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Os patógenos que crescem ou residem temporariamente em compartimentos intracelulares são difíceis de erradicar terapeuticamente. Patógenos intracelulares obrigatórios ou relativamente obrigatórios, como Legionella pneumophila, Coxiella burnetii, Brucella spp., Francisella tularensis e Mycobacterium spp. muitas vezes requerem cursos prolongados de terapia antimicrobiana para cura que podem variar de meses a até anos. Além disso, os patógenos extracelulares podem ocupar transitoriamente nichos intracelulares e, dessa forma, escapar da depuração por cursos normais de terapia antimicrobiana e, posteriormente, emergir para iniciar novas rodadas de infecção virulenta. As infecções por Staphylococcus aureus1 e Enterobacteriaceae2,3 uropatogênicas são dois exemplos cada vez mais reconhecidos. Portanto, um objetivo fundamental da descoberta de medicamentos é identificar novos antimicrobianos que penetram nos compartimentos intracelulares. A terapia ideal para erradicar rapidamente os organismos intracelulares e prevenir o desenvolvimento de resistência por meio da exposição antimicrobiana subinibitória é especialmente desejável.
Para esse fim, desenvolvemos uma tecnologia de triagem de alto rendimento para identificar antimicrobianos penetrantes intracelulares direcionados ao crescimento intracelular do patógeno modelo, Legionella pneumophila. 4 Observações clínicas anteriores indicam que o teste padrão de suscetibilidade antimicrobiana não previu com precisão a eficácia terapêutica in vivo contra esse organismo. 5 Especificamente, isso ocorreu porque as principais classes de antimicrobianos, como β-lactâmicos e aminoglicosídeos, embora altamente eficazes contra a Legionella cultivada axenicamente, não penetram suficientemente nos compartimentos intracelulares onde a Legionella reside. 5,6 Evidências posteriores sugeriram que ensaios de crescimento intracelular tecnicamente mais complexos previram efetivamente a eficácia clínica. 7 Infelizmente, esses ensaios foram ensaios de desfechos extremamente trabalhosos, exigindo macrófagos infectados, tratados com antimicrobianos, para serem lisados em diferentes momentos para enumeração de unidades formadoras de colônias. Esses ensaios são impraticáveis de fazer em larga escala e são inadequados para a descoberta de medicamentos de alto rendimento.
Portanto, desenvolvemos tecnologia para determinação em tempo real do crescimento bacteriano intracelular. 6 Isso foi realizado por meio do uso de uma cepa bacteriana modificada pela integração de umoperon 8 de luciferase bacteriana (ensaio de primeira geração, descrito anteriormente)4 ou repórteres de proteína fluorescente9 (ensaio ortogonal de segunda geração, descrito aqui) no cromossomo bacteriano. Desta forma, o sinal luminescente ou fluorescente fornece uma leitura substituta em tempo real do número bacteriano.
No entanto, esses atributos não abordam um grande fator de confusão nos ensaios de infecção intracelular, efeitos fora do alvo nas células hospedeiras. Em particular, a morte da célula hospedeira limita inerentemente o crescimento intracelular e leva à identificação falsa positiva do efeito antimicrobiano. Como muitos compostos em bibliotecas de triagem são tóxicos para células eucarióticas, esses falsos positivos sobrecarregariam os verdadeiros antimicrobianos, necessitando de um grande número de ensaios de citotoxicidade de ponto final de acompanhamento para resolução.
Assim, foi de grande interesse poder avaliar a viabilidade celular eucariótica e o crescimento intracelular simultaneamente. Notavelmente, uma característica das células eucarióticas não viáveis é a perda da integridade da membrana celular. Sondas que testam a permeabilidade da membrana celular podem, portanto, ser usadas para avaliar a viabilidade celular. Anteriormente, caracterizamos a capacidade de uma série de corantes de ligação ao DNA, fluorescentes, supostamente impermeáveis à membrana celular, de acessar e corar o DNA nuclear de células mortas. 4 Ao ligar o DNA nuclear, esses corantes exibem um grande aumento no rendimento fluorescente quântico, resultando em aumento do sinal sobre a fluorescência da solução de fundo. Como tal, esses corantes forneceram uma leitura quantitativa da morte celular eucariótica. 4 Notavelmente, descobrimos que vários não eram tóxicos durante a co-incubação prolongada com macrófagos J774. Quando adicionados durante a infecção inicial, eles forneceram uma leitura fluorescente em tempo real da morte celular eucariótica que pode ser medida por um fluorímetro de microplaca ou observada microscopicamente.
Portanto, combinando o uso de um repórter bacteriano e corantes não tóxicos, impermeantes à membrana e de ligação ao DNA, fomos capazes de desenvolver um ensaio simples, não destrutivo e em tempo real para medir a carga bacteriana e a citotoxicidade das células eucarióticas simultaneamente. Este ensaio nos permitiu rastrear em formato de placa de 384 poços ~ 10.000 bioativos conhecidos, incluindo ~ 250 antimicrobianos e > 240.000 pequenas moléculas com atividade funcionalmente não caracterizada para a capacidade de inibir o crescimento intracelular de Legionella pneumophila, ao mesmo tempo em que gera dados de citotoxicidade de células eucarióticas para cada composto. 6 Nossa análise de antimicrobianos conhecidos contra o crescimento intracelular de Legionella foi a exploração mais abrangente desse tipo até o momento. 6
Com base na eficiência do nosso formato de ensaio, também exploramos posteriormente os efeitos potencialmente sinérgicos de antimicrobianos conhecidos quando usados em combinação. Um dos testes de sinergia mais comuns, o chamado ensaio quadriculado, é realizado de forma padrão avaliando os efeitos combinatórios de diluições seriais duplas de dois ou mais antimicrobianos. 10 Nesses ensaios, a sinergia é definida pela observação de maior efeito quando dois ou mais antimicrobianos são aplicados juntos do que a soma dos efeitos de cada um aplicado separadamente. É importante notar que, até agora, apenas testes de sinergia focados e seletivos foram realizados contra Legionella pneumophila intracelular devido ao grande esforço envolvido nos ensaios de endpoint tradicionais multiplicados pelas permutações combinatórias necessárias.
Para facilitar o teste de sinergia, usamos nosso ensaio de crescimento intracelular/citotoxicidade eucariótica em tempo real em combinação com a tecnologia de dispensação digital automatizada6. Essa automação nos permitiu dispensar diluições em série de compostos dissolvidos em DMSO ou solução aquosa isoladamente ou em combinação no formato de 384 poços. 11 Além disso, essa tecnologia robusta de manuseio de líquidos nos permitiu realizar facilmente combinações de diluição de raiz quadrada de dois (em vez da padrão, resolução mais baixa, duplicação) para alcançar níveis mais altos de especificidade em nossa análise de sinergia quadridimensional e quadriculada. Esta resolução foi especialmente valiosa para abordar as preocupações no campo da sinergia sobre a reprodutibilidade ao usar a série de diluição dupla12. Por fim, nosso ensaio foi quantitativo e, portanto, também mediu gradações de inibição. Como resultado, o ensaio capturou a totalidade das informações inibitórias, expressas em isobologramas de isocontorno nos quais os isocontornos conectam concentrações combinatórias com níveis semelhantes de inibição do crescimento. 6 Essa estratégia de plotagem permitiu a visualização de curvas combinatórias de dose-resposta. Para ilustrar nossa metodologia, descrevemos nosso protocolo para a realização desses ensaios e mostramos resultados representativos.