Podejście do testu przesiewowego przedstawiono podsumowująco na Rysunku 1A. Inhibitory kinazy poddano najpierw badaniu pod kątem ich utajnionych efektów na żywotność tymocytów. Jako kontrolę pozytywną dla apoptozy wykorzystano deksametazon jako czynnik proapoptotyczny. Bramkowanie dla populacji żywych komórek określono na podstawie nieleczonych kontroli negatywnych oraz kontroli pozytywnych traktowanych deksametazonem (Rysunek 1B). Inhibitory testowano najpierw w stężeniu 10 µM na tymocytach, a odsetek żywych komórek mierzono po 18 h inkubacji. Przyjęto 20-procentowy zakres śmierci komórkowej, tak aby związki indukujące utratę więcej niż 20% komórek w bramce komórek żywych w porównaniu z próbkami traktowanymi DMSO były testowane w niższych stężeniach (Rysunek 1B). Przedstawiono reprezentatywne wykresy FACS wybranych próbek traktowanych inhibitorami w celu zilustrowania testu żywotności. LY294002 (2-(4-morpholinyl)-8-phenyl-4H-1-benzopyran-4-one; CAS 154447-36-6), inhibitor PI3K22, nie zwiększył znacząco śmierci komórek przy 10 µM i inhibitor ten zastosowano w stężeniu 10 µM w kolejnych testach. CAY10626 (N-[2-(dimethylamino)ethyl]-N-methyl-4-[[[[4-[4-(4-morpholinyl)-7-(2,2,2-trifluoroethyl)-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-2-yl]phenyl]amino]carbonyl]amino]-benzamide; CAS 1202884-94-3), dualny inhibitor PI3Kα/mTOR23, indukował wysoki poziom śmierci komórkowej przy 10 µM i 1 µM, ale nie przy 0,1 µM, w związku z czym uznano 0,1 µM za odpowiednie stężenie do zastosowania w dalszych testach. Staurosporyna (2,3,10,11,12,13-hexahydro-10R-methoxy-9S-methyl-11R-methylamino-9S,13R-epoxy-1H,9H-diindolo[1,2,3-gh;3',2',1'-lm]pyrrolo[3,4-j][1,7]benzodiazonin-1-one; CAS 62996-74-1), pan-inhibitor białkowej kinazy C o udowodnionej zdolności do indukcji apoptozy24, wywołała znaczną śmierć komórek we wszystkich testowanych stężeniach, nawet przy 0,1 µM. Została ona wykorzystana w kolejnych badaniach w stężeniu 0,1 µM jako dodatkowa kontrola pozytywna.
Końcowe stężenia inhibitorów wybrano na podstawie najwyższych stężeń, przy których nie zwiększały one śmierci komórek o więcej niż 20% w porównaniu do próbek traktowanych DMSO. Po ustaleniu końcowych stężeń inhibitorów przygotowano płytkę zapasową, w której wszystkie inhibitory znajdowały się w stężeniu 500-krotnie wyższym niż stężenie stosowane w kontakcie z komórkami. Rysunek 1C przedstawia układ płytek na płycie zapasowej wraz z końcowymi stężeniami inhibitorów. W alternatywnym protokole inkubacji komórek bezpośrednio w płytkach o małej objętości dla testu płukania w przepływie laminarnym, zastosowanie małych objętości wymagało dalszego rozcieńczenia inhibitorów. Aby upewnić się, że zawartość DMSO w kulturach po dodaniu inhibitorów nie będzie zbyt wysoka dla komórek, inhibitory dodatkowo rozcieńczono w pełnym medium RPMI z czynnikiem rozcieńczenia 5, tak aby ich stężenie było 100-krotnie wyższe od stężenia docelowego podczas aplikacji do komórek.
Inhibitory, rozcieńczone do nietoksycznych stężeń, wykorzystano w analizie apoptozy indukowanej stymulacją TCR w tymocytach5,17. Stymulację przeprowadzono przy użyciu kulek anti-CD3/CD28 przez 18 h, a następnie komórki barwiono w celu oceny aktywacji kaspazy-3 w populacji podwójnie dodatnich (DP) tymocytów CD4+ i CD8+ (Rysunek 2). W próbkach stymulowanych anti-CD3/CD28 oraz w próbkach stymulowanych anti-CD3/28 i traktowanych DMSO (jako kontrolą) zaobserwowano wzrost aktywacji kaspazy-3 i ekspresji CD69, a także obniżenie poziomu TCR w porównaniu do próbek niestymulowanych. Próbki traktowane deksametazonem wykazały wzrost aktywacji kaspazy-3 niezależny od upregulacji CD69, co jest zgodne z oczekiwanym efektem indukowania apoptozy niezależnie od stymulacji TCR.
Rysunek 3A podsumowuje wyniki badania przesiewowego biblioteki dla wybranych inhibitorów. Zarówno aktywacja kaspazy-3, jak i CD69 mogą być wykorzystane do identyfikacji potencjalnych inhibitorów ze względu na supresję ekspresji. Zgodnie z oczekiwaniami, inhibitory kanonicznych mediatorów sygnalizacji TCR pojawiły się jako pozytywne wyniki w badaniach przesiewowych. Takie inhibitory, wykazujące różny stopień mocy hamowania, obejmowały inhibitory o szerokim spektrum działania, celujące w wiele kinaz, a także inhibitory bardziej specyficzne. Niektóre inhibitory były w stanie supresować zarówno aktywację kaspazy-3, jak i nadekspresję CD69 (Rysunek 3B, górny rząd, lewe panele). Jednym z takich inhibitorów jest bisindolylmaleimide II (3-(1H-Indol-3-yl)-4-[1-[2-(1-methyl-2-pyrrolidinyl)ethyl]-1H-indol-3-yl]-1H-pyrrole-2,5-dione; CAS 137592-45-1), który hamuje wszystkie izoformy kinazy białkowej C, a ponadto kinazę białkową A oraz PDK125,26,27. Innym inhibitorem w tej kategorii jest CAY10657 (3-[(aminocarbonyl)amino]-5-[4-(4-morpholinylmethyl)phenyl]-2-thiophenecarboxamide; CAS 494772-86-0), proponowany inhibitor IKK228.
Zidentyfikowano związki, które hamowały zwiększenie ekspresji CD69, ale nie upośledzały aktywacji kaspazy-3 (Rysunek 3B, górny rząd, panele po prawej). Wśród zidentyfikowanych inhibitorów znajdowały się CAY10626, inhibitor PI3Kα i mTOR23, oraz U-0126 (2,3-bis[amino[(2-aminophenyl)thio]methylene]-butanedinitrile; CAS 109511-58-2), inhibitor MEK29. Wyniki pokazują, że różne inhibitory celujące w różne kinazy z określonych gałęzi szlaku sygnalizacyjnego TCR, zwłaszcza te celujące w kinazy późnego etapu, mogą prowadzić do selektywnego upośledzenia zjawisk aktywacji limfocytów T.
Istniały również inhibitory, które nie hamowały jednocześnie zwiększenia ekspresji CD69 oraz aktywacji kaspazy-3 (Rycyna 3B, dolny rząd, lewe panele). Dwiema zidentyfikowanymi substancjami należącymi do tej kategorii są paklitaksel (βS-(benzoylamino)-αR-hydroxy-benzenepropanoic acid, (2aR,4S,4aS,6R,9S,11S,12S,12aR,12bS)-6,12b-bis(acetyloxy)-12-(benzoyloxy)-2a,3,4,4a,5,6,9,10,11,12,12a,12b-dodecahydro-4,11-dihydroxy-4a,8,13,13-tetramethyl-5-oxo-7,11-methano-1H-cyclodeca[3,4]benz[1,2-b]oxet-9-yl ester; CAS 33069-62-4), który zaburza dynamikę mikrotubul30, oraz nekrostatyna-5 (2-[[3,4,5,6,7,8-hexahydro-3-(4-methoxyphenyl)-4-oxo[1]benzothieno[2,3-d]pyrimidin-2-yl]thio]-acetonitrile; CAS 337349-54-9), będąca inhibitorem kinazy RIP131. W przypadkach, w których zwiększenie ekspresji CD69 i aktywacja kaspazy-3 nie zostały upośledzone, może to wynikać z faktu, że inhibitory te nie oddziaływały na odpowiednią kinazę w szlaku sygnałowym TCR.
Jak wspomniano wcześniej, w badaniach przesiewowych zastosowano staurosporynę w stężeniu, które nadal indukowało apoptozę w tymocytach. Zgodnie z oczekiwaniami, próbka traktowana staurosporyną wykazała wysoki poziom aktywacji kaspazy-3 (Rycyna 3B, dolny rząd, prawa kolumna). Niski poziom ekspresji CD69 można przypisać zapośrednicznemu przez staurosporynę hamowaniu PKC, ponieważ bisindolylmaleimid II, inny inhibitor pan-PKC, również tłumił ekspresję CD69. Alternatywnie, staurosporyna mogła wywołać apoptozę w komórkach, zanim były one w stanie zwiększyć ekspresję CD69.
W celu zwiększenia przepustowości i automatyzacji protokołu przygotowano procedury równoległe, które obejmowały zastosowanie zautomatyzowanego systemu mycia płytek poprzez przepływ laminarny. Przetestowano i porównano dwa oddzielne protokoły z wykorzystaniem tego zautomatyzowanego urządzenia do mycia płytek z konwencjonalną metodą hodowli komórek na płytkach 96-dołkowych i barwienia komórek w protokole zależnym od wirowania. Jedna metoda polegała na hodowli komórek na płytkach 96-dołkowych zgodnie ze standardową procedurą, a następnie przeniesieniu komórek na płytki kompatybilne z automatyczną myjką do płytek w celu przeprowadzenia etapów barwienia (Rycina 4, próbki DA-Washing). Druga metoda polegała na hodowli komórek bezpośrednio na płytkach kompatybilnych z myjką i kontynuowaniu protokołu barwienia na tej samej płytce (Rycina 4, próbki DA-Culture). Protokoły niezależne od wirowania nie wykazują wielu zauważalnych różnic w barwieniu aktywnej kaspazy-3, CD69 lub TCRβ w różnych testowanych próbkach w porównaniu do konwencjonalnego protokołu zależnego od wirowania (Rycina 4). Różnice w intensywności barwienia można przypisać zastosowaniu przeciwciał w nieco innych stężeniach podczas etapów barwienia.

Rysunek 1: Żywotność tymocytów po traktowaniu inhibitorami. (A) Schemat głównych etapów testu przesiewowego. Zaproponowano trzy metody stymulacji i barwienia tymocytów wykorzystywanych w teście aktywacji, mianowicie (1) hodowlę tymocytów w standardowych płytkach 96-dołkowych, a następnie barwienie zgodnie z konwencjonalnym protokołem opartym na wirowaniu, (2) hodowlę tymocytów w standardowych płytkach 96-dołkowych, a następnie barwienie zgodnie z protokołem płukania niezależnym od wirowania oraz (3) hodowlę tymocytów w płytkach o małej objętości, a następnie barwienie w tych samych płytkach zgodnie z protokołem płukania niezależnym od wirowania. (B) Strategie bramkowania zastosowane w testach żywotności. Bramka dla żywych komórek została wyznaczona na podstawie wykresów rozproszenia przedniego (FSC) i bocznego (SSC), jak opisano wcześniej17. Inhibitory uznane za zbyt toksyczne w badanym stężeniu poddano dalszym testom żywotności przy stężeniach 10-krotnie niższych. Przedstawiono reprezentatywne próbki traktowane inhibitorami. Należy zwrócić uwagę na wspólną kontrolę (traktowaną DMSO [DMSO]) zastosowaną dla próbek 1 µM i 0,1 µM. (C) Układ płytek z rozcieńczonymi inhibitorami. Schematyczne przedstawienie płytek z inhibitorami rozcieńczonymi w DMSO do stężenia 500-krotnie większego niż zamierzone stężenie końcowe. Każdy dołek reprezentuje jeden unikalny inhibitor; szare dołki są puste. Przedstawione stężenia to stężenia końcowe po dodaniu do kultur komórkowych, mianowicie 10 µM (ciemnoczerwony), 1 µM (fuksja) i 0,1 µM (niebieski). Aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

Rycina 2: Układ płytki w teście aktywacji tymocytów. (Góra) Kolumny 1 i 12 są zarezerwowane dla kontroli, natomiast kolumny od 2 do 11 zawierają próbki traktowane inhibitorem (beżowe). Kontrola negatywna (niestymulowane [NS]; szare) zajmuje dołki od A1 do D1, a kontrola pozytywna śmierci komórek (traktowane deksametazonem [DEX]; fioletowe) zajmuje dołki od E1 do H1. Kolumny od 2 do 12 zawierają tymocyty stymulowane kuleczkami anti-CD3/CD28. Kontrola pozytywna aktywacji tymocytów (próbki stymulowane [α-CD3/CD28]; zielone) zajmuje dołki od A12 do D12, a kontrola nośnika (stymulowane i traktowane DMSO [α-CD3/CD28 + DMSO]; czerwone) zajmuje dołki od E12 do H12. (Dół) Wykresy cytometrii przepływowej dla barwień aktywnej kaspazy-3 (ActCasp3), CD69 oraz TCRβ tymocytów wyselekcjonowanych w bramce komórek podwójnie pozytywnych (DP). Przedstawiono reprezentatywne wykresy dla różnych kontroli. NS = niestymulowane; DEX = próbki traktowane deksametazonem; α-CD3/CD28 + DMSO = próbki stymulowane kuleczkami powlekanymi CD3/CD28 i traktowane DMSO; α-CD3/CD28 = próbki stymulowane kuleczkami powlekanymi CD3/CD28. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 3: Przesiewowa analiza biblioteki inhibitorów pod kątem aktywacji tymocytów. (A) Podsumowanie danych z testu aktywacji. Są to wyniki reprezentatywnego eksperymentu przedstawiające znormalizowane wartości komórek z aktywną kaspazą-3 oraz ekspresją CD69 dla wybranych inhibitorów. Normalizacja została przeprowadzona poprzez porównanie procentu komórek w bramce dla kaspazy-3-dodatnich lub CD69-dodatnich do wartości kontroli traktowanej DMSO, która na wykresie została przyjęta jako wartość względna 0. (B) Wybrane wykresy FACS. Wykresy cytometrii przepływowej dla inhibitorów, które hamowały zarówno aktywację kaspazy-3, jak i zwiększenie ekspresji CD69 (lewa góra), hamowały wyłącznie zwiększenie ekspresji CD69 (prawa góra) lub nie wywarły wpływu na aktywację kaspazy-3 i ekspresję CD69 (lewa dół). Wykresy próbki traktowanej staurosporyną pokazano w celu zilustrowania efektów zastosowania inhibitora w stężeniach toksycznych (prawa dół). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 4: Porównanie różnych protokołów analizy. Wykresy cytometrii przepływowej dla aktywności kaspazy-3 (ActCasp3), CD69 oraz TCRβ w barwieniu tymocytów DP po zastosowaniu trzech różnych protokołów analizy. Przebadano cztery różne warunki: kontrolę negatywną (niestymulowane [NS]), kontrolę pozytywną śmierci komórkowej (traktowane deksametazonem [DEX]), kontrolę nośnika (stymulowane i traktowane DMSO [α-CD3/CD28 + DMSO]) oraz próbkę traktowaną inhibitorem (stymulowane i traktowane PIK-75 [α-CD3/CD28 + PIK-75]). Conventional = hodowla tymocytów w standardowych płytkach 96-dołkowych i barwienie zgodnie z konwencjonalnym protokołem opartym na wirowaniu; DA-Washing = hodowla tymocytów w standardowych płytkach 96-dołkowych i barwienie przy użyciu protokołu płukania w przepływie laminarnym; DA-Culture = hodowla tymocytów w płytkach o małej objętości i barwienie w tych samych płytkach przy użyciu protokołu płukania w przepływie laminarnym. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.