Plasmodium 성적 발달은 모기의 중장에서 발생합니다. 기생충의 성기를 표적으로 삼는 것은 전염을 차단하는 유망한 전략입니다. 당사는 접합자 형성 후 나노루시페라아제를 발현하는 형질전환 P. berghei인 Ookluc을 개발하여 투과 차단 화합물의 고처리량 스크리닝을 가능하게 했습니다. 이 기사에서는 Ookluc을 사용한 스크리닝 방법에 대해 자세히 설명합니다.
Plasmodium 성적 발달은 모기의 중장에서 발생합니다. 기생충의 성기를 표적으로 삼는 것은 전염을 차단하는 유망한 전략입니다. 당사는 접합자 형성 후 나노루시페라아제를 발현하는 형질전환 P. berghei인 Ookluc을 개발하여 투과 차단 화합물의 고처리량 스크리닝을 가능하게 했습니다. 이 기사에서는 Ookluc을 사용한 스크리닝 방법에 대해 자세히 설명합니다.
말라리아는 여전히 세계 보건 과제로 남아 있습니다. 2023년에는 전 세계적으로 2억 6,300만 명의 확진자와 59만 7,000명의 사망자가 보고되었습니다. 이 기생충의 생애 주기는 복잡하며, 이 질병을 효과적으로 통제하기 위해서는 중요한 발달 단계에서 표적 개입이 필요합니다. 전염 차단(TB) 전략은 백신과 약물을 통해 모기 매개체 또는 기생충의 성병을 표적으로 삼아 플라스모디움 전염을 차단하는 것을 목표로 합니다. 결핵 중재는 인간 숙주에 있는 생식세포(gametocyte) 또는 배우자(gamete), 접합자(zygote), 난자(ookinetes), 난포낭(oocyst)과 같은 모기 중증(midgut)의 다른 형태에 초점을 맞출 수 있습니다.
새로운 결핵 접근법의 개발은 중대한 도전에 직면해 있습니다. 기생충의 성병을 연구하는 것은 본질적으로 어렵고, 생식세포살상 화합물에 대한 고처리량 스크리닝(HTS)은 주로 P. falciparum 배양에 의존합니다. 그러나 후기 성기에 대한 중재를 평가하기 위한 강력한 시험관 내 도구는 여전히 제한적입니다. 결핵 화합물의 발견을 가속화하기 위해 우리 그룹은 Plasmodium 감염의 쥐 모델인 P. berghei를 사용하여 gametocyte 활성화 및 수정을 위한 새로운 HTS 분석을 개발했습니다. 형질전환 기생충인 Ookluc은 접합자 형성 후에만 나노루시페라아제를 발현하며, 우키네테 발달 중에는 최대 발광을 보입니다. 이 발광 기반 분석법은 gamete에서 zygote로, zygote에서 ookinete 분화에 대한 정량적 판독을 제공하며, 여기서 발광 증가는 ookinete 형성과 직접적인 상관관계가 있습니다. 이 동영상 기사는 Ookluc을 사용하여 말라리아 결핵 화합물을 스크리닝하는 방법을 제시합니다.
말라리아는 인류 역사에 깊은 영향을 미친 오래된 질병입니다. 2023년 한 해에만 85개 풍토병 국가에서 2억 6,300만 건의 사례가 보고되어 597,000명이 사망했습니다1. 이 질병은 Apicomplexa 문에 속하는 Plasmodium 속의 원생 동물 기생충에 의해 발생합니다. 인간을 감염시키는 5종(P. falciparum, P. vivax, P. knowlesi, P. ovale, P. malariae) 중 P. falciparum 과 P. vivax 가 대부분의 사례를 차지합니다. P. falciparum 은 중증 말라리아와 관련이 있으며 아프리카에서 우세한 반면, P. vivax 는 남미와 아시아에서 더 널리 분포하는 가장 넓은 지리적 분포를 가지고 있습니다2.
두 숙주에 걸친 여러 발달 단계를 포함하는 Plasmodium 수명 주기의 복잡성은 풍토병 지역3에서 전달과 지속성을 용이하게 합니다. 이 주기에서 중요한 단계는 인간에서 모기 매개체로 전환하는 것이므로 개입의 주요 대상이 됩니다. 전염은 인간 숙주 내에서 시작되며, 메로조이트가 남성과 여성 생식세포로 분화하면서 Plasmodium 성기가 발달합니다. 모기가 섭취하면 환경적 단서가 생식세포의 활성화와 생식세포 형성을 유발하여 중장 내강에서 수정을 유도합니다. 그 결과 생성된 접합자는 운동성 난자(motile ookinete)로 분화되며, 이 난포는 중장 상피를 적극적으로 침범하여 기저판 내에서 난낭으로 발달합니다. 난포낭 내부에서는 수천 개의 포자낭이 생성되어 혈림프로 방출되어 타액선으로 이동할 수 있습니다. 그곳에서 포자물은 아시나르 세포(acinar cell)에 침입하여 내강샘(gland lumen)으로 이동하며, 모기가 다음 혈액 식사를 할 때까지 그곳에 남아 기생충을 인간의 피부로 옮긴다4.
사용 가능한 약물의 한계와 항말라리아제에 대한 내성 증가를 감안할 때 새로운 전염 차단(TB) 전략을 찾는 것이 중요하다5. 모기 감염, 수동 현미경 분석 또는 방사성 하이포잔틴 혼입과 같은 기존 스크리닝 방법은 노동 집약적이고 표준화가 어려우며 처리량이 많은 응용 분야에는 적합하지 않습니다 6,7. 형광 기반 검출(예: DNA 염색 또는 GFP 리포터)을 사용하는 보다 최근의 접근 방식은 효율성을 개선했지만 기생충의 성 단계를 표적으로 하는 화합물을 평가하는 데 있어 상당한 과제가 남아 있습니다 6,7,8.
이러한 문제를 해결하기 위해 Ookluc이라고 하는 nanoluciferase(nLuc)를 발현하는 형질전환 P. berghei 라인이 개발되었습니다8. 이 시스템에서 nLuc 유전자는 접합자에서 활성화되는 ookinete 특이적 P. berghei Circumsporozoite 및 TRAP 관련 단백질(CTRP) 프로모터의 제어 하에 배치되어 배우자 활성화 후 약 6시간 후에 nLuc 생산이 시작되고 전환 분석 후 24시간 후에 최고조에 달합니다8. 이 설계는 수정 직후 기생충 생존력의 자동화된 발광 기반 정량화를 가능하게 하여 직접적인 벡터 조작의 필요성을 없애고 수천 개의 화합물에 대한 고처리량 스크리닝을 용이하게 합니다8.
nLuc 발현은 난자형성(ookinete viability)과 관계없이 발생하여 난자형성(ookinete morphogenesis)과 같은 후기 단계에 특이적으로 영향을 미치는 화합물의 검출을 제한하지만, Ookluc은 활성산소종 생산을 유도하는 제제를 포함하여 모기 내 생식형성, 유성생합성(sexual recombination) 또는 기생충 생존을 표적으로 하는 결핵 화합물을 식별하는 데 매우 효과적입니다. 이전 연구에서는 Plasmodium 성기를 억제하는 것으로 알려진 화합물을 성공적으로 식별하여 이 시스템을 검증했습니다 9,10,11,12,13,14,15. 따라서 Ookluc은 Plasmodium 성기의 고처리량 스크리닝을 위한 강력하고 혁신적인 플랫폼을 대표하며, 새로운 결핵 화합물의 발견을 촉진하고 향후 몇 년 동안 말라리아 퇴치를 위한 노력을 진전시킬 것입니다8. 이 프로토콜은 약물 스크리닝 및 억제 농도 50%(IC50) 측정을 위한 Ookluc 시스템의 적용을 간략하게 설명합니다.
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모든 동물 실험은 윤리 지침에 따라 엄격하게 수행되었으며 상파울루 대학교 의생명 과학 연구소의 동물 사용에 관한 윤리 위원회(CEUA-ICB/USP)의 승인을 받았습니다. 동물은 이 위원회가 정한 기준에 따라 수용되고 유지되었습니다. 유전자 변형 Plasmodium 기생충과 -80 °C에서 동결 보존된 보관과 관련된 실험은 상파울루 대학교 의생명과학 연구소의 기관 생물 안전성 위원회(CIBio-ICB/USP)에서 제정한 규정에 따라 수행되었습니다. 이 연구에는 3-5주 된 총 3마리의 암컷 BALB/c 마우스가 사용되었으며, 2마리는 감염되었고 1마리는 감염되지 않았습니다.
1. 재료 및 시약
2. 감염 및 기생충 혈액 채취
3. 변환 분석 - 96웰 플레이트에서 스크리닝
참고: 일관된 결과를 보장하려면 전체 실험을 다른 날에 세 번 반복하여 결과를 확인해야 합니다.

그림 1: 화합물 스크리닝을 위해 설계된 96웰 플레이트 레이아웃의 개략도. 플레이트 레이아웃에는 양성 대조군(C+), 음성 대조군(C-), 대조군 및 희석 용매(C+S) 및 90개의 테스트 화합물(S1-S90)이 포함됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
4. 발광 분석실험
5. 데이터 분석 - 스크리닝

그림 2: 화합물 스크리닝을 위한 전환 분석의 시뮬레이션된 판독에서 얻은 결과. 이 이미지는 90개의 화합물 패널이 있는 상태에서 난자(ookinetes)를 전환한 후 수행된 분석에서 시뮬레이션된 발광 판독값을 표시합니다. Relative Light Unit 값이 낮을수록 난자 형성이 감소했음을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 각 화합물에 대한 억제 %로 표시되는 화합물 스크리닝을 위한 변환 분석의 시뮬레이션된 판독에서 얻은 결과. 시험된 각 화합물에 대한 전환 억제 비율로, 상기와 같이 계산되었습니다. 강조 표시된 사각형은 95% 이상의 전환 억제를 촉진하는 화합물을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
6. 변환 분석 - IC 50 측정

그림 4: 화합물 IC50 측정을 위해 설계된 96웰 플레이트 레이아웃. 플레이트 레이아웃에는 양성 대조군(C+), 음성 대조군(C-) 및 화합물(Cpd) 희석액(D1 - D12)이 포함됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
7. 데이터 분석 - IC 50 측정
참고: IC50 은 생물학적 활성/억제를 50% 억제하는 데 필요한 화합물의 농도로 정의됩니다. 이 분석법에서 억제는 난자(ookinete) 전환의 감소를 나타냅니다. 데이터는 시그모이드 용량-반응 곡선으로 표시되며, 여기서 X축은 화합물 농도(로그 변환)를 나타내고 Y축은 % 억제를 나타냅니다.

그림 5: PyAz90의 용량-반응 곡선. % 억제는 로그 스케일에서 PyAz90 농도(μM)의 함수로 측정되었습니다. 시그모이드 곡선은 IC50을 결정하는 데 사용된 피팅 데이터를 나타내며, 이는 0.013μM(95% 신뢰 구간: 0.012-0.014μM)입니다. 데이터 점은 실험 반복실험 평균의 평균 ± 표준 오차를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Ookluc 기생충의 발생은 기존 분석법에서 제공하지 않는 관점, 특히 배우자 활성화, 수정 및 접합자 형성에 대한 화합물의 효과를 평가할 때 새로운 결핵 약물 후보를 평가할 수 있게 합니다8. 그림 2와 그림 3은 고처리량 방식으로 기생충의 성병에 대해 화합물 패널을 스크리닝하여 단일 분석에서 가장 유망한 후보 물질을 쉽게 식별할 수 있는 방법의 능력을 보여줍니다(그림 1). 결과를 백분율로 표현하면 데이터 시각화가 향상되고 어떤 화합물이 후속 단계로 진행되어야 하는지에 대한 의사 결정을 내릴 수 있습니다. Ookluc 시스템을 사용하여 >95% 억제를 나타내는 5개의 화합물을...
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새로운 결핵 화합물을 개발하는 데 사용되는 대부분의 HTS 방법은 배우자세포형성 억제 또는 배우자세포형성 활성에 초점을 맞춥니다. 현재까지 배우자세포의 기능, 배우자형성, 접합자 형성 및 난자형성을 평가할 수 있는 P. berghei 모델은 단 두 개에 불과하다5.
이러한 모델 중 하나는 ctrp 프로모터17에 연결된 형광 리포터를 사용한다는 점에서 Ookluc과 유사합니다. 그러나 Ookluc은 더 민감한 리포터인 nLuc의 사용과 리포터 삽입 후 첫 번째 모델에서 기생충 게놈에 남아 있는 통합 약물 내성 마커의 부재와 같은 주요 개선 사항을 소개합니다. 이 기능을 통해 Ookluc 기생충은 새로운 결핵 표적을 식별하기 위한 역 유전학 접근 방식을 포함하...
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저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.
이 프로젝트는 Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo(FAPESP 2021/06769-0)와 Instituto Serrapilheira(보조금 G-1709-16618)의 보조금으로 지원되었습니다.
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| Windows용 GraphPad Prism 버전 10.0.0 | GraphPad 소프트웨어, 미국 매사추세츠주 보스턴 | ||
| 돼지 장 점막에서 추출한 헤파린 나트륨염 | 시그마-알드리치 | H3393 | |
| 헤페스 (1M) | 써모 사이언티픽 | 15630106 | |
| 하이포크산틴 | 시그마-알드리치 | H9636 | |
| 마우스 | --- | --- | 3주에서 5주 사이의 암컷 BALB/c 마우스 |
| Nano-Glo 루시페라제 분석 시스템 | 프로메가 | N1110 | |
| 페니실린 & 마이너스; 스트렙토마이신 &-us; 네오마이신 용액 안정화 | 시그마-알드리치 | P4083 | |
| POLARStar 오메가 마이크로플레이트 리더 | BMG 랩텍 | ---- | |
| RPMI 1640 미디엄, 글루타맥스 보충제 | 써모 사이언티픽 | 61870036 | |
| 크산투렌산 | 시그마-알드리치 | D120804 |
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