Describimos la proyección de imagen óptica de ratones infectados con Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis) mediante fluorescencia de enzima reporter (REF). Este protocolo facilita la detección sensible y específica de M. tuberculosis en modelos animales preclínicos para la investigación de la patogenia, terapéutica y vacunas.
Fluorescencia de enzima Reporter (REF) utiliza sustratos específicos para enzimas presentes en los organismos blanco de interés para la proyección de imagen o la detección por fluorescencia o bioluminiscencia. Utilizamos BlaC, una enzima expresada constitutivamente por todas las cepas de M. tuberculosis . REF permite la cuantificación rápida de bacterias en los pulmones de ratones infectados. El mismo grupo de ratones puede ser reflejado en muchos momentos, grandemente reducir costos, la enumeración de las bacterias más rápidamente, permitiendo observaciones novela en interacciones huésped-patógeno y aumentar el poder estadístico, puesto que fácilmente se mantienen más animales por grupo . REF es extremadamente sensible debido a la naturaleza catalítica de la reportera enzimática BlaC y específicos debido a la transferencia de energía de resonancia medida de fluorescencia (FRET) o sustratos fluorógenos utilizados. REF no requiere cepas recombinantes, asegurando la normal relación huésped-patógeno. Describimos la proyección de imagen de M. tuberculosis infección usando un substrato de traste con emisión máxima a 800 nm. La longitud de onda del sustrato permite proyección de imagen sensible tejido profundo en mamíferos. Se esbozarán infección por aerosol de ratones con M. tuberculosis, anestesia de los ratones, la administración del substrato REF y la proyección de imagen óptica. Este método se ha aplicado con éxito para evaluar interacciones huésped-patógeno y eficacia de los antibióticos contra M. tuberculosis.
El lento crecimiento de M. tuberculosis es un importante obstáculo en el diagnóstico rápido de tuberculosis1,2,3. Mientras que cultura base diagnóstico toma semanas para producir resultados, citología ácido-rápida tiene limitaciones diagnóstico4 en niños5 y en pacientes coinfectados con virus de inmunodeficiencia humana6,7. Tecnologías ópticas de proyección de imagen han sido reconocidos recientemente como una alternativa a los tradicionales métodos de diagnóstico para tuberculosis8,9. Bioluminiscencia y fluorescencia permite imagen ópticamente de M. tuberculosis en animales vivos en tiempo real10,11,12,13,14, 15,16,17,18,19. Imágenes ópticas tiene el beneficio de una evaluación rápida y específica de una infección con M. tuberculosis20,21,22.
Describiremos los datos de proyección de imagen óptica de M. tuberculosis en ratones vivos usando a REF. Este método es muy específico y sensible23,24 y, similar a otros métodos ópticos, es menos costoso que otros métodos de la tuberculosis (TB)25, incluyendo la tomografía computada (CT)26, magnética de la proyección de imagen resonancia por imágenes (MRI)27y F-fluorodeoxyglucose tomografía por emisión de positrones/TC (F-FDG PET/CT)28. REF utiliza sustratos fluorescentes o bioluminiscentes personalizados que al escote de una enzima bacteriana, producen un producto fluorescente8,29. Por lo tanto, tiene la ventaja de no requerir un reportero micobacterias recombinante cepa30,31. El sustrato de traste que se describe está compuesto por un fluorocromo y un extintor conectado por un anillo β-lactámico que es hidrolizado por BlaC (β-lactamasa), naturalmente expresada constitutivamente complejo tuberculosis Mycobacterium8, 32. las bacterias directamente generan señal debido a la actividad catalítica de referencia que permite la amplificación por muchos órdenes de magnitud y sensibilidad detección de M. tuberculosis.
El sustrato de referencia utilizado en este estudio tiene penetración excelente del tejido en los animales vivos y reducido de fondo debido a su longitud de onda larga. Con este sustrato de larga longitud de onda es posible alcanzar un umbral de detección de M. tuberculosis de cerca de 100 colonias formando unidades (UFC) en vitro y < 1000 UFC en los pulmones de ratones in vivo la (todo animal)8, 33. REF puede ser utilizado como una herramienta de diagnóstico para Esputo, materiales clínicos y aún directamente en pacientes con micro sistemas endoscópicos16,32,33,34 debido a su alta sensibilidad y especificidad. REF puede aplicarse a cualquier cepa clínica de tuberculosis, ya que utiliza una enzima bacteriana naturalmente producido, BlaC, para la detección en todas las cepas. Estas características hacen REF imagen una herramienta valiosa en la investigación preclínica de la tuberculosis en general para facilitar la terapéutica y evaluación de la vacuna así como análisis de patogénesis, pero pueden aplicarse también en última instancia a la diagnosis de la tuberculosis pacientes.
Al usar técnicas de imagen, como referencia, hay estrategias claves que permitan la generación de datos robustos y consistente. La proyección de imagen óptica produce luz dispersada en tejidos que puede afectar la profundidad de penetración, ya que es difícil de capturar la luz emitida en todas direcciones. Uso de un fluoróforo de infrarrojo cercano (NIR) sustrato para referencia la proyección de imagen con una longitud de onda de excitación y emisión en el Querange de 700-900 nm facilita absorción mínima de la señal fluorescente por los tejidos mamíferos. El sustrato personalizado diseñado fue construido uniendo un fluoróforo NIR, IRDye 800Cw a un extintor, IRDye QC-1, por un anillo de lactama permitiendo que energía de fluorescencia resonancia basada en transferencia apagando. IRDye tiene penetración excelente del tejido y las características de dispersión de luz y no tiene ningún efecto perjudicial evidente en mamíferos36, se despejó de la sangre y órganos por 24 h. fluorescencia señal significativamente aumenta comenzando 4 horas después de Administración de sustrato, alcanzando máximos niveles 6 h después de la administración.
La dosis infecciosa bacteriana, modo de administración de la dosis infectiva y el sustrato, así como momentos de post infección de imagen mediante la realización de estudios piloto deben estandarizarse antes de embarcarse en experimentos grandes y complejos. Estudios piloto pueden reducir tiempo y costo cuando proyección de imagen un gran número de animales porque un procedimiento estándar puede optimizarse antes de hacer el experimento clave. Cargas bacterianas deben determinarse en los órganos/tejidos de interés tras la proyección de imagen de cuerpo entero con trans-iluminación y ex vivo lung proyección de imagen usando epi-iluminación para validar la fuente de la señal y determinar la calidad de la correlación con números bacteriana presente8. Estudios piloto proporcionan la penetración en el umbral de detección, rango dinámico de la técnica, así como determinación de las condiciones experimentales óptimas para la proyección de imagen.
Las principales ventajas de la utilización de imágenes como referencia en comparación con otras estrategias fluorescentes y bioluminiscentes son su alta sensibilidad y capacidad para obtener imágenes naturales de M. tuberculosis cepas. REFERENCIA la proyección de imagen utiliza la robusta catalítico enzima BlaC que se conserva en todos los aislamientos clínicos de M. tuberculosis y cepas del complejo tuberculosis. La gran sensibilidad de la proyección de imagen de referencia es debido a la rápida tasa catalítica de BlaC en combinación con la retención del producto fluorescente hendido por la célula huésped. Señal aumenta continuamente siempre y cuando el sustrato está disponible dando por resultado la acumulación casi ilimitada de la señal dentro de las células infectadas y los tejidos. Este aumento de la sensibilidad de referencia la proyección de imagen en comparación con alternativas de proyección de imagen permite detección específica de M. tuberculosis tanto en vitro y en vivo8,23,24, 29.
REFERENCIA la proyección de imagen puede utilizarse para la detección de bacteria sin modificaciones genéticas, lo que permite su aplicación directa a cualquier modelo de infección, ya sea laboratorio animales8,37 o materiales clínicos humanos29,38 . REF puede utilizarse para detectar y una amplia gama de patógenos39,40, de la imagen desde sustratos fluorógenos pueden ser convertidos para numerosos objetivos enzimáticos distintos BlaC como proteasas, quinasas, ureases y β-galactosidases. Sin embargo, cuidadosa se debe reflexionar en el destino con el fin de asegurar muestra características óptimas para la proyección de imagen. BlaC representa una enzima buen modelo de características que aseguren la aplicación exitosa de esta estrategia. REF la proyección de imagen proporciona una lectura inmediata en la carga bacteriana presente en los pulmones durante las infecciones, que acelera mucho progreso en el estudio de la patogenia de la tuberculosis, ya que la determinación del número de bacteria normalmente requiere tres a seis semanas, pero incluso en más organismos de crecimiento rápido este enfoque permitirá ahorrar mucho tiempo. REF también podría ser utilizado para diferenciar carcinomas de tuberculosis, un problema clave en el diagnóstico de lesiones nodulares en pacientes41,42. REF sirve como una novedosa herramienta para acelerar la proyección de imagen de tuberculosis traslacional y se puede aplicar incluso a los seres humanos, potencialmente permitiendo rápida predicción de resultados terapéuticos.
Isoflurane | VETONE | 501027 | |
CNIR800 | Custom synthesized | ||
Fatal Plus solution | Vortech Pharmaceutical Ls, Ltd | ||
7H9 Middlebrook broth | BD | 271310 | |
OADC Middlebrook enrichment | BD | 212351 | |
Sporcidin | RE-1284F | ||
7H11 Middlebrook Agar | BD | 212203 | |
Madison Chamber | |||
IVIS Spectrum | Perkin Elmer | 124262 | |
XGI-8-gas Anesthesia System | Perkin Elmer | ||
Living Imaging software | Perkin Elmer | ||
Transparent nose cones | Perkin Elmer | ||
M. tuberculosis strain CDC1551 | ATCC | ||
Female BALB/C mice, 5-7 weeks | Jackson Laboratory |