The charcoal agar resazurin assay (CARA) is a semi-quantitative, medium-throughput method to assess activity of test agents against mycobacteria that are replicating, non-replicating, or both. The CARA permits rapid evaluation of time- and concentration-dependent activity and identifies parameters to pursue by colony forming unit (CFU) assays.
発見し、結核(TB)治療期間を短縮する抗感染を進行する緊急の必要があります。 結核菌、結核の病原体は、原因表現型の薬剤耐性を示す菌の存在に迅速かつ持続的な化学療法に難治性です。 ssay(CARA)esazurin C harcoal Aガーrは 結核菌を複製し、非複製に対するハイスループットスクリーニングキャンペーンによって発見された活性分子を特徴づけるためのツールとして開発されました。細菌学的寒天培地中の活性炭の含有は、化合物のキャリーオーバーの影響を緩和するのに役立ちますし、CARAマイクロプレート上にスポッティングする前に、細胞を事前に希釈する必要がなくなります。 37℃で7〜10日間のインキュベーション期間の後、CARAマイクロプレートウェルの表面上に成長マイコバクテリアの微小コロニーによるレサズリンの還元は、半定量的ASSEを可能にします蛍光法を介した細菌数のssment。 CARAは約細菌数で2-3ログ10差を検出し、≥99%の細菌を殺す(MBC≥99)に至る最小殺菌濃度を予測します。 CARAは、分子が複製されている菌、非複製、またはその両方にアクティブであるかどうかを判断するのに役立ちます。 CARAを用いたパイロット実験は、試験薬剤および化合物暴露の時間の濃度は、コロニー形成単位(CFU)アッセイによりさらに評価を必要とするの識別を容易にします。複製活性物質は殺菌性または静菌性である場合に加えて、CARAは予測することができます。
結核菌 、結核の病原体は、抗生物質の根絶に難治性である潜伏状態で、ホストの中で生き残ることができます。感染中の結核菌の表現型(非遺伝的)抵抗は非複製桿菌1,2の集団と、部分的に起因すると考えられています。表現型の薬剤耐性を表示するクラスI存続は、薬剤感受性細胞3,4の大集団の中でまれな確率論的機構を介して起こります。クラスII存続は、感染中に発生した微小環境における外部ストレスを含む宿主免疫の要因によって非複製をレンダリングされます。我々は最近、活性化マクロファージおよび肉芽腫で結核菌が直面条件を模倣するために、クラスII非複製持続性のin vitroモデルを開発しました。クラスII持続のマルチストレスモデルは、その条件を含む、脂肪酸の炭素源、及び完全にHALのような遅い成長、このような穏やかな酸性度(pH値5.0)、低酸素(1%O 2)、一酸化窒素および他の反応性窒素中間体5-9のようにTの成長、。非複製のこのマルチ応力モデルを用いた大規模スクリーニング、および他のクラスII非複製モデルは、その活性が非複製状態5-7,9-18に対して向けられる多様な分子をもたらしました。同じ非複製画面も複製および非複製桿菌の両方に対して活性を有する分子のカテゴリを明らかにし、「二重の活性物質」7,10,12,19,20と呼ばれます。
ヒット・ツー・リード段階で抗菌薬の発見は、ヒットの拡張、予備的な薬理学的特性評価、標的の同定、および予備的なin vivoでの有効性試験のためのリード線を選択する候補分子の大規模な特性評価を伴います。初期段階として、抗感染薬は、それらの作用静菌または殺菌機構により分類し、殺菌場合、ワットされていますhether細菌の死滅は、時間および/または濃度依存性です。コロニー形成単位(CFU)アッセイは、これらの問題に対処するための古典的な、金の標準的な方法です。 CFUアッセイでは、細菌は、連続的に希釈し、アリコートを除去した後、試験剤に曝露され、そして希釈液のアリコートを、固体細菌学的培地に塗布し、生存細胞の成長を可能にするためにインキュベートします。最後に、細菌コロニーが列挙されています。 CFUアッセイは、生存コロニーを列挙するために、細胞および寒天を含むペトリプレートを希釈するためにマイクロタイタープレートを大量に必要とします。成長の遅いマイコバクテリアのためのCFUアッセイは、コロニーがプレート上に表示されるようにするために約3週間を必要とする彼らの遅い世代時間(18-24時間)、によって妨げられています。また、インキュベータ空間は、しばしば特殊な生物学的安全レベル3の施設に制限されます。
面倒ながら、CFUアッセイはmycobacter上の非複製およびデュアル活性分子の影響を特徴づけるためのゴールドスタンダードでありますIA。非複製アッセイは、細胞生存率の6-8を評価するためのアッセイを複製に結合されているような多くの高偽陽性率の対象となっています。例えば、 結核菌を複製に対して強力な活性を有する化合物(「アクティブ複製」)非複製アッセイ中に殺すために失敗することがありますが、それでもの非複製相からのキャリーオーバーによって殺すことができます複製(「複製条件」)をサポートしている条件下で実施されるアッセイの回復期にアッセイ。化合物は、さらに、それが困難な活動は非複製、複製、またはデュアルたかどうかを区別すること、二重活性分子の分析を複雑に繰り越します。
上記課題を解決するために、我々はそのようなM. tuberculなどのマイコバクテリア種の急速な、半定量的列挙にssay(CARA)をesazurin C harcoal AガーRを開発しましたOSIS、M.ボビス BCG、およびM.はスメグマチス 7( 図1および図 2)。 インビトロでの緩衝液において、活性炭は急速結核7を治療するために使用される標準的な薬物の大部分を隔離します。アッセイマイクロプレートから繰り越すことができる化合物を結合し、CARAのこの機能は、シリアル前列挙7,21,22にアッセイウェルの内容物を希釈する必要がなくなりマイクロCARAで活性炭。 CARAマイクロプレートの寒天表面上のマイコバクテリア微小コロニーの数はレサズリンを添加することによって推定され、その還元型、レゾルフィン青色色素は、その蛍光分光光度計23によって測定されたピンク色の分子です。 M.のために1-2日間インキュベートされたマイクロプレートをCARAはスメグマチスや、 結核菌とM.ボビス BCGのような成長の遅いマイコバクテリアのための7-10日。 CARAは〜2-3ログ10 diffeの狭いダイナミックレンジを持っていますCFUでrence。代わりにCFUアッセイの使用する場合、単一CARAマイクロプレートは、連続希釈液およびめっきに使用される120トライスタイルの寒天プレートに使用される約5 96ウェルプレートに置き換えられます。 CARAデータの解釈はより面倒CFU-基づくアッセイをでテストするためにインキュベーション時間および化合物濃度を決定することによって、その後の研究を導くのに役立ちます。
CARAは、もともと非複製またはデュアルアクティブ分子7を進んでボトルネックを軽減するために開発されました。 CARAは、一次スクリーニングのヒットとCFUアッセイ( 図1)の濃度-応答確認の間の中間ステップとして機能します。単一CARAプレートが連続希釈液を準備するために必要な多数のマイクロタイタープレート、および生存細菌を列挙するために使用される寒天を含むペトリ皿に取って代わることができるので、CARAは、化合物濃度を含め、急速に分子の活性を評価し、一度に複数の変数をテストするための簡単な手段を提供しますおよび化合物への曝露時間。
CFUアッセイでは、多くの場合、10 6倍までの範囲で段階希釈液に加えて、寒天プレートは、典型的には、(トライスタイルペトリ皿で8ミリリットルの上に10μl)を追加〜800倍の分子を希釈します。非複製M. TU上の活性化合物のための私たちの二段、マルチストレススクリーニングアッセイberculosisアッセイの非複製段階中に存在する化合物は、五分の一伸長アッセイ6-9の(複製)段階で元の濃度で存在する、すなわち、5倍のキャリーオーバ率を有します。 CARAは、キャリーオーバー効果活性炭で小分子を隔離することによって緩和されます。結核薬および臨床候補の大部分は、アミノグリコシド、ストレプトマイシン7を除いて、迅速かつ完全に活性炭に結合します。 CFUアッセイのための寒天プレートにおける活性炭の含有は、実施オーバーTMC207およびPA-824 7,21,22により、細菌の増殖阻害、または細菌死滅を防ぎます。したがって、細菌学的寒天に活性炭を組み込むことによって、CARAは、細胞と試験薬剤の連続希釈に依存しません。
CARAは、複製活性物質及び非複製活性成分の殺菌影響の静菌または殺菌影響を予測することができます。グラムでeneral、CARAは、標準的なMIC 90アッセイと並行して使用されます。 CARAの予測力は、MIC 90とCARA結果( 図2、 表1)を比較するから来ています。抗マイコバクテリア薬を研究するために使用する場合、CARAは正確に静菌( 図4b)を複製し、非複製殺菌( 図4c)、またはデュアルアクティブ( 図4d)、殺菌( 図4a)を複製している活動を予測することができます。 CARAはまた、投与量と時間の両方を横切る化合物の活性の簡易評価が可能になります。単独のCFUアッセイは用量および時間の広い範囲にわたって化合物の活性を評価するための努力と多くの材料を必要とするが、CARA結果は、化合物が明らかにアクティブであるものに条件の範囲を狭めると、タスクが管理対象となります ( 図5 )。
CARAはの行動を研究する上で有用性を有しているがマイコバクテリアにNTI感染症、アッセイには限界があります。 CARAは、狭いダイナミックレンジ(2-3ログ10)を有し、かつ1以上2ログ3から10の細菌を殺すがないことも予想していた条件のために適切でないかもしれません。 CARAの予測は、CFUアッセイなどの細菌数を、列挙するために、より厳格かつ正確な方法を用いて、さらなる研究が必要です。このようなPASのようないくつかの抗感染症の抗生物質投与後効果は、 結核菌 7を複製に対して殺菌や静菌活性を有する化合物を区別するための予測ツールとしてCARAを混乱することができます。
CARAの品質を改善するには、2つの推奨事項があります。容積測定精度を維持し、マイクロウェルの外に飛散を回避しながら、まず、一つは、寒天が固化する前に、マイクロプレートを急速にCARAを注ぐ必要があります。かかわらず、必要なプレートの数の、我々はメートルを維持するのを助けるために、媒体の0.5〜1 Lのバッチを作るお勧めしますプレートを注ぐのに必要な時間の期間のための液体形態でedium。媒体とマイクロ充填しながら頻繁にヒントを変更すると、部分的に詰まったチップを使用して回避することができます。第二に、1は、反復間の蛍光の人為的な変動を最小限に抑える必要があります。マイコバクテリア微小コロニーは、 結核菌などの病原性マイコバクテリアのために、特に、しばしば不規則に成長します。例えば、寒天表面上に成長する微小コロニーのサイズ、形状、高さが変化してもよい、またはマイクロウェルの内壁まで延びていてもよいです。 1つの課題は、発展途上試薬で均一にすべての菌をカバーするものです。もう一つのハードルは、37℃での長時間のインキュベーションの後、CARAマイクロプレートの固体細菌学媒体が開発した試薬を吸収する乾燥しやすくなるかもしれないということです。活性炭はレサズリンを結合して、蛍光7を消光することができるので、原因レサズリン現像液および活性化charcoaを吸収するドライウェルにウェル間の変動があるかもしれませんレサズリンの蛍光を消光リットル。開発試薬を添加する直前にPBSですべてCARAのマイクロプレートウェルの表面を事前に湿潤これらの問題の両方を軽減する – 開発試薬は、同様にすべてのマイコバクテリアコロニーに達し、レサズリンは安全に活性炭上に残っています。 CARAは、マイコバクテリア変異体の表現型を同定し、特徴付ける、または他の細菌種のための培地スループット創薬アッセイにおける用途を有することができます。
The authors have nothing to disclose.
CARAを開発しながら、我々は、化学の支援のための専門家の原稿のレビューとJ.デイヴィッド・ウォーレン(ワイルコーネル医科大学)のためのクリスティン・バーンズ・黄に感謝しています。この作品は、トランスレーショナル医学ビル・アンド・メリンダ・ゲイツ財団、アビーとハワードP.ミルスタインプログラムのTB薬物アクセラレータプログラム、およびNIH TB研究ユニット(U19 AI111143)によってサポートされていました。微生物学および免疫学の専攻は、ウィリアム・ランドルフ・ハースト財団によってサポートされています。 SSKは、NIHの助成K08AI108799によってサポートされていました。
Middlebrook 7H9 | Beckton Dickinson | 271310 | |
Middlebrook 7H11 | Beckton Dickinson | 298810 | |
Middlebrook OADC | Beckton Dickinson | 212351 | |
BSA, heat shock | Roche | 3118958001 | |
activated charcoal | Sigma | C5510 | |
PBS, Dulbecco's Ca2+ and Mg2+ free | Life Technologies / Invitrogen | 14190-144 | |
tween 80 | Sigma | P8074 | |
tyloxapol | Sigma | T8761 | |
sodium nitrite | Sigma | 2252 | |
rifampicin | Sigma | R3501 | |
6-bromo-1H-indazol-3-amine | Alfa Aesar | H34095 | |
potassium phosphate monobasic | Sigma | P0662 | |
magnesium sulfate, heptahydrate | Sigma | M1880 | |
ferric ammonium citrate | Sigma | F5879 | |
zinc sulfate, heptahydrate | Sigma | Z0251 | |
ammonium chloride | Sigma | A9434 | |
butyric acid, liquid | Sigma | B103500 | |
resazurin powder | Sigma | R7017 | |
sodium chloride | J.T. Baker | 4058-01 | |
prepared resazurin solution | Invitrogen | DAL1100 | |
PCR stickers | Denville | B1212-5 | |
spectrophotometer | Molecular Devices | M5 | |
96-well, tissue culture treated microplates | Corning | 3595 | |
reagent reservoirs | VWR | 89094-678 | |
resealable plastic bags | VWR | 395-94602 | |
14 mL Polypropylene round-bottom tubes | Corning | 352059 | |
50 mL conical centrifuge tube | Corning | 352070 | |
75 cm2 Cell culture flask | Corning | 431464U | |
clear, flat bottom tissue culture treated 96-well microplate | Costar | 3595 | |
Prism 6 for OS X | GraphPad | http://www.graphpad.com/scientific-software/prism/ |