CN108998499A - 一种快速测定生物被膜中大肠杆菌对抗生素耐药性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物技术领域,公开了一种快速测定生物被膜中大肠杆菌对抗生素耐药性的方法,其步骤包括:生物被膜生长阶段;抗生素压力阶段;生物被膜恢复阶段。此方法利用微量接种针为载体建立革兰氏阴性菌例如大肠杆菌生物被膜的体外模型,测定抗生素例如多粘菌素对大肠杆菌生物被膜的最低抑制浓度(BIC)和最小生物膜清除浓度(MBEC)。微生物形成生物被膜后,对粘菌素的耐药程度增加,其BIC和MBEC值均增加,且MBEC值大于BIC值。本研究中建立的大肠杆菌生物被膜体外形成实验,与其它方法相比,具有操作简单,易于重复等特点;同时配套设备少,技术要求低,可减少人为因素等误差;适用于较大样本。使得为临床上合理用药提供理论依据。
Description
技术领域
本发明属于生物技术领域,涉及一种快速测定生物被膜中大肠杆菌对抗生素耐药性的方法。
背景技术
抗生素耐药性是全球公共卫生领域面临的巨大挑战。全球范围内,每年由于多重耐药病原菌感染所致的死亡病例达70万,据估计2050年可能会高达100万例。严重的耐药问题使得人类在医学临床、兽医临床和食品安全等领域面临严峻挑战。同时,据报道,每年全球约有百万人因细菌生物被膜感染发病或死亡,细菌形成生物被膜后耐药性极强,可以逃避宿主的免疫作用,在感染部位难以彻底清除,是临床上难治性感染的重要原因之一。因此确定有效的药物浓度,从而抑制生物被膜的形成具有重要意义。
细菌生物膜(bacterial biofilm,BF)是细菌在生长过程中为适应生存环境而吸附于惰性或活性材料表面形成的一种与浮游细胞相对应的生长方式,由细菌和自身分泌的胞外基质组成。生物被膜耐药问题造成了医疗、食品等领域大量人力、财力的浪费,已成为不可忽视的公共卫生问题。
近些年,革兰氏阴性菌尤其是大肠杆菌耐药率也愈来愈高。大肠杆菌为常见的院内感染革兰氏阴性细菌之一,常能引起多种肠内外的感染。而多粘菌素通常被认为是治疗由多重耐药革兰氏阴性菌感染的“最后一道防线”。由前所述,如果对多粘菌素耐药的大肠杆菌形成生物被膜,将会对人类健康造成更大的潜在威胁,对此方面研究也具有十分重要的意义。在CLSI标准中,微量肉汤稀释法仅仅是针对浮游状态的细菌所实施的抗菌素敏感实验,这忽略了生物被膜中的细菌,并未把细菌形成生物被膜的情况考虑在内,这个抗菌药物浓度是不能够完全杀死附着在蛋白质或生物材料表面的细菌。因此对大肠杆菌引起的感染进行用药指导时,需考虑到生物被膜形成影响了细菌对抗菌药物的敏感性。但目前尚未有研究生物被膜中大肠杆菌对多粘菌素的耐药性。
本研究利用微量接种针为载体建立大肠杆菌生物被膜的体外模型,测定多粘菌素对大肠杆菌生物被膜的最低抑制浓度(BIC)和最小生物膜清除浓度(MBEC),为临床合理用药提供依据。
发明内容
本发明的目的在于构建大肠杆菌生物被膜的体外模型,测定大肠杆菌对抗生素耐药性。
通过构建大肠杆菌生物被膜,并检测抗生素对大肠杆菌生物被膜的最低抑制浓度(Biofilm Inhibitory Concentration,BIC)和最小生物膜清除浓度(Minimal BiofilmEradication Concentration,MBEC),判断大肠杆菌对抗生素的耐药性。
技术方案为,一种构建生物被膜中大肠杆菌对多粘菌素耐药性的方法,步骤包括:
(1)生物被膜构建:
大肠杆菌培养后调节浓度至OD600=0.45~0.5,加到微孔板内,将接种针固定在盖板上,并将盖板固定在微孔板上,使接种针插入微孔板内的菌液中,36~38℃、100~120rpm条件下培养18~30小时,在接种针上形成细菌生物被膜。
优选的培养条件为:37℃、110rpm条件下培养24小时。
优选的,每个微孔内菌液体积为100~200μL,更优选为140~160μL;在本发明的一个优选实施方式中,菌液体积为150μL。
(2)抗生素压力测试:
配制不同浓度抗生素的药敏板,以空白菌液孔作为对照,取出步骤(1)中附有细菌生物被膜的接种针,冲洗后,压入含有不同浓度抗生素的药敏板内,36~38℃下静置培养18~30小时;
读取此过程中的光密度值,以确定生物被膜最低抑制浓度(BIC);优选的,读取600nm波长下的光密度值。
优选的,培养条件为:37℃条件下静置培养24小时。
(3)生物被膜恢复:
取出接种针洗涤后转入含有培养基的微孔板中,低速离心或超声震荡使生物被膜剥离到培养基中;移除接种针,36~38℃下静置培养18~30小时;
读取此过程中的光密度值,以确定生物被膜最小清除浓度(MBEC);优选的,读取600nm波长下的光密度值。
优选的,培养条件为:37℃条件下静置培养20小时。
优选的,上述方法中的革兰氏阴性菌为大肠杆菌;所述的抗生素为多粘菌素、头孢类抗生素、碳青霉烯类抗生素或氨基糖苷类抗生素。
其中BIC为从生物膜脱离附着释放出的游离菌经37℃培养24h后测得的MIC,而MBEC通过将一定浓度抗生素作用后的生物膜超声破坏并在37℃下培养24h测定。此方法同样适用于其它类别的抗生素,对于其它不同菌属仅提供参考。且具有操作简单,易重复等特点,为临床合理用药提供依据。
通过本发明的方法,构建了革兰氏阴性菌例如大肠杆菌生物被膜的体外模型,其中选取了一种有代表性的抗生素,多粘菌素作为研究对象。结果显示,大肠杆菌形成生物被膜后,对多粘菌素的耐药程度增加,其BIC和MBEC值均增加,且MBEC值大于BIC值。
但此方法不仅适用于多粘菌素,也可选用不同种类的抗生素,如头孢类抗生素,碳青霉烯类抗生素和氨基糖苷类抗生素等用于此研究,并可根据实验结果,寻找合适药物浓度用以清除生物被膜,为临床上合理用药提供理论依据。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1.利用微量接种针作为载体,建立生物被膜体外模型,测定抗生素对生物被膜的最低抑制浓度(BIC)和最小生物膜清除浓度(MBEC),操作简单,不需要太多繁琐的步骤;
2.易于重复,实验重复性较好;
3.配套设备少,技术要求低,可减少人为因素等误差;
4.一次可以同时进行多个菌株、多个样本、多种菌株的大规模、较大样本种类和较大数量BIC及MBEC测定。
附图说明
图1为本方法的实验流程图
具体实施方式
实施例1
一种构建生物被膜中大肠杆菌对多粘菌素耐药性的方法,实验流程图如图1所示,依次为:菌株的活化;生物被膜生长阶段;抗生素压力阶段;生物被膜恢复阶段。该方法的步骤包括:
(1)生物被膜生长阶段
从-80℃冰箱里取出甘油管里保存的大肠杆菌,放置于冰盒上,解冻大约5分钟左右。在无菌操作台内,用无菌接种环在LB琼脂板子上划线,放置恒温培养箱内,37℃培养16-18h。挑取单菌落于9mL LB肉汤内,放置于37℃、200rpm的摇床中培养16-18h。
将培养好的菌体,在3000rpm,10min,25℃下离心,去除上清(上清为离心下来的培养基),用无菌0.85%生理盐水调节菌液浓度,使得在酶标仪处测得菌液OD600值到0.5McFarland为止。
将活化并稀释至OD600值=0.5McFarland的菌液150μL加入到96微量孔板中(catalogno.269787;Nalgene Nunc International,Rochester,N.Y.),留有空白孔做阴性对照,细菌生物膜是通过浸没改性的聚苯乙烯的微量滴定板盖(接种针)(catalogno.445497;NuncTSP system)形成的,因此将接种针插入上述96微量滴定板中,110rpm,37℃培养24h。此过程目的是为了促进细菌生物被膜的形成。
注意:此过程加入96孔板内的菌体量不能过多,若加入菌体量过多,相应形成生物被膜量也会增多,且很容易在第二步转到抗生素压力板时,细菌逃脱抗生素的压力作用,因此本方法选择菌体量为150μL。
根据美国临床和实验室标准协会(CLSI)和欧洲药敏试验委员会(EUCAST)标准,测得大肠杆菌对多黏菌素的耐药折点为2μg/mL。此方法以实验室保存的24株大肠杆菌为研究对象采用PCR方法对上述细菌16s rRNA进行测序,并将阳性产物送至上海生工有限公司进行测序,并将反馈的测序结果提交至National Center for Biotechnology InformationNCBI(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov)上进行序列比对,以确认细菌的菌属,结果表明均为大肠杆菌。并且经测定,多粘菌素的最低抑制浓度均<2μg/mL。
选择24株大肠杆菌进行培养,通过结晶紫染色,并检测24株大肠杆菌形成生物被膜后的OD600值,结果如表1所示。检测结果显示,上述方法可以使大肠杆菌形成中等强度的生物被膜。
结晶紫染色方法为:用1mL 0.1%的结晶紫室温下染色30min,用0.1mol/L的PBS清洗3次,以除去多余的结晶紫。室温下晾置30min后,用2mL95%的乙醇溶解15min,吸取200μL至96孔板中,用酶标仪检测其在600nm处的吸光度值(OD600n m)。未接种菌液的新鲜LB肉汤作为空白对照(ODc)。
表1
(2)抗生素压力阶段:
实验前配置实验所需浓度为5120μg/mL的多粘菌素溶液,放-80℃冰箱。在实验开始前取出,放置于室温下解冻。制备BIC所需药敏板时,将粘菌素最大浓度配置为1024μg/mL。用MHB倍比稀释配出各个梯度浓度,依次为1024μg/mL、512μg/mL、256μg/mL、128μg/mL、64μg/mL、32μg/mL、16μg/mL、8μg/mL、4μg/mL、2μg/mL和1μg/mL。留有空白菌液抗生素孔作为阳性对照。
将上一步菌液培养24h后,取出接种针用1×PBS冲洗3次,将冲洗后的接种针压入不同浓度粘菌素的药敏板中,每孔含200μL,留有空白菌液孔做对照。37℃静止培养24h。利用酶标仪在600nm波长下读取此过程光密度值,确定生物被膜最低抑制浓度BIC值,根据CLSI 2017判定标准进行分析。结果如表2所示。
(3)生物被膜恢复阶段:
24h后取出接种针再次用1×PBS冲洗3次,将冲洗后的接种针转入含有200μLCAMHB(cation-adjusted Mueller-Hinton broth,肉汤培养基)的孔板中,60W下超声振荡5min,或离心810×g,20min(此处要求相对低的离心转速,因为在更高的转速下,微量滴定板容易断裂)。使生物被膜从接种针上完全剥离到肉汤中。移除接种针换为普通的上盖,随后将此96孔板放入37℃下静止培养20h后,测定其相应波长下的光密度值OD600。确定生物被膜最小清除浓度(MBEC),根据CLSI 2017判定标准进行分析。结果如表2所示。
表2 24株大肠杆菌形成生物被膜后对多粘菌素的BIC和MBEC值
由表2可知,本此实验中,24株大肠杆菌形成生物被膜后对多粘菌素的BIC和MBEC值。由表可知,细菌形成生物被膜后,对粘菌素的耐药性均显著增加(>2μg/mL),且MBEC值>BIC值。由此可见,细菌形成生物被膜后,其生物被膜状态细菌耐药性显著大于浮游状态细菌的耐药性。
步骤(2)和(3)的96孔板(药敏板)中,采用二倍梯度稀释方式,不同梯度浓度的多粘菌素分布模型如下:
表3 96孔药敏板中不同梯度浓度多粘菌素分布模型
共8行,每行12个孔,多粘菌素的浓度依次为1024μg/mL、512μg/mL、256μg/mL、128μg/mL、64μg/mL、32μg/mL、16μg/mL、8μg/mL、4μg/mL、2μg/mL、1μg/mL和0μg/mL。0μg/mL即空白菌液抗生素孔作为阳性对照。根据实验条件不同,还可以将不同种类的抗生素稀释成不同的浓度。
实施例2平板涂布法确定大肠杆菌最适培养温度
按照上述活化稀释的方法,将菌体OD值调到OD600值=0.5McFarland的菌液,(菌浓度约为1×109cfu/mL),用于生物被膜的培养。取10μL上述大肠杆菌培养液加入到含990μL新鲜LB(3%NaCL)培养基的24孔板中,以未接种菌液的新鲜LB孔板作为空白对照,每个菌株做3个平行。选取四个不同温度,分别为(15℃、25℃、37℃和45℃)分别静置培养至24h,测定生物被膜形成量。24孔板用保鲜膜密封,以防水分蒸发。
培养结束后,首先弃去孔板中的菌液,用0.1mol/L的PBS缓冲液洗去未粘附的细菌。每孔中加1mL的无菌生理盐水(0.85%NaCI溶液)重悬被膜菌,进行梯度稀释后涂布于TSA平板上,分别在15℃、25℃、37℃和45℃培养24h进行活菌计数(以30-300为有效数值)。每个样品三个平行。
24株大肠杆菌各个梯度平均菌量结果如表4所示。
由表格可以得出,-3稀释梯度为有效计数梯度,在37℃条件下的菌株存活率最高,生物被膜形成量最大,是大肠杆菌的最适培养温度。
表4不同培养温度下24株大肠杆菌形成生物被膜在各个稀释梯度下的平均菌量
Claims (10)
1.一种快速测定生物被膜中大肠杆菌对抗生素耐药性的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)生物被膜构建:
大肠杆菌培养后调节浓度至OD600=0.45~0.5,加到微孔板内,将接种针固定在盖板上,并将盖板固定在微孔板上,使接种针插入微孔板内的菌液中,每个微孔内菌液体积为100~200μL;36~38℃、100~120rpm条件下培养18~30小时,在接种针上形成细菌生物被膜;
(2)抗生素压力测试:
配制不同浓度抗生素的药敏板,以空白菌液孔作为对照,取出步骤(1)中附有细菌生物被膜的接种针,冲洗后,压入含有不同浓度抗生素的药敏板内,36~38℃下静置培养18~30小时;
读取此过程中的光密度值,以确定生物被膜最低抑制浓度;
(3)生物被膜恢复:
取出接种针洗涤后转入含有培养基的微孔板中,低速离心或超声震荡使生物被膜剥离到培养基中;移除接种针,36~38℃下静置培养18~30小时;
读取此过程中的光密度值,以确定生物被膜最小清除浓度。
2.权利要求1所述快速测定生物被膜中大肠杆菌对抗生素耐药性的方法,其特征在于,步骤(1)的培养条件为:37℃、100~120rpm条件下培养18~30小时。
3.权利要求1所述快速测定生物被膜中大肠杆菌对抗生素耐药性的方法,其特征在于,步骤(1)中,每个微孔内菌液体积为140~160μL。
4.权利要求1或2所述快速测定生物被膜中大肠杆菌对抗生素耐药性的方法,其特征在于,步骤(1)的培养条件为:37℃、110rpm条件下培养24小时。
5.权利要求1所述快速测定生物被膜中大肠杆菌对抗生素耐药性的方法,其特征在于,步骤(2)和步骤(3)中,读取600nm波长下的光密度值。
6.权利要求1所述快速测定生物被膜中大肠杆菌对抗生素耐药性的方法,其特征在于,步骤(2)的培养条件为:37℃条件下静置培养18~30小时;步骤(3)的培养条件为:37℃条件下静置培养18~30小时。
7.权利要求1或6所述快速测定生物被膜中大肠杆菌对抗生素耐药性的方法,其特征在于,步骤(2)的培养条件为:37℃条件下静置培养24小时。
8.权利要求1所述快速测定生物被膜中大肠杆菌对抗生素耐药性的方法,其特征在于,步骤(3)的培养条件为:37℃条件下静置培养18~30小时。
9.权利要求1或8所述快速测定生物被膜中大肠杆菌对抗生素耐药性的方法,其特征在于,步骤(3)的培养条件为:37℃条件下静置培养20小时。
10.权利要求1所述快速测定生物被膜中大肠杆菌对抗生素耐药性的方法,其特征在于,所述的抗生素为多粘菌素、头孢类抗生素、碳青霉烯类抗生素或氨基糖苷类抗生素。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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