黴漿菌是目前發現最小,且可自行複製的病原體,黴漿菌的大小介於0.15~0.3 μm之間,有機會通過實驗室中過濾使用的小飛碟(0.22 um孔徑),其基因組的大小為0.58–2.20 Mb 與大腸桿菌的 4.64 Mb要小的很多(Rottem et al., 2012)。黴漿菌並非黴菌,在分類學上被歸類為細菌,但與一般常見的細菌不同,因黴漿菌不具有細胞壁,在細胞培養中常添加的抗生素penicillin對其無效,除此之外,因黴漿菌缺乏一些代謝相關的酵素,無法執行TCA循環,必須依附其他生物細胞才可生存。
在各種黴漿菌中,M. orale、M. arginini、M. hyorinis、M. fermentans、A. laidlawii、M. hominis,為較常見的汙染菌種,其汙染源可能來自於實驗室內共用的medium、PBS、pipettman、操作人員(Fig.2.)等,如M. fermentans、M. hominis便存在於人的口腔、呼吸道中,甚至是培養液中添加的Fetal bovin serum (FBS)血清製劑,都可能一開始就含有這些黴漿菌(FBS中M. arginini、A. laidlawii較為常見),豬來源的Trypsin也常有M. hyorinis的汙染(Nikfarjam & Farzaneh, 2012)。
Fig. 1. 細胞培養中常見的mycoplasma,其自然宿主以及汙染菌種的發生率(Nikfarjam & Farzaneh, 2012)。
Fig.2. 常見的細胞培養汙染來源,以及微生物的含量(Nikfarjam & Farzaneh, 2012)。
在細胞培養中,黴漿菌有多變的形狀,如球狀、長頸形狀等(Fig.3 .),其尖端具有幫助貼附的胞器以及蛋白質,會使黴漿菌能貼附在宿主細胞表面(Fig.4.),甚至能夠穿透並進入宿主細胞內(Fig.5.)。
Fig.3. 電子顯微鏡下,黴漿菌M. hyorhinis (A),以及被感染的黑色素細胞,箭頭處為接近宿主細胞膜的黴漿菌(B) (Rottem et al., 2012)。
Fig.4. 電子顯微鏡下,長頸形狀的M. pneumoniae與ciliated mucosal cells,箭頭處為黴漿菌尖端,具貼附能力的胞器(Rottem et al., 2012)。
Fig.5. 以免疫螢光染色的方式標記mycoplasma,並以共軛交顯微鏡拍攝細胞。(A)為未受感染的control組細胞。(B)貼附在細胞表面的mycoplasma。(C)進入到細胞內的mycoplasma。(Rottem et al., 2012)
細胞受到黴漿菌感染之後,細胞的轉運機制會受到影響,如鉀離子通道蛋白,甚至使細胞雙層磷脂質被水解,黴漿菌所釋放的代謝產物,如水解酶、超氧化物都有可能造成宿主細胞的氧化壓力,開啟一連串非預期的訊息傳遞路徑(如Toll-like receptors相關路徑、凋亡相關路徑),在免疫細胞株中(如THP-1、RAW264.7),甚至會誘發其活化,並釋放細胞激素,除此之外,有些酶漿菌能夠誘發宿主細胞的凋亡,這些都使得實驗的穩定性以及再現性大幅度的降低。
由於黴漿菌很小,且汙染後的培養液不太會呈現混濁的狀態,即便通過光學顯微鏡觀察,也不容易判斷是否有汙染,而傳統檢測汙染的方式,是透過固態培養基進行培養,然而此方法會有不少缺點,如不同種類mycoplasma的培養條件大不相同,生長速度又較為緩慢(慢者28天以上),在檢測上的效率以及時間成本較高,於是現在主流的檢測方式則是透過PCR,設計微生物16s rRNA上保守序列的探針或是引子,進行PCR擴增來檢測產物,或配合RT-PCR進行即時的偵測。以topgene公司開發的檢測套組為例,Myco-Detect Fast qPCR Kits (800113/800113L),專門設計的Taqman probe以及primer除了能夠同時檢測多達13種的mycoplasma以外,透過合成的mycoplasma核酸標準品拉出標準曲線,能精確的計算出汙染環境中mycoplasma的精確數量,且只需一鐘頭內即可得知檢測結果。
當環境中確認有mycoplasma存在時,如何防治便是一大重點,日常細胞實驗無菌操作的維持(個人習慣、良好的操作手法),透過酒精、mycoplasma removal spary、紫外燈對環境進行消毒外,細胞培養的medium中添加的抗生素也是一大重點,我們知道一般實驗室添加的抗生素為PS、PSA (penicillin、streptomycin、Amphotericin B),penicillin的作用機轉為破壞細菌細胞壁肽聚醣的生合成,使細菌因滲透壓失衡脹破,然而黴漿菌不具有細胞壁,因此penicillin對黴漿菌無效;streptomycin的抑菌機制則是會與細菌核糖體的30S subunit上的16S rRNA結合,並干擾甲醯甲硫氨酸tRNA(formyl-methionyl-tRNA)與30S rRNA的連接,影響細菌蛋白質的合成,然而先前的實驗卻也指出streptomycin對於黴漿菌的抑制效力有限(Fig.6 .);Amphotericin B則是會與真菌細胞膜上的Ergosterol結合,使其細胞膜的通透性改變,造成真菌死亡,然而Amphotericin B是針對真菌的抗生素,對細菌的殺傷力有限。
Fig.6 . 不同抗生素對於M. hominis的30個菌株的最低抑制濃度(Brenclaglia et al., 1975)。從圖中可以觀察到最上軸為抗生素濃度的系列稀釋,下方則是該濃度下有效抑制的菌株數,可以發現針對M. hominis黴漿菌最有效的抗生素為Gentamicin,而streptomycin僅有一株菌株在100 ug/ml的濃度下具有敏感性。
市面上較常見的mycoplasma removal agent (MRA)中的成分多為Quinolone或Macrolide的衍生物,Quinolone類抗生素的作用機制為抑制細菌DNA gyrase的活性,阻止細菌DNA的合成,最終使其死亡,而Macrolide的作用機制也是針對微生物的核醣體,干擾其蛋白質的生合成。而這些MRA產品通常會建議在汙染發生時,持續添加帶有MRA的medium數天甚至一週,培養液中的mycoplasma便會大幅降低,若是一般維護,可將medium中的MRA含量降低,達到預防的效果。
Brenclaglia, M., Cipriani, P., & Mancini, C. (1975). Antimicrobial activity of aminoglycosides against clinical strains of Mycoplasma hominis. Journal of Antimicrobial chemotherapy, 1(3), 333-336.
Nikfarjam, L., & Farzaneh, P. (2012). Prevention and detection of Mycoplasma contamination in cell culture. Cell Journal (Yakhteh), 13(4), 203.
Rottem, S., Kosower, N. S., & Kornspan, J. D. (2012). Contamination of tissue cultures by mycoplasmas. Biomedical tissue culture, 3, 35-58.
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