Neste protocolo, descrevemos como fazer Loewe medições de interação de drogas baseadas em aditividade para pairwise e combinações de drogas de três vias.
Uma combinação sinérgica de drogas tem uma eficácia maior em comparação com os efeitos das drogas individuais. Ensaios de tabuleiro de damas, onde drogas são combinadas em doses muitos, permitam a medição sensível de interações medicamentosas. No entanto, estes ensaios são caros e não se adapta bem para medir a interação entre muitos medicamentos. Vários estudos recentes têm relatado as medições de interação de drogas usando uma amostragem diagonal do ensaio do xadrez tradicional. Esta metodologia alternativa grandemente diminui o custo das experiências de interação de drogas e permite a medição de interação para combinações com muitas drogas. Aqui, descrevemos um protocolo para medir as três interações emparelhadas e uma interação de três vias entre três antibióticos em duplicado, em cinco dias, usando apenas três microplacas de 96 poços e equipamentos de laboratório padrão. Apresentamos resultados representativos, mostrando que a combinação de três-antibiótico da penicilina G + Levofloxacina + ácido nalidíxico é sinérgica. Nosso protocolo escalas medir as interações entre muitas drogas e em outros contextos biológicos, permitindo a telas eficientes para múltiplas drogas sinergias contra patógenos e a tumores.
Combinações de drogas podem apresentar efeito surpreendentemente alto ou baixo em um fenótipo dado os efeitos das drogas constituintes, correspondente a interações medicamentosas sinérgicas ou antagônicas, respectivamente,1,2,3. O uso de combinações sinérgicas pode permitir dose-escalonamento para aumento da eficácia e redução de dose para alívio de efeito colateral. Tratamentos de combinação podem igualmente aplicar vários contratempos a maquinaria celular, bloqueando potenciais mecanismos de fuga evolutiva para resistência4. Portanto, as combinações de três ou mais drogas são rotineiramente usadas em patógeno ou câncer tratamento5.
Sinergia e antagonismo são definidos por uma comparação entre os efeitos observados de uma combinação contra um efeito esperado, tendo em conta os efeitos de drogas individuais. Entre os modelos para interações medicamentosas, aditividade Loewe é a mais exigente e tem um modelo bem definido nulo (Figura 1)6, e a interação de sinergia/antagonismo inferido é independente da concentração da droga usada 6 , 7. no entanto, o modelo de Loewe é experimentalmente caro mesmo para um teste de interação emparelhadas. Ensaios de interação droga tradicionalmente são compostos por uma matriz 2D de combinações de concentração da droga (um ensaio de quadriculado) (Figura 2). 5 doses são usados para cada droga, se 25 combinações são necessárias, correspondente a uma metade de uma microplaca se são conduzidos experimentos em replicar. O custo desta abordagem proíbe medição sinergia pelo modelo de aditividade da Loewe para combinações de múltiplas drogas (Figura 3). Por exemplo, para testar uma 10-forma interação, métodos tradicionais exigiria mais de 100 mil microplacas, barrando a medição experimental de alta-ordem sinergias pelo modelo de aditividade Loewe rigoroso, bem teorizado e independente de concentração 8.
Tratamentos clínicos atuais utilizam apenas uma fração de combinações de drogas possíveis. Por exemplo, o tratamento padrão da tuberculose activa é uma combinação de três antibióticos. Existem aproximadamente 20 antibióticos usados no tratamento de Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Há combinações possíveis de 3 vias 1140 entre 20 drogas, cada um com potencial para ter uma forte sinergia contra Mtb. Como não houve nenhum método cost-effective para medir as interações medicamentosas entre muitas drogas, combinações sinergéticas potencialmente salva-vidas permanecem não testadas.
Aqui, descrevemos um protocolo simples para medir interações medicamentosas emparelhadas e três vias por amostragem somente a diagonal de um ensaio de xadrez (,Figura 4 e Figura 5). O conceito subjacente de amostragem da diagonal de um experimento de xadrez foi teorizado por Berenbaum em sua obra seminal em 19789. Ainda, esta abordagem só recentemente tem sido aplicada a droga sinergia telas10,11,12. Apresentamos o nosso protocolo com Escherichia coli (e. coli) e o fenótipo de crescimento. No entanto, notamos que o protocolo é independente das espécies biológicas e fenótipo de interesse e, portanto, pode ser aplicado para a medição da sinergia de drogas de alta ordem em outros contextos biológicos.
O uso de combinações de drogas contra patógenos ou tumores é uma perspectiva atraente, especialmente sob as circunstâncias de antibiótico pipeline de secagem. No entanto, este potencial é dificultado pelo menos duas dificuldades. A primeira dificuldade é o número astronômico de combinações possíveis. Existem, por exemplo, 4950 combinações possíveis de pares entre 100 antibióticos. Todas as combinações possíveis entre 100 antibióticos (2100) está na mesma ordem de magnitude, com o número de bactérias na terra (10 ~30). Como prever combinações fortemente sinérgicas entre essas possibilidades tem sido objecto de numerosos estudos computacionais. A segunda dificuldade é a medição de interações medicamentosas de alta ordem. Considere que uma plataforma computacional pode sugerir que uma determinada combinação de droga-10 é fortemente sinérgica contra um determinado patógeno. Métodos tradicionais para testar interações medicamentosas é demasiado onerosa para verificar ou refutar esta hipótese, portanto, o estudo da sinergia entre muitos medicamentos tem sido fora dos limites da investigação científica. O método diagonal, o que foi proposto pela primeira vez há quase 30 anos e foi usado em algumas telas de sinergia recentes fornecem uma base sólida para o primeiro problema, permitindo o teste da interação entre muitos pares. Ele resolve o problema segundo uma amostragem informativa dos ensaios tradicionais e permite o estudo das interações medicamentosas de alta ordem.
Importante notamos que nosso protocolo usa uma dosagem linear para medições de interação de drogas, para fornecer a sensibilidade para detectar até mesmo interações fracas. Estabelecer o intervalo de concentração certa para dosagem linear é uma tarefa desafiadora. Realizando primeiro uma diluição serial, podemos tomar uma decisão informada sobre o espaço de busca para dosagem linear. No entanto, o protocolo pode ser modificado para usar 2 dobras ou maiores diluições em série para testes de interação de drogas. Essa modificação pode encurtar o tempo de experiência e permitem que o teste de interações mais; no entanto, teria sensibilidade para detectar interações apenas fortemente sinérgicas ou antagônicas.
O protocolo descrito mostra a medição de interações emparelhadas ou três vias. Um aspecto importante do protocolo é que agentes único são no mesmo prato como a combinação, para minimizar o viés devido às variações do prato. Portanto, o protocolo pode ser ajustado para medir interações até 7 vias combinações por modificações triviais. Combinações de mais de 7 drogas vão exigir mais de uma microplaca de 96 poços e considerações adicionais devem ser tomadas para garantir a integração de dados corretos, tais como repetições inter plate.
Uma notável limitação do método diagonal é a restrição que cada droga no ensaio deve inibir o fenótipo de interesse. Portanto, o método diagonal não é útil para a compreensão das interacções entre agentes ativos e adjuvantes inertes. Tais interações ‘potencializadora’ podem ser estudadas sob modelos alternativos tais como modelos de felicidade ou maior agente único.
Uma consideração importante para a análise de interações medicamentosas de ordem superior é a escolha do modelo nulo para o “IC50 esperado.” Quando duas drogas são combinadas, o efeito da combinação só pode ser comparado aos efeitos da droga. Quando três drogas são combinadas, o efeito da combinação pode ser comparado ao único efeitos ou efeitos emparelhados. Por exemplo, se todas as combinações emparelhadas de três drogas são sinérgicas, então ser de esperar que estas drogas mostrará uma sinergia de três vias. Desvio de uma interação três vias do que é esperado de interações emparelhadas foi recentemente apelidado “interação emergente”16,17. Para simplificar, nosso protocolo descreve a medição da combinação de três vias está “líquido interação,” que define o modelo nulo como efeitos de droga. No entanto, os dados que são obtidos a partir do protocolo também podem ser usados para calcular a interação emergente da combinação de três vias. Em nossa análise, definimos o esperado IC50 da combinação de três vias como a média da única droga IC50s. Alternativamente, o IC50 esperado pode ser definido como a média da IC50s de combinações emparelhadas (~1.1-1.2). Quando o IC50 observada é dividido por esta alternativa IC50 esperado, o FIC obtido fornece o FIC emergente para a combinação de três vias, como descrito anteriormente,12. Esta consideração revela que LEV + NAL + PNG é sinérgica mais do que o que seria de esperar de emparelhadas interações entre três drogas, demonstrando que o LEV + NAL + PNG tem sinergia emergente.
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi financiado pelo NIGMS Grant P50GM107618. Os autores agradecer Zohar B. Weinstein para as observações perspicazes e sugestões sobre o manuscrito.
1.5 mL Semi Micro Cuvette | VWR | 97000-586 | |
1.5 mL Eppendorf Microcentrifuge Tubes | USA Scientific | 4036-3204 | |
1000 µL Tips | Geneseesci | 24830 | |
14 mL Breathable Cell Culture Tube | VWR | 60819-761 | |
20 µL Tips | Geneseesci | 24804 | |
200 µL Tips | Geneseesci | 24815 | |
37 °C Incubator | Panasonic | MIR-262-PA | |
37 °C Shaker Incubator | Thermo Scientific | SHKE8000 | |
5 mL Cell Culture Serological Pipette | VWR | 53300-421 | |
96-well Microplates | VWR | 15705-066 | |
Breathable Sealing Film | USA Scientific | 2920-0010 | |
DMSO | Sigma | 41647 | |
Escherichia coli | ATCC | 700926 | |
Glycerol | Sigma | G9012 | |
LB Broth Powder | RPI | L24065 | |
Levofloxacin | Sigma | 28266 | |
Micropipette | GILSON | PIPETMAN Classic | |
Microplate reader | BioTek | Synergy H1 | |
Multichannel micropipette | VistaLab | 1060 | |
Nalidixic acid | Sigma | N8878 | |
Penicillin G | Sigma | P3032 | |
Pipette Pump | Drummond | 4-000-501 | |
Reagent Reservoir | VWR | 89094-658 | |
Spectrophotometer | BIO-RAD | 1702525 | |
Vortex Mixer | Fisher Scientific | 10-320-807 |