Summary

높은 처리량을 지원 분석은 대식 세포 계대에 대한 약물 효능을 평가하기<em> 결핵균</em

Published: March 24, 2017
doi:

Summary

New models and assays that would improve the early drug development process for next-generation anti-tuberculosis drugs are highly desirable. Here, we describe a quick, inexpensive, and BSL-2 compatible assay to evaluate drug efficacy against Mycobacterium tuberculosis that can be easily adapted for high-throughput screening.

Abstract

The early drug development process for anti-tuberculosis drugs is hindered by the inefficient translation of compounds with in vitro activity to effectiveness in the clinical setting. This is likely due to a lack of consideration for the physiologically relevant cellular penetration barriers that exist in the infected host. We recently established an alternative infection model that generates large macrophage aggregate structures containing densely packed M. tuberculosis (Mtb) at its core, which was suitable for drug susceptibility testing. This infection model is inexpensive, rapid, and most importantly BSL-2 compatible. Here, we describe the experimental procedures to generate Mtb/macrophage aggregate structures that would produce macrophage-passaged Mtb for drug susceptibility testing. In particular, we demonstrate how this infection system could be directly adapted to the 96-well plate format showing throughput capability for the screening of compound libraries against Mtb. Overall, this assay is a valuable addition to the currently available Mtb drug discovery toolbox due to its simplicity, cost effectiveness, and scalability.

Introduction

결핵 (TB)는 40 년 1 항 결핵 화학 요법의 유용성에도 불구하고 심각한 세계 보건 위협 남아있다. 이 비 준수 (2) 환자에 이르게 여러 약물 조합을 사용하여 6 개월의 긴 치료 기간에 대한 요구에 부분적으로 기인한다. 임상 적으로 승인 된 약물의 개발에 성공 3 사실상 존재이다 최근 약제 내성 결핵의 출현은 상기 전계의 문제를 배합했다. 사실, 철저한 항 결핵 약물 개발에도 불구하고, 단 하나의 약물은 FDA가 지난 40 년 4 임상 사용이 승인되었습니다. 따라서, 항 결핵 약물의 새로운 세대는 시급히이 문제를 해결하기 위해 필요하다.

결핵 신약 개발의 핵심 문제는 임상에서 효능을 시험 관내 활성을 가진 화합물에서 성공적으로 전송의 부족이다= "외부 참조"> 5, 6, 7. 처음에, 목표 기반의 접근 방식은 전체 박테리아 세포로 번역하는 데 실패 방지 MTB 약 5,을 선별하기 위해 사용되었다. MTB 세포가 사용되는 경우에도, 그것은 종종 정확하게 생체 8,9 약물 효능을 예측할 수없는 배양액 성장 배양 물을 사용하여 수행된다. 이러한 문제가 인식되었고 MTB 잠복 또는 MTB식세포를 함유하는 약물 스크리닝 분석은 성공적으로 8, 10, 11, 12을 확립하고있다. 그러나, 이들 고급 분석법 약물 비 혈관 폐 병변 발생 관통 장벽 충분한 고려를하고,하지 감염 부위의 괴사 병소이다. 과연심지어 첫번째 줄 TB 약물 리팜피신위한 차선 투여 인해 생체 조직 및 뇌척수액 (CSF)의 불충분으로 문제시 된 세포 MTB (8, 9)에 대해 효능을 감소뿐만 아니라 13 14 15 침투. 의심 할 여지없이 TB 신약 개발 노력을 향상시킬 것이다 초기 리드 개발 과정에서 계정에 이러한 매개 변수를 걸릴 것 같은, 새로운 모델과 분석으로.

이러한 요구를 해결하기 위해, 우리는 최근 MTB 약물 효능 검사 (16)에 대한 저렴하고 신속하고 BSL-2 호환 대안 감염 모델을 설립했다. 생리 학적으로 관련 세포 침투 장벽을 효과적으로 요약 및 대 식세포 계대를 생성 밀도가 생산 큰 식세포 집계 구조 내에서 MTB 포장이 감염 모델, <em> 잠재 MTB를 닮은 변경된 생리 학적 상태와 MTB. 이 감염 모델로부터 유도 MTB 다른 세포 내 감염 모델과 일치하는 결과를 생성 약효를 평가하는 레사 주린 마이크로 타이 세이 (REMA)와 함께 혈중 농도에 비해 높은 CSF 농도를 달성하기 위해 공통 TB 약물의보고 능력을 잘 상관 관계 16.

여기서는 상세히 REMA를 사용 약제 감수성 테스트 식세포 계대 MTB 적합한 생산하는 MTB / 대식 세포 집합체 구조의 생성을 설명한다. 특히,이 감염 시스템을 후보 항 결핵 약물의 스크리닝과의 호환성을 위해 96- 웰 포맷으로 구성 될 수있는 방법을 보여준다.

Protocol

참고 :이 6206는 avirulent 변형 17, 18 결핵균의 MC 바와 같이,이 프로토콜의 모든 작품은 바이오 안전성 레벨 2 시설 (BSL-2)에서 수행 할 수 있습니다. M. 결핵 엠씨 2 표현 녹색 형광 단백질 1. 문화 조건 6206 (MTB -GFP) 참고 : M. 결핵 H37Rv는 영양 요구 균주에게 6206 엠씨 (2)</su…

Representative Results

96 웰 플레이트 형식으로이 감염 모델을 적응의 견고성을 확인하기 위해, 우리는 여기에 그림에 주어진 템플릿에 따라 약물 우리의 96 웰에서 파생 된 MTB의 감수성 감염 리팜피신에 모델 (RIF) 및 목시 플록 사신 (MOXI를) 적응을 조사 (1A). 우리는이 분석의 핵심 MTB / 대식 세포 집합체 구조의 생성을 확실하게함으로써, 스루풋의 호환성 <s…

Discussion

여기서는 상세히 약효 시험에 적합한 다른 MTB 감염 모델을 설명 하였다. 이 모델은 계정 초기 결핵 약물 개발 과정에서 더 고려를 부여해야 두 가지 주요 요인을 취 약물 침투와 감염시 MTB의 대사 변화에 생리 학적으로 관련 장벽의 존재. 우리는 이전에 우리 감염 모델의 이점을 도시 처리량 호환성 16 감염을 스케일링 가능성을 제시하고 있지만, 여기에서 우리는 96 …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We thank Dr. Frank Wolschendorf for access to the Cytation 3 automated imaging plate reader. This work was funded in part by NIH grant R01-AI104499 to OK. Parts of the work were performed in the UAB CFAR facilities and by the UAB CFAR Flow Cytometry Core/Joint UAB Flow Cytometry Core, which are funded by NIH/NIAID P30 AI027767 and by NIH 5P30 AR048311.

Materials

7H9 BD Difco 271310 Follow manufacturer's recommendations
Middlebrook OADC BD Biosciences 212351
Tyloxapol Sigma T8761 Prepare 20% stock solution in H2O; filter sterilize
D-Pantothenic acid hemicalcium salt Sigma P5710 Prepare 24 mg/ml  stock solution in H2O; filter sterilize
L-leucine MP Biomedicals 194694 Prepare 50 mg/ml  stock solution in H2O; filter sterilize
Hygromycin B EMD Millipore 400051 Prepare 200 mg/ml  stock solution in H2O
Nalgene Square PETG media bottle Thermo Fisher 2019-0030
RPMI 1640 media Hyclone SH30027.01
Fetal Bovine Serum Atlanta Biologicals S12450H
L-glutamine Corning MT25005CI
HEPES Hyclone SH30237.01
Cytation 3 plate reader Biotek Interchangable with any fluorescent plate reader and microscope
Gen5 Software Biotek Recording and analysis of rezasurin coversion
Rifampicin  Fisher Scientific BP2679250 Prepare 10 mg/ml stock solution in H2O
Moxifloxacin Hydrochloride Acros Organics 457960010 Prepare 10 mg/ml stock solution in H2O
Resazurin Sodium Salt Sigma R7017 Prepare 800 μg/mL stock solution in H2O; filter sterilize
Tween-80 Fisher Scientific T164500 Prepare 20% stock solution in H2O; filter sterilize

References

  1. Barry, C. E. Lessons from seven decades of antituberculosis drug discovery. Curr Top Med Chem. 11 (10), 1216-1225 (2011).
  2. Bass, J. B., et al. Treatment of tuberculosis and tuberculosis infection in adults and children. American Thoracic Society and The Centers for Disease Control and Prevention. Am J Respir Crit Care Med. 149 (5), 1359-1374 (1994).
  3. Koul, A., Arnoult, E., Lounis, N., Guillemont, J., Andries, K. The challenge of new drug discovery for tuberculosis. Nature. 469 (7331), 483-490 (2011).
  4. Palomino, J. C., Martin, A. TMC207 becomes bedaquiline, a new anti-TB drug. Future Microbiol. 8 (9), 1071-1080 (2013).
  5. Zuniga, E. S., Early, J., Parish, T. The future for early-stage tuberculosis drug discovery. Future Microbiol. 10 (2), 217-229 (2015).
  6. Evangelopoulos, D., Fonseca, d. a., D, J., Waddell, S. J. Understanding anti-tuberculosis drug efficacy: rethinking bacterial populations and how we model them. Int J Infect Dis. 32, 76-80 (2015).
  7. Ekins, S., et al. Looking back to the future: predicting in vivo efficacy of small molecules versus Mycobacterium tuberculosis. J Chem Inf Model. 54 (4), 1070-1082 (2014).
  8. Christophe, T., et al. High content screening identifies decaprenyl-phosphoribose 2′ epimerase as a target for intracellular antimycobacterial inhibitors. PLoS Pathog. 5 (10), e1000645 (2009).
  9. Hartkoorn, R. C., et al. Differential drug susceptibility of intracellular and extracellular tuberculosis, and the impact of P-glycoprotein. Tuberculosis (Edinb). 87 (3), 248-255 (2007).
  10. Queval, C. J., et al. A microscopic phenotypic assay for the quantification of intracellular mycobacteria adapted for high-throughput/high-content screening. J Vis Exp. (83), e51114 (2014).
  11. Sorrentino, F., et al. Development of an intracellular screen for new compounds able to inhibit Mycobacterium tuberculosis growth in human macrophages. Antimicrob Agents Chemother. 60 (1), (2015).
  12. Sarathy, J., Dartois, V., Dick, T., Gengenbacher, M. Reduced drug uptake in phenotypically resistant nutrient-starved nonreplicating Mycobacterium tuberculosis. Antimicrob Agents Chemother. 57 (4), 1648-1653 (2013).
  13. Dutta, N. K., Karakousis, P. C. Can the duration of tuberculosis treatment be shortened with higher dosages of rifampicin?. Front Microbiol. 6, 1117 (2015).
  14. van Ingen, J., et al. Why Do We Use 600 mg of Rifampicin in Tuberculosis Treatment?. Clin Infect Dis. 52 (9), e194-e199 (2011).
  15. Donald, P. R. Cerebrospinal fluid concentrations of antituberculosis agents in adults and children. Tuberculosis (Edinb). 90 (5), 279-292 (2010).
  16. Schaaf, K., et al. A Macrophage Infection Model to Predict Drug Efficacy Against Mycobacterium Tuberculosis. Assay Drug Dev Technol. 14 (6), 345-354 (2016).
  17. Sampson, S. L., et al. Protection elicited by a double leucine and pantothenate auxotroph of Mycobacterium tuberculosis in guinea pigs. Infect Immun. 72 (5), 3031-3037 (2004).
  18. Jain, P., et al. Specialized transduction designed for precise high-throughput unmarked deletions in Mycobacterium tuberculosis. MBio. 5 (3), e01245-e01214 (2014).
  19. Davis, J. M., Ramakrishnan, L. The role of the granuloma in expansion and dissemination of early tuberculous infection. Cell. 136 (1), 37-49 (2009).
  20. Collins, L., Franzblau, S. G. Microplate alamar blue assay versus BACTEC 460 system for high-throughput screening of compounds against Mycobacterium tuberculosis and Mycobacterium avium. Antimicrob Agents Chemother. 41 (5), 1004-1009 (1997).
  21. Snewin, V. A., et al. Assessment of immunity to mycobacterial infection with luciferase reporter constructs. Infect Immun. 67 (9), 4586-4593 (1999).

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Schaaf, K., Smith, S. R., Hayley, V., Kutsch, O., Sun, J. A High-throughput Compatible Assay to Evaluate Drug Efficacy against Macrophage Passaged Mycobacterium tuberculosis. J. Vis. Exp. (121), e55453, doi:10.3791/55453 (2017).

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