A method for establishing lung infections in immunocompetent rodents is described. With proficiency, this method can be performed quickly and easily to induce stable infection with many isolates of S. pneumoniae, H. influenzae, P. aeruginosa, K. pneumoniae and A. baumannii.
L'efficacia di candidati trattamenti antibatterici deve essere dimostrato in modelli animali di infezione, come parte del processo di scoperta e lo sviluppo, preferibilmente in modelli che imitano l'indicazione clinica prevista. Un metodo per indurre infezioni polmonari robusti in ratti e topi immunocompetenti è descritto che permette la valutazione dei trattamenti in un modello di gravi polmonite da S. pneumoniae, H. influenzae, P. aeruginosa, K. pneumoniae o A. baumannii. Gli animali sono anestetizzati, e un inoculo di agar-based si deposita in profondità nei polmoni tramite intubazione endotracheale non chirurgica. L'infezione risultante è coerente, riproducibile e stabile per almeno 48 ore e fino a 96 ore per la maggior parte degli isolati. Studi con antibatterici commercializzati hanno dimostrato una buona correlazione tra l'efficacia in vivo e de sensibilità in vitro, e la concordanza tra farmacocinetica / farmacodinamica obiettivi determinatoin questo modello e gli obiettivi clinicamente accettate è stato osservato. Sebbene non vi sia un investimento di tempo iniziale quando l'apprendimento della tecnica, può essere eseguita rapidamente ed efficientemente una volta raggiunta competenza. I vantaggi del modello comprendono eliminazione del requisito di neutropenia, maggiore robustezza e riproducibilità, capacità di studiare più agenti patogeni e isolati, una maggiore flessibilità nel disegno dello studio e la creazione di una infezione difficile in un host immunocompetenti.
Valutare l'efficacia di potenziali farmaci candidati in modelli animali di infezione è una componente fondamentale del processo di scoperta di nuovi farmaci antibatterici. In vivo studi di efficacia forniscono dati importanti per il processo decisionale in tutto l'arco di attività di scoperta, da chiarire le relazioni struttura-attività (SAR) e l'ottimizzazione serie chimica piombo attraverso la determinazione di farmacocinetica-farmacodinamica (PK / PD) caratteristiche di composti e sostenere la selezione della dose per sviluppo clinico e l'approvazione regolamentare. Numerosi modelli di infezione animale sono descritti in letteratura per questi scopi. Uno dei modelli più comuni e diffusi è il neutropenico infezione del mouse coscia, che è stato lanciato da Aquila 1, 2 e successivamente ampliato da Vogelman e Craig 3, 4. Questo modello è stato prezioso per supportare la determinazione dei punti di interruzione di sensibilità batterica e per fornire obiettivi PK / PD per il dosaggio umana. Ci sono molti esamiples dove la capacità predittiva di questo modello è stato dimostrato 4-7. Tuttavia, uno degli svantaggi del modello di infezione coscia è la mancanza di rilevanza diretta per le infezioni polmonari. Vi è ora una maggiore enfasi sulla corrispondenza del sito di infezione in modelli animali al sito di infezione negli esseri umani; e quindi, per studiare composti per il trattamento di polmonite, è ideale per utilizzare un modello di infezione polmonare in animali.
Diversi metodi per indurre infezioni polmonari in animali da laboratorio sono stati descritti ed utilizzati per studi di efficacia antibatteriche compresa intranasale inalazione, l'aspirazione per via orofaringea, l'esposizione dell'aerosol e chirurgica inoculazione intratracheale 8. In molti casi, gli animali (in particolare topi) devono prima essere resi neutropenia per ottenere una infezione polmonare robusta. Nonostante questo stato gravemente immunocompromessi, il numero di batteri patogeni e ceppi che producono infezioni vitali nei roditori èlimitato. Ad esempio, può essere difficile stabilire con successo Haemophilus influenzae o Acinetobacter baumannii in modelli polmonite 9, 10, e anche più virulenti patogeni, come ad esempio lo Streptococcus pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa e Klebsiella pneumoniae, può rappresentare sfide 11-13.
Nel 1991, Smith ha descritto un modello di infezione polmonare nei ratti appena svezzati immunocompetenti in cui l'infezione è stata fondata da instillare batteri direttamente nei polmoni tramite un semplice metodo di intubazione endotracheale non chirurgico 14. Berry et al. successivamente modificato il metodo per infettare i topi 15. Usando un inoculo di agar-based, questa tecnica di inoculazione induce infezioni polmonari robusti in ratti e topi immunocompetenti con S. pneumoniae, H. influenzae, K. pneumoniae, P. aeruginosa e A. baumannii. Si è suscettibile di una vasta gamma di isolati, comprese quelle ospitare diversi resistdeterminanti ANCE e quelli che non producono una infezione praticabile attraverso altre vie di inoculazione. Consente inoltre l'efficacia da determinarsi animali immunocompetenti, una condizione che è più rilevante rispetto al modello tradizionale del mouse neutropenico per popolazioni di pazienti che non sono gravemente immunocompromessi. La consistenza e l'affidabilità di questo modello su più agenti patogeni e isolati rende particolarmente adatto per studi di efficacia antibatterica.
Per il successo ottimale nel riprodurre questo modello di infezione, i seguenti suggerimenti supplementari dovrebbero essere prese in considerazione. Virulenza dei nuovi isolati può essere migliorata passaging 2 – 3 volte in vivo prima utilizzazione in uno studio. Ceppi batterici congelati devono sempre essere preparati da un primario in vivo fonte -derived con il minor numero di passaggi possibile rispetto all'originale, e ricongelamento o riutilizzo del magazzino scongelati è scoraggiato. Utilizzando isolati clinici recenti recuperati da pazienti affetti da polmonite, e / o la preparazione di culture in crescita fase di registro può anche contribuire a migliorare istituzione dell'infezione. Una diluizione di cinque volte in agar (ad esempio 2 ml di sospensione salina aggiunto 8 mL agar) può essere usato al posto di dieci volte per aumentare l'inoculo batterico, e il volume inoculo può essere regolata in base alle dimensioni dell'animale (es 200 ml / animale di solito è inoculati in 250 g ratti). Prima dell'aggiunta della sospensione batterica salina nelagar (cioè al punto 2.3), la densità batterica può essere prevista o stimata mediante ispezione visiva, gli standard MacFarland o misure di densità ottica. E 'utile per acquisire familiarità con le caratteristiche di crescita in vitro per ogni isolato prima di condurre esperimenti in vivo. Consistenza della crescita e movimentazione consente la stima più accurata della densità batterica per un dato isolato. metodi microbiologici standard diversi da quelli descritti, ad esempio media e omogeneizzatori tessuto alternativa, possono essere utilizzati come appropriato per la preparazione di inoculi e la conta dei batteri da tessuti infetti.
Si consiglia vivamente di preparare o sciogliere l'agar il giorno prima dell'esperimento e riporlo durante la notte in un bagno d'acqua separata impostato a 50 ° C. Ciò semplifica il processo e contribuire guardia contro l'agar essere troppo caldo al momento dell'infezione. Una temperatura di 41-42 ° C raggiunge un buon equilibrio tra manutenzione suning l'agar allo stato liquido, senza essere troppo caldo per la sopravvivenza dei batteri a breve termine. Come possibile alternativa agar nutritivo, nobile agar è stato usato con successo in alcuni esperimenti. Un tubo di agar inoculo è solitamente sufficiente per un intero esperimento (ed è raccomandato), ma più provette può essere preparato per infettare un gran numero di animali (ad esempio più di 60), o quando il processo infettare richiede più di 30 – 45 min Se più tubi inoculo sono necessari, aggiungere la sospensione batterica salina per ciascun tubo di agar in quanto è necessario. Questo riduce il rischio che la sopravvivenza e / o idoneità batterica saranno influenzati dalla prolungata esposizione ad una temperatura elevata prima dell'inoculo. Va notato che utilizzano tubi inoculo multipli possono anche richiedere ulteriori procedure animale randomizzazione. Per quanto possibile, di infettare tutti gli animali della stessa preparazione inoculo. Si consiglia di adattare la dimensione di esperimenti per l'attuale livello di competenza con la TEchnique.
Uno scienziato esperto può intubazione e inoculare un animale in meno di 30 s e inoculare fino a 5 – 6 animali per partita (ossia con una siringa piena di inoculo agar). Per coloro apprendimento della tecnica, la velocità è importante come agar inizierà a solidificare; Tuttavia, il posizionamento accurato del inoculo è più importante. Iniziare con 1 o 2 animali per partita, e aumentare la tecnica diventa più familiare. Gli animali continuano a respirare durante l'intubazione; pertanto, la finestra temporale per l'inoculazione dipende da quanto velocemente l'animale recupera da isoflurano, che dovrebbe essere di circa 2 – 3 min. Gli animali che risvegliano durante il processo possono essere ri-anestetizzati e hanno tentato una seconda volta, ma non è raccomandato di farlo più volte. inoculazione di successo al primo tentativo è previsto in quasi il 100% degli animali una volta che si ottiene competenza. Si noti che è più facile imparare la tecnica utilizzando ratti prima; topi sono più delicate e minore troppoLS sono più inclini a blocco con agar solidificato se non manipolato in fretta. siringhe pre-riscaldamento, tubi e saline così come mantenere il dispositivo di intubazione su una superficie calda (non bollente), come ad esempio una piastra elettrica sulla regolazione bassa, possono aiutare a prevenire la solidificazione del agar. Quando imparare la tecnica, è anche utile per praticare il corretto posizionamento del inoculo utilizzando un colorante di colore scuro (come il blu di metilene concentrato) invece della sospensione batterica in agar. Eseguire la procedura descritta, ma l'eutanasia dell'animale subito dopo l'inoculazione del colorante (non permettendo all'animale di recuperare tra anestesia e l'eutanasia). Sezionare per determinare dove il colorante è stato immesso, e regolare tecnica conseguenza.
L'endpoint primario in questo modello è CFU dai polmoni infetti. La sopravvivenza non è un buon indicatore di carica batterica e non è un endpoint consigliato. Per gli studi di efficacia, la suggerita N è di 5 – 6 animali per gruppo come questo è predicted per rilevare ≥1 log10 differenze CFU tra i gruppi con almeno il 90% di potenza. Gli animali possono essere infettati in gruppi in modo tale che compagni di gabbia rimangano insieme, o di un vero e proprio processo di randomizzazione possono essere seguiti. Si noti che se i gruppi sono assegnati da gabbia, i gruppi dovrebbero essere infettati in sequenza casuale con i controlli di crescita di fine studio infetti ultima (per confermare che la sopravvivenza batterica / fitness non è stata influenzata dalla lunghezza del tempo esposto ad una temperatura elevata nel bagnomaria). Metodi dati censurare dovrebbe essere necessario, e nessuno è consigliato con l'eccezione di rimozione immediata di qualsiasi animale che è stata ovviamente mis-inoculati all'inizio dello studio (prima dell'inizio di eventuali trattamenti). Gli animali che sono eutanasia prima della fine dello studio dovrebbero essere campionati e risultati incluse nei set di dati a meno che un motivo valido per l'esclusione è stata identificata in modo prospettico (vale a dire un evento estraneo alla infezione o trattamento). riporto farmaco può affect alcuni campioni ed è una considerazione importante in tutti i modelli di infezione in vivo. Se un composto viene determinata frequenza, vicino al tempo dell'eutanasia o ha una lunga emivita, può essere presente nel tessuto omogenato ad una concentrazione sufficientemente elevata per continuare a uccidere i batteri ex vivo durante il processo di enumerazione batterica (diluizione e la placcatura di i campioni o sulle piastre di agar durante l'incubazione durante la notte). Per evitare questo, carbone attivo e / o un additivo che degrada la molecola attiva senza danneggiare le cellule batteriche possono essere aggiunti al campione prima della omogeneizzazione. Altri metodi includono centrifugazione dei campioni per rimuovere la maggior parte del composto attivo (che dovrebbe rimanere nel supernatante) e impiegando diversa diluizione e placcatura regimi diluire sufficientemente composto attivo ad una concentrazione non-inibitrice.
Come evidenziato dagli esempi illustrati nella Figura 2, questo modello con successo induces infezioni polmonari nei roditori con una vasta gamma di organismi, compresi quelli che non crescono bene in altri modelli (ad esempio H. influenzae). Queste infezioni sono coerenti e riproducibili, riducendo la probabilità che dovranno essere ripetuti a causa di insufficienza modello e / o scarso rendimento con un dato isolato esperimenti. Anche se gli animali sono immunocompetenti, non sono in grado di risolvere rapidamente l'infezione, se non del tutto. Questo consente una maggiore flessibilità nella durata dello studio, come molti isolati mantengono una infezione fattibile attraverso almeno 96 h senza la necessità di iniezioni ripetute di mantenere neutropenia. Il potenziale vantaggio di studiare l'efficacia antibatterica negli animali immunocompetenti è stato notato in precedenza 20, 21, e ci sono prove che, per alcuni composti (ad esempio ossazolidinoni), i dati di roditori non neutropenici possono più prevedere con precisione obiettivi di esposizione umani rispetto a quelli neutropenia reso 5. L'utilità polivalente tegli modello è dimostrata nelle figure 3 e 4 e tabelle 1 e 2. Questi studi sono parte di una grande raccolta di dati pubblicati e non pubblicati che è stato generato con questo modello di sostenere gli sforzi di ottimizzazione di piombo 16, 17, 22-24, per il confronto e la conferma del dosaggio umano proposto regimi 19, 25-29 e PK / PD caratterizzazione 18, 30-32 .While questo modello è inizialmente più complesso per condurre rispetto al metodo intranasale inalazione, ci sono molti vantaggi come descritto sopra. Con la pratica e l'uso di routine, le tecniche dovrebbero diventare semplice da eseguire.
Si può osservare in alcuni studi che la carica batterica al basale era inferiore a quello tipicamente mirata in altri modelli di infezione polmonare. Ciò è dovuto in gran parte alla diluizione richiesta in agar e il volume sfida piccola, particolarmente nei topi. Tuttavia, dovrebbe anche essere notatoche la crescita batterica è stata osservata in tutti i casi, anche quando il peso iniziale era relativamente basso. La carica batterica di riferimento obiettivo è 6-6,5 log10 CFU / polmoni (6.8 a 7.3 log 10 CFU / g di tessuto nei topi a base di peso medio del polmone), che corrisponde a densità stimate in pazienti umani con grave polmonite 33. Un fardello basale superiore può essere ottenuto concentrare ulteriormente l'inoculo batterico o ritardando l'inizio della somministrazione composti per consentire la crescita batterica supplementare; tuttavia, aumentando il carico sfida troppo può portare a malattie anormalmente grave ed acuta (cioè la morte in meno di 24 ore), che è refrattario a tutti i trattamenti antibatterici a prescindere di suscettibilità. Anche se l'inoculo è inizialmente posizionato preferibilmente nel polmone sinistro dell'animale, l'infezione si diffonde generalmente in entrambi i polmoni. malattia progressiva dei polmoni, la diffusione dei batteri ad altri organi, e l'eventuale morbidità è spesso observEd con S. pneumoniae, K. pneumoniae e P. aeruginosa. Di interesse, infezioni da H. influenzae e A. baumannii di solito sono più contenuti e raramente portano alla morte nel inoculi batterica prescritto.
I risultati di efficacia ottenuti da questo modello hanno correlato bene con i profili di sensibilità in vitro così come bersagli PK / PD definiti. Riduzioni di carica batterica sono regolarmente osservati per isolati ritenuti suscettibili all'agente in prova, mentre quelli mostre resistente considerati nessun cambiamento o crescita batterica sopra il basale 16, 17, 19, 24-29. Studi condotti su ratti valutano due chinoloni e un macrolide utilizzando questo modello 32 hanno dimostrato che la porta PK / PD necessarie per un 1-log 10 riduzione S. pneumoniae rispetto al basale correlata con l'obiettivo determinato topi neutropenici e, soprattutto, con obiettivi clinici per pneum batterica acquisita in comunitàonia 6, 7, 34, 35. Gepotidacin, un nuovo meccanismo di antibiotici, è stato testato contro multipla S. pneumoniae e ha richiesto un simile obiettivo PK / PD per un 1-log 10 riduzione di questo polmone modello di infezione 31 come quello richiesto per un 1-log 10 riduzione, nel modello coscia neutropenico 36 in cui la penetrazione del polmone è stato preso in considerazione (i dati su file). Allo stesso modo, i PK / PD obiettivi stabiliti nei topi per GSK2251052 contro P. aeruginosa sono stati coerenti per la stasi, 1 e 2 log10 riduzioni CFU tra questo modello polmone 30 e il modello di infezione coscia neutropenia in cui la penetrazione del polmone era considerato 37, 38 . Correlazione con un modello di infezione polmonare neutropenia con l'inoculazione intranasale era povera; tuttavia, GSK2251052 non produceva più di una risposta statica in questo studio 38. Questo può essere attribuibile alla inoculo batterico superiore, che era 8 log 10 CFU / topo rispetto ai 6 log <sub> 10 CFU / mouse nella neutropenico coscia 37 e intratracheale intubazione 30 modelli. Raccolta di dati di questo tipo è fondamentale per il benchmarking, in quanto consente un confronto diretto con i modelli esistenti e correlazione con i dati clinici per valutare la capacità predittiva traslazionale. Un uso più diffuso del modello di intubazione endotracheale infezione polmonare fornirà dati aggiuntivi per questi tipi di analisi.
Esistono diverse limitazioni di questo modello polmonite immunocompetenti. In primo luogo, non è ben adatto a valutare comparsa di resistenza spontanea perché l'alto inoculo batterico generalmente richiesto per tali studi si traduce in troppo grave un'infezione. Dopo i tentativi di raggiungere oneri batteriche di 7 o 8 log 10 CFU al basale, la rapida morbilità è stato osservato (cioè gli animali che diventano moribondo in meno di 24 ore), nonostante il lavaggio accurato della inoculi per eliminare le tossine pre-esistente (dati su file). essopuò essere possibile superare questo problema utilizzando i roditori più grandi. Ratti, ratti particolarmente pesanti (> 250 g), sembrano tollerare meglio superiore inoculi rispetto a topi e possono essere adatti per questi tipi di studi. Una seconda limitazione è che l'uso di agar come un'infezione-enhancer può precludere utilizzando il modello per la valutazione di alcuni host: patogeno. Si ritiene che l'agar fornisce un punto focale protetta fino infezione è completamente stabilito all'interno del polmone. E 'possibile consegnare l'inoculo in soluzione salina invece di agar per aiutare a superare questo problema; Tuttavia, va notato che questo produrrà soltanto l'infezione con alcuni isolati. In terzo luogo, vi è una curva di apprendimento ripida necessaria per diventare esperti nella tecnica. La procedura può essere delicato, soprattutto nei topi. È facile posizionare erroneamente la cannula metallica nell'esofago, e forza eccessiva può portare alla puntura sia dell'esofago o della trachea. posizionamento attento del inoculo è anchetenuti o animali possono o non recuperare o non essere adeguatamente infetti. Tuttavia, con pazienza e perseveranza, si può diventare altamente competente ed eseguire la tecnica in modo rapido, agevole e preciso.
Rimuovendo il requisito per la neutropenia, aumentare la robustezza e la riproducibilità, permettendo ai ricercatori di studiare di più agenti patogeni e isolati, migliorare la flessibilità del disegno sperimentale e di fornire una infezione difficile da caratterizzare farmacodinamica per la polmonite, questo modello infezione polmonare immunocompetenti aggiunge valore sostanziale alla scoperta di antibiotici comunità. Un maggiore uso di questo modello dagli investigatori ulteriori contribuirà a fornire l'analisi comparativa necessario per la sua guadagnare più diffusa accettazione e continuare a fornire informazioni di supporto per l'interpretazione appropriata.
The authors have nothing to disclose.
JH desidera riconoscere e ringraziare mentore, amico ed ex direttore di Valerie Berry per primo ci ha insegnato questo modello; e Gary Woodnutt, che ci ha insegnato le basi della e ispirato il nostro impegno nel campo della antibatterico PK / PD. Tutti gli autori desiderano ringraziare David Payne per il suo sostegno e apprezzamento per la nostra scienza. Vorremmo riconoscere la nostra prima in vivo colleghi di microbiologia che hanno contribuito al corpo di dati generati utilizzando questi metodi, soprattutto Pete DeMarsh, Rob Straub, Roni Page e Nerissa Simon. Infine, il nostro ringraziamento va ai nostri colleghi in vitro microbiologia per la loro assistenza, in particolare per la fornitura di tutte le MIC noi richiesta (Lynn McCloskey, Josh occidentale e Sharon min); e per il nostro team di microbiologia clinica che offre consulenza e supporto (Linda Miller, Nicole Scangarella-Oman e Deborah Butler).
TSA II Trypticase Soy Agar with 5% Sheep Blood | Becton Dickinson and Company | 4321261 | |
Chocolate II Agar | Becton Dickinson and Company | 4321267 | |
BBL Brain Heart Infusion Broth Modified | Becton Dickinson and Company | 299070 | |
BBL Trypticase Soy Broth with 20% Glycerol | Becton Dickinson and Company | 297808 | storage media for frozen stock |
Inoculating loop | Nunc | 251586 | |
0.9% Sodium Chloride, USP | Baxter Healthcare Corporation | NDC 0338-0048-04 | |
Difco Nutrient Agar | Becton Dickinson and Company | 213000 | |
30 ml free standing centrifuge tube with cap | EverGreen Scientific | 222-3530-G80 | |
50 ml Polypropylene Conical Tube 30 x115mm | Falcon, a Corning Brand | 352070 | |
14 ml Polypropylene Round-Bottom Tube 17 x 100mm | Falcon, a Corning Brand | 352059 | |
Guide Tool | Intek Services Ltd | GT01 | custom-made metal cannula for rats |
90' Portex tubing | SAI | POR-080-100 | plastic cannula for rats |
1 ml TB syringe slip tip | Becton Dickinson and Company | 309659 | |
PrecisionGlide Needle 25G x 5/8 | Becton Dickinson and Company | 305122 | |
Animal feeding needle – straight 20×3" 2-1/4 | Popper and Sons, Inc | 7903 | used to create metal cannula for mice |
Intramedic polyethylene tubing | Clay Adams brand – Becton Dickinson and Company | 427401 | plastic cannula for mouse |
75 TN 5.0ul syringe 26s/2"/2 | Hamilton | 87930 | HPLC glass injection syringe |
Pyrex tube, culture 25×150 screwcap with rubber liner | Corning | 9825-25 | to autoclave/store metal cannulae |
70% isopropyl alcohol | Vi-Jon (Swan) | NDC 0869-0810-43 | |
Isoflurane, USP | Piramal Healthcare | NDC 66794-013-10 | |
Stomacher | Seward | Stomacher80 | |
Stomacher 80 classic bags | Seward | BA6040 | |
Assay plate, 96 well, round bottom | Costar, Corning Inc | 3795 | optional, for serial diluting |
Blood Omni Plates | Hardy | #A127 | optional, rectangular blood plates |