本研究旨在介绍一种简单的噬斑测定方法,以辅助筛选新的生物活性分子 原虫的速殖子阶段 弓形虫(Toxoplasma gondii).
方法文章
* These authors contributed equally
本研究旨在介绍一种简单的噬斑测定方法,以辅助筛选新的生物活性分子 原虫的速殖子阶段 弓形虫(Toxoplasma gondii).
弓形虫病是一种寄生虫感染,常与眼部病变和新生儿畸形相关。自20世纪50年代初以来,该病的一线治疗方案一直依赖磺胺嘧啶、乙胺嘧啶和亚叶酸的联合使用。在此之后的数十年中,仅有少数替代疗法被引入。这凸显了发现针对Toxoplasma gondii的新生物活性分子的迫切需求。由于该病原体为专性胞内寄生虫,传统的药物筛选通常需要昂贵的材料和设备,例如使用表达荧光蛋白或β-半乳糖苷酶的寄生虫进行检测。此外,光学显微镜定量等方法可能耗时较长。蚀斑试验是一种通过测量寄生虫裂解周期所破坏的细胞单层中破坏区域的数量和面积,来评估胞内病原体增殖强度的方法。本研究描述了一种优化的蚀斑试验方案,专为体外筛选抗T. gondii速殖子活性分子而设计。该方案使用低成本材料和简单的实验装置,能够快速获得可重复的结果,有助于各研究团队高效识别针对该寄生虫的新活性化合物。
弓形虫病是一种人畜共患疾病,在全球范围内呈异质性分布,影响约三分之一的世界人口1,2。该疾病的症状与宿主的免疫状态及寄生虫的复制程度相关3,4。急性期以速殖子阶段的复制为特征,在免疫功能正常个体中通常无症状5,6。相比之下,免疫功能低下者症状更为常见,包括全身不适、发热等非特异性症状,以及脑炎和视网膜脉络膜炎6,7,8。尽管该病具有重要的临床意义,但目前可用的治疗手段对弓形虫(Toxoplasma gondii)的缓殖子阶段(慢性期)无效,也无法实现寄生虫学治愈。现有药物的不良反应也降低了患者的治疗依从性9,10,11。因此,亟需寻找更安全、更有效的弓形虫病新疗法。
新药的研发需要经历漫长的时间,投入数十亿美元的资金,并涉及多个研究阶段。由于药物研发成本高昂,制药行业需要提前筛选出最优的候选药物12,13,14,15。在药物筛选过程中,可采用多种方法,包括计算机模拟(in silico)方法、人工智能技术,以及最常用的方法——生物学方法16,17,18,19。体外生物学筛选涉及使用分子文库(chemolibraries),以提供可用于识别生物活性的分子20,21,22。由于这些化学文库包含多种多样的分子,因此有必要优化资源和时间。因此,斑块实验(plaque assay)可作为一种快速筛选针对多种病原体(如T. gondii)的新生物活性分子的方法。
空斑试验是一种 体外 利用细胞内病原体的裂解周期来定量细胞单层中病原体浓度的方法,随时间推移形成坏死性蚀斑23最早使用蚀斑测定技术的研究可追溯到20世纪下半叶初期,当时Renato Dulbecco团队利用感染了西方马脑脊髓炎病毒的鸡成纤维细胞单层,证明了所形成的坏死蚀斑数量与病毒浓度之间的正比关系。16该技术在 T. gondii 也已被充分描述,正如Ufermann及其合作者先前阐明的那样23.
Roberts 等人于 1976 年进行了一项早期研究,首次采用蚀斑实验观察不同浓度分子对T. gondii抑制作用的反应17。尽管蚀斑实验广泛用于病毒滴定16,24,但仅有少数研究团队将其用于评估分子的抗T. gondii活性21,22,25,26,27。为了寻找一种可用于高通量筛选化合物文库、使用廉价材料且实验装置简单的检测方法,本研究探索了将蚀斑实验作为常规实验室药物筛选的替代方案。由此建立了一种优化的实验流程,可利用简单材料和图像采集系统同时评估多种分子的活性,获得快速且可重复的结果。因此,本文描述了经本实验室验证的详细实验方案,以协助其他研究团队筛选针对T. gondii速殖子的新生物活性分子。
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寄生虫和细胞培养物的操作以及废弃物的处理和处置均按照巴西国家卫生监督局(ANVISA)RDC nº 222/2018号法规所要求的巴西法律法规进行。所有操作均由米纳斯吉拉斯联邦大学生物医学科学研究所(ICB-UFMG)的内部生物安全委员会(CIBio)监督。本研究未涉及动物、人类或转基因生物的使用。本工作得到了CNPq、CAPES和FAPEMIG基金的资助。ESMD(CNPq 308082/2023-0)和RWAV(CNPq 305574/2021-3)为CNPq生产力研究员。所用试剂和设备列于材料表中。
1. 配制添加物的 RPMI-1640 培养基
注意:RPMI-1640 培养基最初是为悬浮和单层培养人白血病细胞而开发的。然而,后续研究表明,该培养基也适用于多种哺乳动物细胞的培养。
2. PBS(1x)的配制
注意:在 pH 7.2 和 25 °C 条件下配制 1 L 磷酸盐缓冲液(PBS),请按照以下步骤操作。
3. 4% 甲醛溶液的配制
4. 活性分子储备液的制备
注意:请检查分子在 DMSO、DMF、乙醇或水中的溶解度,并选择最合适的溶剂。为尽量减少稀释剂对寄生虫可能产生的毒性影响,储备液的浓度应至少比待测化合物的最高测试浓度高 1000 倍。例如,若最高测试浓度为 1 µM,则储备液浓度应至少为 1 mM。要配制 10 mM 的储备液,请按以下步骤操作:
5. 细胞培养
6. 培养板制备
7. 速殖子 体外 培养
注意:对于蚀斑试验,我们推荐使用RH株 T. gondii.
8. 速殖子定量
9. 化合物库中活性分子筛选的噬斑实验准备
注意:本实验旨在鉴定在 1 µM 浓度下可使T. gondii增殖减少超过 50% 的分子。在启动本实验之前,必须先进行细胞毒性实验(例如 MTS 法或 MTT 法),以确保蚀斑实验中所用化合物浓度对宿主细胞无毒性。
10. 使用结晶紫对平板进行染色及图像采集
11. 可逆性实验
注意:该可逆性实验的主要目的是 T. gondii 速殖子的目的是确定在从培养基中去除化合物后,经处理的寄生虫的增殖能力是否被完全抑制或降低。31.
12. 使用 ImageJ 软件进行图像分析

图 1:在 ImageJ 软件中逐步分析结果。(A)“椭圆”工具的选择。(B)在图像中选择感兴趣区域。(C)新建图像窗口(Ctrl + N),并设置推荐参数。(D)将感兴趣区域粘贴至新图像窗口后进行“阈值分析”的操作步骤。(E)在阈值窗口中选择 Huang 和红色选项,使所有白色区域被填充为红色。(F)执行“分析颗粒”功能的操作序列。(G)用于分析颗粒的参数设置。(H)总破坏面积百分比的结果显示在摘要窗口中。请点击此处查看此图的放大版本。
13. 统计分析
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在处理后的蚀斑试验评估中,阳性对照(感染速殖子但未处理的细胞)和阴性对照(未感染细胞并添加0.1% DMSO)均至关重要。实验结束时,阳性对照孔应出现界限清晰的空斑区域,并残留部分贴壁细胞(图2)。相比之下,阴性对照孔应显示完整单层细胞,无任何空斑形成。阴性对照对于确认单层细胞的完整性以及整个实验过程中细胞的存活状态具有关键作用。阳性对照则作为计算受试化合物或药物对T. gondii增殖抑制率的参考依据;因此,必须存在界限清晰的蚀斑及部分残留的完整细胞单层,才能进行准确评估。在确认对照组结果符合预期后,再对处理组孔进行评估。
图2 显示了预期结果。可以观察到,阴性对照显示出完整保存的单层细胞,而阳性对照则在完整贴壁的细胞中显示出界限清晰的独立空斑区域(空斑)。任何孔中均未见操作不当、细胞毒性或污染的迹象(图2)。应避免染料染色伪影(如 图2
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新抗增殖试验方案的标准化是推进未来药物研发科学探索的基础步骤。本文所介绍的方案为 体外 评估生物活性分子对速殖子的作用 T. gondii 鉴于 T.gondii 是一种专性胞内寄生虫,通过滑行运动进行移动。当寄生虫从裂解的细胞中逸出后,会侵入邻近先前受感染细胞的细胞。因此,随着寄生虫的增殖,会导致界限清晰的破坏区域(图2),其大小与逸出的寄生虫数量和侵入的细胞数量成正比,从而可实现对 T. gondii 增殖
空斑实验能够以不同的浓度测试多种分子,其所需的实验室结构与显微定量分析相似,但通量更高21,30。尽管空斑实验需要7天才能获得结果,但在该期间内研究人员或学生无需进行任何操作。结果分析非常简便,仅需完成细胞固定、染色和图像采集(若无专用成像系统,可使用高分辨率平板扫描仪)。图像分析仅需数小时即可完成,且可在配备免费软件的普通计...
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作者声明不存在利益冲突。
作者还感谢国家研究与发展委员会(CNPq)、米纳斯吉拉斯州研究资助基金会(FAPEMIG)以及 CAPES/PROEX 提供的经费支持。作者谨向米纳斯吉拉斯联邦大学研究副校长办公室致谢,感谢其对本研究的支持。ESMD(CNPq 308082/2023-0)和 RWAV(CNPq 305574/2021-3)为 CNPq 生产力研究员。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.05 % 胰蛋白酶-EDTA | Life Technologies | 25300-062 | |
| 10 mL 血清移液管 | Olen | K17-110 | |
| 15 mL 离心管离心机 | Fanem | 型号:206 | |
| 5 mL 血清移液管 | Olen | K17-115 | |
| 6 孔培养板 | Sarstedt | 833920 | |
| 分析天平 | Mettler Toledo | 型号:AB204 序列号:1116473813 | |
| 抗生素-抗真菌素(100X) | Life Technologies | 15240-062 | |
| 自动移液器 | Kasvi | K1-AID | |
| 离心机 | Eppendorf | 型号 5415 R 序列号:0023591 | |
| CO2 培养箱 | PHC Corporation | 型号:MCO-230AICUVL-PA 序列号:210360090 | |
| 25 cm² 培养瓶 | Sarstedt | 833910 | |
| 二甲基亚砜(DMSO)P.A. | Merck | 1,02,95,21,000 | |
| 乙醇 P.A | Merck | 1,00,98,31,000 | |
| 胎牛血清(FBS) | Life Technologies | 12657-029 | |
| 甲醛 37-38% | Panreac | 131328 | |
| GraphPad Prism | GraphPad Software | - | 版本 8.0.1 |
| ImageJ 软件 | - | - | 版本 1.52e |
| 成像记录系统 | Bio-Rad | 型号: ChemiDoc MP 成像系统 序列号:734BR2249 | |
| 层流罩 | Veco do Brasil | 型号:VLFS-09 | |
| L-谷氨酰胺 200 mM(100X) | Life Technologies | 25030-081 | |
| 0.5 mL 微量离心管 | Sarstedt | 72,699 | |
| 新生儿正常人真皮成纤维细胞(NHDF) | Lonza | CC-3132 | 由巴西Fiocruz Paraná的Sheila Nardelli博士慷慨提供 |
| Neubauer计数板 0.100 mm 0.0025 mm² | New Optics | 7301-1 | |
| pH计 | Micronal | 型号:B374 序列号:30/37 | |
| 移液器 20-200 µL | Kasvi basic | 22032893 | |
| 移液器 2-20 µL | Labmate Pro | 656630226 | |
| 移液器 0.2-2 µL | Labmate Pro | 556610114 | |
| 移液器 1000-5.000 µL | Uniscience | YM4A021482 | |
| 移液器 100-1000 µL | Eppendorf Research plus | Q34354C | |
| 磷酸二氢钾 (KH2PO4)P.A | Synth | 01F2002.01.AF | |
| RPMI-1640 培养基 | Sigma-Aldrich | R0883 | |
| 氯化钠(NaCl)P.A. | Cromoline Química Fina | - | |
| 磷酸氢二钠(Na2HPO4)P.A. | CRQ Produtos Quimicos Eireli | R2715920500 | |
| 1.000 µL 吸头 | Sarstedt | 7,01,186 | |
| 10 µL 吸头 | Sarstedt | 7,03,010 | |
| 5.000 µL 吸头 | Sarstedt | 70,11,83,001 | |
| 200 µL 吸头 | Sarstedt | 7,03,030 | |
| 移液管 (3.5 mL) | Sarstedt | 86,11,71,001 | |
| 15 mL 管 | Sarstedt | 6,25,54,502 | |
| 结晶紫 | Merck | 101408 | |
| 涡旋混合器 | Phoenix | 型号:AP56 序列号:6633 | |
| 水浴锅 | Hemoquimica do Brasil | 型号:HM1003 序列号:700001556 |
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