バイオフィルムの即時除去 (iCBiofilm): 細菌および真菌のバイオフィルム イメージングを再検討するための光学的アプローチ

May 19, 2024

Communications Biology volume 6、記事番号: 38 (2023) この記事を引用

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単一細胞解像度でのバイオフィルム全体のイメージングは​​、細胞の不均一性のシステムレベルの分析、主要なマトリックス成分の機能の同定、免疫細胞や抗菌薬に対する反応に必要です。 この目的を達成するために、本発明者らは、バイオフィルムの瞬間的除去（iCBiofilm）と呼ばれる、バイオフィルム全体の除去およびイメージング方法を開発した。 iCBiofilm は、屈折率整合媒体にバイオ フィルム サンプルを浸漬する、シンプル、迅速、効率的な方法で、共焦点レーザー走査型顕微鏡によるバイオ フィルム全体の即時イメージングを可能にします。 また、非固定型 iCBiofilm も開発しました。これにより、バイオフィルムの発達と抗菌剤の作用のライブおよびダイナミックイメージングが可能になります。 iCBiofilm は、数百マイクロメートルの厚さのバイオフィルム内の蛍光タンパク質、免疫染色されたマトリックス成分、および蛍光標識された細胞の多色イメージングに適用できます。 iCBiofilm は細菌から真菌のバイオフィルムまで拡張可能で、バイオフィルムと好中球の相互作用の観察に使用できます。 したがって、iCBiofilm は、バイオフィルムの動態と機能を調査し、細菌および真菌のバイオフィルム形成を再検討するための重要な進歩を表します。

細菌バイオフィルムは、非生物的または生物的表面および気液界面に形成される高度に組織化された細菌群集です。 医療用インプラントおよび体組織の表面上の細菌バイオフィルムは、抗菌剤および食細胞、補体、抗菌ペプチドなどの宿主防御システムに対して耐性がある場合があります。 この現象は、カテーテル関連の血流感染症、尿路感染症、心内膜炎など、さまざまな慢性ヒト感染症を引き起こします1、2、3。 したがって、臨床現場でのバイオフィルムの形成は罹患率と死亡率の増加をもたらし、医療システムに多大な経済的負担を課すことになります。 さらに、バイオフィルムは、飲料水配水システムのメンテナンスで遭遇するような、技術的な作業において物流上の問題を引き起こす可能性があります4。 しかし、バイオフィルムは、発酵食品の生産、有機化合物の生物変換プロセス、廃水処理などによって利用されるものなど、人間の産業にとって有益な機能も備えています5。 したがって、バイオフィルム形成の制御と分析のための革新的な戦略の開発は、さまざまな分野にとって重要です。

バイオフィルム内の細菌細胞は、タンパク質、多糖類、細胞外 DNA などの細胞外ポリマー物質 (EPS) を含む典型的には自己生成するマトリックスに包まれていると考えられています6。 EPS は、微生物間の凝集や微生物表面の接着の刺激を介して、バイオフィルム構造の形成と維持においてさまざまな役割を果たします6。 しかし、バイオフィルムマトリックス成分の三次元分布と埋め込まれた細菌細胞の不均一な特性は完全には理解されていません。 さらに、バイオフィルムの不均一性または細胞分化は一般に受け入れられている概念ですが、厚いバイオフィルムの場合、顕微鏡スケールでの直接的な証拠を得るのは困難でした。

したがって、他の微生物や宿主との相互作用、抗菌薬に対する反応など、バイオフィルムの構造と機能をより深く理解するには、迅速かつ効率的なバイオフィルムの視覚化を可能にする戦略の開発が必要です。 一方、共焦点レーザー走査顕微鏡 (CLSM) やライトシート顕微鏡などの光学顕微鏡 (OM) と蛍光プローブを組み合わせることで、研究者は三次元バイオフィルム構造を研究し、バイオフィルムの現在の理解に多大な貢献をすることができました 7,8,9 ,10、従来の OM 技術を使用すると、より深い領域への光の浸透が制限されるため、単細胞レベルでの厚いバイオフィルムのイメージングは​​依然として困難です。 さらに、水浸レンズを使用した標準的な CLSM により、コレラ菌バイオフィルムのライブ単一細胞解像度イメージングが可能になりました 11,12。 この方法は、他の細菌バイオフィルムのイメージングにも適用できる可能性があります。