カンジダ属の薬剤耐性におけるプチコロニーの重要性は、十分には解明されていない。抗菌光線力学療法(aPDT)は、薬剤耐性真菌感染症に対する有望な戦略を提供します。この研究は、ローズベンガル媒介aPDTが カンジダグラブラタ を効果的に不活性化し、小柄なコロニーを誘導し、ユニークな手順を提示することを示しています。
方法論記事
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カンジダ属の薬剤耐性におけるプチコロニーの重要性は、十分には解明されていない。抗菌光線力学療法(aPDT)は、薬剤耐性真菌感染症に対する有望な戦略を提供します。この研究は、ローズベンガル媒介aPDTが カンジダグラブラタ を効果的に不活性化し、小柄なコロニーを誘導し、ユニークな手順を提示することを示しています。
カンジダ血症患者の死亡率が40%であることから、薬剤耐性カンジダとその小変異体は依然として治療上の大きな課題となっています。抗菌光線力学療法(aPDT)は、抗生物質/抗真菌薬とは異なり、複数の真菌構造を標的とするため、耐性を阻害する可能性があります。プチコロニーを誘導する従来の方法は、エチジウムブロマイドまたはフルコナゾールに依存しており、薬物感受性およびストレス反応に影響を与える可能性があります。この研究では、薬剤耐性カンジダ・グラブラタ分離株と戦うための緑色光(ピーク520 nm)とローズベンガル(RB)光増感剤の適用を調査しました。その結果、aPDT処理は細胞増殖を有意に阻害し(≥99.9%減少)、サイズの縮小とミトコンドリア酸化還元インジケーター染色の喪失から明らかなように、プチコロニー形成を効果的に誘導することが明らかになりました。この研究は、aPDTがin vitroで多剤耐性C.glabrata株にプチコロニーを誘導できるという最初の証拠を提供し、耐性真菌感染症と闘うための潜在的に変革的なアプローチを提供します。
真菌感染症、特に カンジダ・アルビカンス と薬剤耐性が増す カンジダ・グラブラタによって引き起こされる感染症は、深刻な世界的な脅威となっています1。これらの感染症は、特に入院患者や免疫力が低下している患者にとって致命的となる可能性があります。抗真菌耐性の上昇は、特に カンジダ・アルビカンスによる死亡率の高い重度の真菌感染症である侵襲性カンジダ症の制御を脅かしています2。耐性株は効果的な治療を妨げ、複雑さと死亡率の両方を増加させる可能性があります。米国カリフォルニア州アラメダ郡では、 C. glabrata が最も蔓延している侵入種となっています3。カンジダ種の有病率と分布のこの変化は、地域の医療慣行、患者の人口統計、抗真菌剤の利用、およびカンジダ感染症の危険因子の有病率の影響を受ける可能性があります。
機能的なミトコンドリアを欠くカンジダの小柄な変異体は、このオルガネラが薬物応答、病原性、およびストレス耐性にどのように影響するかを明らかにします4,5。C. glabrataはこれらのコロニーを容易に形成し、ポリエンに対する感受性を獲得し、アゾール6に失う。アゾール感受性と呼吸機能は複雑に関連しており、呼吸の減少はミトコンドリアDNA喪失を介して抵抗につながります7。アゾール耐性を持つC.グラブラタの小柄なコロニーは、フルコナゾール治療を受けている骨髄移植レシピエント8からのヒト糞便サンプル8および血流感染症患者の血液培養ボトル9から分離されています。薬剤耐性、病原性、およびストレス反応におけるそれらの潜在的な影響は、それらの臨床的意義を強調しています。さらに、それらの明確な特性により、ミトコンドリア生物学における基本的な問題を調査するための貴重なツールになります5。プチ変異体の研究が進むにつれて、臨床研究と基礎研究の両方での応用が拡大する可能性があります。
この研究では、光線力学療法(PDT)が C.glabrataの小柄なコロニーを誘導できることを発見し、 C.glabrata を臭化エチジウムまたはフルコナゾールに曝露する従来の技術を超えて方法の範囲を拡大しました。
1. C. glabrataの培養
注:フルコナゾールを含むほとんどの抗真菌剤に耐性のある多剤耐性 C.グラブラタ (C2-1000907)が実験に使用されます。異なる菌株間で変動が存在する可能性があるため、実験条件を特定の菌株に適合させる必要がある場合があります。すべての実験では、一貫性を保つために、25°Cで増殖した対数相のカンジダ(自然感染を模倣)を使用しました。 C. glabrataは菌糸がないため、37°Cで菌糸を形成する C. albicansと比較して定量化が簡素化されます10。
2. エチジウムブロマイド、フルコナゾール、光線力学療法によるプチコロニーの誘導
3. ミトコンドリア機能解析(TCC染色試験)
注:TTCは酸化還元インジケーターであり、電子受容体です。白色化合物が電子によって破壊されると赤くなります11。すべての細胞が寒天プレートでの培養後24時間以内に目に見えるコロニーを形成するとは限らないことに注意してください。機能的なミトコンドリアを持つコロニーは赤くなりますが、機能しないミトコンドリアを持つコロニーは白のままです。これにより、ミトコンドリアの機能が異なるコロニー間の差別化が可能になります。
4. 正常および小柄なC. glabrataの成長動態
注:酵母の3つの株を比較した: C. glabrata C2-1000907 T0(PDT処理なしの臨床分離株)、T3n(親細胞に類似した平均直径1.5±0.8 mmのコロニーを示す3連続RB-PDT後のC. glabrata C2-1000907)、およびT3p(3連続RB-PDT後の C. glabrata C2-1000907のプチコロニー)。
データは、標準誤差±平均として示され、各グループで少なくとも3倍になる3つの独立した実験から得られた。コロニー数、OD600 測定値、TTC 染色結果などの実験データをグラフ化し、グラフ作成および統計ソフトウェアを使用して統計分析しました ( 「資料表」を参照)。データの分析には一元配置分散分析(ANOVA)または t検定 を使用し、 p値<0.05が有意であると考えました。スキャンは、1200dpiの解像度で48ビットのフルカラー光学スキャナーで実行され、その後、ImageJソフトウェアを使用してコロニー直径の測定が行われました。
図2の成長曲線に示されているように、C. glabrata C2-1000907(T3p)の小柄な変異体は、通常のサイズの未処理の親真菌(T0)と比較して成長が遅いことを示しました。C. glabrataを0.2%RBと15分間混合し、4.38 J/cm2の緑色光(PDT処理)に曝露した場合、真菌の力価は、細胞密度が約107 CFU / mLの対照群(RBのみ)と比較して、107.5 CFU / mLから104.5 CFU / mLに減少しました(少なくとも3 log、図3)。さらに、aPDTの後、小柄なコロニーが観察されました。これらの小柄なコロニーは、通常の1.5mm±0.8mmではなく、0.4mm±0.25mmの平均サイズを持っていました(図4A)。ミトコンドリア機能障害のある小さなサイズのコロニーは、20%TTCで染色した後、そのサイズと色で識別できます。白色を維持した小柄なコロニー(図3B、白い矢印)はミトコンドリア機能障害を示し、いくつかの小さな赤色のコロニーと正常サイズのコロニーは正常なミトコンドリア機能を保持しました(図4B)。従来のDNAインターカレート剤である臭化エチジウム(図4C)およびフルコナゾール(図4D)は、カンジダのプチ変異体を効果的に誘導することができます。ディスク拡散は、真菌における薬物感受性を定義する簡単な方法です。図4Dでは、T0培養物(PDTなし)で25μgのフルコナゾールを含むフルコナゾールディスクを取り囲む、成長していない透明な円形ゾーンがあり、この親真菌の薬剤耐性が低いことを示しています。それにもかかわらず、C. glabrata C2-1000907は、フルコナゾールに対する阻害濃度が最小限であり(データは示さず)、クリアゾーンの直径により、依然として耐性株として定義されている。T3培養では、椎間板付近に多くの小柄なコロニーが形成され(矢印、下段)、PDT処理を3回繰り返した後の薬剤耐性が示唆された。

図1:ローズベンガル(RB)の分子構造。 この 図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:反復RB-PDT後の C.glabrata C2-1000907の24時間の成長曲線。 成長曲線は、 C. glabrata C2-1000907 T0(ナイーブな親細胞)、T3n(3回繰り返し治療後の正常なサイズのコロニー)、およびT3p(3回の反復治療後の小柄なコロニー)の3つの株について比較されました。T0およびT3nと比較して、T3pコロニーは有意に遅い増殖速度を示した(n = 3、 p < 0.05)。すべての細胞はYPD培地で増殖します。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

図3:aPDT後の C.glabrata C2-1000907の成長阻害。 4.38J/cm²の軽線量と0.2%RBの単回aPDT治療は、ナイーブコントロールと比較して、 C. glabrata C2-1000907の増殖を3log有意に阻害した(p < 0.0001、不対応 t検定)。エラーバーはSEM±平均を表し、データは3つの独立した実験からプールされます。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

図4:塩化トリフェニルテトラゾリウム(TCC)染色を用いたミトコンドリア機能障害解析(A)C. glabrata C2-1000907、aPDT処理(0.2%RB、4.38J/cm²緑色光)の24時間後、大きなコロニー(1.5 mm ± 0.8 mm)と小さな(小)コロニー(0.4 mm ± 0.25 mm)の二峰性コロニーサイズ分布を示しました。(B)TCC染色により、大きなコロニーは赤くなるため機能的であるのに対し、小柄なコロニーは白いままであるため機能しないことが明らかになりました。(C)プチコロニーは、臭化エチジウム(100μg/ mLで30〜40分間)および(D)フルコナゾール(25μg / mL)処理によっても誘導されました。T0培養物(PDTなし)で25μgのフルコナゾールを含むフルコナゾールディスクを取り囲む、増殖のない透明な円形ゾーンは、感受性を示しています。T3培養では、椎間板付近に多くの小柄なコロニーが形成され(矢印、下段)、PDT処理を3回繰り返した後の薬剤耐性が示唆された。スケールバー:1 mm.この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
この研究は、PDTがカンジダのプチコロニー形成を誘導する最初の報告された方法であり、臭化エチジウムとフルコナゾールの確立された効果を上回っていることを明らかにしました。この新しい観察は、病原性の低下による真菌の根絶と耐性メカニズムの出現の両方に対するその意味を解明するために、さらなる調査を必要とします。
RBを介したPDTは、 C.glabrataの増殖を効果的に阻害し、カンジダ感染症の潜在的な代替治療アプローチを示唆しています。光活性化光増感剤として、RBは特定の波長にさらされると一重項酸素と活性酸素種(ROS)を生成します。この酸化ストレスは、脂質、タンパク質、核酸などの必須細胞成分に損傷を与え13、ミトコンドリアの機能不全を引き起こすことが、本研究で示されている。これにより、カンジダは、標準的な抗真菌薬で観察される従来のメカニズムでは耐性を発達させることが困難になります。
この研究で使用された3つの酵母株、T0、T3n、およびT3pは、異なる成長パターンを示します。T0は未治療のままですが、T3nとT3pはRB-PDTを3回受けます。T3nは通常サイズのコロニーを示しますが、T3pは小柄なコロニーを示します。小柄なコロニーの成長が遅いことは、細胞のエネルギーと代謝の変化を示している可能性があります。ミトコンドリアの機能障害に関連することが多い小柄な表現型4は、好気性呼吸障害を引き起こし、その結果、全体的な成長動態に影響を与える可能性があります。小柄なコロニーの好気性呼吸障害は、病原性、薬剤感受性、またはさまざまな環境で持続する能力に影響を与える可能性があります。このつながりは、潜在的な臨床的意味を持ち、将来の研究の方向性への道を提供します。
DNAインターカレート剤である臭化エチジウムは、ミトコンドリアDNA合成を阻害し、既存のミトコンドリアDNAを分解して、カンジダをミトコンドリア機能障害のあるプチコロニーに変換します14。カンジダ感染症の治療に一般的に使用されるフルコナゾールは、 C. glabrata6の薬剤耐性とプチコロニーの発生を誘発する可能性があります。プチ変異体は、転写因子PDR1の活性化と遺伝子CDR1およびCDR2の調節を介してアゾール薬剤耐性を示す可能性があります15。さらに、ミトコンドリアDNAの部分的または完全な喪失により、ミトコンドリアの機能が損なわれます16。
PDTは、細菌の病原性を低下させる効果が実証されています17、抗生物質に対する感受性を誘導する18、および細菌のバイオフィルム形成を減少させる19 。真菌感染症に対するPDTに関する研究は限られています20。この発見は、RB-PDTが C.glabrataのミトコンドリアにどのように影響するかについて興味深い疑問を提起します。RB-PDTが酵母細胞にどのように影響するかを完全に理解するには、増殖変動を引き起こす分子メカニズムを理解することが重要です。しかし、PDTによって誘導される小柄な変異体は現在十分に研究されておらず、その詳細なメカニズムの基盤は不明のままです。さまざまな方法で作成された小さなコロニー間に違いがあるかどうかを判断するには、さらなる調査が必要です。カンジダ種でプチがどのように形成されるかを理解することは、ミトコンドリア機能と病原性の関係を研究するために重要です。さらに、プチ変異体は、抗真菌薬耐性メカニズムを探求するためのモデルとして役立つ可能性があります。
現在の研究は、 C. glabrata とプチコロニーの出現に対するRB媒介PDTの効果に関する貴重な洞察を提供しますが、考慮すべき特定の制限があります。第一に、この研究は主にin vitro実験に焦点を当てており、これらの知見を臨床現場に応用することは、さらなる調査が必要である。さらに、RB-PDT後のプチコロニーの形成の根底にある特異的な分子メカニズムと、抗真菌薬耐性に対するそれらの潜在的な影響については、より詳細な調査が必要です。さらに、この研究では、さまざまな酵母株の成長パターンを比較しましたが、追加の分子および遺伝学的分析により、プチコロニー形成に関連する代謝および遺伝的変化をより深く理解できる可能性があります。
さらに、 C. glabrata のさまざまな臨床分離株間での RB-PDT に対する応答の潜在的なばらつきは、この研究では取り上げられておらず、より広範な株特異的調査の必要性が強調されています。これらの制限に対処する将来の研究は、RB媒介PDTの意味と抗真菌治療戦略の文脈におけるプチコロニーの出現をより包括的に理解するために重要です。
要約すると、この調査は、aPDTがミトコンドリア機能障害のある C.glabrata (C2-1000907)の小柄変異体を誘導することを明らかにした。このユニークなメカニズムは、抗真菌研究のための新しい方法を提供する可能性があります。PDT誘発性プチコロニーの根底にある正確な作用機序はまだ解明されておらず、他の方法との潜在的な違いを探ることは、治療戦略を最適化するために重要です。
著者は利益相反を宣言しません。
この研究は、台湾の科学技術部[MOST 110-2314-B-006-086-MY3]、国立成功大学[K111-B094]、[K111-B095]、台湾の国立成功大学病院[NCKUH-11204031]、[NCKUMCS2022057]から資金提供を受けています。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 0.22 以上 μ;m filter | Merck, Taipei, Taiwan | Millex, SLGVR33RS | |
| 1.5 mL microfuge tube | Neptune, San Diego, USA | #3745 | |
| 20% Triphenyltetrazolium chloride (TTC) | Sigma-Aldrich, MO, USA | T8877 | |
| 5 mL ポリプロピレン丸底チューブ | 米国アリゾナ州コーニング | 352059 | |
| ゾナ | 州コーニングFalcon, #352235 | ||
| 96-well plate | Alpha plus, Taoyuan Hsien, Taiwan | #16196 | |
| Agar | BRS, Tainan, Taiwan | AG012 | |
| ブランクディスク | Advantec, Tokyo, Japan | 49005040 | |
| Centrifuge | Eppendorf, UK | 5415R | |
| Ethidium bromide solution | Sigma-Aldrich, MO, USA | E1510 | |
| フルコナゾール、2 mg/mL | ファイザー、ニューヨーク、米国 | BC18790248 | |
| GraphPad プリズム | GraphPad ソフトウェア | バージョン 7.0 | |
| 緑色発光ダイオード (LED) ストリップ | Nanyi electronics Co.,Ltd, 台南, 台湾 | 5050 | 励起波: 500~550 nm |
| 低温 シェイク インキュベーター | Yihder, Taipei, Taiwan | LM-570D (R) | |
| マウスケア綿棒 | Good Verita Enterprise, Taipei, Taiwan | 161357 | |
| Muller Hinton II agar | BD biosciences, California, USA | 211438 | |
| マルチモードマイクロプレートリーダー | Molecular Devices | SpectraMax i3x | |
| OD600 spectrophotometer | Biochrom, London, UK | Ultrospec 10 | |
| Rose Bengal | Sigma-Aldrich, USA | 330000 | ストック濃度40mg / mL = 4%、PBSで調製し、4°Cで保存します。C |
| 滅菌ガラス管 | Sunmei、台南、台湾 | AK45048-16100 | |
| 酵母抽出物 ペプトン デキストロース ミディアム | HIMEDIA、インド | M1363 |