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Method Article
* Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen
Hier beschreiben wir einen phänotypischen Assay, der auf die High-Throughput/High-Content-Screens von klein-interferierender synthetischer RNA (siRNA), chemischer Verbindung und Mycobacterium tuberculosis mutierte Bibliotheken anwendbar ist. Diese Methode beruht auf dem Nachweis von fluoreszierend gekennzeichneter Mycobacterium tuberculosis in fluoreszierend markierten Wirtszellen mittels automatisierter konfokaler Mikroskopie.
Trotz der Verfügbarkeit von Therapie und Impfstoff ist Tuberkulose (TB) nach wie vor eine der tödlichsten und am weitesten verbreiteten bakteriellen Infektionen der Welt. Seit mehreren Jahrzehnten stellt der plötzliche Ausbruch multi- und extensiv-resistenter Stämme eine ernsthafte Bedrohung für die Bekämpfung der Tuberkulose dar. Daher ist es wichtig, neue Ziele und Wege zu identifizieren, die für den Erreger der Tuberkulose, Mycobacterium tuberculosis (Mtb) entscheidend sind, und nach neuartigen Chemikalien zu suchen, die zu TB-Medikamenten werden könnten. Ein Ansatz besteht darin, Methoden einzurichten, die für die genetischen und chemischen Siebs von Großbibliotheken geeignet sind und die Suche nach einer Nadel in einem Heuhaufen ermöglichen. Zu diesem Zweck entwickelten wir einen phänotypchen assay, der sich auf den Nachweis von fluoreszierend beschriftetem Mtb in fluoreszierend gekennzeichneten Wirtszellen mittels automatisierter konfokaler Mikroskopie stützt. Dieser In-vitro-Assay ermöglicht eine bildbasierte Quantifizierung des Kolonisationsprozesses von Mtb in den Wirt und wurde für das 384-Well-Mikroplattenformat optimiert, das für Siebe von siRNA-, chemischen Compound- oder Mtb-Mutationsbibliotheken passt. Die Bilder werden dann für die multiparametrische Analyse verarbeitet, die eine Auslesung der Pathogenese von Mtb in Wirtszellen liefert.
Unter den in den letzten Jahren gemeldeten neu auftretenden und wieder auftauchenden infektionserösen Krankheitserregern ist Mycobacterium tuberculosis (Mtb) für 1,4 Millionen Todesfälle und 8,7 Millionen Neuinfektionen im Jahr 2011 verantwortlich (Global tuberculosis report 2012, www.who.int/topics/tuberculosis/en/). Trotz der Verfügbarkeit von Multidrug-Therapien ist die Zahl der Infizierten immer noch auf dem Vormarsch und multiresistent (MDR) sowie extensiv medikamentenresistent (XDR) Mtb breiten sich schnell auf der ganzen Welt aus1. Darüber hinaus ist es unter Berücksichtigung des Vorhandenseins von Mtb-Antigenen offensichtlich, dass ein Drittel der Weltbevölkerung als latent von Mtb infiziert angesehen wird. Statistisch gesehen gibt es in einem von zehn Fällen eine Entwicklung hin zur aktiven Form der Krankheit mit nachfolgenden klinischen Symptomen2. Daher sind neue Mittel zur Bekämpfung von Mtb dringend erforderlich. In diesem Zusammenhang entwickelten wir einen in vitro visuellen phänotypchen Assay, der sich auf die Überwachung der Mtb-Invasion und -Multiplikation in Wirtszellen durch automatisierte konfokale Fluoreszenzmikroskopie3stützt. Die Anpassung des Assays in 384-Well-Mikrotiterplatten in Kombination mit automatisierter Bildaufnahme und -analyse ermöglichte High-Content/High-Throughput Screening (HC/HTS) von mittelgroßen Bibliotheken von Verbindungen, siRNAs und bakteriellen Mutanten. Das Screening einer genomweiten RNAi-Bibliothek auf diesem phänotypischen Assay ermöglichte somit die Identifizierung der wichtigsten Wirtsfaktoren, die am Mtb-Handel und der intrazellulären Replikation beteiligt sind, aber auch die Aufklärung von Wirtspfaden, die vom Tuberkel-Bacillus ausgenutzt werden. Eine weitere Anpassung dieses speziellen phänotypischen Assays war die Identifizierung von bakteriellen Faktoren, die für die intraphagosomale Persistenz von Mtb unerlässlich sind. Zum Beispiel wird die Verhaftung der Phagosomenreifung als einer der wichtigsten Mechanismen betrachtet, die das Überleben und die Replikation von Mtb in Makrophagen erleichtern. Die Überwachung der subzellulären Lokalisation vonMtb-Knock-out-Mutanten in fluoreszierend-säuerlichen Kompartimenten ermöglichte die Identifizierung von bakteriellen Genen, die am Überlebensprozess beteiligt sind 4 . Schließlich bietet die hochklassige Bildgebung von Mtb auch eine ausgezeichnete Methode zur Quantifizierung der Arzneimitteleffizienz zur Hemmung verschiedener Phänomene wie intrazelluläres Bakterienwachstum3. Insgesamt ermöglicht diese Art von hochdurchsatz-phänotypischem Assay eine beschleunigte Arzneimittelentdeckung gegen TB und die von diesen verschiedenen Ansätzen gesammelten Daten tragen zu einem besseren Verständnis der von Mtbausgeübten Host-Manipulation bei.
1. High-Throughput Genom-wide siRNA Screening
Screening durchgeführt in einem menschlichen Typ-II-Pneumozyten Modell A549 Zelllinie nach einer Infektion mit Mtb H37Rv, die grünes fluoreszierendes Protein (GFP) exzessiert. Dieses Verfahren ist in Abbildung 1Abeschrieben.
Hinweis: Dieses Protokoll wurde optimiert, um die Wirkung von Gen-Silencing auf das intrazelluläre Mtb-Wachstum zu untersuchen. Mtb ist ein langsam wachsendes Bakterium, das sich alle 20 Stunden unter optimalen Bedingungen teilt. Nach 5 Tagen nach der Infektion ist die Menge an extrazellulärem Mtb ohne Zelllyse immer noch gering und hatte keinen Einfluss auf die Qualität der Analyse. Dieses Protokoll muss hinsichtlich der Länge der Antibiotikabehandlung und der Inkubationszeit optimiert werden, um für siRNA-Bildschirme mit schnell wachsende Bakterien wie Mykobakterien smegmatis und Escherichia coli angepasst zu werden, die extensiv freigesetzt werden und neue Zellen infizieren können.
2. Hochdurchsatz Compound Screening
Screening an Mtb H37Rv infizierten Wirtszellen durchgeführt. Dieses Verfahren ist in Abbildung 1Bbeschrieben.
Hinweis: Dieses Protokoll kann für mtb mutierte Bibliothek Screening angepasst werden, indem Verbindungen durch Mutanten, die ein fluoreszierendes Protein (One well/One mutant)(Abbildung 1C, siehe auch Brodin et al. 4). Fluoreszierende Mutanten werden zuerst in Brunnen ausgesät (20 l bakterielle Suspension pro Brunnen). Die Bakterien werden dann durch 30 l Zellsuspension zurückgewonnen. Nach zentrifugieren bei 350 x g für 1 min wird die Platte bei 37 °C in einer Atmosphäre mit 5%CO2inkubiert. Inkubationszeit und MOI hängen vom Test ab. Zum Beispiel für die Visualisierung von frühen zellulären Ereignissen wie Phagosomenversauerung, können die Zellen für 2 Stunden mit MOI im Bereich von 1-20 infiziert werden. Lysosomen werden in einer Atmosphäre mit 5 %CO2-Gehalt mit Lysotracker-Farbstoff mit 2 m bei 1,5 stunden bei 37 °C gefärbt und anschließend entweder mit 10 % Formalin oder 4 % Paraformaldehyd (PFA) fixiert. Konfokale Bilder werden erfasst und schließlich mit Bildanalyseskripten mit geeigneten Algorithmen für die Lysosomenerkennung und subzelluläre Lokalisierung analysiert4.
3. Grünes fluoreszierendes Protein, das Mycobacterium tuberculosis H37Rv (GFP-H37Rv) Kulturbedingungen ausdrückt
Zur Langzeitlagerung wurden GFP-H37Rv in D-PBS eingefroren (ca. 1 x 108 Mykobakterien pro Durchstechflasche).
4. Humane periphere Blutmonozytenzellen Reinigung aus Vollblut oder Buffy-Coat-Präparation
Genom-weites SiRNA-Screening mit hohem Durchsatz
Mtb ist in der Lage, Immunzellen in vitro sowie mehrere andere Lungenepithelzellen zu kolonisieren. Zum Beispiel ist Mtbin der Lage, A549 Epithelzellen zu infizieren und zu schädigen, die häufig als Modell für menschliche Typ-II-Pneumozyten5-7verwendet werden. Dectin-1 wurde als Wirtzellrezeptor berichtet, der an der Mtb-Aufnahme, proflammatorischen Reaktion und antibakteriellen Wirkung auf intrazel...
Wir beschreiben hier die Methoden, die für einen phänotypischen Test mit einem GFP-exezierenden Mtb H37Rv-Stamm erforderlich sind, um fluoreszierend markierte Wirtszellen zu infizieren, was ihn für Bildschirme mit hohem Gehalt/Hohem Durchsatz geeignet macht. Dieses Protokoll könnte auf eine breite Palette von Verbindungen, Fluoreszenzsonden und Mtb-Mutationen angewendet werden. Für jedes oben beschriebene Protokoll können fixierende und immunkende Schritte vor der Bildaufnahme durchgeführt werden...
Es wurden keine Interessenkonflikte angemeldet.
Finanzielle Unterstützung für diese Arbeiten wurden von der Europäischen Gemeinschaft (ERC-STG INTRACELLTB Grant n° 260901, MM4TB Grant n° 260872), der Agence Nationale de Recherche, der Feder (12001407 (D-AL) Equipex Imaginex BioMed BioMed) und der Region Nord Pas de Calais gewährt. Wir danken der technischen Unterstützung von Gaspard Deloison, Elizabeth Werkmeister, Antonino Bongiovanni und Frank Lafont von der Plattform BICeL.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
µclear-plate black, 384-well | Greiner Bio-One | 781091 | 127.8/86/15 MM with Lid, TC treated |
CellCarrier 384-well plate | PerkinElmer | 6007550 | Black, Clear Bottom, with Lid, TC treated |
V-bottom white, 384-well plate | Greiner Bio-One | 781280 | |
sealing tape, breathable, sterile | Corning | 3345 | |
Lipofectamine RNAiMax | Life Technologies | 13778150 | Transfection reagent |
Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | 34943 | |
RPMI 1640 + GlutaMAX-I | Life Technologies | 61870-010 | Cell culture medium |
D-PBS 1x [-]MgCl2/[-]CaCl2 | Life Technologies | 14190-094 | Dulbecco's Phosphate Salin Buffer |
D-PBS 1x [+]MgCl2/[+]CaCl2 | Life Technologies | 14190-091 | Dulbecco's Phosphate Salin Buffer |
Fetal bovine serum | Life Technologies | 2610040-79 | |
Ficoll Paque PLUS | Dutscher | 17-1440-03 | Ficoll for Peripherical Blood Monocyte Cells purification |
CD14 MicroBeads, human | Miltenyi | 130-050-201 | Purification of CD14+ Monocytes |
Human M-CSF, premium gr. (1000 μg) | Miltenyi | 130-096-493 | Macrophage Colony Stimulating Factor |
LS Columns | Miltenyi | 130-042-401 | Columns for CD14+ Monocytes isolation |
Tween 80 | Euromedex | 2002-A | Mycobacteria culture |
Glycerol high purity | Euromedex | 50405-EX | Mycobacteria culture |
Middlebrook OADC enrichment | Becton-Dickinson | 211886 | Mycobacteria culture |
7H9 | Becton-Dickinson | W1701P | Mycobacteria culture |
Versene 1x | Life Technologies | 15040033 | Nonenzymatic cell dissociation solution |
DAPI | Life Technologies | D1306 | Nuclei dye |
Hoechst 33342 | Life Technologies | H3570 | Nuclei dye |
Syto60 | Life Technologies | S11342 | Nuclei/cytoplasm dye |
Formalin | Sigma-Aldrich | HT5014 | Cell fixation solution |
siRNA targeting Dectin-1 | Santa-Cruz | sc-63276 | |
*siGenome* Nontargeted siRNA pool | Dharmacon | D-001206-14 | |
Rifampicin | Sigma-Aldrich | R3501 | antibiotic |
Isoniazid (INH) | Sigma-Aldrich | I3377-50G | antibiotic |
Hygromycin B | Life Technologies | 10687-010 | antibiotic |
Amikacin | Sigma-Aldrich | A1774 | antibiotic |
Automated Confocal Microscope OPERA | PerkinElmer | Image acquisition | |
Columbus 2.3.1 Server Database | PerkinElmer | Data transfer, storage, and analysis | |
Acapella 2.6 software | PerkinElmer | Image-based analysis | |
GraphPad Prism5 software | GraphPad | Statistical analysis | |
Excel 2010 | Microsoft | Statistical analysis |
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