我们开发了一种高密度微阵列平台，该平台由名为CaBChip的白色念珠菌（C. albicans）三维纳米生物膜构成。CaBChip上测试药物的敏感性谱与传统的96孔板模型相当，表明这种真菌芯片非常适用于抗真菌药物的真正高通量筛选。
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摘要
摘要
Candida albicans 仍是念珠菌病的主要致病因子，目前在美国医院中，该病占院内血流感染的第四位1。这些机会性感染对日益增多的免疫功能低下人群构成日益严重的威胁，并伴有不可接受的高死亡率。部分原因在于抗真菌药物种类有限，同时也由于对最常用抗真菌药物产生耐药性的现象不断出现。治疗的复杂性还在于，大多数念珠菌病的表现均与生物膜的形成有关，而这些生物膜内的细胞对大多数临床常用抗真菌药物表现出更高的耐药水平2。本文中，我们描述了一种高密度微阵列的开发，该阵列由 C. albicans 纳米生物膜组成，我们将其命名为 CaBChip3。简言之，采用机器人微阵列点样仪将 C. albicans 酵母细胞点样到固体基质上。在点样过程中，酵母细胞被包裹在三维基质中，点样体积可低至 50 nL，并固定在具有合适涂层的玻璃基片上。初始点样完成后，将载玻片在 37 °C 下孵育 24 小时，以促进生物膜发育。在此期间，各点生长为完全成熟的“纳米生物膜”，表现出成熟 C. albicans 生物膜的典型结构和表型特征（即 形态复杂性、三维结构以及耐药性）4。总体而言，CaBChip 包含约 750 个等效且空间分离的生物膜；其额外优势在于可同时打印和处理多个芯片。通过使用微阵列扫描仪检测 FUN1 代谢染料的荧光强度来评估细胞活力。该真菌芯片非常适用于抗真菌药物研发中的高通量筛选。与当前标准方法（即 96 孔微孔板生物膜形成模型5）相比，该真菌生物膜芯片的主要优势在于实现了自动化、微型化，节省了试剂用量和成本以及分析时间，同时消除了大量依赖人工的操作步骤。我们认为，此类芯片将显著加快抗真菌药物的研发进程。
方案
1. 功能化载玻片的制备
- 将显微镜载玻片放入可拆卸的载玻片架中，用含有99%乙醇（组织学级）的染色缸浸泡两次进行清洗。用纸巾擦拭载玻片以保持清洁（注意避免产生纸屑），然后用压缩氮气吹干。
注意：请勿使用 Kim-Wipes 擦拭载玻片，因为会产生细微的纸尘。
- 将载玻片架（含载玻片）浸入盛有浓硫酸的染色缸中，于室温下孵育过夜。
注意：操作浓酸及有毒和腐蚀性化学品时，应佩戴耐化学腐蚀手套和安全护目镜，以避免与皮肤接触。
- 将载玻片超声处理 30 分钟，并用 Milli-Q（18 MΩ）水清洗 30 分钟，随后再用丙酮清洗 5 分钟。此处理可暴露玻璃表面的硅醇基团。
- 通过将载玻片架浸入 2.5%（体积比，溶于水）的 3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）溶液中 30 分钟，对洁净的载玻片进行包被，然后用 Milli-Q 水清洗 3 次，每次 15 分钟，最后将载玻片在 110 °C 的烘箱中烘烤 15 分钟。烘烤可使 APTES 发生交联，从而实现表面的 -NH2 功能化。
注意：请在塑料容器中配制 APTES 溶液，因为 APTES 会优先沉积在玻璃容器的器壁上。
- 使用旋涂仪，将聚苯乙烯-马来酸酐共聚物（PS-MA，1% wt/vol，溶于甲苯，Sigma）涂覆在载玻片上，以形成单层疏水涂层6。在安装于旋涂仪上的洁净玻璃载玻片上加入 2.0 mL PS-MA 溶液，以 3,000 rpm 旋涂 30 秒。具体条件可能因旋涂参数（如涂覆溶液、基底、涂层厚度）而异，并遵循以下方程进行调控7
其中 h 为涂层薄膜的厚度，e 为蒸发速率，η、C 和 ρ 分别为涂层溶液的黏度、浓度和密度，ω 为角速度。
注意：长期吸入甲苯有害健康，建议在通风橱中操作。
- 载玻片可置于载玻片架中，在 2–8 °C 的干燥、无尘条件下保存长达一个月。
2. 酵母接种物的制备与胶原蛋白包封
- 制备过夜培养物 C. albicans 菌株SC5314，在酵母胨葡萄糖液体培养基（YPD；10 g/L酵母提取物，20 g/L蛋白胨和20 g/L葡萄糖）中，通过接种单个菌落进行培养 C. albicans 加入 10 - 20 mL YPD 中8在摇床（约150 - 200 rpm）中孵育培养物 30 °C 过夜。收集1 mL Candida albicans 从过夜YPD培养物中收集酵母细胞（5,000 rpm离心5–10分钟），用1 mL无菌磷酸盐缓冲液（PBS；10 mM磷酸盐缓冲液，2.7 mM氯化钾，137 mM氯化钠，pH 7.4）（Sigma）洗涤两次，每次10分钟。将洗涤后的细胞再次以1,900 rpm离心10分钟收集。将洗涤后的细胞重悬于1 mL重建缓冲液（含2.2%（wt/vol）碳酸氢钠和4.8%（wt/vol）HEPES的0.2 N NaOH溶液，pH 7.2）中。
注意：C. albicans 属于危险等级1级/生物安全等级1级微生物。操作该微生物时，务必始终采用规范的无菌技术，并遵循所在机构关于生物危害性材料处理的规程进行妥善处置。
- 使用血细胞计数板在明场显微镜下计数细胞，并调整细胞密度至 5×107 个细胞/mL。
- 加入含 L-谷氨酰胺并以吗啉丙磺酸（MOPS）缓冲的 10× RPMI-1640 培养基，将细胞悬液进一步稀释十倍（pH 7.2）。
- 将细胞悬液与胶原蛋白（1.8 mg/mL）（大鼠尾来源 I 型胶原，BD Biosciences，Bedford，MA）在 RPMI-1640 中混合，使酵母细胞包埋于胶原中，终浓度为 4×106 个细胞/mL。将胶原-细胞悬液置于冰上，以防止打印前胶原发生凝胶化。
3. CaBChip 的制备
- 使用70%异丙醇擦拭微阵列仪的所有表面，包括样品板位、清洗和真空站、载玻片真空托盘和打印室，进行清洁和消毒。
- 将所需数量的PS-MA包被玻璃载玻片放置在微阵列仪的载玻片托盘上，并通过真空固定。
- 在打印前，剧烈涡旋混匀胶原中的细胞悬液，并吸取100 μL充分混匀的悬液至96孔板的一个孔中。将该源板置于加载位。
- 开启加湿器，以在整个打印过程中维持微阵列室内的相对湿度为100%。
- 使用微阵列点样仪（Omnigrid Micro, Digilab Inc., Holliston, MA），采用非接触式沉积方式，通过锥形渐细的190 μm孔径陶瓷针头（Digilab），在48行×16列的阵列上点样50 nL细胞悬液，点间距为1.2 mm。
- 每轮打印后，对针头进行两次引液、冲洗和真空干燥。
- 打印完成后立即把载玻片放入密闭加湿孵育盒（Hybridization cassette, ArrayIt Corporation, Sunnyvale, CA）中，在37 °C孵育24小时，以促进生物膜形成。
4. 利用CaBChip对预形成生物膜进行抗真菌药物敏感性检测
- 从抗真菌药物的储备液或粉末开始，用RPMI-1640培养基配制工作液。氟康唑的工作液典型最高浓度为1,024 μg/mL，两性霉素B为16 μg/mL5。其他药物可使用不同的浓度。
- 将储备液进行倍比稀释，配制八种不同浓度的化合物溶液，浓度范围应以该化合物的预估IC50值为中心。
- 在生物膜培养24小时后，使用微阵列仪将八种不同浓度的药物溶液各打印50 nL，并设置阳性对照（无药物，即仅含培养基的细胞）和阴性对照（用次氯酸钠处理20分钟），每种条件至少六个重复，点样于生物膜表面。
注意：添加药物时需保持100%的相对湿度，以防止样点干燥。
- 加入药物后，立即将芯片置于湿润的孵育室中，在 37 °C 下孵育 24 小时。
- 通过将 CaBChip 在 PBS 中浸洗 3-5 次（每次 2 分钟）去除药物，并将 CaBChip 与 0.5 μM FUN1 在 37 °C 下孵育 30 分钟进行染色9。
- 将 CaBChip 在 PBS 中浸洗 3-5 次以去除染料（每次浸洗 1-3 分钟），并用氮气流吹干 CaBChip。使用微阵列扫描仪（GenePix 4100A, Axon Instruments, CA）在 532 nm 波长下、PMT 增益为 380 的条件下读取荧光强度。
- 将阳性对照（无药物）和死亡（漂白剂处理）生物膜位点的荧光强度分别设定为 100% 和 0%。
- 根据以下公式，通过荧光强度（F）相对于对照位点平均值的降低程度确定抑制百分比
其中 F、Fmax 和 Fo 分别代表药物处理、无药物对照以及漂白处理斑点的原始荧光强度。扫描仪设置被调整至使 Fmax 和 Fo 分别达到 30000 和 4000 RFU。
- 使用 GraphPad Prism 软件（La Jolla, CA）拟合变斜率 Hill 方程，计算 50% 抑制浓度（IC50）。
5. 代表性结果
一个典型的CaBChip，包含由C. albicans组成的48×16纳米级生物膜阵列，如图2所示。明场显微镜图像展示了纳米生物膜的整体结构特征。生物膜的扫描电子显微镜图像显示，真菌菌丝嵌入胶原纤维基质中，胶原纤维的直径分别约为2 μm和100 nm。FUN1染色的微阵列扫描图像显示了酵母相和菌丝相，这是真菌生物膜的典型特征。FUN1染色生物膜的二维和三维共聚焦荧光图像显示出空间异质性，代谢活跃的细胞区域散布于细胞外基质中（基质由作为包封材料的胶原以及生物膜细胞产生的胞外多糖物质组成），而该基质不被代谢染料染色。生物膜的厚度估计约为50 μm。CaBChip被用于评估两种抗真菌药物——氟康唑和两性霉素B的药物敏感性，结果如图3所示。与已发表的工业标准96孔板检测结果一致，该生物膜对氟康唑具有耐药性10，而两性霉素B的计算IC50为0.3 μg/mL11。
图1. CaBChip 制备流程图。
图 2. 使用机器人微阵列仪打印在PS-MA包被载玻片上的高通量CaB芯片照片，包含768个点。每个半球形点样体积为50 nL，直径约700 μm，点与点之间间距为1.2 mm。图中还显示了（顺时针方向）光学显微镜、微阵列扫描仪、二维和三维荧光显微镜以及扫描电子显微镜拍摄的CaB芯片上单个生物膜的图像。扫描电镜图以25,000倍高倍放大显示，可见宽度为2 μm的菌丝纤维。
图3. 使用CaBChip对（A）氟康唑和（B）两性霉素B进行抗真菌敏感性测试及IC50值测定的结果。（C）显示了经两性霉素B处理的生物膜的荧光显微镜图像。结果为两次独立芯片实验的平均值±标准误，每次实验每种条件包含10个重复。
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讨论
我们开发了一种基于细胞的高密度微阵列——CaBChip，其由纳米升体积的白色念珠菌（Candida albicans）生物膜构成。该微阵列被打印在经过修饰的玻璃基底上，这种基底可牢固附着胶原凝胶点，同时提供必要的疏水性，以形成不扩散的半球形三维凝胶。单个CaBChip可替代约八块96孔板，且可同时打印和处理多个芯片。该芯片采用纳米级培养体系，操作简便快速，易于自动化，显著减少人工操作和成本，并完全兼容标准微阵列技术和设备。此外，该技术具有良好的灵活性，可轻松扩展应用于其他微生物。尽管尺寸微型化，CaBChip上形成的纳米生物膜仍表现出白色念珠菌（C. albicans）生物膜生活方式的典型特征，包括三维结构和耐药性。因此，CaBChip实现了真正的高通量筛选，在抗微生物药物发现领域具有范式变革的潜力。
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披露
Jose L. Lopez-Ribot 和 Anand K. Ramasubramanian 持有 MicrobeHTS Technologies, Inc. 的股权，该公司正在开发抗真菌药物。MicrobeHTS Technologies, Inc. 未为本研究提供任何财务支持。
致谢
本工作部分由南德克萨斯技术管理机构（POCrr 2009.041）、国家研究资源中心医学与科学整合研究所（UL 1RR025767）以及国家牙科与颅面研究所（5R21DE017294）的资助项目提供支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3-氨基丙基三乙氧基硅烷 (APTES) | Sigma-Aldrich | 440140 | |
| 苯乙烯-马来酸酐共聚物 (PS-MA) | Sigma-Aldrich | 426946 | |
| 玻璃显微镜载玻片 | Fisher Scientific | 12-549-3 | |
| 大鼠尾腱胶原蛋白 I 型 | BD Biosciences | 354236 | |
| 机器人微阵列点样仪 | Omnigrid Micro | MICROSYS4000/4100A | |
| 微阵列扫描仪 | Genepix Personal 4100A | GENEPIX4100A | |
| 杂交盒 | ArrayIt Corporation | AHCXD | |
| FUN1 [2-氯-4-(2,3-二氢-3-甲基-(苯并-1,3-噻唑-2-基)-亚甲基)-1-苯基喹啉碘化物] | Invitrogen Corp. | F-7030 | |
| 氟康唑 | Sicor Pharmaceuticals, Inc. | J02AC01 | |
| 两性霉素 B | Sigma | A2411 | |
| RPMI-1640 培养基 | Mediatech, Inc. | 50-020-PC | |
| 陶瓷喷嘴 190 μm 孔径 | Digilab | 60020441-00 | |
| GraphPad Prism 软件 | GraphPad Software, Inc. | ||
| Genepix Pro V4.1 | Molecular Devices |
参考文献
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