Мгновенная очистка биопленки (iCBiofilm): оптический подход для пересмотра визуализации бактериальных и грибковых биопленок

May 19, 2024

Биология связи, том 6, Номер статьи: 38 (2023) Цитировать эту статью

2404 Доступа

1 Цитаты

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Визуализация всей биопленки с разрешением одной клетки необходима для анализа клеточной гетерогенности на системном уровне, идентификации функций ключевых компонентов матрицы и реакции на иммунные клетки и противомикробные препараты. С этой целью мы разработали метод очистки и визуализации всей биопленки, названный «мгновенная очистка биопленки» (iCBiofilm). iCBiofilm — это простой, быстрый и эффективный метод, включающий погружение образцов биопленки в среду с согласованием показателей преломления, позволяющий мгновенно визуализировать всю биопленку с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии. Мы также разработали нефиксирующуюся пленку iCBiofilm, позволяющую в реальном времени и в динамическом режиме визуализировать развитие биопленки и действие противомикробных препаратов. iCBiofilm применим для многоцветной визуализации флуоресцентных белков, иммуноокрашенных компонентов матрикса и флуоресцентно-меченных клеток в биопленках толщиной несколько сотен микрометров. iCBiofilm масштабируется от бактериальных до грибковых биопленок и может использоваться для наблюдения за взаимодействием биопленок и нейтрофилов. Таким образом, iCBiofilm представляет собой важный шаг вперед в изучении динамики и функций биопленок и пересмотре процесса формирования бактериальных и грибковых биопленок.

Бактериальные биопленки представляют собой высокоорганизованные бактериальные сообщества, образующиеся на абиотических или биотических поверхностях и границах раздела воздух-жидкость. Бактериальные биопленки на поверхности медицинских имплантатов и тканей организма могут быть устойчивы к противомикробным агентам и системам защиты хозяина, включая фагоциты, комплементы и антимикробные пептиды. Это явление вызывает различные хронические инфекционные заболевания человека, такие как катетер-ассоциированные инфекции кровотока, инфекции мочевыводящих путей и эндокардит1,2,3. Таким образом, образование биопленки в клинических условиях приводит к увеличению заболеваемости и смертности, что ложится значительным финансовым бременем на систему здравоохранения. Кроме того, биопленки могут вызвать логистические проблемы при технических операциях, например, при обслуживании систем распределения питьевой воды4. Тем не менее, биопленки также обладают полезными свойствами для человеческой промышленности, например, теми, которые используются при производстве ферментированных продуктов питания, процессах биоконверсии органических соединений и очистке сточных вод5. Поэтому разработка инновационных стратегий контроля и анализа образования биопленок имеет важное значение для различных областей.

Считается, что бактериальные клетки в биопленках заключены в обычно самостоятельно вырабатываемый матрикс, содержащий внеклеточные полимерные вещества (ЭПС), такие как белки, полисахариды и/или внеклеточная ДНК6. ЭПС играет разнообразную роль в формировании и поддержании структур биопленок посредством стимуляции межмикробного сцепления и адгезии микробов к поверхности6. Однако трехмерное распределение компонентов матрикса биопленки и гетерогенные свойства встроенных бактериальных клеток до конца не изучены. Более того, гетерогенность или клеточная дифференциация биопленок является общепринятой концепцией, но в случае толстых биопленок прямые доказательства в микроскопическом масштабе получить трудно.

Поэтому разработка стратегий, позволяющих быстро и эффективно визуализировать биопленки, необходима для лучшего понимания их структуры и функций, включая взаимодействие с другими микробами и хозяином, а также реакцию на противомикробные препараты. Принимая во внимание, что оптическая микроскопия (ОМ), такая как конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (CLSM) и световая микроскопия в сочетании с флуоресцентными зондами, позволила исследователям изучить трехмерную архитектуру биопленок и внести существенный вклад в современное понимание биопленок7,8,9 10, визуализация толстых биопленок на уровне отдельных клеток остается сложной задачей, поскольку проникновение света в более глубокие области ограничено при использовании традиционных методов ОМ. Кроме того, стандартная CLSM с использованием водоиммерсионной линзы позволила получить живое изображение биопленки холерного вибриона с разрешением одной клетки11,12. Этот метод может быть применим для визуализации других бактериальных биопленок.