Introduction
结核病（TB），尽管依然抗结核化疗方案超过40年1可用性一个严重的全球健康威胁。这是部分原因是由于使用多种药物组合为6个月以上长期治疗期的要求，从而导致病人不遵守2。耐药结核病近年来的出现进一步加剧的一个领域的问题，其中的临床批准的药物研制成功是几乎不存在3。事实上，尽管详尽的抗结核药物研发，只有一个单一的药物已被FDA批准用于在过去40年4临床使用。因此，迫切需要抗结核药物的新世代来解决这个问题。
结核病药物研发的一个关键问题是缺乏从化合物在体外活性在临床上成功转让给疗效=“外部参照”> 5，6，7。最初，基于目标方法被用于筛选抗Mtb的药物5，其未能转化为整个细菌细胞。即使使用的Mtb的细胞时，常常使用肉汤生长的培养物，不准确预测在体内 8,9药效进行。这些问题已被确认，并根据包含的Mtb或潜的Mtb的巨噬细胞的药物筛选测定法已成功地建立了8个 ，10个 ，11个 ，12个 。然而，即使是这些更先进的分析不该药物在非血管肺部病变遇到的渗透屏障给予充分的考虑，并在感染部位的坏死灶。确实，即使对于一线TB药利福平，亚最佳剂量已被质疑，由于体内组织和脑脊髓液（CSF） 中不足渗透13，14，15以及功效抗胞内结核杆菌 8,9下降。因此，新的模型和试验，将在早期的领先开发过程中考虑到这些参数，无疑会提高结核病药物研发努力。
为了满足这一需求，我们最近成立了一个廉价，快速，BSL-2兼容的替代感染结核分枝杆菌的药物疗效测试16的模型。产生密集的大巨噬细胞聚集结构内挤满结核杆菌这种感染模型，概括生理学相关蜂窝普及率障碍和产生的巨噬细胞传代
在这里，我们详细描述的Mtb /巨噬细胞聚集体结构的产生，以产生巨噬细胞传代的Mtb适于使用REMA药敏试验。特别是，我们表明这种感染系统如何适合于96孔格式用于与候选抗结核药物通量筛选相容性。
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Protocol
注意：作为结核分枝杆菌 MC 2 6206是无毒菌株17，18，在该协议的所有工作可在生物安全等级2设施（BSL-2）来进行。
1.培养条件的绿色荧光蛋白表达结核分枝杆菌 MC 2 6206（MTB-GFP）
注： 结核分枝杆菌H37Rv衍生营养缺陷型菌株MC 2 6206（ΔpanCD，ΔleuCD）与表达质粒pMN437 GFP的是整个协议16使用转化。它是可能与非表达GFP的野生型菌株，以使应变为研究人员更容易访问性取代的MTB-GFP菌株。但是，GFP的表达是希望的，以使吞噬作用和形成的Mtb /巨噬细胞的聚集体的视觉确认。对于LON摹长期储存， 结核杆菌 -GFP在-80被冻结°，辅以20％甘油完整7H9媒体（步骤1.1中所述）C。
- 通过用10％的Middlebrook OADC，0.02％四丁酚醛，24微克/毫升D-泛酸，50微克/毫升L-亮氨酸和50微克/毫升潮霉素B.补充7H9培养基制备完整的Mtb -GFP介质（7H9-C）的
- 解冻的Mtb -GFP一小瓶，并在一个30毫升正方形底部PETG瓶中加入10毫升7H9-C的。
- 孵育在37℃下在旋转振荡器（50rpm下）。以光密度测量（OD 600）每隔几天，直到OD 600达到1.0（约5-8天）。
- 根据需要保持的OD 0.2-1.0之间600稀释并传代培养。
- 感染中，使用的Mtb-GFP的既定培养对数生长期（OD的0.6-1 600）内。为了避免块状文化，超声处理所述的Mtb培养瓶在水浴（130瓦; 3×5秒脉冲）ONCe或每周两次
2.培养条件 THP-1细胞
- 用10％的热灭活胎牛血清，2mM的L-谷氨酰胺和10mM HEPES的补充的RPMI 1640培养基中制备完整的THP-1细胞培养基（RPMI-C）。
- 孵育在T-75烧瓶中的细胞在37℃在5％CO 2的潮湿气氛中。
- 使用血球计数细胞或流式细胞隔日和保持THP-1细胞在0.1至60万每毫升的密度。
3.感染议定书生成山地车 /巨噬细胞聚集结构
- THP-1细胞制剂（每96孔板）
- 离心机7×10 6 THP-1细胞在250×g离心5分钟。悬浮在7毫升的RPMI-C。
- MTB-GFP准备
- 离心机2.8×10 8 - GFP 结核杆菌 3,200 XG 5分钟在吊桶式离心机ù唱的OD 600 1.0 = 3×10 8个细菌/ mL的转换。
- 用RPMI-C和离心机洗一次，如步骤3.2.1。
- 悬浮在7毫升RPMI-C，涡旋10秒。
- 感染
注：参见图1模板。- 通过在排A和H和列加入无菌水200μL的1和12用于水轮缘，以防止培养基的蒸发制备的96孔板中。
- 200μLRPMI-C加入了后台控制（空白）2列（B2至G2）。
- 感染，添加的Mtb-GFP的悬浮液（步骤3.2），以THP-1细胞悬浮液（步骤3.1）和吹打混匀。最终THP-1细胞密度为5×10 5个每毫升和感染的对应多样性是40。
- 倒入THP-1 / 结核杆菌 -GFP悬浮到25mL的贮存器。
- 添加（通过G11 B3）THP-1 / 结核杆菌 - GFP停牌所有剩余的96口井的200微升全光照GA多道移液器。
注意：如果使用多个96孔板工作，定期重新悬浮剩余THP-1 / 结核杆菌悬浮液在贮存以确保均匀混合物加入到每个孔中。 - 在37℃下孵育，用5％CO 2中7-10天。
- 通过缓慢除去100改变介质每2天微升用过的培养基从每个的顶部孔，轻轻加入使用多通道移液管100微升预热的RPMI-C。不重悬井和扰乱在孔的底部的MTB /巨噬细胞的聚集体。
- 用肉眼检验由每日荧光显微镜（4-10X目标）的孔中，服用的Mtb /巨噬细胞的聚集体的尺寸的纸币。 7-10天， 结核杆菌 /巨噬细胞的聚集体应足够大（参照图2，以供参考）下进行药效试验（第4节）。
- 如果需要的话，使用自动细胞成像系统中的96孔的捕获图像嵌合与明场和GFP过滤器设置文件山地车 /巨噬细胞聚集形成。
注意：如果用户没有访问到自动成像系统，可以使用带GFP和明场能力的任何适当的显微镜可采取代表井的图像。
4.生长抑制试验，以评估药物疗效对结核杆菌从山地车 /巨噬细胞聚集派生
- 药物制剂（对于两种药物一式三份的条件）
注：参见图1A模板。- 在一个独立的96孔板，通过对G10添加7H9-C媒体125微升到B2。
- 制备两种药物以两倍所需的最高终浓度在1mL 7H9-C的占在步骤4.2.4稀释。
- 添加每种药品的250微升至井B11-C11-D11和E11-F11-G11，分别为一式三份的治疗。
- 使用多通道移液管，串联稀尤特试验药物通过移动从B11-G11 125微升到B10-G10两折。通过在每个步骤吹打5次混合。
- 继续往前，从列125微升跨越板柱（从右到左），和第4列后停止。
- 混合列4后，弃去125微升到废物容器中。列2和3不包含任何药物，以允许使用作为背景（空白）和正增长的控制。
注：此外，遵循模板图1B用于测试药品库。每个96孔板可在单一浓度容纳58的药物。制备使用双所需的终浓度，因为它会在半在步骤4.2.4稀释这种药物板。
- 药物治疗：
- 检索包含的Mtb的96孔板感染的巨噬细胞（ 结核杆菌 /巨噬细胞的聚集体）。
- 小心倒出所有相关孔（通过G11 B2）与多通道移液管。在一个两步骤的方式执行这样的：先除去150μL的不倾斜的板，然后通过倾斜板和插入枪头到井的底部边缘去除剩余的介质（〜50μl）。作为结核杆菌 /巨噬细胞聚集体粘附到井的底部，没有任何材料应丢失。
- 轻轻添加100μL的7H9-C媒体来含有的Mtb /巨噬细胞的聚集体板的所有相关的孔中（通过G11 B2）。
- 使用多通道移液管，从含有96孔板（步骤4.1），以感染板的相应孔中的药物转移100μL。
- 在密封袋的地方，并在37°C孵育3天。
5.药物疗效的量化使用刃天青酶标分析
- 制备刃天青以0.8毫克的终浓度储备溶液/ mL的H 2 O通过0.22微米孔径的PVDF膜进行灭菌过滤。
- 制备刃天青通过在2混合刃天青原液，H 2 O和吐温80（H中2 O 20％溶液）工作溶液：1：1的比例。最终浓度是0.4毫克/毫升刃天青和5％吐温80。
- 使用板阅读器，设置一个程序在530nm激发和590nm发射波长，在37℃，每30分钟24小时读取荧光。预暖板读取器至37℃。
- 加入20微升的刃天青工作溶液到使用多通道移液管药物处理板（步骤4.11）的所有相关的孔（B2至G11）。
- 放置在板读数器板和启动该程序，在步骤5.3设置。
注意：为方便高容量测定板的处理中，它是足够的开发在37℃培养箱的测定和执行单荧光读取每隔24小时。这也适用于不具有与动能和孵化能力访问酶标仪谁用户。
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Representative Results
以确认适应这种感染模型以96孔板格式的鲁棒性，我们在这里根据图中给出的模板检测结核杆菌的药物敏感性，从我们的96孔衍生适于感染模型利福平（RIF）和莫西沙星（磨溪） 1A。我们表明， 结核杆菌 /巨噬细胞聚集体结构的关键该测定的产生可以在96孔板格式（ 图2）被可靠地产生，由此使得可以通过兼容性（ 图1B）。巨噬细胞传代的Mtb以这种方式生产，可直接用于使用充分表征的刃天青微量滴定测定（ 图3）的药效试验。
作为刃天青分析依赖于由代谢活性的Mtb产生的氧化性物质的蓝色刃天青转换为氟escent粉试卤灵，在颜色和荧光变化可以用来作为替代标记，以确定细菌生长的量。在图3A中，我们表明，有刃天青试验中足够的灵敏度，以可靠地检测能力之后只有3天孵育的复制在没有药物的活结核分枝杆菌的细菌。而端点颜色变化的视觉确认是唯一增长的近似评价，我们可以精确地通过动力学测量刃天青的转化为其荧光代谢物试卤灵使用读板器（ 图3B）量化此。利用这些数据，归到正生长控制（没有药物）允许易感性杀灭曲线的计算来可视化针对巨噬细胞传代的Mtb药效（ 图4）。
在这里，在图中的代表性的结果3 4表明，最小抑菌浓度（MIC），定义为观察到90％生长抑制的抗生素的最低浓度，是大于2微克/毫升为利福平和莫西沙星针对Mtb的从我们的感染模型导出。这表明我们的感染模型预测的抗Mtb的药物是更符合抗胞内结核杆菌 8确定MIC值线功效，并且因此反映了正在使用肉汤培养的细菌细胞在大多数的Mtb药敏试验忽略了扩散阻挡性能。
重要的是，使用所描述的测定法在96-孔格式中获得的数据显示，高度比较的结果，这些我们以前对利福平和莫西沙星针对巨噬细胞传代的Mtb 16确定。
图1：药物板布局。 （A）在步骤4中所用的药物的挑战板的实施例的模板这允许在一式三份孔8限定浓度的两种药物的并行测试。作为一个代表性的实验中，我们使用利福平（RIF）和莫西沙星（磨溪）分别开始于2微米和2.5微米。 （B）对于通量筛选的另一种模板也被提供给显示在单一浓度的58化合物测试的可能性。 请点击此处查看该图的放大版本。
图2： 结核分枝杆菌的产生/巨噬细胞聚集体的结构在96孔板格式。 （A）代表明场和GFP在9天感染后合并结核分枝杆菌 -巨噬聚集的图像。图像与使用由3单独拍摄图像拼接的3蒙太奇记录了整个以及一个自动细胞成像程序4X目标捕获。 （B）从（A）中所示的视场的单个非缝合图像。 （C）代表兼并了10倍的目标拍摄的山地车 /巨噬细胞团粒结构的亮场和GFP的形象。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3：使用微量刃天青法检测结核分枝杆菌的生存能力。 （A）viabl的存在Ë 结核杆菌细胞可以通过蓝色刃天青染料其粉红色，还原形式转换简单地确定。代表性的结果在这里示出了使用根据图1A的模板利福平（RIF）和莫西沙星（磨溪）。如上述步骤（B）中为了定量测量刃天青的转换，各孔的荧光（对应于图3A）中的动力学监测24小时代表性小型图表显示了相对荧光单位（y轴）对时间（X -轴）。 请点击此处查看该图的放大版本。
图4：确定药敏从REMA数据杀害曲线。相对荧光单位以最大resaz的时间在（A）利福平和（B）莫西沙星治疗的井（从图3B）urin信号正常化无药物控制（最大结核杆菌生长）为100％的存活率。后台控制（空白）信号从每个样品中减去良好。百分比生存绘制药物治疗的各个浓度，产生杀人曲线。在该图中的数据所代表的平均值±三次独立实验的标准差。 请点击此处查看该图的放大版本。
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Discussion
这里，我们已经详细适于药物功效测试的替代的Mtb感染模型说明。该模型考虑到应在早期结核病药物开发过程被给予更多的考虑的两个关键因素：生理相关障碍药物渗透和感染期间的Mtb的代谢变化的存在。虽然我们先前已经显示了感染模型的好处，并提出扩大感染吞吐量兼容性16的可能性，这里，我们证明，这是通过直接调整系统到96孔板形式确实可以实现的。产生的Mtb /巨噬细胞的能力，直接聚集在96孔板是有利的，因为它消除了要求吸管和从一个大培养瓶到各个孔中，其本质上是困难的，因为聚集体的尺寸可以达到的尺寸分发聚集> 500微米。受感染的巨噬细胞的聚集体的大尺寸将防止使用P200多通道移液器所必需的通量分析因为它要么堵塞提示或广泛移液器将掰开聚集体。这种感染系统96孔板的变形减少了所需要的操作步骤的数量，并产生具有相似的量的Mtb /巨噬细胞聚集体的均匀孔中。正因为如此，该测定系统不仅在早期的开发过程中，预测在体内的铅的候选化合物的功效特别有价值的，但在药物库的通量筛选。
所描述的感染模型的一个重要优点是一个BSL-2兼容的Mtb株的利用率。 BSL-2的条件下工作的能力是非常符合成本效益，加速了协议的操作，以及最重要的是使不具有访问BSL-3设施来执行实验室本身中高级药物筛选试验。所利用的营养缺陷型的Mtb MC 2 6206菌株是H37Rv的17，18的衍生物，其保存所有未4个基因，panCD和leuCD，其不影响药物抗性或耐受性16。相比其他常用结核杆菌替代物，如牛分枝杆菌 BCG和耻垢分枝杆菌 ， 结核杆菌 MC 2 6206就是有毒结核分枝杆菌分枝杆菌，对发病机制的研究参考应变的关系最为密切。重要的是，它保持对RD-1位点，这是不存在从卡介苗和起着结核杆菌毒力和肉芽肿形成19了主要作用。相比之下， 结核杆菌 MC 2 6206也是比耻垢分枝杆菌 ，这是一种速生树种也就是基因组不同于结核杆菌并有不同的抗生素耐药谱结核病药物研发实验更相关。
此处所描述的测定法也是有价值由于其高度的灵活性。含有的Mtb /巨噬细胞的聚集体的96孔板，不仅可以为以一式三份的药物治疗滴定用作我们已经表明（ 图3），而且对整个药物库（ 图1B）的筛选。在单一浓度，每个96孔板可筛选58化合物。这个数目会急剧增加至> 300化合物如果感染系统适于一个384-孔板，这是完全可行的基于这一事实，我们之后只允许细菌复制3天获得强刃天青信号。事实上，这将是相对简单的本系统适应384-孔板格式，除了向下缩放的卷成比例，以适应更小的孔形式，大多数协议将保持不变。启用对刃天青试验足够的信号，它可能是在步骤4.2.5至7天延长温育，以允许足够的细菌复制所需的。
虽然耦合这种感染模型的刃天青测定法的读出的结核分枝杆菌生存有很多好处，即它的成本效益和快速检测协议，而获得可比较的结果与其他金标准系统，如BACTEC 460 20，但它确实有一定的局限性。因为它仅测量代谢活性的刃天青测定法不能抑菌和杀菌药物之间的区别。这是要记住，代谢活动处于潜伏结核分枝杆菌固有的低的重要制约因素。然而，该测定法的关键部件是感染模型，其可以是与读出值比刃天青试验其它的Mtb药敏兼容。例如，药物治疗后，井可以被直接铺板用于菌落形成单位（CFU）计数，金斯坦准测试化合物的杀菌活性（虽然这是不与通量筛选相容的）。可替代地，该系统可被耦合到荧光素酶表达的Mtb，这已被证明是密切相关，以CFU计数21。利用荧光素酶系统以测量药物的敏感性，将只需要两个改变协议：ⅰ）取代的Mtb-GFP与结核杆菌萤光素酶，和ii）代替刃天青的步骤5中使用的Bright-格洛萤光素试剂。使用荧光素酶的表达的Mtb会缩短测定的发展，以30分钟，同时显着增加的水平，这将是与384孔板格式容易兼容的测定灵敏度。
总之，我们已经成功地转换这种感染模型到具有相对较少的操作步骤，高再现性的96孔板格式，并产生无穷无尽的起始的能力材料，吞吐量兼容性的关键因素。此法也很容易适应多种不同的格式和读数，使之成为一个宝贵的资产，早期的结核分枝杆菌药物发现过程。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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
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