Centro-Oeste.
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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