نظام لفعالية والسمسة فحص مثبطات استهداف بين الخلايا<em> المتفطرة السلية</em
Summary
لقد قمنا بتطوير نظام الفحص الإنتاجية العالية وحدات لاكتشاف مركبات جديدة ضد السل المتفطرة، تستهدف داخل وفي مرق تزايد البكتيريا وكذلك السمية الخلوية ضد الخلية المضيفة الثدييات.
Abstract
Mycobacterium tuberculosis, the causative agent of tuberculosis (TB), is a leading cause of morbidity and mortality worldwide. With the increased spread of multi drug-resistant TB (MDR-TB), there is a real urgency to develop new therapeutic strategies against M. tuberculosis infections. Traditionally, compounds are evaluated based on their antibacterial activity under in vitro growth conditions in broth; however, results are often misleading for intracellular pathogens like M. tuberculosis since in-broth phenotypic screening conditions are significantly different from the actual disease conditions within the human body. Screening for inhibitors that work inside macrophages has been traditionally difficult due to the complexity, variability in infection, and slow replication rate of M. tuberculosis. In this study, we report a new approach to rapidly assess the effectiveness of compounds on the viability of M. tuberculosis in a macrophage infection model. Using a combination of a cytotoxicity assay and an in-broth M. tuberculosis viability assay, we were able to create a screening system that generates a comprehensive analysis of compounds of interest. This system is capable of producing quantitative data at a low cost that is within reach of most labs and yet is highly scalable to fit large industrial settings.
Introduction
المتفطرة السلية، العامل المسبب لمرض السل (TB)، هو أحد الأسباب الرئيسية للمراضة والوفيات في جميع أنحاء العالم. TB الحساس للأدوية هو مرض قابل للعلاج يتطلب مضادات حيوية متعددة لمدة 6 أشهر. على الرغم من كونه مرض قابل للعلاج، وقدرت نسبة الوفيات بمرض السل أن يكون 1.5 مليون في عام 2015 1. في السنوات ال 10 الماضية، كانت هناك زيادة المخاوف من انتشار M. السل المقاوم للأدوية. يتم تعريف للأدوية المتعددة مقاومة السل (MDR-TB) كما TB التي هي مقاومة على الأقل أيزونيازيد (INH) وريفامبيسين (RMP)، ومعظم سلالات السل المقاوم للأدوية المتعددة هي أيضا مقاومة لتحديد الأدوية TB الخط الثاني، مما يحد من خيارات العلاج . آثار مقاومة المخدرات تخلق تحديا أكبر لعلاج المرضى الذين يعانون شارك في المصابين بفيروس نقص المناعة البشرية (HIV). 400000 المرضى في جميع أنحاء العالم توفي من مرض السل المرتبطة بفيروس نقص المناعة البشرية في عام 2015 1. مخيبة للآمال، والولايات المتحدة الأمريكية للغذاء والدواء Administوقد وافقت التموينية واحد فقط المخدرات TB جديدة ضد MDR-TB، bedaquiline، في السنوات ال 40 الماضية 2. هناك حاجة ماسة إلى التقدم في إيجاد علاجات أفضل وأقصر TB من أجل البقاء قدما في مكافحة السل وMDR-TB.
تقليديا، يتم تنفيذ الشاشات المخدرات TB تحت في المختبر ظروف النمو في متوسط النمو، حيث تتم إضافة مركبات للثقافة متنامية ويتم تحديد فعاليتها في القضاء على الكائنات الحية الدقيقة عن طريق عد مستعمرة (كفو) في وسط صلب. كما تعول CFU هي كثيفة العمالة، تستغرق وقتا طويلا، ومكلفة، وقد وضعت وسائل غير مباشرة مختلفة للتخفيف من حدة هذه المشكلة. وتشمل هذه الأساليب في الامار الأزرق جدوى فحص 3، وتحديد مضان 4 من البروتين الأخضر الفلورسنت (GFP) أو التلألؤ 5 من البكتيريا، معربا عن وسيفيراز، وتقدير مجموع أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) 6 و 7.
يتميز TB نموذجي من عدوى السل M. في الرئة، حيث تتواجد البكتيريا وتتكاثر داخل جسم بلعمي الضامة السنخية 8. الشاشة المظهرية بسيطة في مرق قد تتناسب مع مسببات الأمراض خارج الخلية. ومع ذلك، في المنظور التاريخي، وأصيب المركبات ضد M. السل التي تم تحديدها باستخدام هذه الطريقة غالبا ما تفشل في الارتقاء إلى مستوى التوقعات خلال خطوات التحقق من صحة المصب في نماذج العدوى. نقترح أن المخدرات TB يتم تنفيذ الأفضل في نموذج عدوى الخلية المضيفة داخل الخلايا. ومع ذلك، ونماذج الخلايا تمتلك العديد من الحواجز التكنولوجية والبيولوجية لفحص (HTS) تطوير الإنتاجية العالية. وهناك عقبة كبيرة هي تعقيد عملية العدوى، والتي تجسدت خطوات عديدة وإزالة متطورة من البكتيريا خارج الخلية التي كتبها في الفترات الفاصلة بين الغسيل. وهناك عقبة رئيسية الثانية هي المرة إعادة طويلةيتطلبه، كما كشف عن النمو، ويتم عادة CFU تعول على لوحات ثقافة، هي العملية التي تستغرق أكثر من 3 أسابيع لإكمال. تم توفير حل واحد ليحل محل التهم CFU بواسطة المجهر الفلورسنت الآلي في تركيبة مع البكتيريا الفلورسنت. ومع ذلك، هذا الحل يتطلب الاستثمار في المعدات الأولي الذي هو خارج عن متناول العديد من مختبرات البحوث. ومن شأن ومنخفضة التكلفة بسيطة، والأمراض ذات الصلة طريقة HTS يعزز إلى حد كبير عملية اكتشاف المخدرات.
في هذه الدراسة، ونحن التقرير نظام HTS جديد، وحدات التي تهدف إلى توفير السريع، وتدرجية عالية، بعد اقتصادي، فحص مناسبة لتحديد النشاط من المركبات ضد الخلايا السل M.. ويتكون هذا النظام من ثلاث وحدات: (ط) داخل الخلايا، (ب) السمية الخلوية، و (iii) فحوصات في المرق. توفر النتيجة النهائية مجتمعة وصفا شاملا للخصائص مركب، مع معلومات إضافية عن الوضع المحتمل للعمل. هذا الشورينظام reening استخدمت في العديد من المشاريع مع المكتبات مجمع المختلفة التي تستهدف طريقة العمل، بما في ذلك تحليل التآزر المخدرات 9، وتحفيز الالتهام الذاتي 10، وتثبيط M. السل -secreted عامل الضراوة (غير منشورة). كما تم دراسة المركبات من وضع غير معروف من عمل 11. اعتمد نسخة معدلة من هذا الأسلوب أيضا شريك صناعي لدينا كأسلوب غربلة أولية لتحديد مركبات جديدة ضد الخلايا السل M. 11.
Protocol
Representative Results
Discussion
وكان الهدف من هذه الدراسة هو إيجاد طريقة HTS بسيطة وفعالة من حيث التكلفة باستخدام نموذج العدوى داخل الخلايا البشرية لM. السل. والسل هو مرض يصيب الإنسان تتميز إصابة الضامة السنخية التي كتبها M. السل. بسبب قضايا السلامة الأحيائية، وقد استخدم البحوث التي تنطوي عل…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by BC Lung Association and Mitacs.
Materials
| RPMI 1640 | Sigma-Aldrich | R5886 | |
| L-glutamine | Sigma-Aldrich | G7513 | |
| Fetal bovine serum (FBS) | Thermo Fisher Scientific | 12483020 | |
| Middlebrook 7H9 | Becton, Dickinson and Company | 271210 | |
| Tween80 | Fisher Scientific | T164 | |
| Albumin, Bovine pH7 | Affymetrix | 10857 | |
| Dextrose | Fisher Scientific | BP350 | |
| Sodium Chloride | Fisher Scientific | BP358 | |
| kanamycin sulfate | Fisher Scientific | BP906 | |
| PMA | Sigma-Aldrich | P8139 | |
| MTT | Sigma-Aldrich | M2128 | |
| N,N-Dimethylformamide (DMF) | Fisher Scientific | D131 | |
| 1M Hydrocholoric acid (HCl) | Fisher Scientific | 351279212 | |
| Acetic acid | Fisher Scientific | 351269 | |
| SDS | Fisher Scientific | BP166 | |
| Resazurin | Alfa Aesar | B21187 | |
| DMSO | Sigma-Aldrich | D5879 | |
| Glycerol | Fisher Scientific | BP229 | |
| THP-1 | American Type Culture Collection | TIB-202 | |
| M. tuberculosis H37Rv | |||
| 96-well flat bottom white plate | Corning | 3917 | |
| 95-well flat bottom clear plate | Corning | 3595 | |
| Transparent plate sealer | Thermo Fisher Scientific | AB-0580 | |
| Spectrophotometer | Thermo Fisher Scientific | Biomate 3 | |
| Microplate spectrophotometer | Biotek | Epoch | |
| luminometer | Applied Biosystems | Tropix TR717 |
References
- WHO. . Global tuberculosis report 2015. , (2016).
- Yajko, D. M., et al. Colorimetric method for determining MICs of antimicrobial agents for Mycobacterium tuberculosis. J Clin Microbiol. 33, 2324-2327 (1995).
- Khare, G., Kumar, P., Tyagi, A. K. Whole-cell screening-based identification of inhibitors against the intraphagosomal survival of Mycobacterium tuberculosis. Antimicrob Agents Chemother. 57, 6372-6377 (2013).
- Andreu, N., Fletcher, T., Krishnan, N., Wiles, S., Robertson, B. D. Rapid measurement of antituberculosis drug activity in vitro and in macrophages using bioluminescence. J Antimicrob Chemother. 67, 404-414 (2012).
- Mak, P. A., et al. A high-throughput screen to identify inhibitors of ATP homeostasis in non-replicating Mycobacterium tuberculosis. ACS Chem Biol. 7, 1190-1197 (2012).
- Pethe, K., et al. A chemical genetic screen in Mycobacterium tuberculosis identifies carbon-source-dependent growth inhibitors devoid of in vivo efficacy. Nat Commun. 1, 57 (2010).
- Hmama, Z., Pena-Diaz, S., Joseph, S., Av-Gay, Y. Immunoevasion and immunosuppression of the macrophage by Mycobacterium tuberculosis. Immunol Rev. 264, 220-232 (2015).
- Ramon-Garcia, S., et al. Synergistic drug combinations for tuberculosis therapy identified by a novel high-throughput screen. Antimicrob Agents Chemother. 55, 3861-3869 (2011).
- Lam, K. K., et al. Nitazoxanide stimulates autophagy and inhibits mTORC1 signaling and intracellular proliferation of Mycobacterium tuberculosis. PLoS Pathog. 8, e1002691 (2012).
- Sorrentino, F., et al. Development of an Intracellular Screen for New Compounds Able To Inhibit Mycobacterium tuberculosis Growth in Human Macrophages. Antimicrob Agents Chemother. 60, 640-645 (2015).
- Sun, J., et al. A broad-range of recombination cloning vectors in mycobacteria. Plasmid. 62, 158-165 (2009).
- . THP-1 (ATCC TIB-202) Available from: https://www.atcc.org/products/all/TIB-202.aspx (2016)
- Hansen, M. B., Nielsen, S. E., Berg, K. Re-examination and further development of a precise and rapid dye method for measuring cell growth/cell kill. J Immunol Methods. 119, 203-210 (1989).
- Invitrogen. . AlamarBlue assay. , (2008).
- . Handbook of anti-tuberculosis agents. Introduction. Tuberculosis (Edinb). 88 (2), 85-86 (2008).
- Riss, T. L., et al. . Cell Viability Assays. , (2004).
- Meyer, M., et al. In vivo efficacy of apramycin in murine infection models. Antimicrob Agents Chemother. 58, 6938-6941 (2014).
- Ballell, L., et al. Fueling open-source drug discovery: 177 small-molecule leads against tuberculosis. ChemMedChem. 8, 313-321 (2013).
- Grundner, C., Cox, J. S., Alber, T. Protein tyrosine phosphatase PtpA is not required for Mycobacterium tuberculosis growth in mice. FEMS Microbiol Lett. 287, 181-184 (2008).
- Wong, D., Bach, H., Sun, J., Hmama, Z., Av-Gay, Y. Mycobacterium tuberculosis protein tyrosine phosphatase (PtpA) excludes host vacuolar-H+-ATPase to inhibit phagosome acidification. Proc Natl Acad Sci U S A. 108, 19371-19376 (2011).
- Bach, H., Papavinasasundaram, K. G., Wong, D., Hmama, Z., Av-Gay, Y. Mycobacterium tuberculosis virulence is mediated by PtpA dephosphorylation of human vacuolar protein sorting 33B. Cell Host Microbe. 3, 316-322 (2008).
- Chanput, W., Peters, V., Wichers, H. . The Impact of Food Bioactives on Health: in vitro and ex vivo models. , 147-159 (2015).
- Maess, M. B., Wittig, B., Lorkowski, S. Highly efficient transfection of human THP-1 macrophages by nucleofection. J Vis Exp. , e51960 (2014).
- Ferguson, J. S., Weis, J. J., Martin, J. L., Schlesinger, L. S. Complement protein C3 binding to Mycobacterium tuberculosis is initiated by the classical pathway in human bronchoalveolar lavage fluid. Infect Immun. 72, 2564-2573 (2004).
- Andreu, N., et al. Optimisation of bioluminescent reporters for use with mycobacteria. PLoS One. 5, e10777 (2010).
- Queval, C. J., et al. A microscopic phenotypic assay for the quantification of intracellular mycobacteria adapted for high-throughput/high-content screening. J Vis Exp. , e51114 (2014).
- Christophe, T., et al. High content screening identifies decaprenyl-phosphoribose 2′ epimerase as a target for intracellular antimycobacterial inhibitors. PLoS Pathog. 5, e1000645 (2009).
- Pethe, K., et al. Discovery of Q203, a potent clinical candidate for the treatment of tuberculosis. Nat Med. 19, 1157-1160 (2013).
