Name: Demistificazione dellimaging in bioluminescenza in vivo di un modello murino della malattia di Chagas per studi sullefficacia dei farmaci (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-05-31T14:20:00.000+00:00
Duration: 7 min 59 s
Description: Scopri l'imaging in bioluminescenza in vivo per studi sull'efficacia dei farmaci contro la malattia di Chagas. Questo metodo consente il monitoraggio non invasivo del carico parassitario in tempo reale nel modello murino con Trypanosoma cruzi.

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Gli autori ringraziano Amanda Franscisco, John Kelly e Fanny Escudié per aver fornito formazione e supporto sui test di efficacia dei farmaci, John Kelly e Simone Calderano per aver fornito i parassiti e Gabriel Padilla per il supporto con gli studi sugli animali. A.C.S ha ricevuto una borsa di studio CAPES PSDE per la formazione presso la London School of Hygiene and Tropical Medicine (Regno Unito). Gli autori desiderano inoltre ringraziare la piattaforma di ricerca sulla citometria a flusso e l'imaging (FLUIR) presso la Core Facility for Scientific Research - University of Sao Paulo (CEFAP-USP) per il supporto tecnico con l'analisi delle apparecchiature IVIS Spectrum e il Laboratorio di Genetica e Controllo Sanitario ICB-USP per i saggi post-sperimentazione per il controllo di qualità dei topi come privi di patogeni specifici. Questo progetto è stato finanziato da DNDi. DNDi è grata ai suoi donatori, pubblici e privati, che hanno fornito finanziamenti per tutte le attività di DNDi sin dal suo inizio nel 2003. Un elenco completo dei donatori di DNDi è disponibile all'indirizzo https://dndi.org/about/donors/.

Protocollo per il modello bioluminescente in vivo della valutazione dei farmaci per la malattia di Chagas

Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.

L'imaging a bioluminescenza è un metodo innovativo che consente il rilevamento di un gene referto utilizzando uno spettro visibile e infrarosso di radiazione elettromagnetica. Pertanto, non sono necessari marcatori radiomarcati per tracciare il campione35. BLI è adatto per modelli di roditori e altre piccole specie. È molto utile per gli studi preclinici perché è più sicuro e consente diversi cicli di immagini, causando il minimo disagio all'animale. Inoltre, l'imaging in vivo è molto flessibile grazie alla possibilità di combinare bioluminescenza, fluorescenza e altre tecniche come la tomografia a emissione di positroni36.
L'imaging ottico è governato da proprietà fisiche ottiche, come l'assorbimento e la diffusione. Tutti i tessuti assorbono e diffondono la luce di lunghezze d'onda distinte in modo diverso37. Un passaggio critico è la selezione di un gene reporter senza tenere conto della lunghezza d'onda emessa della luce prodotta dalla reazione chimica. Mentre un livello di espressione genica reporter può essere elevato in vitro nei saggi bioluminescenti, gli stessi livelli di espressione possono non essere raggiunti quando si passa al contesto in vivo. In questo protocollo, abbiamo utilizzato la versione ottimizzata per il codone di Photinus pyralis luciferase (PpyRE9H)38 per i tripanosomatidi9, che emette luce a 617 nm, una delle più adatte per gli studi in vivo 39. Le lunghezze d'onda più lunghe di 600 nm sono meno assorbite e disperse dai cromofori endogeni del corpo, in particolare l'emoglobina e la melanina. Pertanto, le luci rosse possono essere trasmesse attraverso diversi centimetri di tessuto, consentendo ai fotoni di raggiungere la telecamera CCD anche dall'interno dei tessuti viscerali39,40.
Un'area di preoccupazione nelle impostazioni di imaging è la mancanza di una comprensione completa della loro funzione e dei loro effetti. Il binning, una tecnica di pre-elaborazione, combina le informazioni acquisite dai rilevatori contigui in un pixel più grande. Questo processo migliora il rapporto segnale/rumore, riducendo il rumore di fondo e migliorando la sensibilità. Tuttavia, diminuisce la precisione della risoluzione spaziale, risultando in un'immagine pixelata41,42. Questo compromesso è una considerazione importante nella strategia di imaging.
Sulla base del profilo del prodotto target e del profilo del candidato target per la malattia di Chagas34, lo studio proof-of-concept si concentra sulla sensibilità per rilevare T. cruzi e aiutare a stabilire se un nuovo farmaco candidato può raggiungere una cura sterile (rappresentata dalla mancanza di recidiva dopo diversi cicli di immunosoppressione). Pertanto, eseguiamo il BLI utilizzando il fattore di binning più alto senza sovrasaturare l'immagine. Quando l'immagine è sovrasatura, viene eseguita una nuova acquisizione utilizzando un fattore di binning inferiore. Durante l'analisi, viene applicata una correzione matematica alle immagini che hanno richiesto un binning diverso. In questo modo, i dati finali dovrebbero essere presentati utilizzando lo stesso binning. La tabella 1 mostra i diversi valori ottenuti quando sono stati applicati fattori di binning distintivi nella stessa immagine e ROI.
Tabella 1: Influenza delle impostazioni di binning sulla quantificazione BLI. Quantificazione di tre ROI sull'immagine del modello acuto (d13) e del modello cronico (d118), analizzati in diversi fattori di binning. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66740/DaSilvaetal_Table1_Reviewed.xlsx" target="_blank">Clicca qui per scaricare questa tabella.</a>
A causa dell'attuale scenario della malattia di Chagas in clinica, gli sforzi di scoperta di farmaci mirano a eliminare completamente i parassiti (cura parassitologica)27,34. Pertanto, il protocollo preclinico in vivo include approcci che superano i limiti della sensibilità tecnica del BLI. Uno degli approcci consiste nel trattare i topi con ciclofosfamide per ridurre la risposta immunitaria che controlla il carico di parassiti. Un'altra strategia consiste nel ridurre la profondità dei tessuti e rimuovere gli strati di muscoli, pelle e pelo che ostruiscono il percorso della luce verso la fotocamera. Attraverso la procedura ex vivo, è possibile rilevare piccole macchie bioluminescenti, rivelando focolai di parassiti al di sotto della soglia BLI in vivo, come mostrato nella Figura 5C nel risultato ex vivo del topo trattato con Posa.
La progettazione di un esperimento pilota per valutare il modello stesso e le dinamiche dell'infezione è fondamentale per stabilire un esperimento accurato per la valutazione dell'efficacia dei farmaci antiparassitari. Pertanto, il ricercatore sarà in grado di definire in anticipo le impostazioni BLI corrette e il decorso del tempo di infezione. In un esperimento esplorativo, uno strumento che può essere utile per definire le impostazioni di acquisizione è l'"Autoesposizione". Con questo strumento, il ricercatore stabilisce la priorità di tre impostazioni (Tempo di esposizione, Binning e F/Stop) per acquisire la migliore immagine possibile. In particolare, il ricercatore dovrebbe assicurarsi che le immagini siano acquisite all'interno della gamma dinamica della camera CCD, senza sovrasaturazione o sottoesposizione, che possono essere verificate attraverso i limiti minimo e massimo della scala e della funzione di esposizione automatica (Menu Modifica > Preferenze > Scheda Acquisizione > Scheda Esposizione automatica). In questo protocollo, l'apertura della fotocamera è stata impostata al valore massimo (F/Stop: 1) e sono stati definiti diversi tempi di esposizione e fattori di binning per i modelli acuti e cronici. Queste impostazioni offrono la prevedibilità del tempo per eseguire diversi cicli di immagini contemporaneamente. Considerando che il metodo reporter si basa su una reazione enzimatica, sia la biodistribuzione del substrato nel topo che la cinetica della luciferasi influenzano il segnale bioluminescente e, quindi, la quantificazione dell'infezione (Figura 1B). Di conseguenza, l'acquisizione di immagini in diversi momenti della cinetica enzimatica introduce una variabilità dei dati che non può essere considerata o corretta e influisce sul calcolo del flusso totale (fotoni/secondo) o della radianza (fotoni/secondo/cm2/steradiante). Inoltre, l'infezione da T. cruzi mostra un posizionamento spaziale dinamico nei topi (diverse aree e tessuti, profondità e carico di parassiti). Quindi, stabilire un valore di conteggi da acquisire potrebbe perdere le fonti di segnale più deboli (basso numero di parassiti in un determinato punto più profondo del tessuto) se la fonte di un altro segnale più forte soddisfa i criteri di auto-esposizione definiti.
Una caratteristica complessa del software Living Image è la visualizzazione dell'immagine acquisita in una scala di colori automatica. Non è possibile preimpostare la scala per visualizzare automaticamente un'immagine acquisita nuova di zecca in base ai valori della scala selezionati (vedere il passaggio 6.2 del protocollo). Questa situazione costringe il ricercatore a modificare manualmente le immagini una per una ai valori max e min scelti. Di conseguenza, gli utenti non esperti e non ben addestrati non hanno la lettura corretta durante la sessione di acquisizione e potrebbero fuorviare i dati o perdere informazioni importanti in quel momento. Per questo, l'esperimento pilota è vantaggioso.
Una delle domande più comuni sulla progettazione dell'esperimento proof-of-concept è come scegliere la durata e la dose del trattamento. Per le nuove entità chimiche, questi parametri sono solitamente definiti dalla potenza e dalla selettività del composto in vitro, in combinazione con i dati generati dal metabolismo e dalla farmacocinetica dei farmaci (DMPK) e dagli studi di tollerabilità condotti prima dei test in vivo per l'efficacia. In sintesi, dopo aver identificato i composti in grado di uccidere selettivamente il parassita all'interno delle cellule, i primi esperimenti ADME (assorbimento, distribuzione, metabolismo ed escrezione) vengono eseguiti in vitro per stimare, tra gli altri parametri, la solubilità acquosa dei composti, la permeabilità cellulare e la stabilità metabolica. Se i composti mostrano un buon equilibrio di proprietà in vitro (solitamente definite nei profili dei candidati bersaglio), allora questi candidati vengono sottoposti a studi di farmacocinetica (PK) in vivo su topi sani, che delineano l'esposizione del composto nel sangue (e possibilmente anche nei tessuti) e forniscono un'idea generale della tollerabilità a diversi livelli di dose17, 34,43. Idealmente, l'obiettivo della valutazione farmacocinetica nella maggior parte delle malattie infettive è determinare la fattibilità di raggiungere concentrazioni plasmatiche libere (corrette per il legame con le proteine plasmatiche) che sono superiori alle concentrazioni EC50/EC90 44 - la concentrazione efficace che uccide o almeno inibisce la crescita del 50% o del 90% dei parassiti, rispettivamente - per un periodo di tempo sufficientemente lungo. Se si raggiunge un'esposizione sufficiente a un certo livello di dose, questo regime può essere utilizzato durante gli studi di efficacia utilizzando il modello Chagas BLI. Per gli studi di riposizionamento dei farmaci, devono essere disponibili dati farmacocinetici in vitro e in vivo. Un buon inizio per la riprofilazione dei farmaci sono i database chimici come PubChem45, che forniscono dati riconosciuti che possono essere convertiti in topi utilizzando la scala allometrica46 per stimare i regimi di trattamento sicuri e non tossici da testare. Tuttavia, non è sempre così. Gli studi sulla farmacocinetica sono ancora un campo trascurato nella scienza accademica e poche aziende farmaceutiche pubblicano i loro risultati sulla farmacocinetica. La comunità scientifica della scoperta di farmaci raccomanda di includere la valutazione farmacocinetica in vivo insieme ai saggi di efficacia dei farmaci (farmacodinamica)47. Pertanto, l'imaging preclinico è compatibile con le misurazioni dei composti contemporaneamente e questo approccio associato migliora la robustezza dei dati.
Inoltre, la manipolazione, il peso e le condizioni di salute dei topi vengono monitorati durante l'intero esperimento. I segni di tossicità e gli effetti collaterali come curvatura, tremore, perdita di equilibrio, riluttanza a muoversi, riluttanza a mangiare o bere, prostrazione o qualsiasi altra anomalia presente nel gruppo o nelle condizioni individuali del topo devono essere registrati e riportati negli studi preclinici. Uno degli obiettivi dell'imaging ottico è garantire il benessere degli animali. Pertanto, gli endpoint umani dovrebbero essere applicati nei topi con segni di dolore descritti nella scala48 della smorfia. Inoltre, i topi sono stati pesati settimanalmente durante l'acquisizione del BLI e, più spesso, durante il dosaggio del farmaco e il trattamento con CTX. Seguendo le normative sul benessere degli animali, i topi che perdono più del 20% del peso corporeo devono essere immediatamente soppressi in modo umano.
Il modello bioluminescente di T. cruzi è ora il modello sperimentale all'avanguardia per la scoperta e lo sviluppo di nuovi trattamenti per la malattia di Chagas. Un modello che replica le caratteristiche chiave dell'infezione da T. cruzi e della malattia di Chagas49, consentendo il monitoraggio in tempo reale della parassitemia e la differenziazione di composti con vari profili di efficacia associati a modalità d'azione note. Il BLI è una tecnica che migliora l'assertività nell'identificazione dei tessuti infetti. Consente la selezione precisa di tessuti infetti da utilizzare in un'ampia gamma di approcci, inclusi tutti i metodi classici già applicati nella ricerca su T. cruzi 50,51. Inoltre, consente ai ricercatori di esplorare tecnologie all'avanguardia e svilupparne di nuove33. Inoltre, BLI fornisce il miglioramento del benessere animale e un uso più razionale secondo i principi delle 3R10,35, tutto in una volta.
Diversi gruppi di ricerca incentrati sulle malattie tropicali neglette sono collocati in paesi in cui i dispositivi di imaging in vivo non sono disponibili. Per superare lo scenario attuale, nuove reti internazionali come Global BioImaging e i loro consorzi associati promuovono azioni per fornire un accesso aperto alle strutture di base dell'imaging e migliorare la formazione del personale e degli scienziati dell'imaging52,53. Queste iniziative, insieme a protocolli utente amichevoli come questo, possono offrire condizioni di democratizzazione delle tecnologie di fascia alta per tutti i ricercatori. L'implementazione di questo metodo nella scoperta preclinica di farmaci ha offerto una solida lettura dell'efficacia e un valore predittivo dell'esito clinico, facilitando la scoperta di farmaci per la malattia di Chagas.

La malattia di Chagas è endemica in America Latina e colpisce circa sette milioni di persone in tutto il mondo1. Ogni anno, più di 50.000 decessi e perdite economiche di circa 7 miliardi di dollari derivano dalla natura invalidante di questa malattia2. La malattia di Chagas è causata dal protozoo Trypanosoma cruzi, un parassita emoflagellato eterossonico in grado di infettare i mammiferi (selvatici e domestici) e i vettori di triatomine (Hemiptera, Reduviidae)3 nelle Americhe, dove è stabilita la trasmissione vettoriale. Altre importanti vie di infezione includono la trasfusione di sangue, il trapianto di organi, la trasmissione orale (mediante l'ingestione di cibo contaminato da una triatomina infetta)4 e la trasmissione congenita. Le vie di trasmissione non vettoriali hanno contribuito alla diffusione della malattia di Chagas in aree non endemiche 3,5.
La malattia di Chagas si manifesta in due fasi cliniche. La fase acuta è, nella maggior parte dei casi, asintomatica. Le infezioni sintomatiche sono solitamente associate a segni aspecifici come febbre, affaticamento, mialgia, linfoadenopatia, splenomegalia ed epatomegalia. La fase acuta è spesso associata anche a parassitemia pervietà e circolazione sistemica dei parassiti. La morte può verificarsi fino al 10% dei casi diagnosticati, soprattutto in quelli di infezione orale6. La fase cronica è spesso caratterizzata da un lungo periodo di assenza di qualsiasi sintomo. Con il tempo, circa un terzo dei pazienti infettati decenni prima presenta manifestazioni cardiache, solitamente accompagnate da fibrosi e infiammazione miocardica, e/o disturbi gastrointestinali per lo più correlati allo sviluppo di sindromi megaesofaghe e/o megacolon 3,5,6.
Il trattamento eziologico della malattia di Chagas consiste in due soli farmaci: benznidazolo e nifurtimox. Questi agenti antiparassitari sono disponibili da oltre 50 anni e hanno una notevole tossicità e un'efficacia limitata 5,7,8. Di conseguenza, c'è un urgente bisogno di sviluppare trattamenti nuovi, sicuri e più efficaci per i pazienti affetti dalla malattia di Chagas.
Tecniche più sofisticate e accurate permettono ora di ottenere risposte a vecchie domande che permettono di avanzare nella ricerca di nuovi trattamenti per la malattia di Chagas. In questo senso, la comunità scientifica trae grande beneficio dai parassiti geneticamente modificati per studi in vivo sul decorso dell'infezione e valutazione dell'efficacia dei farmaci 9,10,11,12. Un saggio longitudinale basato sul sistema di imaging a bioluminescenza (BLI) consente di valutare l'efficacia durante e dopo il regime di trattamento, portando all'identificazione di composti con attività tripanocida10,13. Il metodo BLI fornisce una misurazione diretta della carica parassitaria, sia in circolo che nei tessuti e negli organi, attraverso la quantificazione della luce prodotta dal lignaggio geneticamente modificato T. cruzi CL Brener Luc::Neon11, che esprime costitutivamente la luciferasi12 della lucciola spostata verso il rosso.
Ciononostante, quasi 10 anni dopo l'istituzione del modello animale BLI della malattia di Chagas e degli studi sull'efficacia dei farmaci, solo pochi gruppi di ricerca dominano questa tecnica. Questo fatto è dovuto non solo al ridotto accesso ad apparecchiature di imaging adeguate, ma anche alla mancanza di formazione e disponibilità di protocolli strutturati e dettagliati. Questo metodo presenta diversi vantaggi rispetto ad altri approcci, che si basano sulla valutazione della parassitemia mediante microscopia, sierologia o valutazione delle infezioni di organi/tessuti mediante qPCR per il rilevamento del DNA del parassita, in quanto consente di migliorare il benessere dei topi e ridurre l'uso di animali grazie alla possibilità di generare dati più robusti e integrati in vivo. Inoltre, questo metodo è, probabilmente, più sensibile, in quanto consente di rilevare prontamente i focolai di parassiti negli organi viscerali dopo il trattamento farmacologico10,12. Pertanto, questo protocollo mira a guidare i gruppi di ricerca sulla parassitologia e altre malattie infettive a stabilire questa metodologia nei loro laboratori, dettagliando le procedure tecniche. In questo articolo, condividiamo l'esperienza ottenuta attraverso l'implementazione del modello BLI della malattia di Chagas in Brasile, il primo del suo genere in America Latina, nell'ambito degli sforzi di scoperta di farmaci coordinati dall'iniziativa Drugs for Neglected Diseases (DNDi).

<table><tbody><tr><td>BD LSRFortessa&commercio; Analizzatore cellulare X-20</td><td>BD Biosciences</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Weighing Balance (struttura per animali)</td> <td>Disponibile da diversi fornitori</td><td></td><td></td></tr><tr><td>IVIS Spectrum In Vivo Imaging System</td><td>Revvity (ex PerkinElmer)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Software FlowJ v10.7.1</td><td>BD Biosciences</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Living Image Software per Spectrum v4.7.1</td><td>Revvity (ex PerkinElmer)</td><td></td><td>Il software di analisi senza licenza chiamato 'Aura Imaging' può essere utilizzato per le funzionalità più basilari fornite da Spectral Instruments Imaging (Bruker company) (https://spectralinvivo.com/software/)</td></tr><tr><td>Microsoft Office software</td><td>Microsoft</td><td></td><td></td></tr><tr><td>GraphPad Prism v8.4.0</td><td>GraphPad Software Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>DMEM Basso Glucosio</td><td>Vitrocell</td><td>D0025</td><td></td></tr><tr><td>Bicarbonato di sodio</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5761-500G</td><td></td></tr><tr><td>Siero bovino fetale (FBS)</td><td>Gibco</td><td>16000-044</td><td></td></tr><tr><td>Penicillina-Streptomicina</td><td>Gibco</td><td>15140-122</td><td></td></tr><tr><td>Tripsina 0,5% EDTA</td><td>Gibco</td><td>25300-062</td><td></td></tr><tr><td>LIT medium</td><td>In casa</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Igromicina B (50 mg/mL)</td><td>Gibco</td><td>10687010</td><td></td></tr><tr><td>Grace&prime; s Insetto Medio</td><td>Sigma-Aldrich&nbsp;</td><td>G9771</td><td></td></tr><tr><td>HEPES</td><td>Sigma-Aldrich&nbsp;</td><td>54457</td><td></td></tr><tr><td>IVISBrite d-luciferina sale di potassio</td><td>Revvity (ex PerkinElmer)</td><td>122799</td><td>Potrebbe essere utilizzato anche: VivoGlo Luciferin, grado in vivo (Promega/P1043); D-luciferina, sale monopotassico (Thermo Scientific/88293) o PierceD-luciferina, sale monosodio* (Thermo Scientific/88291); D-luciferina, sale di potassio (GoldBio/LUCK o eLUCK); D-luciferina, sale di sodio* (GoldBio/LUCNA o eLUCNA) *Le differenze tra sali di sodio o potassio dipendono in minima parte dalla solubilità, ma non influiscono sulle prestazioni in vivo.</td></tr><tr><td>DPBS</td><td>Gibco</td><td>21600-044</td><td></td></tr><tr><td>Ciclofosfamide (CTX)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>C0768-5G</td><td></td></tr><tr><td>Dimetil solfossido (DMSO)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D5879</td><td></td></tr><tr><td>(Idrossipropil)metilcellulosa (HPMC)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>09963-25G</td><td></td></tr><tr><td>Alcool benzilico</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>402834</td><td></td></tr><tr><td>Tween 80</td><td>Sigma-Aldrich&nbsp;</td><td>P1754-1L</td><td></td></tr><tr><td>Benznidazolo</td><td>ELEA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Posaconazolo (formulazione commerciale Noxafil)</td><td>Schering-Phough</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Giemsa</td><td>Disponibile da diversi fornitori</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ago per sonda gastrica (acciaio inossidabile dritto) - 22GA</td><td>Aton</td><td>&nbsp; CA2003</td><td></td></tr><tr><td>Siringa da 1 ml e ago da 31 G</td><td>Disponibile da diversi fornitori</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Siringa da 1 ml e ago rimovibile da 26 G</td><td>Disponibile presso diversi fornitori</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Siringa da 1 ml e ago rimovibile da 24 G X&frac34;</td><td>Disponibile da diversi fornitori</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Filtro per siringa sterile 0,2 e micro; m</td><td>Disponibile da diversi fornitori</td><td></td><td></td></tr> Carta <tr><td>nera opaca A4 da 120 gr o più spessa</td><td>Colore/ Canson (disponibile da diversi fornitori)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>foglio di alluminio</td><td>Disponibile da diversi fornitori</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Camera Neubauer</td><td>Disponibile da diversi fornitori</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

demistificazione dell'imaging in bioluminescenza in vivo di un modello murino della malattia di chagas per studi sull'efficacia dei farmaci

Demystifying In Vivo Bioluminescence Imaging of a Chagas Disease Mouse Model for Drug Efficacy Studies

Per controllare e ridurre l'impatto sulla salute pubblica delle malattie dei protozoi umani come la malattia di Chagas, la leishmaniosi e la tripanosomiasi africana umana, è necessario accelerare lo sviluppo di nuovi farmaci e vaccini. Tuttavia, questo processo è pieno di difficoltà come la biologia dei parassiti altamente complessa e la patogenesi delle malattie e, come tipico per le malattie tropicali trascurate, finanziamenti relativamente limitati per la ricerca e lo sviluppo. Pertanto, i modelli di studio in vitro e in vivo in grado di riprodurre in modo sufficiente le caratteristiche chiave dell'infezione e della malattia, fornendo al contempo un uso razionale delle risorse, sono essenziali per far progredire la ricerca per queste condizioni. Un esempio è il modello murino di imaging a bioluminescenza (BLI) in vivo per la malattia di Chagas, che fornisce un rilevamento altamente sensibile della luce a lunga lunghezza d'onda generata dai parassiti Trypanosoma cruzi che esprimono luciferasi. Nonostante questa tecnica sia diventata l'approccio standard per gli studi in vivo sull'efficacia dei farmaci, i gruppi di ricerca potrebbero ancora avere difficoltà ad implementarla a causa della mancanza di un'adeguata formazione pratica sulla gestione delle apparecchiature e sull'applicazione delle procedure di controllo della qualità, anche quando sono prontamente disponibili apparecchiature BLI adeguate. Considerando questo scenario, questo protocollo mira a guidare dalla pianificazione degli esperimenti all'acquisizione e all'analisi dei dati, con dettagli che facilitano l'implementazione di protocolli in gruppi di ricerca con poca o nessuna esperienza con BLI, sia per la malattia di Chagas che per altri modelli murini di malattie infettive.

Utilizzando un adeguato modello murino basato su parassiti transgenici che esprimono costitutivamente la luciferasi, è possibile riprodurre le caratteristiche chiave dell'infezione umana da T. cruzi causando un danno minimo all'ospite, consentendo il monitoraggio in tempo reale dei parassiti mediante BLI di tutto il corpo dell'ospite in modo longitudinale (per tutta la vita), per un massimo di diversi mesi12.
La Figura 3 mostra un esperimento pilota che dimostra l'andamento temporale dell'infezione da CL Brener Luc::Neon dal giorno 1 dopo l'infezione fino a 150 dpi nei topi BALB/c. Nei primi 20 dpi, il carico di parassiti dedotto dalla bioluminescenza aumenta, tipico del picco di parassitemia, seguito da una forte diminuzione del carico di parassiti, a causa del controllo immunitario dei topi. Pertanto, la fase acuta dell'infezione è considerata i primi 50 dpi. La fase cronica è definita quando l'infezione raggiunge un tasso di bioluminescenza costante, da 100 a 150 dpi.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66740/66740fig03v2.jpg"> Figura 3: Informazioni sul modello. Cinetica dell'infezione da Trypanosoma cruzi CL Brener Luc::Neon nei topi BALB/c (n = 11). Pannello superiore: immagini bioluminescenti ventrali e dorsali da diversi punti temporali per 150 giorni dopo l'infezione (dpi) con 1 x 10³ di tripomastigoti nel flusso sanguigno mediante iniezione intraperitoneale. Scala della mappa di calore (in Log10) del segnale bioluminescente in radianza (p/s/cm2/sr). Codice colore: Viola = 5 x 103; rosso = 1 x 107. Pannello inferiore: quantificazione del segnale bioluminescente nel flusso totale (p/s) di topi a corpo intero. I dati sono espressi come medie (linee) e deviazioni standard (regioni ombreggiate). I periodi definiti per le fasi acute e croniche dell'infezione in questo modello murino sono evidenziati in arancione. I valori medi di luminescenza dei topi non infetti (n = 3) sono indicati come soglia (linea grigio chiaro). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66740/66740fig03large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Gli esiti terapeutici possono anche essere previsti poiché le fasi principali dell'infezione sono ben riprodotte in un modello murino. Pertanto, il BLI è ora applicato alla scienza traslazionale attraverso studi proof-of-concept che supportano il processo decisionale sul potenziale di efficacia e progressione del composto nella pipeline di sviluppo10,27. Nel modello murino acuto, il trattamento orale dovrebbe iniziare quando l'infezione raggiunge il picco di parassitemia (circa 14-21 dpi), caratterizzato da un elevato numero di tripomastigoti nel sangue (circa 1 x 105 tripomastigoti/mL - dati non mostrati) e infezione sistemica. Nella fase cronica, il trattamento dei topi inizia a 100 dpi, quando il carico di parassiti è relativamente molto più basso, con parassitemia subpatente stabile.
Per dimostrare l'applicazione del protocollo sopra descritto nella valutazione degli agenti antiparassitari, abbiamo confrontato l'efficacia del trattamento del benznidazolo (BZ), il farmaco standard utilizzato per il trattamento della malattia di Chagas, e del posaconazolo (Posa), un inibitore della sterolo 14α-demetilasi (CYP51) che ha fallito negli studi clinici per la malattia di Chagas, e che si è anche dimostrato inefficace come agente antiparassitario contro T. cruzi in vitro e in vivo, incluso nel modello BLI descritto nel presente protocollo 13,18,28,29,30.
Per il modello murino acuto, coorti di 6 topi per gruppo sono state trattate per via orale con gavage31 per 20 giorni con Posa a 20 mg/kg o BZ a 100 mg/kg, una volta al giorno. I topi sono stati anche trattati con BZ per 5 giorni a 100 mg/kg una volta al giorno per valutare l'effetto di trattamenti brevi. Dopo l'eliminazione del composto (10 giorni dopo la fine del trattamento), i topi BLI-negativi sono stati immunosoppressi, una condizione che promuove la recidiva dell'infezione quando non si ottiene una cura parassitologica (Figura 4A). Il trattamento con Posa ha determinato una riduzione del 99,49% ± dello 0,27% (media ± deviazione standard) del carico di parassiti dedotta dalla bioluminescenza alla fine del trattamento ed è rimasto a livelli simili di topi non infetti durante il periodo di eliminazione del composto farmacologico (ad eccezione del topo #3, con un segnale transitorio a 40 dpi, e del topo #2, che ha dimostrato un punto BLI debole a 44 dpi). Rispetto al gruppo non trattato, il trattamento con BZ per 20 giorni ha ridotto del 100% ± dello 0,01% il carico di parassiti dedotto dalla bioluminescenza alla fine del trattamento. Al contrario, il trattamento breve con BZ per 5 giorni ha portato a una riduzione del 99,98% ± dello 0,03% a 19 dpi (simile al livello soglia). Tuttavia, in questo caso, la riduzione del BLI è stata transitoria e nelle acquisizioni successive, tutti i topi hanno presentato la riattivazione dell'infezione (Figura 4B).
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66740/66740fig04v3.jpg"> Figura 4: Disegno dell'esperimento proof-of-concept e risultati ottenuti con l'imaging a bioluminescenza nel modello acuto della malattia di Chagas. (A) Grafico schematico del processo temporale nel modello murino acuto della malattia di Chagas per studi preclinici per la valutazione dell'efficacia del composto. Punti neri: punti temporali di imaging. Pallone dei medicinali e barretta arancione: inizio e fine del trattamento, rispettivamente. Icona della siringa: iniezioni di ciclofosfamide. DPI: Giorno dopo l'infezione. Codice colore: grigio = infezione non trattata; arancione = periodo di trattamento; blu = fase di eliminazione composta; giallo = periodo di immunosoppressione. (B) Decorso temporale del trattamento di Trypanosoma cruzi. Pannello di sinistra: immagini di bioluminescenza ventrale di topi BALB/c (i) non trattati o trattati per 20 giorni con (ii) posaconazolo (Posa) a 20 mg/kg, (iii) benznidazolo (BZ) a 100 mg/kg trattati per 20 giorni e (iv) BZ a 100 mg/kg trattati per 5 giorni con (n = 6/gruppo). Tutti i trattamenti sono stati somministrati per via orale mediante sonda gastrica (10 ml/kg) una volta al giorno. La mappa di calore in scalaLog 10 indica l'intensità del segnale bioluminescente da basso livello (blu) ad alto (rosso). Grafico a destra: quantificazione di tutto il corpo dei dati di imaging a bioluminescenza. I dati sono espressi come medie (linee) e deviazioni standard (regioni ombreggiate). Legenda: Pallone per medicinali: inizio del trattamento (14 dpi); barra arancione: fine del trattamento (18 dpi/33 dpi); iniezioni di ciclofosfamide ICiN (dal giorno 44-53); Orange Dot: topo analizzato con procedura ex vivo ; § dati esclusi a causa di perdite di D-luciferina nelle urine. (C) Procedura ex vivo per la rilevazione di focolai di T. cruzi in organi e tessuti. La chiave di distribuzione della targa è presentata nella parte inferiore della figura (creata con BioRender.com: ZY26LG8AOF). Stessa scala di radianza mostrata nel pannello vivo . <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66740/66740fig04largev2.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
In questo modello, il trattamento antiparassitario può ridurre il carico di parassiti al di sotto del limite di rilevamento BLI di 1000 parassiti. Pertanto, i topi appaiono come BLI negativi10. Per garantire che sia stata raggiunta una cura parassitologica, è necessario promuovere l'immunosoppressione dei topi utilizzando il trattamento con ciclofosfamide 29,32. I topi che hanno ancora una carica di parassiti non rilevabile dopo il trattamento farmacologico diventeranno BLI-positivi dopo l'immunosoppressione. Questo effetto è dimostrato in modo più esteso dal trattamento con Posa nel modello acuto, che promuove la recidiva del parassita. In questo esperimento, la procedura ex vivo è stata eseguita su topi con il segnale bioluminescente più basso per valutare il tropismo tissutale del parassita (Figura 4C). I topi non trattati mostrano forti segnali bioluminescenti, specialmente nel tratto gastrointestinale (TGI) e nei tessuti associati come il grasso viscerale e il mesentere. Inoltre, la pelle era un sito associato alla persistenza del parassita. I topi trattati con Posa presentavano macchie bioluminescenti a bassa intensità che erano più limitate al colon, al mesentere e al grasso viscerale. D'altra parte, nei topi trattati con un regime di trattamento curativo, come BZ 100 mg/kg per 20 giorni, non viene rilevato alcun segnale bioluminescente anche in immunosoppressione. Pertanto, considerando che dopo aver promosso le condizioni per l'innalzamento del segnale bioluminescente al di sopra del livello di soglia di1000 parassiti 10 e l'aumento della sensibilità esponendo gli organi viscerali, si ritiene che BZ 100 mg/kg per 20 giorni fornisca una cura sterile. La valutazione della cura sterile è stata precedentemente convalidata con diverse tecniche 10,13,17,33,34.
Un disegno di studio simile è stato applicato al modello cronico (Figura 5A), in cui i topi (n = 6/gruppo) hanno iniziato a essere trattati al giorno 100 dopo l'infezione. A questo punto, Posa 20 mg/kg, BZ a 100 mg/kg o 10 mg/kg una volta al giorno sono stati somministrati per via orale per 20 giorni. Dopo il periodo di eliminazione del farmaco, i topi BLI-negativi sono stati immunodepressi. Inoltre, per valutare la cura sterile, i topi che erano ancora BLI-negativi al termine della fase di immunosoppressione sono stati sottoposti ad analisi ex vivo .
Nell'infezione cronica, il trattamento con Posa alla dose di 20 mg/kg ha portato a una diminuzione del 95,03% ± del 6,18% del carico di parassiti dedotto dalla bioluminescenza alla fine del trattamento ed è rimasto a livelli simili di topi non infetti durante il periodo di eliminazione del farmaco. Dopo l'immunosoppressione, la maggior parte dei topi ha mostrato un livello variabile di segnale e distribuzione BLI (Figura 5B). La procedura ex vivo ha rivelato che un topo BLI-negativo per tutto il corpo trattato con Posa presentava una macchia bioluminescente nel colon rilevabile tramite esame ex vivo (Figura 5C).
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66740/66740fig05v3.jpg"> Figura 5: Disegno dell'esperimento di valutazione del farmaco e risultati ottenuti nel modello cronico di infezione da Trypanosoma cruzi mediante imaging a bioluminescenza. (A) Grafico schematico del disegno dell'esperimento del modello murino di malattia di Chagas cronica. Punti neri: punti temporali di imaging. Pallone dei medicinali e barretta arancione: inizio e fine del trattamento, rispettivamente. Icona della siringa: iniezioni di ciclofosfamide. Dpi: giorno post-infezione. Codice colore: Grigio = infezione non trattata; arancione = periodo di trattamento; blu = fase di eliminazione composta; giallo = immunosoppressione; lillà = recidiva. (B) Valutazione longitudinale dell'efficacia del trattamento nel modello cronico della malattia di Chagas. Pannello sinistro: BLI ventrale di topi BALB/c (i) non trattati o trattati per 20 giorni con (ii) posaconazolo (Posa) a 20 mg/kg; iii) benznidazolo (BZ) a 100 mg/kg e iv) BZ a 10 mg/kg (n = 6/gruppo). Tutti i trattamenti sono stati somministrati per via orale mediante sonda gastrica una volta al giorno. Grafico a destra: somma dei dati grezzi del flusso totale ventrale e dorsale. Legenda: pallone del medicinale: inizio del trattamento (102 dpi); barra arancione: fine del trattamento (121 dpi); Barra gialla e icona della siringa: iniezioni di ciclofosfamide (dal giorno 131-142). Orange dot: topo analizzato con procedura ex vivo . ! Il topo è morto durante l'anestesia. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/66740/66740eq01.jpg" style="margin: auto;"> Il topo mostra anomalie addominali. La scala della mappa di calore (Log10) indica l'intensità della bioluminescenza nell'unità di radianza da un livello basso (3 × 105 come blu) ad alto (1 × 107 come rosso). (C) Analisi ex vivo del tropismo di T. cruzi nei tessuti. Rilevamento in bioluminescenza di organi asportati da topi immunosoppressi in vivo BLI-negativi dopo trattamento con Posa e BZ a 100 mg/kg o topi con il segnale più basso nei gruppi non trattati e BZ a 10 mg/kg. La chiave di distribuzione della targa è mostrata nella parte inferiore della figura (creata con BioRender.com: ZY26LG8AOF). La scala di radianza è uguale al pannello in vivo . <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66740/66740fig05largev2.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Il trattamento con BZ a 100 mg/kg ha ridotto la bioluminescenza a livelli soglia (93,87% ± 2,14%) a 122 dpi e in avanti fino alla fine dell'esperimento. Considerando l'analisi ex vivo , BZ ha raggiunto un tasso di guarigione del 100% (6/6 topi), poiché nessun topo ha presentato un ritorno del segnale bioluminescente anche quando sono stati esaminati gli organi interni e immunodepressi. Ciò significa mancanza di ricadute. Tuttavia, il regime di trattamento con BZ con una concentrazione più bassa ha portato a una leggera riduzione della bioluminescenza (85,95% ± 18,43%) ma nessuna cura, poiché i topi hanno continuato a mostrare focolai di segnale bioluminescenti rilevabili in tutti i punti temporali successivi. Pertanto, questo modello consente la differenziazione quantitativa tra trattamenti inefficaci (posaconazolo e trattamento subottimale con benznidazolo) e trattamenti efficaci (dosaggio e durata ottimali del trattamento con benznidazolo).
Figura 1 supplementare: Analisi pre-infezione dell'espressione della luciferasi nella popolazione di T. cruzi mediante misurazione del gene reporter mNeonGreen fluorescence. Citometria a flusso della proteina fluorescente mNeonGreen espressa costitutivamente dal parassita CL Brener Luc::Neon. Istogramma normalizzato del numero di parassiti (asse Y) mediante intensità di fluorescenza mNeonGreen (asse X). La legenda interna dimostra il ceppo e la forma analizzati, la mediana della fluorescenza e la percentuale della popolazione di fluorescenza. Le linee di gate sono definite dal ceppo CL Brener wild type (WT) come controllo non fluorescente. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66740/daSilvaetal_Supplemental_Figure%201.zip" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo file.</a>
Tabella supplementare 1: Esempio di tabella di analisi nella misurazione BLI. Dati grezzi ottenuti dalla quantificazione dell'imaging a bioluminescenza del giorno 19 dopo l'infezione nel modello acuto utilizzato nei risultati rappresentativi mostrati nella Figura 4B. Descrizione gruppi: Controllo come topi non infetti (n = 3/gruppo); veicolo come topi infetti non trattati; posaconazolo (Posa) a 20 mg/kg per 20 giorni; benznidazolo (BZ) a 100 mg/kg per 20 giorni; BZ a 100 mg/kg trattato per 5 giorni (n = 6/gruppo). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66740/daSilvaetal_Supplemental_Table1.zip" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo file.</a>

Il protocollo qui fornito descrive i passaggi dettagliati per eseguire studi di efficacia dei farmaci in un modello bioluminescente di infezione da Trypanosoma cruzi , con particolare attenzione all'acquisizione, all'analisi e all'interpretazione dei dati. Vengono inoltre fornite procedure di risoluzione dei problemi e controllo qualità per ridurre al minimo i problemi tecnici.

Demistificazione dell'imaging in bioluminescenza in vivo di un modello murino della malattia di Chagas per studi sull'efficacia dei farmaci

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