Artykuł metodologiczny

Wizualizacja testu resazuryny agarowej z węglem drzewnym do półilościowego, średnioprzepustowego oznaczania liczby prątków

DOI:

10.3791/54690

⸱

14 grudnia 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Departments of Microbiology & Immunology, Weill Cornell Medical College, 2Medicine, Weill Cornell Medical College

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Próba CARA) to półilościowa, średnio przepustowa metoda oceny aktywności badanych agentów przeciwko prątkom, które się replikują, nie replikują, lub jedno i drugie. CARA pozwala na szybką ocenę aktywności zależnej od czasu i stężenia oraz identyfikuje parametry, które należy realizować za pomocą testów jednostek tworzących kolonie (CFU).

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Istnieje pilna potrzeba odkrycia i rozwoju leków przeciwinfekcyjnych, które skracają czas leczenia gruźlicy (TB). Mycobacterium tuberculosis, czynnik etiologiczny gruźlicy, jest oporny na szybką i długotrwałą chemioterapię ze względu na obecność pałeczek wykazujących fenotypową oporność na leki. Test naobecność węglu iesazuryny (CARA) został opracowany jako narzędzie do charakteryzowania aktywnych cząsteczek odkrytych w wyniku wysokoprzepustowych kampanii przesiewowych przeciwko replikującym się i niereplikującym M. tuberculosis. Włączenie węgla aktywnego do bakteriologicznego podłoża agarowego pomaga złagodzić wpływ przenoszenia związków i eliminuje konieczność wstępnego rozcieńczania komórek przed wykryciem na mikropłytkach CARA. Po 7-10 dniowym okresie inkubacji w temperaturze 37 °C, redukcja rezazuryny przez mikrokolonie prątków rosnące na powierzchni dołków mikropłytkowych CARA pozwala na półilościową ocenę liczby bakterii za pomocą fluorometrii. CARA wykrywa około 2-3 log10 różnicy w liczbie bakterii i przewiduje minimalne stężenie bakteriobójcze prowadzące do ≥99% zabicia bakterii (MBC≥99). CARA pomaga określić, czy cząsteczka jest aktywna na prątki, które się replikują, nie replikują, czy też oba te elementy. Eksperymenty pilotażowe z wykorzystaniem CARA ułatwiają określenie, jakie stężenie badanego czynnika i czas ekspozycji na związek wymagają dalszej oceny za pomocą testów jednostki tworzącej kolonie (CFU). Ponadto CARA może przewidzieć, czy replikujące się substancje czynne są bakteriobójcze czy bakteriostatyczne.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Mycobacterium tuberculosis, czynnik etiologiczny gruźlicy, może przetrwać w organizmie gospodarza w stanie utajonym, który jest oporny na zwalczanie antybiotyków. Uważa się, że fenotypowa (niegenetyczna) oporność M. tuberculosis podczas infekcji jest częściowo spowodowana populacjami niereplikujących się pałeczek1,2. Osoby utrzymujące się w klasie I wykazujące fenotypową oporność na leki powstają w wyniku rzadkich mechanizmów stochastycznych w dużych populacjach komórek wrażliwych na leki3,4. Osoby utrzymujące się na długo utrzymujące się w klasie II stają się niereplikujące się pod wpływem czynników odporności gospodarza, w tym stresu zewnętrznego w mikrośrodowiskach napotkanych podczas infekcji. Niedawno opracowaliśmy model in vitro niereplikującej się trwałości klasy II, aby naśladować warunki, z którymi boryka się M. tuberculosis w aktywowanych makrofagach i ziarniniakach. Model wielostresowy trwałości klasy II obejmuje warunki, które spowalniają wzrost, takie jak źródło węgla w kwasach tłuszczowych i całkowicie zatrzymują wzrost, takie jak łagodna kwasowość (pH 5,0), niedotlenienie (1%O2) oraz tlenek azotu i inne reaktywne produkty pośrednieazotu 5-9. Badania przesiewowe na dużą skalę z wykorzystaniem tego wielostresowego modelu niereplikacji i innych modeli niereplikujących klasy II dały różnorodne cząsteczki, których aktywność jest skierowana przeciwko stanowi niereplikującemu5-7,9-18. Te same niereplikujące się badania przesiewowe ujawniły również kategorię cząsteczek, które wykazują aktywność zarówno przeciwko replikującym, jak i niereplikującym się pałeczkom, określaną jako "podwójne substancje aktywne"7,10,12,19,20.

Odkrycie leku przeciwbakteryjnego w fazie hit-to-lead pociąga za sobą obszerną charakterystykę cząsteczek kandydujących w celu wyboru potencjalnych źródeł do rozszerzenia trafienia, wstępną charakterystykę farmakologiczną, identyfikację celu i wstępne badania skuteczności in vivo. Na wczesnym etapie leki przeciwinfekcyjne klasyfikuje się na podstawie ich bakteriostatycznego lub bakteriobójczego mechanizmu działania, a jeśli są bakteriobójcze, to czy zabicie bakterii zależy od czasu i/lub stężenia. Test jednostki tworzącej kolonię (CFU) jest klasyczną, złotą metodą standardu w odpowiedzi na te pytania. W teście CFU bakterie są poddawane działaniu czynnika testowego, po czym podwielokrotności są usuwane, seryjnie rozcieńczane, a podwielokrotności rozcieńczeń rozprowadza się na stałym podłożu bakteriologicznym i inkubuje, aby umożliwić wzrost komórek, które przeżyły. Na koniec wylicza się kolonie bakterii. Test CFU wymaga dużej liczby płytek mikromiareczkowych do rozcieńczenia komórek i płytek Petriego zawierających agar do zliczenia kolonii, które przeżyły. Test CFU dla wolno rosnących prątków jest utrudniony przez ich powolny czas generacji (18-24 godziny), który wymaga około 3 tygodni, aby kolonie pojawiły się na płytkach. Ponadto przestrzeń w inkubatorach jest często ograniczona w specjalistycznych obiektach o poziomie bezpieczeństwa biologicznego 3.

Chociaż są uciążliwe, testy CFU są złotym standardem do scharakteryzowania wpływu niereplikujących się i podwójnie aktywnych cząsteczek na prątki. Testy niereplikujące są obarczone wysokimi wskaźnikami wyników fałszywie dodatnich, ponieważ wiele z nich jest sprzężonych z testami replikującymi w celu oceny żywotności komórek6-8. Na przykład związek, który ma silną aktywność przeciwko replikacji M. tuberculosis ("substancja czynna replikująca") może nie zabijać podczas testu bez replikacji, ale nadal może zabijać dzięki przeniesieniu z fazy niereplikacji testu do fazy odzyskiwania testu, która jest przeprowadzana w warunkach sprzyjających replikacji ("warunki replikacji"). Przenoszenie związków dodatkowo komplikuje analizę podwójnie aktywnych cząsteczek, utrudniając rozróżnienie, czy aktywność była replikująca, niereplikująca, czy podwójna.

Aby rozwiązać problemy opisane powyżej, opracowaliśmy test CARA, który umożliwia szybkie, półilościowe liczenie gatunków prątków, takich jak M. tuberculosis, M. bovis BCG i M. smegmatis7 (Rysunki 1 i 2). W roztworach buforowych in vitro węgiel aktywny szybko sekwestruje większość standardowych leków stosowanych w leczeniu gruźlicy7. Węgiel aktywny w mikropłytkach CARA wiąże związki, które mogą przenosić się z mikropłytki testowej, a ta cecha CARA eliminuje wymóg seryjnego rozcieńczania zawartości studzienki testowej przed wyliczeniem7,21,22. Liczbę mikrokolonii prątków na powierzchni agaru mikropłytek CARA szacuje się przez dodanie resazuryny, niebieskiego barwnika, którego zredukowana forma, rezorufina, jest różową cząsteczką, której fluorescencję mierzy się za pomocą spektrofotometrii23. Mikropłytki CARA inkubuje się przez 1-2 dni w przypadku M. smegmatis i 7-10 dni w przypadku wolno rosnących prątków, takich jak M. tuberculosis i M. bovis BCG. CARA ma wąski zakres dynamiki wynoszący ~2-3 log10 różnicy w CFU. W przypadku zastosowania zamiast testu CFU, pojedyncza mikropłytka CARA zastępuje około pięciu 96-dołkowych płytek używanych do seryjnych rozcieńczeń i 120 trójfazowych płytek agarowych używanych do posiewu. Interpretacja danych CARA pomaga w kierowaniu kolejnymi badaniami poprzez określenie, które czasy inkubacji i stężenia związków należy przetestować w bardziej pracochłonnych testach opartych na CFU.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Przygotowanie mikropłytek CARA

  1. W autoklawie 900 ml agaru Middlebrook 7H11 zawierającego 0,2% glicerolu i 0,4% węgla aktywnego należy umieścić w autoklawie 900 ml agaru Middlebrook 7H11 w kolbie Erlenmeyera o pojemności 2 litra lub alternatywnie 450 ml w szklanej zlewce o pojemności 1 l. Umieścić duże mieszadło nadające się do sterylizacji w autoklawie w kolbie lub zlewce. Przykryj otwór kolby lub zlewki folią aluminiową i przymocuj do szkła taśmą do autoklawu.
  2. Chłodny w dotyku (około 55-65 °C) na magnetycznej płycie mieszającej ustawionej na niską prędkość, aby utrzymać węgiel drzewny w zawiesinie.
  3. Wszystkie kolejne kroki należy wykonywać aseptycznie w okapie bezpieczeństwa biologicznego wyposażonym w magnetyczną płytkę mieszającą.
  4. Usuń folię. Dodać 100 ml suplementu OADC (suplement OADC po zastosowaniu w dawce 10% daje końcowe stężenie pożywki wynoszące 0,2% dekstrozy, 0,5% albuminy, 0,085% NaCl, 0,0005% kwasu oleinowego i 0,4 mg/ml katalazy) do 2 l kolby Erlenmeyera lub 50 ml OADC do 1 l zlewki i kontynuować mieszanie.
  5. W przypadku korzystania z kolby Erlenmeyera wlać około 25-40 ml węgla drzewnego 7H11-OADC do sterylnego zbiornika na odczynnik. W przypadku korzystania ze zlewki nie jest konieczne używanie zbiornika na odczynnik.
  6. Napełnić 96-dołkową mikropłytkę 200 μl/studzienkę węgla drzewnego 7H11-OADC ze zbiornika odczynnika lub zlewki. Pracuj szybko, aby uniknąć zestalenia się agaru i wprowadzenia pęcherzyków. Unikaj rozpryskiwania stałego podłoża na zewnątrz studni, ponieważ może to być źródłem zanieczyszczenia grzybiczego. Używając pipety wielokanałowej, użyj jednego zestawu 12 końcówek filtrujących do przeniesienia węgla drzewnego 7H11-OADC do 8 rzędów (AH) płytki 96-dołkowej.
    UWAGA: Podłoże szybko krzepnie. Aby uniknąć zatkania końcówek pipet, należy je często wymieniać.
  7. Alternatywnie, mikropłytki CARA można nalewać za pomocą elektronicznej pipety wielokanałowej p1000 z końcówkami filtrującymi, które pomagają w przygotowaniu wielu płytek.
    UWAGA: Ze względu na małą objętość dołków na mikropłytki, agar w mikropłytkach CARA zestala się w ciągu kilku minut od nalania.
  8. Umieść stosy mikropłytek CARA w zamykanych torebkach foliowych, aby uniknąć wyschnięcia.
  9. Przechowywać mikropłytki CARA w temperaturze 4 °C.

2. Konfiguracja testów replikujących i niereplikujących MIC90

  1. Zaszczepić M. tuberculosis, M. bovis BCG lub M. smegmatis przy OD580 0,01-0,1 i rozwinąć do środkowej fazy logarytmicznej (OD580 ~ 0,5) w Middlebrook 7H9-ADN (Middlebrook 7H9 zawierający 0,2% glicerolu, 0,2% dekstrozy, 0,5% albuminy i 0,085% NaCl) lub 7H9-OADC (Middlebrook 7H9 zawierający 0,2% glicerolu i 10% suplementu OADC).
  2. Hodować M. tuberculosis i M. bovis BCG jako ~20 ml stojących kultur w kolbach do hodowli komórkowych, a M. smegmatis z wytrząsaniem w okrągłodennych polipropylenowych probówkach okrągłodennych (4 ml hodowli) lub stożkowych probówkach wirówkowych o pojemności 50 ml (10-20 ml hodowli). Inkubować chorobotwórcze prątki w temperaturze 37 °C z 20%O2 i 5% CO2 oraz M. smegmatis w temperaturze 37 °C z 20%O2 .
  3. Skonfiguruj eksperyment w stylu minimalnego stężenia hamującego (MIC90) w warunkach replikacji i niereplikacji (ryc. 2).
    UWAGA: Czynniki testowe są zwykle oznaczane w duplikatach lub poczwórnych duplikatach, aby umożliwić testowanie odpowiednio 4 lub 2 związków na 96-dołkową mikropłytkę. Na przykład na płytce 96-dołkowej jeden czynnik testowy można oznaczyć w wierszach A-D, a drugi w wierszach E-H. DMSO (nośnik) znajduje się w kolumnach 1, 2 i 12, a seria rozcieńczeń badanego czynnika biegnie od kolumny 3 (najniższe stężenie) do kolumny 11 (najwyższe stężenie). Testy typu MIC90 zazwyczaj wykorzystują 2-krotne serie rozcieńczeń. Dostępnych jest wiele niereplikujących się modeli dla prątków14-16,18,24,25, a w celach ilustracyjnych używamy modelu wielostresowego bez replikacji6,8,9.
    1. Do testu replikacji rozmieścić 200 μl komórek w 7H9-ADN przy OD580 0,01 do wszystkich studzienek 96-dołkowej płytki z przezroczystym dnem poddanej działaniu kultury tkankowej.
    2. W przypadku testu niereplikującego należy dwukrotnie przemyć komórki w roztworze soli fizjologicznej buforowanym fosforanem (PBS) zawierającej 0,02% tyloksapolu i ponownie zawiesić komórki w pożywce niereplikującej (0,05% KH2PO4, 0,05%MgSO4, 0,005% cytrynian żelazowo-amonowy, 0,0001% ZnCl2, 0,1% NH4Cl, 0,5% BSA, 0,085% NaCl, 0,02% tyloksapol, 0,05% maślan; pH dostosowane do 5,0 z 2 N NaOH).
      1. Rozcieńczyć komórki do OD580 0,1 w pożywce niereplikującej i dodaćNaNO2 ze świeżo przygotowanego 1 M materiału do końcowego stężenia 0,5 mM.
      2. Rozprowadzić 200 μl komórek o średnicy zewnętrznej580 0,1 do wszystkich studzienek 96-dołkowej płytki z czystym dnem, poddanej działaniu kultur tkankowych.
        UWAGA: Przygotować rozcieńczenia związków jako 100-krotne roztwory podstawowe w DMSO. Tak więc typowa płytka MIC badająca wpływ cząsteczki przy końcowym stężeniu 0,4-100 μg/ml wymagałaby roztworów podstawowych 0,04-10 mg/ml w DMSO.
    3. Dodać 2 μl rozcieńczeń badanego czynnika 1 do rzędów A-E i 2 μl rozcieńczeń badanego czynnika 2 do rzędów E-H. Dokładnie wymieszaj.
    4. Dodać 2 μl kontroli nośnika (zwykle DMSO) do studzienek kontrolnych, kolumny 1, 2, 12 (rzędy A-H). Dokładnie wymieszaj.
    5. Dla każdego doświadczenia należy uwzględnić co najmniej jedną kontrolę dodatnią, taką jak ryfampicyna, w dawce od 0,004 do 1 μg/ml (test replikujący) i/lub 0,08 do 20 μg/ml (test niereplikujący).
      UWAGA: Zaleca się stosowanie 6-bromo-1H-indazol-3-aminy9 w stężeniu od 0,1 do 25 μg/ml jako związku kontrolnego, który ma selektywną, zależną od NaNO2 aktywność w wielostresowym modelu niereplikacji.
    6. W przypadku testów replikacyjnych inkubować mikropłytki w temperaturze 37 °C przy 20%O2 i 5% CO2 przez 7 dni (M. tuberculosis i M. bovis BCG) lub 1-48 godzin (M. smegmatis). W przypadku wielostresowego modelu niereplikacji inkubować mikropłytki przez 7 dni w temperaturze 37 °C przy 1%O2 i 5% CO2 (M. tuberculosis i M. bovis BCG).

3. Inokulacja mikropłytek CARA

  1. W punktach, w których CARA będzie używana jako odczyt, należy ostrożnie ponownie zawiesić zawartość studzienki na płytce testowej typu MIC90 za pomocą pipety wielokanałowej p200 ustawionej na 50-75 μl. Pipetę w górę i w dół co najmniej 5-10 razy i delikatnie obracać zawartość studzienki okrężnymi ruchami za pomocą końcówek do pipet.
  2. Przenieść 10 μl zawartości basenika testowego na mikropłytkę CARA. Upewnij się, że kolejność zawartości studzienki na płytce testowej jest zgodna z kolejnością zawartości studzienki na mikropłytce CARA. Unikaj rozpryskiwania się podczas przenoszenia i upewnij się, że 10 μl zostało dostrzeżone w środku studzienek na mikropłytki CARA. Upewnij się, że 10 μl wchłania się do mikropłytki CARA.
    UWAGA: Nie są wymagane żadne rozcieńczenia przed nakrapianiem komórek na mikropłytkach CARA.
  3. Zwiąż stosy mikropłytek CARA taśmą klejącą, a następnie umieść je w zamykanej plastikowej torbie. Inkubować mikropłytki CARA w temperaturze 37 °C z 20%O2 (M. smegmatis) lub 1%O2 i 5% CO2 (M. tuberculosis i M. bovis BCG).
  4. Dla M. tuberculosis i M. bovis BCG, testy replikujące: inkubować przez 7 dni; dla M. tuberculosis i M. bovis BCG testować bez replikacji, inkubować przez 10 dni; dla M. smegmatis, próby replikujące, inkubować przez 1-2 dni; dla M. smegmatis, testy niereplikujące, inkubować 2-3 dni.
    UWAGA: Czasy są szacunkowe i mogą być odpowiednio modyfikowane dla różnych warunków replikacji, niereplikacji i naprężeń.

4. Opracowanie mikropłytek CARA

  1. Mikropłytki CARA należy rozwijać, gdy na ujemnych (nośnikowych) studzienkach kontrolnych widoczny jest film wzrostu bakterii lub większe, makroskopowe kolonie.
    UWAGA: Po długotrwałej inkubacji studzienki mikropłytkowe CARA często wydają się suche i zalecamy wstępne zwilżenie zawartości studzienki sterylnym PBS. Ma to na celu zapobieżenie wchłanianiu resazuryny przez węgiel drzewny, co może prowadzić do niskiej fluorescencji lub zmienności między studniami.
  2. Używając pojedynczego zestawu 12 końcówek p200 z pipetą wielokanałową, dozuj 40 μl sterylnego PBS wzdłuż boku studzienek i pozwól PBS rozprowadzić się po górnej części mikrokolonii agarowych/bakteryjnych.
  3. Przygotować odczynnik wywołujący CARA, mieszając 5 mg rezazuryny (0,01% końcowej) i 50 ml 5% Tween80 w PBS. Filtr wirowy i sterylny.
    UWAGA: Alternatywny odczynnik wywołujący CARA można przygotować, mieszając komercyjnie przygotowany płynny roztwór rezazuryny w stosunku 1:1 (vol/vol) z 10% Tween80 w PBS.
  4. Dodać 50 μl świeżo przygotowanego odczynnika wywołującego CARA do każdego dołka mikropłytki CARA za pomocą 12-kanałowej pipety. Płytki kołysane kilka razy w przód iw tył, aby pomóc rozprowadzić odczynnik po agarze i macie bakteryjnej w każdej studzience.
  5. Umieścić płytki w zamykanej plastikowej torbie i inkubować w temperaturze 37 °C przez co najmniej 30 minut w przypadku M. smegmatis i 45–60 minut w przypadku M. tuberculosis lub M. bovis BCG.
    UWAGA: Jeśli studzienki kontrolne pojazdu nie zmienią koloru na różowy w ciągu pierwszej godziny, płytki można ponownie zapakować i inkubować przez dłuższy czas.
  6. Przed odczytem fluorescencji należy umieścić mikropłytki CARA w okapie bezpieczeństwa biologicznego na 15 minut w temperaturze pokojowej ze zdjętymi pokrywkami. W przypadku korzystania ze spektrofotometrów BSL3 poza szafą bezpieczeństwa biologicznego, przyklej naklejkę PCR o jakości optycznej na płytce i szczelnie zamknij, delikatnie dociskając powierzchnię naklejki miękkim ręcznikiem papierowym.
  7. Określić fluorescencję za pomocą odczytu od góry ze wzbudzeniem przy 530 nm i emisją przy 590 nm. Nie ma potrzeby zaślepiania płyty.

5. Analiza danych

  1. Wykreślić stężenie inhibitora na osi X w skali logarytmu10 i fluorescencję na osi Y w skali liniowej. Użyj wykresu punktowego z zastosowaniem dopasowania krzywej, takiego jak "nachylenie logarytmu inhibitora a zmiennej odpowiedzi (4 parametry)". Wykreśl punkty danych jako średnie± błąd standardowy.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przewidywane wyniki CARA są opisane na rysunku 2 i podsumowane w tabeli 1. W przypadku replikacji komórek CARA jest uruchamiana równolegle ze standardowymi testami MIC90, a w przypadku testów niereplikujących CARA jest uruchamiana równolegle z dostosowanym testem MIC90, który jest sprzężony z fazą wzrostu. Stężenie badanego czynnika, które powoduje, że fluorescencja CARA nie wzrasta powyżej poziomów tła, to CARA-MBC≥99 (rysunek 3a). Indeks dolny "≥99" wskazuje, że CARA-MBC podaje szacunkowe stężenie czynnika testowego, które powoduje zabicie bakterii ≥2 log10 (≥99% zabicia).

Test MIC90 z płynnym bulionem nie jest w stanie odróżnić aktywności bakteriobójczej od bakteriostatycznej i ta różnica musi zostać rozstrzygnięta za pomocą testu CFU. Zgodnie z konwencją, próg, który odróżnia aktywność bakteriobójczą od bakteriostatycznej dla wolno rosnących prątków, wynosi około 2-3 log10 zabicie w ciągu 7 dni7,26. Ponieważ zakres dynamiczny CARA wynosi również 2-3 log10 kill, CARA może zapewnić oszacowanie aktywności bakteriobójczej lub bakteriostatycznej. CARA z łatwością identyfikuje niektóre replikujące się substancje czynne jako bakteriostatyczne z powodu niezdolności tych związków do zmniejszania fluorescencji CARA do poziomów tła (ryc. 2). Jednak niektóre związki o działaniu bakteriostatycznym przeciwko replikacji M. tuberculosis mają silne działanie poantybiotykowe, co oznacza, że nadal hamują ponowny wzrost bakterii w fazie rekonwalescencji, nawet przy braku przeniesienia związku. Efekt ten może być trudny do rozpoznania w teście CARA. Podejrzewa się, że związki wywierają efekt postantybiotykowy, jeśli wykazują "okno statyczne", zdefiniowane jako >4-krotne przesunięcie w prawo między krzywymi MIC i CARA (Figura 3b). Okno statyczne wskazuje, że cząsteczka aktywna przeciwko replikacji M. tuberculosis może być bakteriostatyczna, a nie bakteriobójcza. W niektórych przypadkach okna statyczne są widoczne dopiero po sprawdzeniu rozszerzonej osi Y dla fluorescencji CARA (rysunek 3c i 3d).

Dane CARA i MIC90 są zazwyczaj wykreślane razem (Rysunek 4). Reprezentatywne dane dla replikujących i niereplikujących cząsteczek aktywnych badanych za pomocą MIC90 i CARA przedstawiono na rysunku 4. Istnieją 4 główne klasy aktywności cząsteczek: 1) replikujący się bakteriobójczy (wykazany w przypadku izoniazydu, ryc. 4a); 2) replikacja bakteriostatyczna (wykazana w przypadku linezolidu, ryc. 4b); 3) niereplikujący się środek bakteriobójczy (wykazany w przypadku oksyfenbutazonu, ryc. 4c); oraz 4) replikująco-aktywne (bakteriostatyczne lub bakteriobójcze) i niereplikujące bakteriobójcze (wykazane w przypadku PA-824, ryc. 4d). Co ważne, ryciny 4a i 4b pokazują, że podczas gdy izoniazyd i linezolid wydają się wykazywać aktywność przeciwko bakteriom niereplikującym się w teście MIC90, CARA sugeruje, że są one nieaktywne w badanych warunkach niereplikacji. Aby przetestować przydatność CARA w przewidywaniu wpływu cząsteczki w zależności od czasu i stężenia, replikujący się M. smegmatis wystawiono na działanie rosnących stężeń ryfampicyny (ryc. 5a-d), a w różnych momentach między 1 a 24 godzinami na płytkach CARA zauważono podwielokrotności. Dane te wskazywały, że ryfampicyna wywierała wpływ już po 1 godzinie (ryc. 5a), wykazywała zwiększoną aktywność bakteriobójczą między 3 a 24 godzinami (ryc. 5b-d) i zabijała ≥2-3 log10 przy ~10 μg/ml przez 24 godziny (ryc. 5d). Podobny eksperyment testujący czterokrotne duplikaty kontroli nośnika i 9 stężeń leku, w 4 punktach czasowych, byłby zaporowy dla standardowego testu opartego na CFU.

Tak więc, CARA odgrywa rolę w odkrywaniu leków jako średnio wydajny, szybki mechanizm do identyfikacji profilu aktywności cząsteczki. Przewidywania CARA powinny być rygorystycznie oceniane przy użyciu standardowego testu CFU. Dodanie 0,4% węgla aktywnego do płytek Petriego w celu analizy CFU może pomóc w poprawie korelacji z danymi CARA i może skutkować dokładniejszymi liczbami CFU, przy czym wielkość poprawki jest na ogół proporcjonalna do siły działania związku21,22.

figure-results-1
Rysunek 1: CARA jest narzędziem predykcyjnym w odkrywaniu leków. Diagram ten podsumowuje użyteczność CARA jako etapu pośredniego między badaniami przesiewowymi leków (jednopunktowe badania przesiewowe, selekcja wybiórcza i testy dawka-odpowiedź) a czasochłonnymi testami typu hit-to-lead (testy CFU i identyfikacja celu). [Na podstawie zgody Golda i wsp., Środki przeciwdrobnoustrojowe i chemioterapia, 2015 7] Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rysunek 2: Schemat testu bulionowego MIC90 i CARA z przewidywanymi wynikami. Zarówno wyniki MIC90, jak i CARA są prezentowane dla 8 możliwych działań. Kodowanie kolorami dla studzienek mikropłytek MIC90 jest białe (brak wzrostu) i brązowe (wzrost), a dla mikropłytek CARA jest czarne (brak fluorescencji) i różowe (fluorescencja rezorufiny). Dane są hipotetyczne. [Na podstawie zgody Golda i wsp., Środki przeciwdrobnoustrojowe i chemioterapia, 2015 7] Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-3
Rysunek 3: Specjalistyczne terminy i definicje CARA. Minimalne stężenie bakteriobójcze cząsteczki powodujące poziomy tła fluorescencji CARA to CARA-MBC≥99 (a). W warunkach replikacji ≥4-krotne przesunięcie CARA-MBC≥99 na prawo od MIC90 często wskazuje na aktywność bakteriostatyczną i jest nazywane "oknem statycznym" (b). W przypadku cząsteczek o silnym działaniu poantybiotykowym okna statyczne mogą być trudne do zaobserwowania (c) i wymagać rozszerzenia osi Y (fluorescencja CARA) w celu wizualizacji (d). Dane są hipotetyczne. [Na podstawie zgody Golda i wsp., Środki przeciwdrobnoustrojowe i chemioterapia, 2015 7] Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-4
Rysunek 4: Ilustracyjne wyniki MIC90 i CARA dla wybranych związków. Dane dla MIC90 (czerwony) i CARA (niebieski) przedstawiono dla (a) izoniazydu (INH), (b) linezolidu, (c) oksyfenbutazonu i (d) PA-824. M. tuberculosis H37Rv typu dzikiego był narażony na działanie związków przez 7 dni w standardowych warunkach replikacji lub w modelu wielostresowym bez replikacji7-9. Testy MIC90 i CARA przeprowadzono tak, jak pokazano na rysunku 2. [Na podstawie zgody Golda i wsp., Środki przeciwdrobnoustrojowe i chemioterapia, 2015 7] Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-5
Rycina 5: Aktywność ryfampicyny zależna od dawki i czasu. Niepatogenny, szybko rosnący M. smegmatis wystawiono na rosnące stężenia ryfampicyny w warunkach replikacji, a podwielokrotności pobrano próbki CARA w 1 (a), 3 (b), 6 (c) i 24 (d) godz. [Na podstawie zgody Golda i wsp., Środki przeciwdrobnoustrojowe i chemioterapia, 2015 7] Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-6
Tabela 1: Podsumowanie przewidywanych wyników na rysunku 2. [Na podstawie zgody Golda i wsp., Środki przeciwdrobnoustrojowe i chemioterapia, 2015 7] Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej tabeli.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

CARA został pierwotnie opracowany w celu złagodzenia wąskiego gardła w postępujących niereplikujących się lub podwójnie aktywnych cząsteczkach7. CARA służy jako etap pośredni między potwierdzeniem stężenie-odpowiedź pierwotnych trafień przesiewowych a testami CFU (ryc. 1). Ponieważ pojedyncza płytka CARA może zastąpić wiele płytek do mikromiareczkowania wymaganych do przygotowania seryjnych rozcieńczeń oraz płytek Petriego zawierających agar używanych do liczenia bakterii, które przeżyły, CARA zapewnia prosty sposób szybkiej oceny aktywności cząsteczki i testowania wielu zmiennych jednocześnie, w tym stężenia związku i czasu ekspozycji na związek.

W teście CFU, oprócz seryjnych rozcieńczeń, które często wahają się do 106-krotnie, płytka agarowa zazwyczaj rozcieńcza cząsteczki o dodatkowe ~800-krotne (10 μl na 8 ml w trójstylowej płytce Petriego). Nasz dwuetapowy, wielostresowy test przesiewowy dla związków aktywnych na niereplikującym się M. tuberculosis ma 5-krotny współczynnik przeniesienia, to znaczy związek obecny w fazie niereplikacji testu jest obecny w jednej piątej pierwotnego stężenia w fazie wzrostu (replikacji) testu6-9. CARA łagodzi skutki przenoszenia poprzez sekwestrację małych cząsteczek za pomocą węgla aktywnego. Większość leków przeciwgruźliczych i kandydatów klinicznych wiąże węgiel aktywowany szybko i całkowicie, z wyjątkiem aminoglikozydu streptomycyny7. Włączenie węgla aktywnego do płytek agarowych do testów CFU zapobiegło zahamowaniu wzrostu bakterii lub zabiciu bakterii przez przenoszenie TMC207 i PA-8247,21,22. Tak więc, dzięki włączeniu węgla aktywnego do agaru bakteriologicznego, CARA nie jest zależna od seryjnych rozcieńczeń komórek i czynnika testowego.

CARA może pomóc w przewidywaniu bakteriostatycznego lub bakteriobójczego wpływu replikujących się substancji czynnych oraz bakteriobójczego wpływu niereplikujących się substancji czynnych. Ogólnie rzecz biorąc, CARA jest stosowany równolegle ze standardowymi testami MIC90 . Moc predykcyjna CARA wynika z porównania wyników MIC90 i CARA (Rysunek 2 i Tabela 1). W przypadku stosowania do badania środków przeciwprątkowych, CARA może dokładnie przewidywać aktywność, która jest replikująca bakteriobójcza (Figura 4a), replikująca bakteriostatyczna (Figura 4b), niereplikująca bakteriobójcza (Figura 4c) lub podwójnie aktywna (Figura 4d). CARA pozwala również na prostą ocenę aktywności związku zarówno w dawce, jak i czasie. Same testy CFU wymagają wiele wysiłku i materiału, aby ocenić aktywność związku w szerokim zakresie dawek i czasów, ale zadanie staje się wykonalne, gdy wyniki CARA zawężają zakres warunków do tych, w których związek jest wyraźnie aktywny (ryc. 5).

Chociaż CARA jest przydatna w badaniu działania środków przeciwinfekcyjnych na prątki, test ma ograniczenia. CARA ma wąski zakres dynamiki (2-3 log10) i może nie być odpowiedni w warunkach, w których przewiduje się, że nie może dojść do zabicia bakterii więcej niż 2 do 3 log10 . Przewidywania CARA wymagają dalszych badań przy użyciu bardziej rygorystycznej i dokładnej metody liczenia liczby bakterii, takiej jak test CFU. Działanie niektórych leków przeciwinfekcyjnych, takich jak PAS, po antybiotykoterapii może zmylić CARA jako narzędzie predykcyjne do rozróżniania związków o działaniu bakteriobójczym i bakteriostatycznym przeciwko replikacji M. tuberculosis7.

Istnieją dwa zalecenia dotyczące poprawy jakości CARA. Po pierwsze, należy szybko wlać mikropłytki CARA, zanim agar zastygnie, zachowując dokładność objętościową i unikając rozpryskiwania się na zewnątrz mikrostudzienek. Niezależnie od wymaganej liczby płytek, zalecamy przygotowanie partii od 0,5 do 1 litra pożywki, aby pomóc w utrzymaniu pożywki w postaci płynnej przez czas wymagany do nalewania płytek. Częsta wymiana końcówek podczas napełniania mikropłytek medium pozwala uniknąć stosowania częściowo zatkanych końcówek. Po drugie, należy zminimalizować sztuczną zmienność fluorescencji między powtórzeniami. Mikrokolonie prątków, w szczególności prątków chorobotwórczych, takich jak M. tuberculosis, często rosną nieregularnie. Na przykład mikrokolonie rosnące na powierzchni agaru mogą różnić się wielkością, kształtem, wysokością lub mogą sięgać do wewnętrznych ścian studzienek na mikropłytkach. Jednym z wyzwań jest równomierne pokrycie wszystkich pałeczek odczynnikiem rozwijającym. Kolejną przeszkodą jest to, że po długotrwałej inkubacji w temperaturze 37 °C stałe podłoże bakteriologiczne mikropłytek CARA może stać się suche i podatne na wchłanianie rozwijającego się odczynnika. Ponieważ węgiel aktywny może wiązać rezazurynę i gasić fluorescencję7, może wystąpić różnica między studniami ze względu na suche studzienki absorbujące roztwór rozwijający rezazurynę i fluorescencję resazuryny hartowanej węglem aktywnym. Wstępne zwilżenie powierzchni wszystkich studzienek mikropłytkowych CARA PBS bezpośrednio przed dodaniem odczynnika wywołującego łagodzi oba te problemy — rozwijający się odczynnik dotrze równomiernie do wszystkich kolonii prątków, a resazuryna pozostaje bezpiecznie nad węglem aktywnym. CARA może mieć zastosowanie w identyfikacji i charakterystyce fenotypów mutantów prątków lub w średnioprzepustowych testach odkrywania leków dla innych gatunków bakterii.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nie ma żadnych konfliktów interesów, które można by ujawnić.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Jesteśmy wdzięczni Kristin Burns-Huang za fachową recenzję manuskryptu oraz J. Davidowi Warrenowi (Weill Cornell Medical College) za pomoc chemiczną podczas opracowywania CARA. Praca ta była wspierana przez TB Drug Accelerator Program Fundacji Billa i Melindy Gatesów, Program Abby i Howarda P. Milsteinów w Medycynie Translacyjnej oraz Jednostkę Badawczą NIH TB (U19 AI111143). Zakład Mikrobiologii i Immunologii jest wspierany przez Fundację Williama Randolpha Hearsta. SSK było wspierane przez NIH grant K08AI108799.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Middlebrook 7H9Beckton Dickinson271310
Middlebrook 7H11Beckton Dickinson298810
Middlebrook OADCBeckton Dickinson212351
BSA, szok termicznyRoche3118958001
węgiel aktywnySigmaC5510
PBS, Dulbecco's Ca2+ i Mg2+ wolneLife Technologies / Invitrogen14190-144
tween 80SigmaP8074
tyloxapolSigmaT8761
azotyn soduSigma2252
ryfampicynaSigmaR3501
6-bromo-1H-indazol-3-aminaAlfa AesarH34095
fosforan potasu monobasic   SigmaP0662
siarczan magnezu, siedmiowodny SigmaM1880
cytrynian żelazowo-amonowy SigmaF5879
siarczan, siedmiowodnySigmaZ0251
chlorek amonu SigmaA9434
kwas masłowy, płynSigmaB103500
rezazuryna w proszkuSigmaR7017
chlorek sodu J.T. Baker4058-01 
Przygotowany roztwór rezazuryny Naklejki InvitrogenDAL1100
PCRDenvilleB1212-5
Urządzenia molekularneM5
96-dołkowe, mikropłytki poddane hodowli tkankowejZbiorniki odczynników Corning3595
VWR 89094-678
Zamykane torby folioweVWR 395-94602
14 ml Probówki okrągłodenne z polipropylenu Corning 
Stożkowa probówka wirówkowa o pojemności 50 mlCorning352070
75 cm2 Kolba do hodowli komórkowychCorning431464U
przezroczysta, z płaskim dnem Mikropłytka 96-dołkowaCostar3595
Prism 6 do http://www.graphpad.com/scientific-software/prism/GraphPad
Spektrofotometr 352059 OS X

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Nathan, C. Fresh approaches to anti-infective therapies. Sci. Transl. Medicine. 4 (140), 140-142 (2012).
  2. Gomez, J. E., McKinney, J. D. M. tuberculosis persistence, latency, and drug tolerance. Tuberculosis (Edinb). 84, 29-44 (2004).
  3. Balaban, N. Q., Merrin, J., Chait, R., Kowalik, L., Leibler, S. Bacterial persistence as a phenotypic switch. Science. 305, 1622-1625 (2004).
  4. Bigger, J. Treatment of staphylococcal infections with penicillin by intermittent sterilisation. Lancet. , 497-500 (1944).
  5. Bryk, R., et al. Selective killing of nonreplicating mycobacteria. Cell Host Microbe. 3, 137-145 (2008).
  6. Gold, B., et al. Nonsteroidal anti-inflammatory drug sensitizes Mycobacterium tuberculosis to endogenous and exogenous antimicrobials. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 16004-16011 (2012).
  7. Gold, B., et al. Rapid, semi-quantitative assay to discriminate among compounds with activity against replicating or non-replicating Mycobacterium tuberculosis. Antimicrob. Agents Chemother. 59, 6521-6538 (2015).
  8. Gold, B., Warrier, T., Nathan, C. Mycobacteria Protocols, Methods in Molecular Biology. Parish, T., Roberts, D. 1285, Springer. 293-315 (2015).
  9. Warrier, T., et al. Identification of Novel Anti-mycobacterial Compounds by Screening a Pharmaceutical Small-Molecule Library against Nonreplicating Mycobacterium tuberculosis. ACS Infect. Dis. , 580-585 (2015).
  10. Zheng, P., et al. Synthetic Calanolides with Bactericidal Activity Against Replicating and Nonreplicating Mycobacterium tuberculosis. J. Med. Chem. Chem, J. .M. ed. , (2014).
  11. Darby, C. M., et al. Whole cell screen for inhibitors of pH homeostasis in Mycobacterium tuberculosis. PLoS One. 8, e68942(2013).
  12. Darby, C. M., Nathan, C. F. Killing of non-replicating Mycobacterium tuberculosis by 8-hydroxyquinoline. J. Antimicrob. Chemother. 65, 1424-1427 (2010).
  13. de Carvalho, L. P., Darby, C. M., Rhee, K., Nathan, C. Nitazoxanide Disrupts Membrane Potential and Intrabacterial pH Homeostasis of Mycobacterium tuberculosis. ACS Med. Chem. Lett. 2, 849-854 (2011).
  14. Xie, Z., Siddiqi, N., Rubin, E. J. Differential antibiotic susceptibilities of starved Mycobacterium tuberculosis isolates. Antimicrob. Agents Chemother. 49, 4778-4780 (2005).
  15. Grant, S. S., et al. Identification of novel inhibitors of nonreplicating Mycobacterium tuberculosis using a carbon starvation model. ACS Chem. Biol. 8, 2224-2234 (2013).
  16. Zhang, M., et al. Streptomycin-starved Mycobacterium tuberculosis 18b, a drug discovery tool for latent tuberculosis. Antimicrob. Agents Chemother. 56, 5782-5789 (2012).
  17. Mak, P. A., et al. A high-throughput screen to identify inhibitors of ATP homeostasis in non-replicating Mycobacterium tuberculosis. ACS Chem. Biol. 7, 1190-1197 (2012).
  18. Cho, S. H., et al. Low-oxygen-recovery assay for high-throughput screening of compounds against nonreplicating Mycobacterium tuberculosis. Antimicrob. Agents Chemother. 51, 1380-1385 (2007).
  19. Franzblau, S. G., et al. Comprehensive analysis of methods used for the evaluation of compounds against Mycobacterium tuberculosis. Tuberculosis (Edinb). 92, 453-488 (2012).
  20. Rebollo-Lopez, M. J., et al. Release of 50 new, drug-like compounds and their computational target predictions for open source anti-tubercular drug discovery. PLoS One. 10, e0142293(2015).
  21. Tasneen, R., et al. Contribution of the nitroimidazoles PA-824 and TBA-354 to the activity of novel regimens in murine models of tuberculosis. Antimicrob. Agents Chemother. 59, 129-135 (2015).
  22. Grosset, J. H., et al. Assessment of clofazimine activity in a second-line regimen for tuberculosis in mice. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 188, 608-612 (2013).
  23. Shiloh, M. U., Ruan, J., Nathan, C. Evaluation of bacterial survival and phagocyte function with a fluorescence-based microplate assay. Infect. Immun. 65, 3193-3198 (1997).
  24. Wang, F., et al. Identification of a small molecule with activity against drug-resistant and persistent tuberculosis. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, E2510-E2517 (2013).
  25. Wayne, L. G., Hayes, L. G. An in vitro model for sequential study of shiftdown of Mycobacterium tuberculosis through two stages of nonreplicating persistence. Infect. Immun. 64, 2062-2069 (1996).
  26. Barry, A. L., et al. Methods for determining bactericidal activity of antimicrobial agents: approved guideline. 19, National Committee for Clinical Laboratory Standards. (1999).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Oznaczanie liczby pr tk wocena p ilo ciowaprzesiewy o redniej przepustowo ciagar z w glem aktywnymredukcja rezazurynyodczyt fluorometrycznyMBC powy ej 99replikuj ce niereplikuj cemetoda zast pcza CFU

Powiązane artykuły