Summary

Une teneur élevée test d'imagerie pour l'identification des inhibiteurs de la neurotoxine botulique

Published: November 14, 2014
doi:

Summary

Botulinum neurotoxin is one of the most potent toxins among Category-A biothreat agents, yet a post-exposure therapeutic is not available. The high content imaging approach is a powerful methodology for identifying novel inhibitors as it enables multiparameter screening using biologically relevant motor neurons, the primary target of this toxin.

Abstract

Synaptosomal-associated protein-25 (SNAP-25) is a component of the soluble NSF attachment protein receptor (SNARE) complex that is essential for synaptic neurotransmitter release. Botulinum neurotoxin serotype A (BoNT/A) is a zinc metalloprotease that blocks exocytosis of neurotransmitter by cleaving the SNAP-25 component of the SNARE complex. Currently there are no licensed medicines to treat BoNT/A poisoning after internalization of the toxin by motor neurons. The development of effective therapeutic measures to counter BoNT/A intoxication has been limited, due in part to the lack of robust high-throughput assays for screening small molecule libraries. Here we describe a high content imaging (HCI) assay with utility for identification of BoNT/A inhibitors. Initial optimization efforts focused on improving the reproducibility of inter-plate results across multiple, independent experiments. Automation of immunostaining, image acquisition, and image analysis were found to increase assay consistency and minimize variability while enabling the multiparameter evaluation of experimental compounds in a murine motor neuron system.

Introduction

La bactérie Clostridium botulinum produit une neurotoxine botulique, l'une des toxines biologiques les plus puissants connus à l'homme 1. Il ya 7 sérotypes distincts de neurotoxines botuliques (BoNT / AG). BoNT / A-Gall induire une paralysie à la jonction neuromusculaire due à la protéolyse complexe SNARE 2,3. SNARE protéolyse empêche neurotransmetteur vésicule-membrane fusion et donc blocs neurotransmetteur exocytose 4. La cible SNARE spécifique dépend du sérotype BoNT notamment impliqué dans le processus d'intoxication. BoNT / A et BoNT / E clivent la SNAP-25 alors que BoNT / C clive les deux SNAP-25 et syntaxine 5. Le sérotypes restants synaptobrévine Cleave (appelé aussi associée à la vésicule protéine membranaire (VAMP). BoNT / A a été choisi pour le développement de tests car il est responsable d'une forte proportion de botulisme d'origine naturelle et a la plus longue durée d'action 6. Développement de la petite molécule thérapeutique contre BoNT / A est un objectif majeur pournotre programme de découverte de médicaments et a utilisé des méthodes à base de cibles traditionnelles pour identifier des inhibiteurs place protéolytiques actives 7, 8-10. Cependant, la création d'inhibiteurs de site actif avec une activité à large spectre contre plusieurs sérotypes et post-exposition efficacité sera probablement difficile.

Nous avons donc mis en place une approche novatrice, phénotypique découverte de médicaments qui utilise BoNT SNAP-25 clivage comme critère d'évaluation fonctionnelle pour identifier les petites molécules qui peuvent bloquer BoNT médiation intoxication des neurones moteurs. SNAP-25 est nécessaire pour la libération de neurotransmetteurs, comme la dégradation de SNAP-25 est un facteur prédictif de la paralysie et de la létalité in vivo. Par exemple, le criblage cellulaire pourrait conduire à la découverte de nouveaux modulateurs de facteurs cellulaires responsables de l'inactivation de la toxine ou l'inhibition des voies de toxines dans les cellules ciblées. Un facteur important dans le développement de tests phénotypiques est la sélection de modèles biologiques physiologiquement pertinents. We et d'autres ont décrit la souris souches embryonnaires (ES) motoneurones dérivés de cellules qui récapitulent le caractère immunologique de neurones moteurs primaires, y compris l'expression de SNAP-25 11- 13. Fait important, ces systèmes cellulaires sont très sensibles à la BoNT / A et démontrent l'intoxication clivage dépendant de la dose de SNAP-25 en réponse à des concentrations de toxine 11,12 croissant. Les neurones moteurs différenciés sont également produites en quantités suffisantes pour l'analyse comparative de la plaque à haut débit et a permis la conception d'un ensemble de tests cellulaires.

Le test phénotypique est une méthode d'immunofluorescence utilisant deux anticorps distincts à quantifier clivage de pleine longueur exprimé de manière endogène SNAP-25 au cours de la BoNT / A ivresse de la culture souris du motoneurone. Un terminal carboxyle de BoNT / A (BACS) de clivage anticorps qui reconnaît sensible seulement longueur SNAP-25 permet l'évaluation de la BoNT / A à médiation par protéolyse de SNAP-25expression dans le moteur de la souris 10 neurones. Un schéma de principe du dosage du HCl est représenté sur la figure 1.

Protocol

Plate 20000 différenciées des cellules ES de souris (MES) / puits dans une lysine 96 plaques revêtues de poly-D et ainsi maintenir dans des neurones moteurs milieux de différenciation terminale pour les 7/5 jours. 1. Administration composé et intoxication avec BoNT / A Effectuer tous les travaux suivants dans un boîtier BSL2 pour maintenir la conformité avec les lignes directrices des CDC / NIH. Préparer 10 mM solutions de chaque composé bibli…

Representative Results

Les données de contrôle hautes et basses créés deux populations distinctes de la différence de deux valeurs médianes supérieures à trois écarts-types (figure 7A). Le but du processus de sélection est de trouver des composés sein de la population de l'échantillon avec des valeurs plus proches de la population de contrôle positif, en supposant une distribution normale au sein de la population de l'échantillon (figure 7B, (i)). Les points de données qui sont 3 écart…

Discussion

La puissance élevée de neurotoxines botuliques et la facilité relative de leur armement a abouti à leur classification dans la catégorie A (priorité) les agents de bioterrorisme par les US Centers for Disease Control and Prevention. Malheureusement, il n'y a pas approuvé par la FDA thérapeutiques pour contrer BoNT intoxication après la toxine a été intériorisée par les neurones moteurs. Tout mécanisme druggable qui favorise la récupération neuronale de BoNT intoxication pourrait conduire à l'él…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Funding was provided by the Joint Science and Technology Office – Chemical Biological Defense (JSTO-CBD) Defense Threat Reduction Agency (DTRA) under sponsor project number CCAR# CB3675 and National Institutes of Health (1 R21 AI101387-01 and 5 U01AI082051-05).

Materials

Name of Reagent/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
Botulinum neurotoxin A  Metabiologics NA No catalog number
Microtitre plates Greiner  655946 Poly-D-Lysine 96-well plates
BACs antibody Lampire Biological NA
Microchem National  0255
Methanol Thermo Scientific A412-20
Formaldehyde Thermo Scientific 28908
Horse serum Invitrogen 16050
PE JANUS MDT Mini Automated Workstation Perkin Elmer AJMDT01
Opera Perkin Elmer OP-QEHS-01
Triton X 100 Sigma-Aldrich 9002-93-1
BIII tubulin antibody R&D Systems BAM1195
Tween 20 Sigma P1379-1L
Hoechst 33342dye  Invitrogen 3570
Antimouse IgG Invitrogen A21236
Anti rabbit IgG Invitrogen A10042
Columbus Image analysis software Perkin Elmer Ver 2.4
Spotfire Perkin Elmer Ver 5.5
Clorox bleach Fisher Scientific 18-861-284
PlateStack

Riferimenti

  1. Lamanna, C. The most poisonous poison. Science. 130, 763-772 (1959).
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Citazione di questo articolo
Kota, K. P., Soloveva, V., Wanner, L. M., Gomba, G., Kiris, E., Panchal, R. G., Kane, C. D., Bavari, S. A High Content Imaging Assay for Identification of Botulinum Neurotoxin Inhibitors. J. Vis. Exp. (93), e51915, doi:10.3791/51915 (2014).

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