ここで提供されるプロトコルは、 Trypanosoma cruzi 感染の生物発光モデルで薬効研究を実施するための詳細な手順を、データの取得、分析、および解釈に焦点を当てて説明しています。技術的な問題を最小限に抑えるためのトラブルシューティングと品質管理手順も提供されます。
シャーガス病、リーシュマニア症、アフリカトリパノソーマ症などのヒト原虫病の公衆衛生への影響を抑制し、減少させるためには、新薬やワクチンの開発を加速する必要があります。しかし、このプロセスには、寄生虫の生物学的な問題や疾患の病因が非常に複雑であること、顧みられない熱帯病によくあるように、研究開発のための資金が比較的限られていることなど、困難が伴います。したがって、これらの疾患の研究を進めるためには、感染や疾患の主要な特徴を十分に再現し、リソースを合理的に利用できる in vitro および in vivo 研究モデルが不可欠です。その一例がシャーガス病の in vivo bioluminescence imaging(BLI)マウスモデルで、ルシフェラーゼを発現する Trypanosoma cruzi 寄生虫が生成する長波長光を高感度に検出することができます。この手法が in vivo での薬効研究の標準的なアプローチになっているにもかかわらず、適切なBLI機器がすぐに利用できる場合でも、機器の取り扱いや品質管理手順の適用に関する適切な実践的なトレーニングが不足しているため、研究グループは依然としてその実装に苦労する可能性があります。このシナリオを考慮して、このプロトコルは、シャーガス病や他の感染症マウスモデルのいずれかについて、BLIの経験がほとんどまたはまったくない研究グループでのプロトコルの実施を容易にする詳細とともに、実験の計画からデータ取得および分析までのガイドとなることを目的としています。
シャーガス病はラテンアメリカで流行しており、世界中で約700万人が罹患しています1。毎年、50,000人以上が死亡し、約70億ドルの経済的損失が、この病気の障害性に起因しています2。シャーガス病は、原虫のTrypanosoma cruziという原虫によって引き起こされ、哺乳類(野生および家畜)やトリアトミンベクター(半翅目、Reduviidae)3に感染するヘテロキセン性血液鞭毛虫寄生虫で、ベクター感染が確立されています。その他の重要な感染経路には、輸血、臓器移植、経口(感染したトリアトミンで汚染された食物の摂取による)4、先天性感染などがあります。非媒介性の伝播経路は、シャーガス病が非流行地域に広がる一因となっています3,5。
シャーガス病は、2つの臨床段階に現れます。急性期は、ほとんどの場合、無症候性です。症候性感染症は通常、発熱、疲労、筋肉痛、リンパ節腫脹、脾腫、肝腫大などの非特異的な徴候と関連しています。急性期は、しばしば特許寄生虫症および寄生虫の全身循環と関連しています。診断された症例の最大10%、特に経口感染症の症例で死亡する可能性があります6。慢性期は、症状が長期間存在しないことを特徴としています。時間が経つにつれて、数十年前に感染した患者の約3分の1は、通常は線維症および心筋の炎症、および/または主に巨大食道および/または巨大結腸症候群の発症に関連する胃腸障害を伴う心臓症状を示します3,5,6。
シャーガス病の病因治療は、ベンズニダゾールとニフルチモックスの2つの薬のみで構成されています。これらの駆虫剤は50年以上にわたって利用可能であり、かなりの毒性と限られた有効性を持っています5,7,8。そのため、シャーガス病患者に対して、より安全で、より効果的な新しい治療法の開発が急務となっています。
より高度で正確な技術により、シャーガス病の新たな治療法の探索を進めることを可能にする古い疑問に対する答えを得ることが可能になりました。この意味で、科学界は、感染の経過と薬効の評価に関するin vivo研究のために遺伝子組み換え寄生虫から大きな恩恵を受けています9,10,11,12。生物発光イメージング(BLI)システムに基づく縦断的アッセイにより、治療レジメン中および治療レジメン後の有効性評価が可能になり、トリパノサイド活性を有する化合物の同定につながります10,13。BLI法は、遺伝子組み換えホタルルシフェラーゼ12を構成的に発現する遺伝子組み換えT. cruzi CL Brener Luc::Neon系統11によって生成される光の定量を通じて、循環中または組織および器官内の両方で寄生虫負荷を直接測定する。
それにもかかわらず、シャーガス病BLI動物モデルおよび薬効研究が確立されてから約10年が経過した現在、この手法を支配している研究グループはごくわずかです。この事実は、適切なイメージング機器へのアクセスが減少しているだけでなく、トレーニングが不足していることや、構造化された詳細なプロトコルが利用できないためです。この方法は、顕微鏡検査による寄生虫血症の評価、血清学、または寄生虫DNA検出のためのqPCRによる臓器/組織感染評価に依存する他のアプローチに比べて、マウスの健康状態を改善し、in vivoでより堅牢で統合されたデータを生成する可能性により動物の使用を減らすことができるため、いくつかの利点があります。さらに、この方法は、薬物治療10,12後の内臓臓器の寄生虫病巣の容易な検出を可能にするため、おそらくより感度が高い。したがって、このプロトコルは、寄生虫学およびその他の感染症に関する研究グループが、技術的な手順を詳細に説明することにより、この方法論を研究室で確立するように導くことを目的としています。ここでは、Drugs for Neglected Diseases initiative(DNDi)がコーディネートする創薬活動の一環として、ラテンアメリカで初めてのシャーガス病BLIモデルをブラジルで実施した経験を共有します。
生物発光イメージングは、可視および赤外スペクトルの電磁放射を使用してレポート遺伝子を検出できる画期的な方法です。したがって、試料35を追跡するために放射性標識マーカーを使用する必要はない。BLIは、げっ歯類モデルやその他の小さな種に適しています。より安全で、数回の画像ラウンドが可能で、動物の不快感を最小限に抑えることができるため、前臨床試験に非常に役立ちます。その上、 in vivo イメージングは、生物発光、蛍光、および陽電子放出断層撮影法36などの他の技術を組み合わせる可能性があるため、非常に柔軟である。
光学イメージングは、吸収や散乱などの光学的物理的特性によって支配されます。すべての組織は、異なる方法で区別された波長の光を吸収および散乱します37。重要なステップの1つは、化学反応によって生成される光の放出波長を考慮せずにレポーター遺伝子を選択することです。生物発光アッセイでは、レポーター遺伝子の発現レベルがin vitroで高くなる可能性がありますが、in vivo設定に進むと、同じレベルの発現が得られない可能性があります。このプロトコルでは、617 nmで光を放出するトリパノソーマチド9用の赤方偏移Photinus pyralis luciferase(PpyRE9H)38コドン最適化バージョンを使用しました39。600nmより長い波長は、体内因性発色団、特にヘモグロビンとメラニンによる吸収と散乱が少なくなります。したがって、赤色光は数センチメートルの組織を介して透過することができ、光子は内臓組織39,40内からでもCCDカメラに到達することを可能にする。
イメージング環境における懸念事項の1つは、その機能と効果を包括的に理解していないことです。ビニングは、前処理技術であり、連続した検出器によって取得された情報をより大きなピクセルに結合します。このプロセスにより、S/N比が向上し、バックグラウンドノイズが低減され、感度が向上します。しかし、空間分解能の精度を低下させ、ピクセル化された画像41,42をもたらす。このトレードオフは、イメージング戦略における重要な考慮事項です。
「Target Product Profile」と「Target Candidate Profile for Chagas Disease34」に基づき、この概念実証試験は、 T. cruzi を検出し、新薬候補が無菌治癒を達成できるかどうかの立証に役立つ感度に焦点を当てています(数回の免疫抑制ラウンド後の再発の欠如で表されます)。したがって、画像を過飽和にすることなく、最高のビニング係数を使用してBLIを実行します。画像が過飽和になると、より低いビニング係数を使用して新しい取り込みが実行されます。解析中に、異なるビニングが必要な画像に数学的補正が適用されます。このように、最終データは同じビニングを使用して表示する必要があります。 表 1 は、同じ画像と ROI に特徴的なビニング係数を適用した場合に得られるさまざまな値を示しています。
表1:ビニング設定がBLI定量に及ぼす影響。 急性モデル(d13)と慢性モデル(d118)の画像上での3つのROIの定量化、異なるビニング因子で分析。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
現在の臨床におけるシャーガス病のシナリオにより、創薬努力は寄生虫を完全に排除すること(寄生虫学的治療)を目指しています27,34。したがって、in vivo 前臨床プロトコルには、BLI の技術的感性の限界を克服するアプローチが含まれています。そのアプローチの1つは、マウスをシクロホスファミドで治療して、寄生虫の負荷を制御する免疫応答を減らすことです。別の戦略は、組織の深さを減らし、カメラへの光の経路を妨げる筋肉、皮膚、毛皮の層を取り除くことです。ex vivo法により、小さな生物発光スポットを検出し、図5Cに示すように、Posaで処理したマウスのex vivo結果に示すように、in vivo BLI閾値を下回る寄生虫病巣を明らかにすることができます。
モデル自体と感染動態を評価するためのパイロット実験を設計することは、抗寄生虫薬の有効性評価のための正確な実験を確立するために重要です。したがって、研究者は適切なBLI設定と感染時間経過を事前に定義することができます。探索的実験では、取得設定を定義するのに役立つツールの1つが「自動露光」です。このツールを使用すると、研究者は3つの設定(露光時間、 ビニング、 F / Stop)の優先順位を確立して、可能な限り最高の画像を取得します。特に、研究者は、CCDカメラのダイナミックレンジ内で画像が取得され、過飽和や露出不足がないことを確認する必要があります。これは、スケールの下限と最大の制限、および自動露出機能(メニュー 編集 > 設定 > タブ取得 > タブ自動露出)で確認できます).このプロトコルでは、カメラの絞りを最大値 (F/Stop: 1) に設定し、急性モデルと慢性モデルで露光時間とビニング係数を区別しました。これらの設定により、異なる画像ラウンドを同時に実行するための時間予測可能性が得られます。レポーター法が酵素反応に基づいていることを考えると、マウスへの基質の生体内分布とルシフェラーゼ速度論の両方が生物発光シグナルに影響を与え、したがって感染の定量化に影響を与えます(図1B)。その結果、酵素動態の異なる瞬間に画像を取得すると、説明も補正もできないデータのばらつきが発生し、総フラックス(光子/秒)または放射輝度(光子/秒/cm2/ステラジアン)の計算に影響を与えます。さらに、 T. cruzi 感染は、マウスで動的な空間的位置(異なる領域と組織、深さ、および寄生虫の負荷)を示します。したがって、取得するカウントの値を設定すると、別の強いシグナルのソースが定義された自動曝露基準を満たしている場合、弱いシグナルソース(組織のより深い特定のスポットに寄生虫の数が少ない)を見逃す可能性があります。
Living Imageソフトウェアのトリッキーな機能は、取得した画像を自動カラースケールで表示することです。選択したスケール値に従って、新しく取得した画像を自動的に表示するようにスケールを事前に設定するオプションはありません(プロトコルステップ6.2を参照)。この状況では、研究者は画像を1つずつ選択した最大値と最小値に手動で変更する必要があります。その結果、経験の浅いユーザーや十分なトレーニングを受けていないユーザーは、取得セッション中に適切な読み出しを得ることができず、その時点でデータを誤解させたり、重要な情報を失ったりする可能性があります。そのためには、パイロット実験が有益です。
概念実証実験デザインに関する最も一般的な質問の1つは、治療期間と用量の選択方法です。新しい化学物質の場合、これらのパラメータは通常、in vitroでの化合物の効力と選択性によって定義され、薬物代謝および薬物動態(DMPK)によって生成されたデータおよびin vivoでの有効性試験前に実施された忍容性試験と組み合わされます。要約すると、細胞内の寄生虫を選択的に殺すことができる化合物を特定した後、最初のADME実験(吸収、分布、代謝、排泄)をin vitroで実施し、化合物の水溶性、細胞透過性、代謝安定性などのパラメーターを推定します。化合物がin vitro特性(通常は標的候補プロファイルで定義される)のバランスが良好である場合、これらの候補は健康なマウスでのin vivo薬物動態(PK)研究に進み、血液中(およびおそらく組織内)での化合物曝露の概要を説明し、さまざまな用量レベルでの忍容性の一般的なアイデアを提供します17。34,43.理想的には、ほとんどの感染症におけるPK評価の目標は、EC50/EC90濃度44(寄生虫のそれぞれ50%または90%の成長を殺す、または少なくとも90%の成長を阻害する有効濃度)を超える遊離血漿濃度(血漿タンパク質結合を補正)に十分に長期間到達する可能性を決定することである。一定の用量レベルで十分な曝露が達成された場合、このレジメンはシャーガスBLIモデルを使用した有効性試験中に使用できます。ドラッグリポジショニング研究には、in vitroおよびin vivo PKデータが利用可能である必要があります。薬物再プロファイリングの良いスタートは、PubChem45のような化学データベースであり、これらは、アロメトリックスケーリング46を使用してマウスに変換し、試験すべき安全で毒性のない治療レジメンを推定することができる認識されたデータを提供する。しかし、必ずしもそうではありません。PK研究は、学術科学においてまだ見過ごされている分野であり、PKの結果を発表している製薬会社はほとんどありません。創薬科学コミュニティは、in vivo PK評価をin drug efficacy assays(薬力学)とともに含めることを推奨しています47。したがって、前臨床イメージングは化合物測定と同時に互換性があり、この関連するアプローチによりデータの堅牢性が向上します。
さらに、マウスの取り扱い、体重、健康状態は、実験全体を通じて監視されます。猫背、震え、バランスの喪失、動きたくない、摂食や飲酒をためらう、衰弱、またはグループまたは個々のマウスの状態に存在するその他の異常などの毒性および副作用の兆候は、前臨床試験に登録し、報告する必要があります。.光学イメージングの目標の1つは、動物の健康を確保することです。したがって、人道的なエンドポイントは、「しかめっ面スケール48」に記載されている痛みの徴候を持つマウスに適用する必要があります。また、マウスの体重は、BLIの獲得中、およびより頻繁には薬物投与およびCTX治療中に毎週体重を量りました。動物福祉の規制に従い、体重が20%以上減少したマウスは、直ちに人道的に安楽死させなければなりません。
T. cruzi生物発光モデルは、シャーガス病の新たな治療法の発見と開発のための最先端の実験モデルとなりました。T. cruzi感染症とシャーガス病49の主要な特徴を再現するモデルで、寄生虫症のリアルタイムモニタリングと、既知の作用機序に関連するさまざまな有効性プロファイルを持つ化合物の鑑別を可能にします。BLIは、感染組織を特定する際の自己主張を強化する技術です。これにより、感染組織の正確な選択を、T. cruzi 研究50,51 ですでに適用されているすべての古典的な方法を含む、幅広いアプローチで使用できます。さらに、研究者は最先端の技術を探求し、新しい技術を開発することができます33。さらに、BLIは、動物の健康の改善と、3Rの原則10,35に従って、より合理的な使用を一度に提供します。
顧みられない熱帯病に焦点を当てたいくつかの研究グループは、in vivoイメージングデバイスが利用できない国に配置されています。現在のシナリオを克服するために、Global BioImagingやその関連コンソーシアムのような新しい国際ネットワークは、イメージングの中核施設へのオープンアクセスを提供し、スタッフとイメージング科学者のトレーニングを改善するための行動を促進している52,53。これらのイニシアチブは、このようなフレンドリーなユーザープロトコルとともに、すべての研究者にハイエンドテクノロジーを民主化する条件を提供することができます。この方法を前臨床創薬に導入することで、シャーガス病の創薬を促進する臨床転帰の確かな有効性と予測値が得られました。
The authors have nothing to disclose.
著者らは、薬効アッセイに関するBLIのトレーニングとサポートを提供してくれたAmanda Franscisco氏、John Kelly氏、Fanny Escudié氏、寄生虫を提供してくれたJohn Kelly氏とSimone Calderano氏、動物実験のサポートを提供してくれたGabriel Padilla氏に感謝します。A.C.Sは、ロンドン大学衛生熱帯医学大学院(英国)での研修に対してCAPES PSDE奨学金を授与されました。また、著者らは、IVIS Spectrum機器解析の技術サポートを提供してくださったサンパウロ大学科学研究コア施設のFlow Cytometry and Imaging Research(FLUIR)プラットフォーム(CEFAP-USP)と、マウスの特異的病原体フリーとしての品質管理のための実験後アッセイを提供してくださったLaboratory of Genetics and Sanitary Control ICB-USPに感謝します。このプロジェクトはDNDiによって資金提供されました。DNDiは、2003年のDNDiの設立以来、すべての活動に資金を提供してくださった官民の寄付者に感謝しています。DNDiの寄付者の完全なリストは、https://dndi.org/about/donors/ でご覧いただけます。
BD LSRFortessa™ X-20 Cell Analyzer | BD Biosciences | ||
Weighing Balance (animal facility) | Available from several suppliers | ||
IVIS Spectrum In Vivo Imaging System | Revvity (former PerkinElmer) | ||
FlowJ Software v10.7.1 | BD Biosciences | ||
Living Image Software for Spectrum v4.7.1 | Revvity (former PerkinElmer) | License Free Analysis Software called 'Aura Imaging' could be used for the most basic features provided by Spectral Instruments Imaging (Bruker company) (https://spectralinvivo.com/software/) | |
Microsoft Office software | Microsoft | ||
GraphPad Prism v8.4.0 | GraphPad Software Inc. | ||
DMEM Low Glucose | Vitrocell | D0025 | |
Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | S5761-500G | |
Foetal Bovine Serum (FBS) | Gibco | 16000-044 | |
Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15140-122 | |
Trypsin 0.5% EDTA | Gibco | 25300-062 | |
LIT medium | In house | ||
Hygromycin B (50 mg/mL) | Gibco | 10687010 | |
Grace′s Insect Medium | Sigma-Aldrich | G9771 | |
HEPES | Sigma-Aldrich | 54457 | |
IVISBrite d-luciferin potassium salt | Revvity (former PerkinElmer) | 122799 | Also could be used: VivoGlo Luciferin, in vivo grade (Promega/P1043); D-Luciferin, Monopotassium Salt (Thermo Scientific/88293) or PierceD-Luciferin, Monosodium* Salt (Thermo Scientific/88291); D-Luciferin, Potassium Salt (GoldBio/LUCK or eLUCK); D-Luciferin, Sodium* Salt (GoldBio/LUCNA or eLUCNA) *Sodium or potassium salt differences relies minimal chances on solubility, however do not affect in vivo performance. |
DPBS | Gibco | 21600-044 | |
Cyclophosphamide (CTX) | Sigma-Aldrich | C0768-5g | |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D5879 | |
(Hydroxypropyl)methyl cellulose (HPMC) | Sigma-Aldrich | 09963-25G | |
Benzyl alcohol | Sigma-Aldrich | 402834 | |
Tween 80 | Sigma-Aldrich | P1754-1L | |
Benznidazole | ELEA | ||
Posaconazole (Noxafil commercial formulation) | Schering-Phough | ||
Giemsa | Available from several suppliers | ||
gavage needle (stainless-steel straight) – 22GA | Aton | CA2003 | |
1 mL Syringe and 31G needle | Available from several suppliers | ||
1 mL Syringe and removable 26G needle | Available from several suppliers | ||
1 mL Syringe and removable 24G X¾ needle | Available from several suppliers | ||
Sterile Syringe Filter 0.2 µm | Available from several suppliers | ||
A4 Matte Black paper 120gr or thicker | Paper Color/ Canson (Available from several suppliers) | ||
aluminum foil | Available from several suppliers | ||
Neubauer chamber | Available from several suppliers |