פלואור שתייגת אנטיביוטיקה הם כלים רבי-עוצמה שניתן להשתמש בהם כדי ללמוד היבטים מרובים של עמידות מיקרוביאלית. מאמר זה מתאר את הכנת אנטיביוטיקה מתויג fluorescently היישום שלהם כדי ללמוד עמידות לאנטיביוטיקה בחיידקים. רגשים יכולים לשמש כדי לחקור מנגנונים של עמידות חיידקים (למשל, אפלוקס) על ידי ספקטרופוטומטר, זרימה cy try, ו מיקרוסקופ.
אנטיביוטיקה פלורסנט הם כלי מחקר רב תכליתי המשמשים בקלות למחקר של התנגדות מיקרוביאלית, בשל היתרון המשמעותי שלהם על שיטות אחרות. כדי להכין את הבדיקות הללו, אזידה נגזרות של אנטיביוטיקה הם מסונתז, ולאחר מכן בשילוב עם האלקידים-fluorophores באמצעות אזיד-אלאלקין dippepa בתוספת לחיצה על כימיה. בעקבות טיהור, פעילות אנטיביוטית של אנטיביוטיקה פלורסנט נבדק על ידי הערכה מינימלית מעכבות ריכוז. על מנת ללמוד הצטברות חיידקי, או ספקטרופוטומטר או זרימה cy try עשוי לשמש, המאפשר ניתוח פשוט הרבה יותר מאשר שיטות הסתמכות על נגזרות אנטיביוטיקה רדיואקטיבית. יתרה מזאת, ניתן להשתמש במיקרוסקופיה הקונפוקלית כדי לבחון את הלוקליזציה בתוך החיידק, מידע חשוב אודות מצב הפעולה והשינויים המתרחשים במינים עמידים. השימוש בבדיקות אנטיביוטי פלורסנט במחקר של התנגדות מיקרוביאלית היא שיטה רבת עוצמה עם פוטנציאל רב להרחבת העתיד.
עמידות מיקרוביאלית (עמרו) הוא משבר עולה אשר מהווה איום משמעותי על בריאות האדם ברחבי העולם. עמידות ביותר לאנטיביוטיקה דווחה, זיהומים הנגרמים על ידי חיידקים עמידים לכל התרופות הזמינות קלינית מתגלים. על מנת להילחם בעלייתו של עמרו, עלינו להגביר את הבנתנו את התופעה הרבת-הפנים הזאת ואת המנגנונים הבסיסיים והאינטראקציות בין אנטיביוטיקה לבין חיידקים. היבט אחד שהיה מבחינה היסטורית היטב הבינו הוא החדירות של אנטיביוטיקה לתוך חיידקים, יחד עם התופעות של הצטברות ו למחוק. ידע זה הוא חיוני בעיצוב תרופות חדשות והבנה מנגנונים של התנגדות. מכאן, זה משחק תפקיד קריטי במחקר עמרו.
ישנן שתי גישות עיקריות שניתן לנקוט כדי למדוד ריכוז אנטיביוטי: מדידת התרופה ישירות או תיוג עם moiety שנועד להקל על הקוונפיקציה. למרות תיוג משפר אנטיביוטיקה לגילוי, זה יכול לperturb את הפעילות הביולוגית של התרופה, כגון פעילות מיקרוביאלית וחדירות. זו אינה בעיה עבור שיטות לא מתויגות; עם זאת, זיהוי יכול להיות מאתגר. בשנים האחרונות, התפתחויות טכנולוגיות הובילו בום במחקר ניצול ספקטרומטר המוני (MS) כדי למדוד ישירות את הריכוז לאנטיביוטיקה בקטריה1,2,3,4,5,6,7. מחקרים אלה הראו כי ניתן לחקור הצטברות תאיים במגוון של חיידקים, עם חיידקים גראם שליליים הנרחב ביותר לחקור. הקוונפיקציה של חדירות מולקולה היה אז קשור לפעילות ומשמש כדי ליידעאת פיתוחהתרופה 2,3,4, אם כי יש לנקוט זהירות כאשר הצטברות ישירה של פעילות היעד5. לפני MS פיתוח, האנטיביוטיקה היחידה אשר הריכוז ניתן למדוד ישירות היו אלה השתלט על הקרינה הפנימית, כגון טטרציקלין ו quinolones8,9,10,11. למרות שברור שהטווח מוגבל בהיקף, הצטברות ואפלוקס נבדקו וכמותית, הממחישות את התועלת של כימות מבוססות-פלואורסצנטית.
שתייגת אנטיביוטיקה שימשו עשורים רבים כדי ללמוד הפצות, מצבי פעולה, והתנגדות, עם תגיות רדיואקטיביות ו פלורסנט להיות נפוץ. רדיו מתויג בבדיקות יש את היתרון של להיות זהה כמעט למתחם האב, ומכאן הפעילות הביולוגית סביר להיות שונה באופן משמעותי. איזוטופים כגון 3H, 14ג, ו 15N כבר בשימוש לעתים קרובות בשל הגדולה של רכיבים אלה באנטיביוטיקה, ומגוון של הפיגומים של אנטיביוטיקה נבדקו1,10,12,13. בעוד הזיהוי של גלי רדיו הוא פשוט, יש מספר דאגות לוגיסטיות (למשל, בטיחות, מחצית חיים של איזוטופ) אשר הגבילה את השימוש בגישה זו. אסטרטגיה נוספת היא באמצעות פלואורוסקופים-אנטיביוטיקה מתויג. ניתן להשתמש בבדיקות אלה כדי לבחון את התפלגות ומצבי הפעולה וההתנגדות של התרופה הראשית, באמצעות טכנולוגיה פשוטה יותר מאשר MS וללא הבעיות הלוגיסטיות של קרינה8. החיסרון העיקרי של גישה זו היא כי אנטיביוטיקה הם בדרך כלל מולקולות קטנות יחסית, ומכאן המבוא של פלורסנט moiety מהווה שינוי כימי משמעותי. שינוי זה יכול להשפיע על תכונות פיזיוכימיות ופעילות אנטיבקטריאלי. לכן, הטיפול יש לנקוט כדי להעריך את הגורמים הללו כדי ליצור את נציג התוצאות של אנטיביוטיקה ההורה.
בעבודה זו, שיטה מתוארת כדי לסנתז, להעריך ולהשתמש באנטיביוטיקה פלורסנט, כמו בפרסומים הקודמים שלנו14,15,16. במהלך העבודה הקודמת, מספר אנטיביוטיקה פלורסנט הוכנו ושימשו למגוון מטרות (ראה אבן ואח ‘8). כדי למזער את הסבירות להשפיע על פעילות ביולוגית, fluorophores קטנים מאוד משמשים בעבודה זו: nitrobenzoxadiazole (NBD, ירוק) ו-7-(dimethylamino) -2-אוקסו-2H-כרומאן-4-YL (DMACA, כחול). יתר על כן, הערכה של פעילות אנטיבקטריאלי באמצעות מיקרומרק דילול הריכוז המינימלי העיכוב (MIC) היכולת מתוארת, כך ההשפעה של שינויים על פעילות ניתן למדוד. אלה בדיקה-מתויג fluorescently ניתן להשתמש ב spectrophotometric assays זרימה cy try, מיקרוסקופ. טווח של יישומים אפשריים הוא היתרון של אנטיביוטיקה פלורסנט שקרים. הצטברות תאית ניתן לכמת, מסווג, ו דמיינו, משהו לא אפשרי באמצעות MS לבד. הוא קיווה כי הידע הנרכש באמצעות אנטיביוטיקה פלורסנט יסייע ההבנה שלנו של התנגדות, ואת המאבק נגד עמרו.
יצירת בדיקה אנטיביוטית מוצלחת פלורסנט חייב להתחיל בתכנון קפדני והתחשבות של SAR של הסם ההורה. אם ה-SAR אינו ידוע או נבדק במלואו, ייתכן שיהיה צורך לבדוק מספר אפשרויות כדי למצוא אתר שניתן לשנותם באופן סלקטיבי מבלי לבטל פעילות ביולוגית. לאחר זיהוי אתר/s, ההתקנה של מקשר moiety היא חיונית לעתים קרובות כדי לספק מרווח אפקט סטרי בין האתר הביולוגי של פעולה ואת fluorophore הבלתי פעיל. הטיפול חייב להילקח כי התגובה המשמשת כדי לצרף את המקשר אל האנטיביוטיקה משאיר הקבוצה הביו יציבה תפקודית, הימנעות, למשל, אסטרים כי הם פגיעים המחשוף על ידי מוחק ב vivo. בהתאם לפרופיל פרמקודינמיקה ו פרמקוקינטיים של אנטיביוטיקה, מקשר פשוט האלאני עשוי לשמש, או אחרת אפשרות ליפוזיס פחות כגון פוליאתילן גליקול (יתד) הקשר צריך להיחשב. עם המקשר מחובר, הפעילות אנטיבקטריאלי צריך להיות מוערך כדי להבטיח את מיקרופונים נגד חיידקים רלוונטיים דומים מתחם האב.
בעבודה זו, אנו ממליצים על השימוש בהואיסן עזידה-אלאלקין [3 + 2] בתוספת הציקלופטית (לחץ על הכימיה, ראה איור 1) כדי להאריך פלואורופסיפור לאנטיביוטיקה, ממספר סיבות. תגובות לחץ הם סלקטיבי מאוד, כלומר הגנה על קבוצות תגובתי על אנטיביוטיקה אינה נחוצה, ועוד, התגובה משאירה יציבה, סתיימים moiety. מרכיב אזיד הוא הציג את החלק האנטיביוטי בהליכים שלנו, כמו זה בדרך כלל יותר מושגת בקלות עם מגוון רחב של סוגים מבניים מאשר הקדמה של האלקין. התחביר של שני fluorophores ללעג מתוארים כאן, למרות שאחרים יכלו לחקור במידת הצורך. NBD ו-DMACA נבחרו בשל גודלם הקטן, למזער את האפשרות של הפרעה חדירה לתא ואינטראקציה היעד. התגובה לחיצה עצמה מבוצעת באמצעות מזרז נחושת, שם או Cu2 + (cuso4, עם חומצה אסקורבית הפחתת הסוכן) או Cu+ (cuso) ניתן להשתמש כמו מגיב ההתחלתי. לאחר הטיהור (איור 2), יש לבדוק את סנדלי החבלנים בדומה לעזידה. אפילו עם התחשבות זהירה של בחירה fluorophore ואתר של הקובץ המצורף, ייתכן כי פעילות אנטיביוטית עניים נצפתה. זה לא, עם זאת, אומר כי בדיקה לא פעילה היא ללא שימוש. כפי שמוצג עם הבדיקות TMP, תרכובות עם פעילות אנטיבקטריאליות נמוכה עשויים עדיין לאגד את אותו יעד כמו סם האב. הדבר יכול לאפשר מחקרים על מצב הפעולה ובחינת התופעות המובילות להתנגדות, כגון אפלוקס.
כפי שמתואר בסעיף פרוטוקולים, ניתן לנתח את התיוג החיידקי על ידי אנטיביוטיקה פלורסנט באמצעות שיטת ספקטרופוטומטר פשוטה (איור 3) או לזרום cy Try (איור 4). שתי השיטות מסוגלות לכמת את הצטברות הסלולר, ועל ידי לשסינג תאים ובדיקת לוקליזציה פלואורסצנטית בליפוסט, ניתן להעריך הצטברות תאיים. בפרוטוקול זה, השימוש ב-ליזוזים לפירוק תאים מתואר, מכיוון שזו טכניקה אוניברסלית מהירה. תנאי פירוק אחרים, כגון טיפול לילה עם גליצין-HCl7, השתמשו גם הם בהצלחה. באמצעות טכניקה זו, ניתן ללמוד את ההשפעה של אפלוקס על הצטברות הסלולר אנטיביוטי, שהוא מנגנון מרכזי של התנגדות. אם אפלוקס אכן נוכח בחיידק, חוסר הצטברות תאיים יהיה נצפתה, אם כי זה יכול להינצל באמצעות מעכבי מדכא כמו CCCP.
מיקרוסקופיה עשויה להתבצע גם כדי לבדוק באופן חזותי לוקליזציה של בדיקה בחיידקים שונים, מידע המבצע על מצב של פעולה, וגם התנגדות (ראה איור 5 לדוגמאות מייצגות). כדי לראות לוקליזציה בתוך חיידקים, מיקרוסקופ קונפוקלית וקד ברזולוציה גבוהה נדרש, מצויד ביכולות כגון SIM (מיקרוסקופ תאורה מובנים), SR-sim (superresolution-sim), airyscan, או ההיסטד (מחסור פליטה מגורה). יתרה מזאת, יש להשתמש בתגיות כיסוי בעלי ביצועים גבוהים, וניתוח לאחר הדמיה שבוצע על-גבי תוכנה מתאימה (למשל, פיג’י, זן או מאריס). לוקליזציה של הגששים מושווה צבעים הכתמים ארכיטקטורות ספציפיות, כגון Hoechst-33342 (כחול, חומצת גרעין), Syto-9 (ירוק, חומצת גרעין), ו-FM4-64FX (אדום, קרום). הבחירה של צבעים צריך להיות מתאים לאנטיביוטיקה פלורסנט, כך שכל צבע בשימוש יש חפיפה ספקטרלית מינימלית. על מנת להשיג את התמונות הטובות ביותר, ייתכן שיהיה צורך במיטוב. לדוגמה, אם החיידק צפוף מדי בשקופית, קח רק חלק מהגלולה המושהה, ולאחר מכן דלל במדיום גובר. לעומת זאת, אם החיידקים הם דלילים מדי בשקופית, פשוט להתחיל עם חיידקים יותר. בפרוטוקול זה, השימוש בג הפיך התואם לתאים חיים (למשל, Cygel) מומלץ לדימות תאים חיים, כפי שהוא משתק חיידקים (כולל בקטריה מורצפת), אך גם מדיה הרכבה או agarose אחרים השתמשו בהצלחה.
בסך הכל, למרות האתגרים שעשויים להיות בפני הכנת נגזרות אנטיביוטי פעיל ביולוגית של פלורסנט, הפשטות של השימוש שלהם צדדיות לעשות אלה בדיקה אטרקטיבי כלים למחקר עמרו. עבודה עתידית באמצעות אנטיביוטיקה פלורסנט יש את הפוטנציאל לספק תובנה לתוך מנגנונים של עמידות לאנטיביוטיקה, לשפר את ההבנה שלנו איך אנטיביוטיקה הנוכחית לפעול, ולסייע לפיתוח של סמים טובים יותר.
The authors have nothing to disclose.
MRLS נתמך על ידי פרס לתואר שני באוסטרליה (APA) ומכון לקידום מחקר ביולוגי מולקולרי המחקר. Wanida פטסאנג נתמך על ידי מלגה בינלאומית UQ (UQ) ו-IMB מתואר שני בפרס (אימפי). MAC הוא בחור מחקר העיקרון nhmrc (APP1059354) וגם מחזיקה בפגישה מנהל המחקר החלקי באוניברסיטת קווינסלנד, עם הזמן הנותר שלו כמנכ ל inflazome בע מ, חברה לפתח תרופות כדי לטפל בצרכים קליניים קליניות במחלות דלקתיות. MATB נתמך בחלקו על ידי ברוך הבא אמון מענק אסטרטגי WT1104797/Z/14/Z ו-NHMRC מענק פיתוח APP1113719. מיקרוסקופיה בוצעה בבית החולים האוסטרלי לחקר הסרטן (ACRF)/המכון למדעי הביולוגיה של סרטן Bioscience ביולוגיה מולקולרית, אשר הוקמה בתמיכת ACRF.
3-(dimethylamino)phenol | Alfa-Aesar | B23067 | |
4-chloro-7-nitro-benzofuran | Sigma-Aldrich | 163260-5G | |
Amicon Ultra-0.5 centrifugal filter unit with Ultracel- 10 membrane | Merck | UFC501096 | |
Atlantis Prep T3 OBD (100 A, 5 uM, 10×250 mm) | Waters | 186008205 | |
Atlantis T3 column (100 A, 5 uM, 2.1 × 50 mm) | Waters | 186003734 | |
Bruker Avance 600 MHz spectrometer | Bruker | ||
Buchi Reveleris C18 12g Cartridge | Buchi | BUC145152103 | |
CCCP | Sigma-Aldrich | C2759 | |
Celite 545 | Sigma-Aldrich | 22140-5KG-F | |
Cygel | ABCAM | Ab109204 | |
Elyra PS,1 SIM/STORM confocal microscope | Zeiss | ||
FM4-64FX, fixable analog of FM™ 4-64 membrane stain | Life Technologies Australia Pt | F34653 | |
Gallios flow cytometer | Beckman Coulter | ||
Gamma 2-16 LSCplus lyophilise | CHRIST | ||
Gilson HPLC 2020 | Gilson | ||
Hanks' Balanced Salt solution, Modified, with sodium bicarbonate, without phenol red, calcium chloride and magnesium sulfate, liquid, sterile-filtered, suitable for cell culture | Sigma-Aldrich | H6648-500ML | |
Hettich Zentrifugen Rotofix 32 | Hettich | ||
High performance #1.5 cover slips (18 x 18 mm) | Schott/Zeiss | 474030-9000-000 | |
Hoechst 33342, Trihydrochloride, Trihydrate – Fluo | Life Technologies Australia Pt | H21492 | |
LB | AMRESCO | J106 | |
Leica STED 3X Super Resolution Microscope with White Light Laser excitation | Leica | ||
Lysozyme from chicken egg white lyophilized powder |
Sigma-Aldrich | L6876 | |
Mueller Hinton II Broth Cation adjusted | Becton Dickinson | 212322 | |
Propargylamine | Sigma-Aldrich | P50900-5G | |
Reveleris GRACE MPLC | Buchi | ||
Shimadzu LCMS-2020 | Shimadzu | ||
Sigma 1-15 Microcentrifuge | Sigma-Aldrich | ||
Silica gel 60 (0.040-0.063 mm) for column chromatography (230-400 mesh ASTM) | Merck | 1093859025 | |
SYTO 9 Green Fluorescent Nucleic Acid Stain | Life Technologies Australia Pt | S34854 | |
TECAN Infinite M1000 PRO | TECAN |