Name: 약물 효능 연구를 위한 샤가스병 마우스 모델의 In Vivo Bioluminescence 이미징 Demystifying In Vivo Bioluminescence Coaching (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-05-31T14:20:00.000+00:00
Duration: 7 min 59 s
Description: 학습하세요 생체 발광 이미징을 활용한 샤가스병 마우스 모델의 약물 효능 연구 방법을. Trypanosoma cruzi 감염을 실시간으로 추적하고 항기생충제의 치료 효과를 정량적으로 평가하는 비침습적 기술입니다.

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저자는 약물 효능 분석에 대한 BLI 교육 및 지원을 제공한 Amanda Franscisco, John Kelly 및 Fanny Escudié, 기생충을 제공한 John Kelly와 Simone Calderano, 동물 연구를 지원한 Gabriel Padilla에게 감사를 표합니다. A.C.S는 London School of Hygiene and Tropical Medicine(영국)에서 교육을 받기 위해 CAPES PSDE 장학금을 받았습니다. 저자들은 또한 IVIS Spectrum 장비 분석에 대한 기술 지원을 제공한 상파울루 대학교(University of Sao Paulo)의 핵심 과학 연구 시설(CEFAP-USP)의 유세포 분석 및 이미징 연구(FLUIR) 플랫폼과 특정 병원체가 없는 마우스의 품질 관리를 위한 실험 후 분석을 위해 유전학 및 위생 제어 ICB-USP 연구소에 감사를 표했습니다. 이 프로젝트는 DNDi의 자금 지원을 받았습니다. DNDi는 2003년 창립 이래 모든 DNDi 활동에 자금을 제공해 준 공공 및 민간 기부자들에게 감사의 뜻을 전합니다. DNDi의 전체 기부자 목록은 https://dndi.org/about/donors/ 에서 확인할 수 있습니다.

샤가스병 약물 평가의 In Vivo 생물 발광 모델을 위한 프로토콜

저자는 선언할 이해 상충이 없습니다.

생물 발광 이미징은 전자기 방사선의 가시광선 및 적외선 스펙트럼을 사용하여 보고서 유전자를 검출할 수 있는 획기적인 방법입니다. 따라서 표본35을 추적하기 위해 방사성 표지 마커가 필요하지 않습니다. BLI는 설치류 모델 및 기타 작은 종에 적합합니다. 전임상 연구에 매우 유용한데, 이는 더 안전하고 여러 번의 이미지 라운드를 허용하여 동물의 불편함을 최소화하기 때문입니다. 게다가, 생체 내 이미징은 생물 발광, 형광 및 양전자 방출 단층 촬영(36)과 같은 기타 기술을 결합할 수 있기 때문에 매우 유연합니다.
광학 이미징은 흡수 및 산란과 같은 광학적 물리적 특성에 의해 지배됩니다. 모든 조직은 독특한 파장의 빛을 다르게 흡수하고 산란시킨다37. 한 가지 중요한 단계는 화학 반응에 의해 생성된 빛의 방출 파장을 고려하지 않고 리포터 유전자를 선택하는 것입니다. 리포터 유전자 발현 수준은 생물 발광 분석에서 in vitro에서 높을 수 있지만, in vivo 설정으로 진행할 때 동일한 수준의 발현을 달성하지 못할 수 있습니다. 이 프로토콜에서는 617nm에서 빛을 방출하는 트리파노소마티드9에 대해 적색편이 Photinus pyralis luciferase (PpyRE9H)38 코돈 최적화 버전을 사용했으며, 이는 in vivo studies39에 가장 적합한 것 중 하나입니다. 600nm보다 긴 파장은 신체 내인성 발색단, 특히 헤모글로빈과 멜라닌에 의해 덜 흡수되고 산란됩니다. 따라서, 적색광은 수 센티미터의 조직을 통해 투과될 수 있어, 광자가 내장 조직(39,40) 내부에서도 CCD 카메라에 도달할 수 있게 한다.
이미징 설정에서 우려되는 한 가지 영역은 기능과 효과에 대한 포괄적인 이해가 부족하다는 것입니다. 전처리 기술인 비닝(Binning)은 인접한 검출기에서 획득한 정보를 더 큰 픽셀로 결합합니다. 이 프로세스는 신호 대 잡음 비율을 향상시켜 배경 소음을 줄이고 감도를 향상시킵니다. 그러나, 이는 공간 해상도 정확도를 감소시켜, 픽셀화된 이미지(41,42)를 생성한다. 이러한 절충은 이미징 전략에서 중요한 고려 사항입니다.
Chagas disease34에 대한 Target Product Profile 및 Target Candidate Profile을 기반으로 하는 개념 증명 연구는 T. cruzi 를 검출하기 위한 민감도에 중점을 두고 있으며 신약 후보가 멸균 치료(여러 번의 면역 억제 라운드 후 재발 부족으로 나타남)를 달성할 수 있는지 확인하는 데 도움이 됩니다. 따라서 이미지를 과포화하지 않고 가장 높은 비닝 팩터를 사용하여 BLI를 실행합니다. 이미지가 과포화되면 더 낮은 비닝 팩터를 사용하여 새로운 획득이 수행됩니다. 해석 중에는 다른 비닝이 필요한 이미지에 수학적 보정이 적용됩니다. 이렇게 하면 최종 데이터가 동일한 범주화를 사용하여 표시되어야 합니다. 표 1 은 동일한 이미지와 ROI에 고유한 비닝 팩터를 적용했을 때 얻은 다양한 값을 보여줍니다.
표 1: 비닝 설정이 BLI 정량화에 미치는 영향. 급성 모델(d13) 및 만성 모델(d118)의 이미지에 대한 세 가지 ROI의 정량화, 서로 다른 비닝 요인에서 분석됨. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66740/DaSilvaetal_Table1_Reviewed.xlsx" target="_blank">이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
현재 임상에서 샤가스병의 시나리오로 인해 약물 발견 노력은 기생충(기생충학적 치료)을 완전히 제거하는 것을 목표로 합니다27,34. 따라서 in vivo 전임상 프로토콜은 BLI 기술적 감수성의 한계를 극복하는 접근법을 포함하고 있습니다. 접근법 중 하나는 기생충 부하를 조절하는 면역 반응을 줄이기 위해 생쥐를 사이클로포스파마이드로 치료하는 것입니다. 또 다른 전략은 조직의 깊이를 줄이고 카메라로 가는 빛의 경로를 방해하는 근육, 피부 및 털 층을 제거하는 것입니다. ex vivo 절차를 통해 작은 생물 발광 반점을 감지하여 Posa로 처리한 마우스의 생체 외 결과인 그림 5C와 같이 생체 내 BLI 임계값 미만의 기생충 병소를 드러낼 수 있습니다.
모델 자체와 감염 역학을 평가하기 위한 파일럿 실험을 설계하는 것은 항기생충 약물 효능 평가를 위한 정확한 실험을 수립하는 데 중요합니다. 따라서 연구자는 적절한 BLI 설정과 감염 시간 경과를 미리 정의할 수 있습니다. 탐색적 실험에서 획득 설정을 정의하는 데 도움이 될 수 있는 도구 중 하나는 '자동 노출'입니다. 이 도구를 사용하여 연구원은 가능한 최상의 이미지를 얻기 위해 세 가지 설정(노출 시간, 비닝 및 F/스톱)의 우선 순위를 설정합니다. 특히, 연구자는 CCD 카메라의 다이내믹 레인지 내에서 이미지가 과포화나 노출 부족 없이 획득되도록 해야 하며, 이는 스케일의 최소 및 최대 제한과 자동 노출 기능(메뉴 편집 > 기본 설정 > 탭 획득 > 탭 자동 노출)을 통해 확인할 수 있습니다.). 이 프로토콜에서는 카메라 조리개를 최대값(F/Stop: 1)으로 설정하고 급성 및 만성 모델에 대해 서로 다른 노출 시간과 비닝 계수를 정의했습니다. 이러한 설정은 서로 다른 이미지 라운드를 동시에 수행할 수 있는 시간 예측 가능성을 제공합니다. 리포터 분석법이 효소 반응을 기반으로 한다는 점을 고려할 때, 마우스로의 기질의 생체 분포와 루시페라아제 역학은 모두 생물 발광 신호에 영향을 미치므로 감염 정량화에 영향을 미칩니다(그림 1B). 결과적으로, 효소 역학의 다양한 순간에 이미지를 획득하면 설명하거나 수정할 수 없는 데이터 변동성이 발생하고 총 플럭스(광자/초) 또는 광도(광자/초/cm2/스테라디안) 계산에 영향을 미칩니다. 게다가, T. cruzi 감염은 마우스에서 동적 공간 위치 지정(다양한 영역과 조직, 깊이, 기생충 부하)을 표시합니다. 따라서 획득할 counts 값을 설정하면 다른 강력한 신호 소스가 정의된 자동 노출 기준을 충족하는 경우 더 약한 신호 소스(조직의 더 깊은 특정 지점에 있는 적은 수의 기생충)를 놓칠 수 있습니다.
Living Image 소프트웨어의 까다로운 기능 중 하나는 획득한 이미지를 자동 컬러 스케일로 표시하는 것입니다. 선택한 스케일 값에 따라 새로 획득한 이미지를 자동으로 표시하도록 스케일을 사전 설정하는 옵션은 없습니다(프로토콜 단계 6.2 참조). 이러한 상황으로 인해 연구자는 이미지를 선택한 최대 및 최소 값으로 하나씩 수동으로 변경해야 합니다. 결과적으로, 경험이 없고 잘 훈련되지 않은 사용자는 획득 세션 중에 적절한 판독값을 얻지 못하며, 데이터를 오도하거나 해당 시점에서 중요한 정보를 잃을 수 있습니다. 이를 위해서는 파일럿 실험이 유익합니다.
개념 증명 실험 설계에 대한 가장 일반적인 질문 중 하나는 처리 기간과 용량을 선택하는 방법입니다. 새로운 화학 물질의 경우, 이러한 매개변수는 일반적으로 약물 대사 및 약동학(DMPK)에 의해 생성된 데이터 및 효능에 대한 생체 내 테스트 전에 수행된 내약성 연구와 함께 체외에서 화합물 효능 및 선택성에 의해 정의됩니다. 요약하면, 세포 내 기생충을 선택적으로 죽일 수 있는 화합물을 식별한 후 첫 번째 ADME 실험(흡수, 분포, 대사 및 배설)을 체외에서 수행하여 화합물의 수용성, 세포 투과성 및 대사 안정성을 추정합니다. 화합물이 in vitro 특성(일반적으로 표적 후보 프로필에 정의됨)의 양호한 균형을 보이는 경우, 이러한 후보 물질은 건강한 마우스를 대상으로 한 생체 내 약동학(PK) 연구로 진행되며, 이 연구는 혈액 내에서(그리고 아마도 조직에서도) 화합물 노출을 개략적으로 설명하고 다양한 용량 수준에서의 내약성에 대한 일반적인 아이디어를 제공합니다17, 34,43. 이상적으로, 대부분의 전염병에서 PK 평가의 목표는 충분히 오랜 기간 동안 EC50/EC90 농도(각각 기생충의 50% 또는 90%의 성장을 억제하거나 최소한 억제하는 유효 농도)보다 높은 유리 혈장 농도(혈장 단백질 결합에 대해 보정됨)에 도달할 수 있는 타당성을 결정하는 것입니다. 특정 용량 수준에서 충분한 노출이 이루어지면 이 요법은 Chagas BLI 모델을 사용하여 효능 연구 중에 사용할 수 있습니다. 약물 재배치 연구의 경우 in vitro 및 in vivo PK 데이터를 사용할 수 있어야 합니다. 약물 재현을 위한 좋은 시작은 PubChem45와 같은 화학 데이터베이스이며, 이는 allometric scaling46을 사용하여 마우스로 변환하여 테스트할 안전하고 무독성 치료 요법을 추정할 수 있는 인식된 데이터를 제공합니다. 그러나 항상 그런 것은 아닙니다. PK 연구는 여전히 학계에서 간과되는 분야이며 PK 결과를 발표하는 제약 회사는 거의 없습니다. 약물 발견 과학계는 약물 효능 분석(약력학)과 함께 in vivo PK 평가를 포함할 것을 권장합니다47. 따라서 전임상 이미징은 화합물 측정과 동시에 호환되며, 이러한 관련 접근 방식은 데이터 견고성을 향상시킵니다.
또한 쥐의 취급, 체중 및 건강 상태는 전체 실험 전반에 걸쳐 모니터링됩니다. 구부정, 떨림, 균형 상실, 움직이기를 꺼리는 태도, 먹이거나 마시는 것을 꺼리는 태도, 엎드리는 태도 또는 그룹 또는 개별 마우스 상태에 존재하는 기타 이상과 같은 독성 및 부작용의 징후는 전임상 연구에 등록하고 보고해야 합니다. 광학 이미징의 목표 중 하나는 동물의 복지를 보장하는 것입니다. 따라서, 인도적인 종점은 'Grimace scale48'에 기술된 통증 징후가 있는 마우스에 적용되어야 합니다. 또한, BLI 획득 중에는 마우스의 무게를 매주 측정했으며, 약물 투여 및 CTX 치료 중에는 더 자주 체중을 측정했습니다. 동물 복지 규정에 따라 체중이 20% 이상 감소한 쥐는 즉시 인도적으로 안락사시켜야 합니다.
T. cruzi 생물 발광 모델은 현재 샤가스병에 대한 새로운 치료법의 발견 및 개발을 위한 최첨단 실험 모델입니다. T. cruzi 감염 및 샤가스병49의 주요 특징을 복제하는 모델로, 기생충혈증을 실시간으로 모니터링하고 알려진 작용 방식과 관련된 다양한 효능 프로필을 가진 화합물을 구별할 수 있습니다. BLI는 감염된 조직을 식별하는 데 있어 적극성을 향상시키는 기술입니다. 이를 통해 감염된 조직의 정확한 선택이 T. cruzi 연구50,51에서 이미 적용된 모든 고전적인 방법을 포함하여 광범위한 접근법에서 사용될 수 있습니다. 또한 연구원들은 최첨단 기술을 탐색하고 새로운 기술을 개발할 수 있습니다33. 또한 BLI는 3R 원칙10,35에 따라 동물의 복지 향상과 보다 합리적인 사용을 동시에 제공합니다.
소외된 열대성 질병에 초점을 맞춘 여러 연구 그룹은 생체 내 이미징 장치를 사용할 수 없는 국가에 배치되어 있습니다. 현재의 상황을 극복하기 위해 글로벌 바이오이미징(Global BioImaging) 및 관련 컨소시엄과 같은 새로운 국제 네트워크는 이미징 핵심 시설에 대한 개방적인 접근을 제공하고 직원 및 이미징 과학자의 교육을 개선하기 위한 조치를 촉진합니다52,53. 이와 같은 친근한 사용자 프로토콜과 함께 이러한 이니셔티브는 모든 연구자에게 고급 기술을 민주화할 수 있는 조건을 제공할 수 있습니다. 전임상 약물 발견에서 이 방법을 구현하면 임상 결과의 확실한 효능 판독 및 예측 가치를 제공하여 샤가스병에 대한 약물 발견을 촉진할 수 있습니다.

샤가스병은 라틴 아메리카의 풍토병으로 전 세계적으로 약 700만 명이 감염되고 있습니다1. 매년 50,000명 이상의 사망자와 약 70억 달러의 경제적 손실이 이 질병의 무력화로 인해 발생합니다2. 샤가스병은 원생동물인 트리파노소마 크루지(Trypanosoma cruzi)에 의해 발생하며, 이 기생충은 미주 지역의 포유류(야생 및 가축)와 삼중아토 매개체(Hemiptera, Reduviidae)3를 감염시킬 수 있는 기생동물입니다. 다른 중요한 감염 경로로는 수혈, 장기 이식, 경구(감염된 트리아토민에 오염된 음식 섭취)4 및 선천적 전염이 있습니다. 비벡터적 전염 경로는 샤가스병이 비풍토병 지역으로 확산되는 데 기여했다 3,5.
샤가스병은 두 가지 임상 단계로 나타납니다. 급성기는 대부분의 경우 무증상입니다. 증상 감염은 일반적으로 발열, 피로, 근육통, 림프절 병증, 비장 종대증 및 간비대와 같은 비특이적 징후와 관련이 있습니다. 급성기는 또한 종종 특허 기생충 혈증 및 기생충의 전신 순환과 관련이 있습니다. 진단된 사례의 최대 10%에서 사망이 발생할 수 있으며, 특히 구강 감염으로 인한 경우 사망이 발생할 수 있다6. 만성 단계는 종종 증상이 장기간 없는 것이 특징입니다. 시간이 지남에 따라 수십 년 전에 감염된 환자의 약 1/3이 심장 증상을 보이며, 일반적으로 섬유증 및 심근 염증 및/또는 주로 거대식도 및/또는 거대결장 증후군의 발병과 관련된 위장 장애를 동반합니다 3,5,6.
샤가스병의 병인학적 치료는 벤즈니다졸(benznidazole)과 니푸르티목스(nifurtimox) 두 가지 약물로 구성되어 있습니다. 이러한 항기생충제는 50년 이상 사용되어 왔으며 상당한 독성과 제한된 효능을 가지고있습니다 5,7,8. 따라서 샤가스병 환자를 위한 새롭고 안전하며 효과적인 치료법을 개발해야 할 필요성이 시급합니다.
보다 정교하고 정확한 기술을 통해 샤가스병에 대한 새로운 치료법을 찾는 데 진전을 이룰 수 있는 오래된 질문에 대한 답을 얻을 수 있습니다. 이러한 의미에서 과학계는 감염 과정에 대한 생체 내 연구 및 약물 효능 평가 9,10,11,12를 위해 유전자 변형 기생충으로부터 큰 이익을 얻습니다. 생물발광 이미징(BLI) 시스템을 기반으로 한 종단 분석은 치료 요법 중 및 치료 요법 후에 효능을 평가할 수 있도록 하여 트리파노시스 활성을 가진 화합물을 식별할 수 있습니다10,13. BLI 방법은 적색 편이 반딧불이 루시페라아제12를 구성하는 유전자 변형 T. cruzi CL Brener Luc::Neon 계통11에 의해 생성된 빛의 정량을 통해 순환 또는 조직 및 장기의 기생충 부하를 직접 측정합니다.
그럼에도 불구하고 샤가스병 BLI 동물모델 및 약물 효능 연구가 확립된 지 거의 10년이 지났지만 소수의 연구 그룹만이 이 기술을 지배하고 있습니다. 이러한 사실은 적절한 이미징 장비에 대한 접근성이 떨어질 뿐만 아니라 구조화되고 상세한 프로토콜에 대한 교육 및 가용성이 부족하기 때문입니다. 이 방법은 현미경, 혈청학 또는 qPCR에 의한 기생충 DNA 검출을 통한 기생충혈증 평가에 의존하는 다른 접근법에 비해 몇 가지 이점을 제시하는데, 이는 생체 내에서 보다 강력하고 통합된 데이터를 생성할 수 있는 가능성을 통해 생쥐의 웰빙을 개선하고 동물 사용을 줄일 수 있기 때문입니다. 더욱이, 이 방법은 약물 치료 후 내장 장기의 기생충 병소를 즉시 감지할 수 있기 때문에 틀림없이 더 민감합니다10,12. 따라서 이 프로토콜은 기생충학 및 기타 전염병에 대한 연구 그룹이 기술 절차를 자세히 설명하여 실험실에서 이 방법론을 확립하도록 안내하는 것을 목표로 합니다. 여기에서는 DNDi(Drugs for Neglected Diseases initiative)가 주관하는 약물 발견 노력의 일환으로 라틴 아메리카 최초로 브라질에서 샤가스병 BLI 모델을 구현하여 얻은 경험을 공유합니다.

<table><tbody><tr><td>BD LSRFortessa&trade; X-20 세포 분석기</td><td>BD Biosciences</td><td></td><td></td></tr><tr><td>체중 저울 (동물 시설)</td><td>여러 공급 업체</td><td></td><td></td>에서 사용 가능</tr><tr><td>IVIS Spectrum In Vivo 이미징 시스템</td><td>Revvity (이전 PerkinElmer)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>FlowJ 소프트웨어 v10.7.1</td><td>BD Biosciences</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Living Image Software for Spectrum v4.7.1</td><td>Revvity (이전 PerkinElmer)</td><td></td><td>'Aura Imaging'이라는 라이선스 무료 분석 소프트웨어는 Spectral Instruments Imaging (Bruker company) (https://spectralinvivo.com/software/)</td></tr><tr><td>Microsoft Office 소프트웨어</td>, <td>Microsoft</td><td></td><td></td></tr><tr><td>GraphPad Prism v8.4.0</td>, <td>GraphPad Software, Inc.</td>에서 제공하는 가장 기본적인 기능에 사용할 수 있습니다.<td></td><td></td></tr><tr><td>DMEM 저포도</td>당 <td>시험관 세포</td><td>D0025</td><td></td></tr><tr><td>중탄산나트륨</td><td>시그마-알드리치</td><td>S5761-500G</td><td></td></tr><tr><td>소 태아 혈청(FBS)</td><td>Gibco</td><td>16000-044</td><td></td></tr><tr><td>페니실린-스트렙토마이신</td><td>Gibco</td><td>15140-122</td><td></td></tr><tr><td>트립신 0.5% EDTA</td><td>Gibco</td><td>25300-062</td><td></td></tr><tr><td>LIT 배지</td><td>In 하우스</td><td></td><td></td></tr><tr><td>하이그로마이신 B (50 mg/mL)</td><td>Gibco</td><td>10687010</td><td></td></tr><tr><td>그레이스&프라임; s 곤충 매체</td><td>시그마-알드리치&nbsp;</td><td>G9771</td><td></td></tr><tr><td>HEPES</td><td>시그마-알드리치&nbsp;</td><td>54457</td><td></td></tr><tr><td>IVISBrite d-luciferin potassium salt</td><td>Revvity (이전 PerkinElmer)</td><td>122799</td><td>또한 사용할 수 있습니다 : VivoGlo Luciferin, 생체 내 등급 (Promega / P1043); D-루시페린, 모노칼륨 염(Thermo Scientific/88293) 또는 피어스D-루시페린, 모노나트륨* 염(Thermo Scientific/88291); D-Luciferin, 칼륨 소금 (GoldBio/LUCK 또는 eLUCK); D-Luciferin, 나트륨* 염 (GoldBio/LUCNA 또는 eLUCNA) *나트륨 또는 칼륨 염의 차이는 용해도에 대한 최소한의 가능성에 의존하지만, 생체 내 성능에는 영향을 미치지 않습니다.&nbsp;</td></tr><tr><td>DPBS</td><td>Gibco</td><td>21600-044</td><td></td></tr><tr><td>시클로포스파미드(CTX)</td><td>시그마-알드리치</td><td>C0768-5g</td><td></td></tr><tr><td>디메틸설폭사이드(DMSO)</td><td>시그마-알드리치</td><td>D5879</td><td></td></tr><tr><td>(하이드록시프로필)메틸셀룰로오스(HPMC)</td><td>시그마-알드리치</td><td>09963-25G</td><td></td></tr><tr><td>벤질 알코올</td><td>시그마-알드리치</td><td>402834</td><td></td></tr><tr><td>트윈 80</td><td>시그마-알드리치&nbsp;</td><td>P1754-1L</td><td></td></tr><tr><td>Benznidazole</td><td>ELEA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Posaconazole (Noxafil commercial formulation)</td><td>Schering-Phough</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Giemsa</td><td>여러 공급업체</td><td></td><td></td>에서 사용 가능한</tr><tr><td>gavage 바늘 (스테인리스 스틸 스트레이트) - 22GA</td><td>Aton</td><td>&nbsp; CA2003</td><td></td></tr><tr><td>1 mL 주사기 및 31G 바늘</td><td>여러 공급업체</td><td></td><td></td>에서 사용 가능</tr><tr><td>1 mL 주사기 및 제거 가능한 26G 바늘</td><td>여러 공급업체</td><td></td><td></td>에서 사용 가능</tr><tr><td>1 mL 주사기 및 제거 가능한 24G X&frac34; 여러</td><td>공급업체</td><td></td><td></td>에서 사용 가능한</tr><tr><td>바늘 멸균 주사기 필터 0.2 &micro; m</td><td>여러 공급업체</td><td></td><td></td>에서 구매 가능</tr><tr><td>A4 매트 블랙 용지 120gr 이상 두꺼운</td><td>종이 색상/ 캔슨(여러 공급업체에서 구매 가능)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>알루미늄 호일</td><td>여러 공급업체</td><td></td><td></td>에서 구매 가능</tr><tr><td>Neubauer 챔버</td><td>여러 공급업체</td><td></td><td></td>에서 구매 가능</tr></tbody></table>

약물 효능 연구를 위한 샤가스병 마우스 모델의 in vivo bioluminescence 이미징 demystifying in vivo bioluminescence coaching

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

샤가스병, 리슈마니아증, 인간 아프리카 트리파노소마증과 같은 인간 원생동물 질병이 공중 보건에 미치는 영향을 통제하고 줄이기 위해서는 신약 및 백신 개발을 가속화해야 합니다. 그러나 이 과정은 매우 복잡한 기생충 생물학 및 질병 발병 기전과 같은 어려움으로 가득 차 있으며, 소외된 열대성 질병의 전형적인 경우와 같이 연구 개발을 위한 자금이 상대적으로 제한적입니다. 따라서 감염 및 질병의 주요 특징을 충분히 재현할 수 있는 동시에 자원을 합리적으로 사용할 수 있는 in vitro 및 in vivo 연구 모델은 이러한 질환에 대한 연구를 진행하는 데 필수적입니다. 한 가지 예는 샤가스병에 대한 생체 내 생물발광 이미징(BLI) 마우스 모델로, 루시페라아제를 발현하는 트리파노소마 크루지 기생충에 의해 생성된 장파장의 빛을 매우 민감하게 감지합니다. 이 기술이 생체 내 약물 효능에 대한 표준 접근 방식이 되었음에도 불구하고, 연구 그룹은 적절한 BLI 장비를 쉽게 구할 수 있는 경우에도 장비 취급 및 품질 관리 절차의 적용에 대한 적절한 실습 교육이 부족하기 때문에 여전히 이를 구현하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다. 이 시나리오를 고려할 때, 이 프로토콜은 샤가스병 또는 기타 전염병 마우스 모델에 대한 BLI에 대한 경험이 거의 또는 전혀 없는 연구 그룹에서 프로토콜의 구현을 용이하게 하는 세부 정보와 함께 실험 계획에서 데이터 수집 및 분석에 이르기까지 안내하는 것을 목표로 합니다.

루시페라아제(luciferase)를 구성하는 형질전환 기생충에 기초한 적절한 마우스 모델을 사용하면, 숙주에 대한 해를 최소화하는 주요 인간 T. cruzi 감염 특징을 재현할 수 있으며, 숙주의 전신 BLI를 통해 최대 수개월 동안 종적(평생) 방식으로 기생충을 실시간으로 추적할 수 있다12.
그림 3 은 BALB/c 마우스에서 감염 후 1일째부터 150dpi까지의 CL Brener Luc::Neon 감염 시간 경과를 보여주는 파일럿 실험을 보여줍니다. 처음 20dpi에서는 생물 발광 추론 기생충 부담이 증가하며, 이는 기생충 혈증 피크의 전형적인 증상이며, 그 후 생쥐의 면역 조절로 인해 기생충 부하가 급격히 감소합니다. 따라서 감염의 급성 단계는 처음 50dpi로 간주됩니다. 만성 단계는 감염이 100-150dpi의 일정한 생물 발광 속도에 도달할 때 정의됩니다.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66740/66740fig03v2.jpg"> 그림 3: 모델 이해. BALB/c 마우스에서 Trypanosoma cruzi CL Brener Luc::Neon 감염의 동역학(n = 11). 상단 패널: 복강 내 주입에 의한 1 x 10³ 혈류 트리포유스트고테를 사용한 감염 후 150일(dpi) 동안 서로 다른 시점의 복부 및 등쪽 생물 발광 이미지. 방사(p/s/cm2/sr)의 생물 발광 신호의 히트맵 스케일(로그10). 색상 코드: 보라색 = 5 x 103; 빨간색 = 1 x 107. 하단 패널: 전신 마우스의 Total Flux(p/s)에서 생물 발광 신호 정량화. 데이터는 평균(선)과 표준 편차(음영 영역)로 표현됩니다. 이 마우스 모델에서 급성 및 만성 감염 단계에 대해 정의된 기간은 주황색으로 강조 표시됩니다. 감염되지 않은 마우스의 발광 평균 값(n = 3)은 임계값(연한 회색 선)으로 표시됩니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66740/66740fig03large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
감염의 주요 단계가 마우스 모델에서 잘 재현되기 때문에 치료 결과도 예측할 수 있습니다. 따라서, BLI는 이제 화합물 효능 잠재력과 개발 파이프라인(10,27)에서의 진행에 대한 의사결정을 지원하는 개념 증명 연구를 통해 중개 과학에 적용되고 있다. 급성 마우스 모델에서 경구 치료는 감염이 혈류에 많은 수의 트리포마스티고테(약 1 x 105 trypomastigotes/mL - 데이터 표시되지 않음) 및 전신 감염을 특징으로 하는 기생충혈증 피크(약 14-21dpi)에 도달할 때 시작해야 합니다. 만성 단계에서 마우스 처리는 기생충 부하가 비교적 훨씬 낮을 때 100dpi에서 시작되며 안정적인 하위 특허 기생충이 있습니다.
항기생충제 평가에서 상술한 프로토콜의 적용을 입증하기 위해, 샤가스병 치료에 사용되는 표준약물인 벤즈니다졸(BZ)과 샤가스병 치료제에 대한 임상시험에서 실패하고 T. cruzi에 대한 항기생충제로서도 효과가 없는 것으로 밝혀진 포사코나졸(Posa)의 치료 효능을 비교했다 , 이 프로토콜 13,18,28,29,30에 설명된 BLI 모델을 포함합니다.
급성 마우스 모델의 경우, 그룹당 6마리의 마우스로 구성된 코호트는 1일 1회 Posa(20mg/kg) 또는 BZ를 100mg/kg으로 20일 동안 gavage31 에 의해 경구 투여했습니다. 마우스는 또한 짧은 치료의 효과를 평가하기 위해 하루에 한 번 100mg/kg으로 5일 동안 BZ로 치료했습니다. 화합물 제거 후(치료 종료 후 10일), BLI 음성 마우스는 기생충학적 치료가 달성되지 않을 때 감염 재발을 촉진하는 상태인 면역을 억제했습니다(그림 4A). Posa 처리는 치료 종료 시 생물발광 추론 기생충 부담이 99.49% ± 0.27%(평균 ± 표준 편차) 감소했으며 약물 화합물 제거 기간 동안 감염되지 않은 마우스와 유사한 수준으로 유지되었습니다(40dpi에서 과도 신호를 가진 마우스 #3 및 44dpi에서 약한 BLI 반점을 보인 마우스 #2 제외). 치료하지 않은 그룹에 비해 20일 동안의 BZ 치료는 치료 종료 시 생물발광 추론 기생충 부담을 100% ± 0.01% 감소시켰습니다. 이에 반해, BZ를 5일간 짧게 처리한 결과, 19dpi에서 99.98% ± 0.03% 감소(역치 수준과 유사)가 나타났다. 그러나 이 경우 BLI 감소는 일시적이었고 후속 획득에서 모든 마우스가 감염 재활성화를 나타냈습니다(그림 4B).
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66740/66740fig04v3.jpg"> 그림 4: 샤가스병 급성 모델에서 생물발광 이미징으로 얻은 개념 증명 실험 설계 및 결과. (A) 화합물 효능 평가를 위한 전임상 연구를 위한 급성 샤가스병 마우스 모델의 타임라인 프로세스 개략도. 검은 점: 이미징 시점. 약 플라스크와 오렌지 바: 각각 치료 시작과 끝. 주사기 아이콘: cyclophosphamide injections. DPI: 감염 후 일. 색상 코드: 회색 = 치료되지 않은 감염; 주황색 = 치료 기간; 파란색 = 화합물 제거 단계; 노란색 = 면역 억제 기간. (B) 트리파노소마 크루지(Trypanosoma cruzi)의 치료 경과. 왼쪽 패널: (i) (ii) 포사코나졸(Posa)을 20mg/kg, (iii) 벤즈니다졸(BZ)을 100mg/kg으로 20일 동안 처리한 후 (iv) 100mg/kg으로 5일 동안 처리한 BZ(n = 6/그룹)로 처리하지 않거나 20일 동안 처리한 BALB/c 마우스의 복부 생물 발광 이미지. 모든 치료는 하루에 한 번 gavage(10mL/kg)로 경구 투여했습니다. 로그10 스케일 히트맵은 낮은 수준(파란색)에서 높은 수준(빨간색)까지의 생물 발광 신호 강도를 나타냅니다. 오른쪽 그래프: 생물 발광 이미징 데이터의 전신 정량화. 데이터는 평균(선)과 표준 편차(음영 영역)로 표현됩니다. 키 : 약 플라스크 : 치료 시작 (14dpi); 주황색 막대: 처리 끝(18dpi/33dpi); 주사기 아이콘 사이클로포스파마이드 주사(44-53일째부터); 주황색 점: 생체 외 절차로 분석된 마우스; § 소변에서 D-루시페린 누출로 인해 제외된 데이터. (C) 장기 및 조직에서 T. cruzi 병소 검출을 위한 생체 외 절차. 플레이트 분포 키는 그림 하단에 표시됩니다(BioRender.com: ZY26LG8AOF로 생성됨). 생체 내 패널에 표시된 것과 동일한 광도 스케일. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66740/66740fig04largev2.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
이 모델에서 항기생충 처리는 기생충 부하를 1000개의 기생충의 BLI 검출 한계 이하로 줄일 수 있습니다. 따라서 마우스는 BLI 음성10으로 나타납니다. 기생충학적 치료가 달성되었음을 보장하기 위해서는, 사이클로포스파마이드 처리를 사용하여 마우스의 면역억제를 촉진하는 것이 필요하다29,32. 약물 처리 후에도 여전히 검출할 수 없는 기생충 부하가 있는 마우스는 면역 억제 후 BLI 양성이 됩니다. 이 효과는 기생충 재발을 촉진하는 급성 모델에서 Posa 치료에 의해 더 광범위하게 나타납니다. 이 실험에서는 기생충 조직 영양성을 평가하기 위해 생체 발광 신호가 가장 낮은 마우스에서 ex vivo 절차를 수행했습니다(그림 4C). 처리하지 않은 마우스는 특히 위장관(TGI) 및 내장 지방 및 장간막과 같은 관련 조직에서 강력한 생체 발광 신호를 보여줍니다. 또한, 피부는 기생충 지속성과 관련된 부위였습니다. Posa로 처리한 마우스는 결장, 장간막 및 내장 지방에 더 국한된 저강도 생물 발광 반점을 나타냈습니다. 반면에, 20일 동안 BZ 100mg/kg과 같은 치료 치료 요법으로 치료된 마우스에서는 면역 억제 상태에서도 생체 발광 신호가 감지되지 않았습니다. 따라서, 생체 발광 신호가 1000 기생충10의 임계 수준 이상으로 상승하는 조건을 촉진하고, 내장 기관을 노출시킴으로써 민감도를 높인 후, BZ 100 mg/kg을 20일간 투여하는 것이 무균 치료를 제공하는 것으로 생각된다. 멸균 경화의 평가는 이전에 다양한 기술 10,13,17,33,34에 의해 검증되었습니다.
유사한 연구 설계가 만성 모델(그림 5A)에 적용되었으며, 감염 후 100일째에 마우스(n = 6/그룹)가 치료를 시작했습니다. 이 시점에서 Posa 20mg/kg, BZ 100mg/kg 또는 10mg/kg을 1일 1회 20일 동안 경구 투여했습니다. 약물 제거 기간이 지난 후, BLI 음성 마우스는 면역 억제되었습니다. 또한, 멸균 치료를 평가하기 위해, 면역억제 단계가 끝날 때 여전히 BLI 음성인 마우스를 생체 외 분석을 실시했습니다.
만성 감염에서 20mg/kg의 Posa를 투여한 결과, 치료 종료 시 생물발광 추정 기생충 부담이 95.03% ± 6.18% 감소하였으며, 약물 제거 기간 동안 감염되지 않은 마우스와 비슷한 수준으로 유지되었다. 면역억제 후, 대다수의 마우스는 다양한 수준의 BLI 신호 및 분포를 보여주었습니다(그림 5B). Ex vivo 절차에서 Posa로 처리한 한 전신 BLI 음성 마우스는 ex vivo 검사를 통해 검출할 수 있는 결장에 생체 발광 반점이 있음이 밝혀졌습니다(그림 5C).
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66740/66740fig05v3.jpg"> 그림 5: 생물발광 이미징에 의한 트리파노소마 크루지 감염의 만성 모델에서 달성된 약물 평가 실험 설계 및 결과. (A) 만성 샤가스병 마우스 모델의 실험 설계 개략도. 검은 점: 이미징 시점. 약 플라스크와 오렌지 바: 각각 치료 시작과 끝. 주사기 아이콘: cyclophosphamide injections. Dpi: 감염 후 일. 색상 코드: 회색 = 치료되지 않은 감염; 주황색 = 치료 기간; 파란색 = 화합물 제거 단계; 노란색 = 면역 억제; 라일락 = 재발. (B) 샤가스병 만성 모델에서 치료 효능의 종단 평가. 왼쪽 패널: BALB/c 마우스의 복부 BLI (i) 20mg/kg에서 (ii) 포사코나졸(Posa)로 20일 동안 치료하지 않거나 처리함; (iii) 100mg/kg의 벤즈니다졸(BZ) 및 (iv) 10mg/kg의 BZ(n = 6/그룹). 모든 치료는 하루에 한 번 gavage로 경구 투여되었습니다. 오른쪽 그래프: ventral and dorsal total flux raw data의 합계. 키 : 약 플라스크 : 치료 시작 (102dpi); 주황색 막대: 처리 끝(121dpi); 노란색 막대 및 주사기 아이콘: 사이클로포스파마이드 주사(131-142일). 주황색 점: 생체 외 절차로 분석된 마우스. ! 마우스는 마취 중에 사망했습니다. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/66740/66740eq01.jpg" style="margin: auto;"> 쥐는 복부 이상을 표시합니다. 히트맵 스케일(로그10)은 낮은 수준(3 × 10,5, 파란색)에서 높음(1 × 10,7, 빨간색)까지 광도 단위의 생물 발광 강도를 나타냅니다. (C) 조직 내 T. cruzi tropism의 생체 외 분석. 100mg/kg에서 Posa 및 BZ로 처리한 후 면역억제된 in vivo BLI 음성 마우스 또는 10mg/kg 그룹에서 비처리 및 BZ에서 가장 낮은 신호를 가진 마우스에서 절제된 장기의 생물 발광 검출. 플레이트 분포 키는 그림 하단에 표시됩니다(BioRender.com: ZY26LG8AOF로 생성). 래디언스 스케일은 in vivo 패널과 동일합니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66740/66740fig05largev2.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
100mg/kg에서 BZ로 처리하면 생물 발광이 122dpi에서 임계값 수준(93.87% ± 2.14%)으로 감소하고 실험이 끝날 때까지 계속되었습니다. 체외 분석을 고려할 때, BZ는 면역 억제 및 내부 장기를 검사한 후에도 생체 발광 신호가 반환되지 않았기 때문에 100%(6/6 마우스)의 치료율을 달성했습니다. 그것은 재발이 없다는 것을 의미합니다. 그럼에도 불구하고, 더 낮은 농도의 BZ 처리 요법은 생물 발광의 약간의 감소(85.95% ± 18.43%)를 가져왔지만, 마우스가 모든 후속 시점에서 감지 가능한 생물 발광 신호 병소를 계속 보였기 때문에 치료법은 없었습니다. 따라서, 이 모델은 비효율적인 치료(포사코나졸 및 벤즈니다졸을 사용한 차선의 치료)와 효과적인 치료(벤즈니다졸을 사용한 최적의 투여 및 치료 기간) 간의 정량적 구별을 허용합니다.
보충 그림 1: 리포터 유전자 mNeonGreen 형광 측정에 의한 루시페라아제의 T. cruzi 집단 발현의 감염 전 분석. CL Brener Luc::Neon 기생충에 의해 구성적으로 발현되는 mNeonGreen 형광 단백질의 유세포 분석. mNeonGreen 형광 강도(X축)에 의한 기생충 수(Y축)의 정규화된 히스토그램. 내부 범례는 분석된 균주 및 형태, 형광 중앙값 및 형광 집단의 백분율을 보여줍니다. 게이트 라인은 CL Brener 야생형(WT) 변형에 의해 비형광 제어로 정의됩니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66740/daSilvaetal_Supplemental_Figure%201.zip" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 표 1: BLI 측정에서 분석 표의 예. 그림 4B에 표시된 대표 결과에 사용된 급성 모델에서 감염 후 19일째의 생물발광 이미징 정량화에서 얻은 원시 데이터. 그룹 설명: 감염되지 않은 마우스로 대조군(n = 3/그룹); 치료되지 않은 감염된 마우스로서의 차량; 20일 동안 20mg/kg에서 포사코나졸(Posa); 20 일 동안 100 mg / kg에서 벤즈니다졸 (BZ); 100일 동안 치료된 5mg/kg의 BZ(n = 6/그룹). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66740/daSilvaetal_Supplemental_Table1.zip" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>

여기에 제공된 프로토콜은 데이터 수집, 분석 및 해석에 중점을 두고 트리파노소마 크루지 감염의 생물 발광 모델에서 약물 효능 연구를 수행하기 위한 자세한 단계를 설명합니다. 기술적 문제를 최소화하기 위한 문제 해결 및 품질 관리 절차도 제공됩니다.

약물 효능 연구를 위한 샤가스병 마우스 모델의 In Vivo Bioluminescence 이미징 Demystifying In Vivo Bioluminescence Coaching

To control and decrease the public health impact of human protozoan diseases such as Chagas disease, leishmaniasis, and human African trypanosomiasis, ...

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Research

연구

JoVE Journal

Immunology and Infection

면역학 및 감염학

라이브 호스트에 트렌스 제닉 Leishmania의 기생충의 생체내 이미징에서

소설로 루시 페라 제 및 생체 이미징 시스템 (IVIS)에서를 활용하면 임상 개발가 발생하기 전에 질병 끝점을 식별 할 수 의미합니다. IVIS은 우리가 미래 연구를위한보다 정확한 질병 모델을 제공 실시간으로 여러 일 동안 encephalitic 바이러스의 침입을 시각화 할 수 있습니다. 또한 우리는 신속하게 현재 활용 동물 모델보다 antivirals과 백신의 잠재적 인 보호 기능을 식별 할 수 있습니다. 여러 시간 지점을 통해 개인 동물을 활용하는 기능은 감소 동물의 요구 사항, 비용, 질병 연구의 더 인간적 더 과학적인 수단을 확보 활용 동물 전반적인 질병을 보장합니다.

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