本文介绍一种可灵活应用的全生物体高内涵筛选工具,可用于研究宿主与病原体之间的相互作用,并适用于药物发现。
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本文介绍一种可灵活应用的全生物体高内涵筛选工具,可用于研究宿主与病原体之间的相互作用,并适用于药物发现。
通过传统的体外(in vitro)筛选方法发现的新药数量已逐渐减少,导致该方法在寻找应对多重耐药性的新武器方面成效降低。这促使研究者得出结论:不仅需要发现新的药物,更需要开发新的发现药物的方法。其中最具前景的候选方法之一是采用高通量、表型读数的全生物体体内(in vivo)检测,所用宿主范围从秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)到斑马鱼(Danio rerio)。这些宿主具有多种显著优势,包括可大幅减少假阳性结果;因为在初始筛选阶段,对宿主具有毒性或生物利用度差的化合物通常即被淘汰,从而避免后续昂贵的验证工作。
本文展示了我们的检测方法如何被用于研究已有充分记录的秀丽隐杆线虫(C. elegans)—铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)液体致死病理系统中宿主的变异。我们还演示了该成熟技术的若干拓展应用。例如,我们能够在24孔或96孔板体系中利用RNA干扰(RNAi)进行高通量遗传筛选,以探究该宿主-病原体相互作用中的宿主因子。通过该检测方法,全基因组范围的筛选仅需数月即可完成,这可显著简化药物靶点的鉴定工作,甚至无需繁琐的生化纯化手段。
我们还在此报告了本方法的一种改进版本,该版本使用革兰氏阳性菌Enterococcus faecalis替代革兰氏阴性病原菌P. aeruginosa。与P. aeruginosa类似,E. faecalis引起的杀伤作用也具有时间依赖性。与以往的C. elegans—E. faecalis检测方法不同,本方法检测E. faecalis时无需预先感染步骤,从而提高了安全性,并降低了液体处理设备被污染的风险。该检测方法具有高度稳健性,在感染后96小时可观察到约95%的死亡率。
近一个世纪前,有效且广谱抗生素的发现与开发成为公共卫生领域的一个转折点,当时人们普遍认为传染病将成为历史的灾难。然而在短短几十年内,这种乐观情绪开始减弱,因为一种又一种病原体逐渐演化出耐药机制,使这些曾被视为奇迹的治疗方法效果受限。在一段时间内,药物研发与病原体之间的对抗似乎处于平衡状态。然而,由于抗菌药物的滥用,近年来已导致多种泛耐药菌株的出现,包括Klebsiella pneumoniae、Acinetobacter baumannii、Serratia marcescens和P. aeruginosa1,2,3,4。
P. aeruginosa 是一种机会性、革兰氏阴性、可感染多种宿主的病原体,对严重烧伤患者、免疫功能低下者以及囊性纤维化患者构成严重威胁。该病原体还 increasingly 被确认为重症医院内感染的致病因子,尤其是由于其持续获得抗菌药物耐药性所致。为初步应对这一威胁,我们采用了已有充分文献记录的 秀丽隐杆线虫-P. aeruginosa 感染系统5本实验室已利用该系统开发出一种基于液体的高通量、高内涵筛选平台,用于鉴定能够限制病原体杀伤宿主能力的新型化合物6有趣的是,这些化合物似乎至少属于三大类别,其中包括抗菌剂7 和毒力抑制剂8其他高内涵药物筛选检测方法 秀丽隐杆线虫 已有报道用于 结核分枝杆菌、沙眼衣原体、鼠疫耶尔森菌、单核细胞增生李斯特菌、土拉弗朗西斯菌、金黄色葡萄球菌、白假丝酵母菌和粪肠球菌以及其他9,10,11,12,13,14,15,16这类检测方法具有多个公认的优势,例如可减少对宿主和病原体均有毒性的假阳性结果,相较于化学筛选具有更高的生物利用度可能性,以及能够发现除单纯抑制微生物生长之外的作用分子,如抗毒力因子、免疫刺激分子,或以其他方式改变宿主-病原体相互作用平衡以利于宿主的化合物。此外,通过此类筛选发现的化合物通常在哺乳动物宿主体内也具有活性。
值得注意的是,已有至少另外两种检测方法17,18可用于在液体环境中对 C. elegans 进行高通量筛选。然而,这些检测方法均为对典型的肠道定植检测(即慢杀法)的改良,使其能够在液体中进行,从而提高通量并更便于化合物的筛选。细致的表征研究已确凿证明,这些检测方法与我们的基于液体的筛选方法在细菌毒力机制上存在差异7。由于这两类毒力机制在哺乳动物系统中均可观察到,因此在选择检测方法之前,实验人员需明确哪种毒力决定因素与其研究兴趣更为相关。
本文展示了一种优化的基于液体培养的 C. elegans-P. aeruginosa 感染实验方法。我们还报道了将该液体培养实验方法进行改进,以适用于革兰氏阳性病原菌 Enterococcus faecalis。与 P. aeruginosa 类似,E. faecalis 被越来越多地认定为一种严重的医院内感染威胁,其具备日益增多的抗菌耐药机制1。尽管已有适用于高通量筛选 E. faecalis 的先前方法14,但该方法需要预先感染病原体,这会使操作流程复杂化,并增加诸如 COPAS FlowSort 等设备被污染的风险。我们的实验方案无需预先感染步骤,从而提高了操作的安全性。最后,我们报道了一种将上述任一感染实验与喂食 RNAi 技术相结合的方法,使研究者能够筛选在感染建立过程或抗感染防御中发挥作用的宿主因子。
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注意:P. aeruginosa 和 E. faecalis 属于生物安全二级病原体,必须采取适当的安全防护措施,以防止意外感染并尽量减少对实验台面的污染。所有与病原体接触过的培养基和材料均须进行灭菌和/或妥善丢弃。更多指导方针可参见美国疾病控制与预防中心(CDC)发布的《微生物学和生物医学实验室生物安全》(BMBL)第五版。
1. 铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)的制备与培养
2. RNAi 细菌的制备
3. C. elegans 的维持与准备
注意:在开始实验之前,需按以下步骤制备同步化的成年雌雄同体 gravid 蠕虫群体。
4. 液体杀伤实验设置(基本方案)
注意:本方案适用于一种细菌菌株和一种线虫来源。
5. 适用于筛选多种 C. elegans 品系或基因敲降(RNAi 筛选设置)的优化方案
注意:这是针对24孔板设置描述的RNAi筛选。
6. 适用于 E. faecalis 的改进方法
注意:仅描述与P. aeruginosa检测方法的不同之处。
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影响检测性能的重要参数
正确理解该检测方法背后的生物学原理对于排除故障和优化实验至关重要。为此,我们首先参考了几篇阐明发病机制的关键论文 P. aeruginosa介导的液体中杀伤作用7,20. 只要遵循上述步骤(参见 图1 有关检测方案示意图,请参见)时间依赖性的杀伤作用 秀丽隐杆线虫 仅在病原体存在时才会被观察到(图2A)。相比之下,在缺乏关键营养补充剂的情况下(例如, 如果培养基中不添加蛋白胨,仅加入S基础盐溶液,则几乎观察不到杀灭作用(图2B)。有趣的是,两步孵育法 P. ...
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该检测方法(或类似的检测方法,其中用其他病原体替代铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)或粪肠球菌(E. faecalis))具有多种用途,包括用于药物发现。此外,该方法还适用于回答基本的生物学问题,例如鉴定毒力因子、阐明宿主防御通路,以及确定宿主-病原体相互作用中涉及的调控机制。
尽管 P. aeruginosa 液体杀伤实验具有较高的稳健性,但在操作过程中仍有若干关键环节需格外注意,以最大限度降低实验失败的风险。首先,如前所述,用于实验的细菌来源平板 P. aeruginosa 接种物必须保持新鲜,否则细菌可能会丧失毒力,即使其在LB培养基中过夜生长。其次,关键是要确保向其中添加钙和镁 P. aeruginosa 杀伤实验。缺乏该条件将显著削弱毒力。最后值得注意的是,在HT115(用于RNAi实验)上培养的线虫比在OP50上培养的线虫死亡时间显著延迟(N. Kirienko,个人通讯)。因此,若转向基于RNAi的研究,必须通过实验确定该实验的最佳时间点。
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作者声明不存在任何利益冲突需要披露。
本研究由德克萨斯州癌症预防与研究研究所(CPRIT)资助项目RR150044、Welch基金会研究资助C-1930以及美国国立卫生研究院授予NVK的K22 AI110552项目资助。资助机构在研究设计、数据收集与分析、发表决定或稿件撰写过程中均未发挥任何作用。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| COPAS FP BioSorter | Union Biometrica | 大型物体流式细胞仪/线虫分选仪 | |
| Cytation 5 | BioTek | ||
| EL406 Washer Dispenser | BioTek | ||
| Multitron Pro | Infors HT | ||
| 24孔深孔板 | Thermo Fisher Scientific | CS15124 | |
| 384孔板 | Greiner Bio-One | MPG-781091 | |
| 线虫生长培养基(NGM) | 每升用量:18克琼脂,3克NaCl,2.5克蛋白胨,1 mL CaCl2(1 M),1 mL MgSO4(1 M),25 mL磷酸盐缓冲液,以及973 mL milli-Q水 | ||
| 慢杀(SK)平板 | 每升用量:18克琼脂,3克NaCl,3.5克蛋白胨,1 mL CaCl2(1 M),1 mL MgSO4(1 M),25 mL磷酸盐缓冲液,以及973 mL milli-Q水 | ||
| 慢杀(SK)培养基 | 每升用量: 3克NaCl,3.5克蛋白胨,1 mL CaCl2 (1 M),1 mL MgSO4(1 M),25 mL磷酸盐缓冲液,以及973 mL milli-Q水 | ||
| LB培养基(Lysogeny Broth) | USBiological Life Sciences | L1520 | |
| 脑心浸液肉汤(BHI) | Research Products International Corp | 50-488-526 | |
| 线虫漂白液 | 每100 mL用量:10 mL 5 M NaOH溶液,20 mL 5%次氯酸钠溶液,以及70 mL无菌水 | ||
| S基础培养基(S Basal) | 每升用量:5.85克NaCl,6克KH2PO4,1克K2HPO4,以及1升milli-Q水 | ||
| 琼脂 | USBiological Life Sciences | A0930 | |
| NaCl | USBiological Life Sciences | S5000 | |
| 蛋白胨 | USBiological Life Sciences | P3300 | |
| CaCl2 | USBiological Life Sciences | ||
| MgSO4 | Fisher Scientific | M63-500 | |
| 磷酸盐缓冲液 | 每升用量:132 mL K2HPO4(1 M)和868 mL KH2PO4(1 M) | ||
| KH2PO4 | Acros Organics | 7778-77-0 | |
| K2HPO4 | USBiological Life Sciences | P5100 | |
| 5%次氯酸钠溶液 | BICCA | 7495.5-32 | |
| NaOH溶液 | Fisher Scientific | SS255-1 | |
| Breathe-easy | Diversified Biotech | BEM-1 | |
| SYTOX Orange核酸染料 | Fisher Scientific | S11368 | |
| 细菌菌株 | |||
| P. aeruginosa (PA14) | |||
| E. faecalis(OG1RF) | |||
| E. coli superfood(OP50) | |||
| E. coli 表达RNAi的细菌(HT115) | |||
| 线虫菌株 | |||
| glp-4(bn2)(Beanan和Strome,1992,PMID: 1289064) | |||
| PINK-1::GFP报告基因(Kang等,2018,PMID: 29532717) |
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