Summary

細胞内の標的阻害剤の有効性及び細胞毒性スクリーニングのためのシステム<em>結核菌</em

Published: April 05, 2017
doi:

Summary

我々は、細胞内および細胞内のブロス増殖する細菌、ならびに哺乳動物宿主細胞に対する細胞毒性を標的、 結核菌に対する新規化合物を発見するためのモジュラーハイスループットスクリーニングシステムを開発しました

Abstract

Mycobacterium tuberculosis, the causative agent of tuberculosis (TB), is a leading cause of morbidity and mortality worldwide. With the increased spread of multi drug-resistant TB (MDR-TB), there is a real urgency to develop new therapeutic strategies against M. tuberculosis infections. Traditionally, compounds are evaluated based on their antibacterial activity under in vitro growth conditions in broth; however, results are often misleading for intracellular pathogens like M. tuberculosis since in-broth phenotypic screening conditions are significantly different from the actual disease conditions within the human body. Screening for inhibitors that work inside macrophages has been traditionally difficult due to the complexity, variability in infection, and slow replication rate of M. tuberculosis. In this study, we report a new approach to rapidly assess the effectiveness of compounds on the viability of M. tuberculosis in a macrophage infection model. Using a combination of a cytotoxicity assay and an in-broth M. tuberculosis viability assay, we were able to create a screening system that generates a comprehensive analysis of compounds of interest. This system is capable of producing quantitative data at a low cost that is within reach of most labs and yet is highly scalable to fit large industrial settings.

Introduction

結核菌 、結核(TB)の原因物質は、世界中の罹患率と死亡率の主要な原因です。薬物感受性TBは、6ヶ月の期間にわたって複数の抗生物質を必要とする治療可能な疾患です。治療可能な疾患であるにもかかわらず、結核死亡率は、2015年1における150万と推定されました。過去10年間で、薬剤耐性結核の有病率に対する懸念が高まっています。多剤耐性結核(MDR-TB)は、少なくともイソニアジド(INH)、及びリファンピシン(RMP)、最もMDR-TB株は、このように治療の選択肢を制限する、第二のラインTB薬を選択することも耐性があるに耐性のあるTBのように定義されます。薬剤耐性の効果は、患者のヒト免疫不全ウイルス(HIV)で同時感染を治療するために大きな課題を作成します。 40万患者は世界中で2015 1でHIV関連結核で死亡しました。残念なことに、米国食品医薬品Administ配給は、過去40年間2に、MDR-TB、bedaquilineに対する唯一の新しい結核治療薬を承認しました。より良いと短いTBの治療法を見つけるの進歩が緊急TBとMDR-TBとの戦いに先に滞在するために必要とされています。

伝統的に、TB薬物スクリーニングは、化合物が成長している培養物に添加し、微生物を根絶におけるそれらの有効性は、固体培地上のコロニー形成単位(CFU)をカウントすることによって決定されることにより、増殖培地中でインビトロ増殖条件下で行われます。 CFU数は労働集約的、時間がかかり、かつ高価であるように、様々な間接的な方法は、この問題を軽減するために開発されています。そのような方法は、アラマーブルー生存率アッセイ3、緑色蛍光タンパク質(GFP)またはルシフェラーゼを発現する細菌からの発光5からの蛍光4の決意、および全アデノシン三リン酸の推定(Aを含みますTP)6、7。

典型的なTBは、細菌は肺胞マクロファージ8のファゴソーム内部に存在し、複製肺の結核菌の感染によって特徴付けられます。シンプルな中ブロス表現型の画面は、細胞外病原体に合うこと。しかし、歴史的な観点では、この方法を用いて同定された結核菌に対する化合物は、多くの場合、感染モデルにおける下流の検証ステップの間、期待に応えるに失敗ヒット。私たちは、結核治療薬は、最高の細胞内宿主細胞の感染モデルで実行されていることを提案します。それにも関わらず、細胞内のモデルは、ハイスループットスクリーニング(HTS)の開発に多くの技術および生物学的障壁を保有します。大きなハードルは多くの工程と洗浄の間で-による細胞外細菌の精巧な除去によって例示される、感染プロセスの複雑さです。第二の主要なハードルは、長い時間の再ですquirementsは、通常CFU培養プレート上でカウントすることによって行わ増殖検出として、完了するまでに3週間以上を要するプロセスです。 CFUカウントを交換する1つの解決策は、蛍光細菌との組み合わせで自動化された蛍光顕微鏡によって提供されています。しかし、この解決策は、多くの研究室のための手の届かないところにある初期の設備投資が必要となります。シンプル、低コスト、および疾患関連HTS方法を大幅に創薬プロセスを高めるであろう。

本研究では、細胞内の結核菌に対する化合物の活性を決定するのに適した、迅速、かつ拡張性の高い、まだ経済的、アッセイを提供することを目的とする新しい、モジュラーHTSシステムを報告しています。 (I)細胞内、(ii)の細胞毒性、および(iii)中のブロスアッセイ:このシステムは、三つのモジュールから構成されています。合わせた最終的な結果は、作用の潜在的なモードなどの追加情報と、化合物の特性の包括的な説明を提供します。このSCreeningシステムは、薬物相乗作用9の分析、オートファジー10の刺激、および結核菌 -secreted毒性因子(未発表)の阻害を含む作用機序を標的とする様々な化合物ライブラリー、といくつかのプロジェクトで使用されてきました。アクションの未知のモードの化合物はまた、11を研究されています。この方法の修正版は、細胞内結核菌 11に対して新規な化合物を同定するための一次スクリーニング法としての産業パートナーによって採択されました。

Protocol

1.菌株および増殖培地ウシ血清アルブミン、デキストロース10.0gを、脱イオン水の460 mLの塩化ナトリウムの4.05グラムの25グラムを溶解することによってアルブミンデキストロースおよび塩のストック溶液(ADS)を作ります。 4℃でのADS及びストアをフィルター滅菌します。 7H9粉末4.7gの精製水900 mLでのグリセロールの2ミリリットルを添加することにより、7H9ブロスを作ります。 …

Representative Results

ルシフェラーゼ遺伝子を発現結核菌を用いた高スループットの細胞内スクリーニング 図2Aと表1はルミノメーターによって収集された生データを含む、THP-1細胞内の結核菌に対するTB薬物リファンピシンの濃度の増加の効果を示し、相対発光単位(RLU)で表しました。 図2Aは、</stron…

Discussion

本研究の目標は、 結核菌のための人間の細胞内感染モデルを使用して、シンプルでコスト効率のHTS方法を作成することでした。結核は、 結核菌によって肺胞マクロファージの感染によって特徴付けられるヒト疾患です。バイオセーフティ問題に、細菌と宿主細胞の両方の生物学的モデルを含む研究は過去に使用されてきました。しかし、サロゲート細菌および非ヒトモデルの?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by BC Lung Association and Mitacs.

Materials

RPMI 1640 Sigma-Aldrich R5886
L-glutamine Sigma-Aldrich G7513
Fetal bovine serum (FBS) Thermo Fisher Scientific 12483020
Middlebrook 7H9 Becton, Dickinson and Company 271210
Tween80 Fisher Scientific T164
Albumin, Bovine pH7 Affymetrix 10857
Dextrose Fisher Scientific BP350
Sodium Chloride Fisher Scientific BP358
kanamycin sulfate Fisher Scientific BP906
PMA Sigma-Aldrich P8139
MTT Sigma-Aldrich M2128
N,N-Dimethylformamide (DMF) Fisher Scientific D131
1M Hydrocholoric acid (HCl) Fisher Scientific 351279212
Acetic acid Fisher Scientific 351269
SDS Fisher Scientific BP166
Resazurin Alfa Aesar B21187
DMSO Sigma-Aldrich D5879
Glycerol Fisher Scientific BP229
THP-1 American Type Culture Collection TIB-202
M. tuberculosis H37Rv
96-well flat bottom white plate Corning 3917
95-well flat bottom clear plate Corning 3595
Transparent plate sealer Thermo Fisher Scientific AB-0580
Spectrophotometer Thermo Fisher Scientific Biomate 3
Microplate spectrophotometer Biotek Epoch
luminometer Applied Biosystems Tropix TR717

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Cite This Article
Zheng, X., Av-Gay, Y. System for Efficacy and Cytotoxicity Screening of Inhibitors Targeting Intracellular Mycobacterium tuberculosis. J. Vis. Exp. (122), e55273, doi:10.3791/55273 (2017).

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