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Gli agenti patogeni che crescono o risiedono temporaneamente nei compartimenti intracellulari sono difficili da sradicare terapeuticamente. Patogeni intracellulari obbligati o relativamente obbligati come Legionella pneumophila, Coxiella burnetii, Brucella spp., Francisella tularensis e Mycobacterium spp. Spesso richiedono cicli prolungati di terapia antimicrobica per la cura che possono variare da mesi a addirittura anni. Inoltre, i patogeni extracellulari possono occupare transitoriamente nicchie intracellulari e in questo modo sfuggire alla clearance con i normali cicli di terapia antimicrobica e successivamente emergere per iniziare nuovi cicli di infezione virulenta. Le infezioni da Staphylococcus aureus1 e Enterobacteriaceae2,3 uropatogene sono due esempi sempre più riconosciuti. Pertanto, un obiettivo fondamentale della scoperta di farmaci è identificare nuovi antimicrobici che penetrano nei compartimenti intracellulari. Una terapia ottimale per eradicare rapidamente gli organismi intracellulari e prevenire lo sviluppo di resistenza attraverso l'esposizione ad antimicrobici sub-inibitori è particolarmente auspicabile.
A tal fine, abbiamo sviluppato una tecnologia di screening ad alto rendimento per identificare gli antimicrobici penetranti intracellulari che mirano alla crescita intracellulare del patogeno modello, la Legionella pneumophila. 4 Precedenti osservazioni cliniche indicano che i test standard di suscettibilità antimicrobica non hanno predetto con precisione l'efficacia terapeutica in vivo contro questo organismo. 5 In particolare, ciò è dovuto al fatto che le principali classi di antimicrobici come i β-lattamici e gli aminoglicosidi, sebbene altamente efficaci contro la Legionella coltivata assinicamente, non penetrano sufficientemente nei compartimenti intracellulari in cui risiede la Legionella. 5,6 Prove successive hanno suggerito che saggi di crescita intracellulare tecnicamente più complessi predicevano efficacemente l'efficacia clinica. 7 Sfortunatamente, questi saggi erano saggi di endpoint estremamente laboriosi, che richiedevano la lisazione di macrofagi infetti, trattati con antimicrobici, in momenti diversi per l'enumerazione delle unità formanti colonie. Tali saggi non sono pratici da eseguire su larga scala e non sono adatti per la scoperta di farmaci ad alto rendimento.
Pertanto, abbiamo sviluppato una tecnologia per la determinazione in tempo reale della crescita batterica intracellulare. 6 Ciò è stato ottenuto attraverso l'uso di un ceppo batterico modificato attraverso l'integrazione di un operone8 della luciferasi batterica (test di prima generazione, descritto in precedenza)4 o di una proteina fluorescente9 reporter (test ortogonale di seconda generazione, descritto qui) nel cromosoma batterico. In questo modo, il segnale luminescente o fluorescente fornisce una lettura surrogata e in tempo reale del numero batterico.
Tuttavia, questi attributi non affrontano un fattore confondente importante nei test di infezione intracellulare, gli effetti fuori bersaglio sulle cellule ospiti. In particolare, la morte della cellula ospite limita intrinsecamente la crescita intracellulare e porta all'identificazione falsa positiva dell'effetto antimicrobico. Poiché molti composti nelle librerie di screening sono tossici per le cellule eucariotiche, tali falsi positivi travolgerebbero i veri antimicrobici, richiedendo un gran numero di test di citotossicità endpoint di follow-up per la risoluzione.
Quindi, era di grande interesse essere in grado di valutare contemporaneamente la vitalità delle cellule eucariotiche e la crescita intracellulare. In particolare, una caratteristica delle cellule eucariotiche non vitali è la perdita di integrità della membrana cellulare. Le sonde che testano la permeabilità della membrana cellulare possono quindi essere utilizzate per valutare la vitalità cellulare. In precedenza abbiamo caratterizzato la capacità di una serie di coloranti fluorescenti che legano il DNA di accedere e colorare il DNA nucleare delle cellule morte. 4 Legando il DNA nucleare, questi coloranti mostrano un grande aumento della resa della fluorescenza quantistica con conseguente aumento del segnale sulla fluorescenza della soluzione di fondo. In quanto tali, questi coloranti hanno fornito una lettura quantitativa della morte delle cellule eucariotiche. 4 In particolare, abbiamo scoperto che molti di essi stessi non erano tossici durante la co-incubazione prolungata con i macrofagi J774. Quando sono stati aggiunti durante l'infezione iniziale, hanno fornito una lettura fluorescente in tempo reale della morte delle cellule eucariotiche che può essere misurata da un fluorimetro a micropiastra o osservata al microscopio.
Pertanto, combinando l'uso di un reporter batterico e coloranti non tossici, impermeabili alla membrana e leganti il DNA, siamo stati in grado di sviluppare un test semplice, non distruttivo e in tempo reale per misurare contemporaneamente sia la carica batterica che la citotossicità delle cellule eucariotiche. Questo test ci ha permesso di esaminare in formato piastra a 384 pozzetti ~ 10.000 bioattivi noti tra cui ~ 250 antimicrobici e > 240.000 piccole molecole con attività funzionalmente non caratterizzata per la capacità di inibire la crescita intracellulare di Legionella pneumophila, generando allo stesso tempo dati di citotossicità delle cellule eucariotiche per ciascun composto. 6 La nostra analisi degli antimicrobici noti contro la crescita intracellulare della Legionella è stata l'esplorazione più completa di questo tipo fino ad oggi. 6
Sulla base dell'efficienza del nostro formato di test, abbiamo anche successivamente esplorato gli effetti potenzialmente sinergici degli antimicrobici noti quando usati in combinazione. Uno dei test di sinergia più comuni, il cosiddetto saggio a scacchiera, viene normalmente eseguito valutando gli effetti combinatori di diluizioni seriali doppie di due o più antimicrobici. 10 In questi saggi, la sinergia è definita dall'osservazione di un effetto maggiore quando due o più antimicrobici vengono applicati insieme rispetto alla somma degli effetti di ciascuno applicato separatamente. Da notare che, finora, sono stati eseguiti solo test di sinergia mirati e selettivi contro la Legionella pneumophila intracellulare a causa del grande sforzo richiesto nei test endpoint tradizionali moltiplicato per le permutazioni combinatorie richieste.
Per facilitare i test di sinergia, abbiamo utilizzato il nostro test di crescita intracellulare/citotossicità eucariotica in tempo reale in combinazione con la tecnologia di dispensazione digitale automatizzata6. Questa automazione ci ha permesso di erogare diluizioni seriali di composti disciolti in DMSO o in soluzione acquosa da soli o in combinazione in formato a 384 pozzetti. 11 Inoltre, questa robusta tecnologia di manipolazione dei liquidi ci ha permesso di eseguire facilmente combinazioni di diluizione a risoluzione più elevata, radice quadrata di due (piuttosto che le combinazioni standard, a risoluzione inferiore, di raddoppio) per ottenere livelli più elevati di specificità nella nostra analisi bidimensionale delle sinergie a scacchiera. Questa risoluzione è stata particolarmente utile per affrontare le preoccupazioni nel campo delle sinergie sulla riproducibilità quando si utilizza la serie di diluizione a due volte12. Infine, il nostro test era quantitativo e quindi misurava anche le gradazioni di inibizione. Di conseguenza, il test ha catturato la totalità delle informazioni inibitorie, esprimibili negli isobologrammi isocontour in cui gli isocontour collegano concentrazioni combinatorie con livelli simili di inibizione della crescita. 6 Questa strategia di tracciatura ha permesso la visualizzazione di curve combinatorie dose-risposta. Per illustrare la nostra metodologia, descriviamo il nostro protocollo per l'esecuzione di questi saggi e mostriamo risultati rappresentativi.