A<em&gt; In Vitro</em&gt; Caseum Ensaio de Ligação ao que prevê a penetração da droga na tuberculose Lesões

Resumo

Aqui descrevemos um método de diálise de equilíbrio rápido (RED) para medir a ligação do fármaco ao caseu de lesões e cavidades de tuberculose pulmonar. O protocolo também é usado com uma matriz espumosa derivada de macrófagos que é um substituto efetivo do caseu.

Resumo

A erradicação da tuberculose requer regimes medicamentosos que possam penetrar as múltiplas camadas de lesões pulmonares complexas. A distribuição de fármacos nos núcleos caseosos de cavidades e lesões é especialmente crucial porque abrigam subpopulações de bactérias tolerantes a fármacos também vulgarmente referidas como persisters. Os métodos existentes para a medição da penetração de fármaco em lesões de tuberculose envolvem costosos e demorados estudos farmacocinéticos in vivo acoplados a técnicas bioanalíticas ou de imagem. A medida in vitro da ligação do fármaco às macromoléculas de caseu foi proposta como uma alternativa a essas técnicas, uma vez que esta ligação dificulta a difusão passiva de moléculas de fármaco através do caseu. A diálise de equilíbrio rápido é um sistema rápido e confiável para realizar estudos de ligação a proteínas plasmáticas e tecidos. Neste protocolo, usamos um dispositivo de diálise de equilíbrio rápido (RED) para medir a ligação do fármaco a homogenatos de caseu que é excised das lesões e as cavidades de coelhos infectados com tuberculose. O protocolo também descreve como gerar uma matriz de substituição de lípido carregado THP-1 macrófagos para usar em lugar de caseum. Este ensaio de ligação caseum / substituto é uma ferramenta importante na descoberta de drogas tuberculose e pode ser adaptado para ajudar o estudo da distribuição de drogas em lesões ou abcessos causados ​​por outras doenças.

Introdução

O tratamento da doença pulmonar tuberculosa requer distribuição eficaz de fármacos em diferentes tipos de lesões. As lesões necróticas e as cavidades contêm centros caseosos que abrigam subpopulações de bactérias tolerantes a drogas ou "persistentes". ^{1 , 2} A doença cavitária está associada a taxas de cura inferiores e mau prognóstico. ^{3 , 4} Estudos anteriores mostraram, usando técnicas quantitativas e de imagem, que a capacidade de penetrar o caseu varia significativamente de uma classe de droga para outra. ^{5 , 6} Estes métodos, no entanto, exigem o uso de modelos de infecção animal que são lentos e tediosos. Foi concebido um ensaio in vitro que mede a ligação do fármaco ao caseu ex vivo . Verificou-se que esta ligação estava inversamente correlacionada com a penetração do fármaco em granulomas caseosos e, por conseguinte, éusado como uma ferramenta de previsão. ⁷

Diálise de equilíbrio é considerado como o método padrão de ouro para estudos de ligação de proteína de plasma. O dispositivo rápido equilíbrio de diálise (VERMELHO) proporciona um sistema rápido, fácil de usar e fiáveis ​​para a realização de tais ensaios. ⁸ O dispositivo é constituído por dois componentes: de utilização única, descartáveis que consistem inserções de 2 câmaras separadas por um cilindro vertical de membrana semi-permeável; e placas de base reutilizáveis ​​que pode armazenar até 48 inserções de cada vez. A membrana de diise tem um 8 kDa de peso molecular de corte (MWCO) que é ideal para estudos de ligação a drogas macromolécula. A razão de área para volume elevada superfície do compartimento da membrana de diálise permite uma rápida e equilibração. Ambos os insertos e a placa de base foram validados para o mínimo de ligação não específica. A combinação do dispositivo VERMELHO com técnicas bioanalíticas fornece estimativas precisas sobre as fracções não ligadas de medicamentos em pLasma ^{8 , 9}

Embora originalmente concebido para medir a ligação às proteínas plasmáticas, o dispositivo RED foi utilizado em vários estudos de ligação de tecidos utilizando homogeneizados. ^{10 , 11} Neste protocolo, medimos a ligação do fármaco ao caseu, os detritos necróticos excisados ​​das lesões necróticas e cavidades de coelhos infectados com tuberculose. A natureza acelular e não vascular do material caseoso facilita a homogeneização numa suspensão homogénea que é compatível com o ensaio.

Dado que o caseu é tedioso para produzir e difícil de encontrar, o protocolo também foi validado para uso com uma matriz substituta que é preparada a partir de macrófagos espumosos. Os macrófagos derivados de monócitos THP-1 são induzidos com ácido oleico para acumular múltiplos corpos lipídicos que lhes conferem a sua aparência "espumosa". Estas células carregadas de lípidos são colhidas eProcessado para produzir uma matriz que usamos como um substituto de caseu. Este estudo mostrou que a ligação do fármaco a esta matriz substituta se correlaciona bem com a ligação ao caseu, imitando eficazmente o processo in vivo que impede a penetração do fármaco no núcleo caseoso de granulomas e cavidades.

Protocolo

Todos os estudos com animais foram realizados de acordo com o Guia para o Cuidado e Uso de Animais de Laboratório dos Institutos Nacionais de Saúde com a aprovação do Comitê Institucional animal Cuidado e Uso do NIAID (NIH), Bethesda, MD. Todos os estudos envolvendo o M. tuberculosis foram realizados num laboratório com nível de segurança biológica de contenção 3 (BSL-3).

Modelo Infecção 1. Coelho e Coleção caseum

1. Infect de coelhos Nova Zelândia brancos com M. tuberculosis usando um sistema de exposição de aerossóis só de nariz, como descrito anteriormente. ^{12, 13} permitir que a infecção progride para 12-16 semanas. Sedar os coelhos com 35 mg / kg de cetamina e 5 mg / kg de xilazina por via intramuscular, sacrificar os coelhos, com 0,22 ml / kg de pentobarbital de sódio por via intravenosa e a fenitoína de sódio e prosseguir com as necropsias.
2. Usando pinças e um bisturi, remove pulmões do ca peitoVidade. A partir de cada lobo pulmonar, dissecar cavidades individuais e grandes granulomas necróticos usando um bisturi. Cuidadosamente raspar fora caseu da cavidade e granuloma paredes. Pesar, gravar e armazenar amostras em tubos de 2 mL com tampa roscada a -20 ° C até que esteja pronto para uso.
3. Irradia-se as amostras de caseu infecciosas a 3 MegaRad em gelo seco para torná-las não infecciosas e seguras para utilização num laboratório BSL-2.

2. Geração In Vitro de Substituto Caseum de células THP-1

1. Crescer monócitos THP-1 em meio RPMI 1640 (L-glutamina 2 mM e soro fetal bovino a 10%) em frascos de cultura de células T175 (80 mL / balão). Incubar os frascos numa atmosfera de CO2 a 5% a 37 ° C durante 3-4 dias.
2. Centrifugar a cultura de um balão T175 em dois tubos cônicos de 50 mL a 150 xg por 5 min. Descartar o sobrenadante e suspender o sedimento em 10 mL de meio RPMI 1640.
3. Pipetar 5 μL desta cultura em um tubo de 1,5 mL contendo 45 μL de tazul rypan. Mistura-se cuidadosamente por pipetagem. Transferir 10 uL para um hemocitómetro e contar o número de monócitos THP-1 viáveis ​​(sem corante), utilizando um microscópio óptico (ampliação de 10X). Calcular o número de células viáveis ​​por ml de cultura. Diluir com meio RPMI para a densidade final de 1,25 x 10 ⁶ culas / mL.
4. Carregar 40 ml da cultura em uma placa de cultura de células grandes (50 x 10 ⁶ culas / placa). Adicionar 40 uL de 100 uM de PMA (forbol 12-myristate13-etilo preparado em etanol) e permitir que as células a aderir durante a noite na incubadora.
   NOTA: A concentração final de PMA é de 100 nm.
5. Dilui-se o ácido puro oleico (OA) (0,89 g / mL) em etanol para a concentração de 0,1 M (ou seja 31,7 mL de OA em 968,3 mL de etanol). Dilui-se esta solução em meio fresco RPMI pré-aquecido a uma concentração de 10 mM. Dilui-se esta suspensão de OA a 0,4 mM (concentração final de trabalho), em meio RPMI pré-aquecido a 37 ° C.
6. Remova a mídia e não existentesDas células de cultura de células e adicionar suavemente 40 mL de OA 0,4 mM aos macrófagos THP-1 (THP-M). Incubar a 37 ° C na incubadora durante a noite.
7. Use um microscópio de luz com uma ampliação de 40x para confirmar visualmente a presença de numerosas inclusões de corpo lipídico em cada THP-M. Remover todo o meio RPMI das placas de cultura de células e lavar cuidadosamente as células aderentes duas vezes com solução salina tamponada com fosfato (PBS) utilizando uma pipeta serológica de 50 mL.
   NOTA: Os corpos lipídicos aparecem como estruturas esféricas pequenas e claras no citoplasma do THP-M.
8. Adicionar 40 mL de ácido etilenodiaminotetraacético 5 mM (EDTA) em PBS a cada placa. Incubar durante 15 min a 37 ° C.
9. Desmonte os macrófagos espumosos (FM) pipetando repetidamente para cima e para baixo sobre a superfície da placa inteira usando uma pipeta serológica de 10 mL. Transferir a suspensão celular para um tubo cônico de 50 mL e girar para baixo a 150 xg por 5 min.
10. Ressuspender o sedimento celular em 10 mL de PBS (terceira lavagem com PBS) aNd de transferência para um pré-pesados ​​15 mL mL tubos cônicos. Girar novamente para 150 xg durante 5 min. Aspirar cuidadosamente o sobrenadante utilizando uma pipeta serológica e descartar.
11. Submeter as pastilhas de FM a 3 ciclos de congelamento-descongelamento para lisar as células e incubá-las a 75 ° C durante 20-30 min para desnaturar as proteínas na matriz. Armazenar os grânulos a -20 ° C até estar pronto para uso.

3. Ensaio de Diálise de Equilíbrio Rápido (RED)

1. Preparar soluções-mãe 10 mM de todos os compostos de teste em dimetilsulfóxido (DMSO). Diluir a soluções de trabalho de 500 μM em DMSO antes de cada ensaio.
2. Pesar o tubo contendo a pastilha substituta de caseu. Subtrair o peso do tubo vazio para derivar o peso do grânulo sozinho. Adicionar 2-3 esferas metálicas por tubo e, utilizando um homogeneizador de tecidos a 1200 golpes / minuto durante 1 minuto, interromper o caseu ou a matriz substituta em PBS (1: 9 p / v) para se obter a suspensão diluída 10x de cada matriz.
3. Spike 6,5 μL dos 500ΜM do composto de teste em 643,5 μL de homogeneizado para se obter a concentração final de 5 μM (≤ 1% de DMSO) e vórtex.
4. Coloque as inserções VERMELHAS na placa de base. Adicionar 200 μL da matriz droga-cravada na câmara doadora (anel vermelho) de cada inserto VERMELHO e 350 μL de PBS em cada câmara receptora. Preparar 3 insertos para cada composto de teste (amostras em triplicado). Selar a placa com um vedante de placa adesiva e incubar a 37 ° C no termomixador a 200 rpm (1 xg) durante 4 h.
5. Após a incubação, misturar suavemente o conteúdo das câmaras doador e receptor por pipetagem para cima e para baixo 2-3 vezes. Pipetar para fora alíquotas de 20 μL de homogeneizado das câmaras de dador e adicionar 20 μL de PBS limpo num tubo de 1,5 mL (1: 1). Do mesmo modo, pipetar para fora alíquotas de 20 μL de amostras de PBS das câmaras receptoras e adicionar 20 μL de homogeneizado limpo (correspondência de matriz). ⁸
   NOTA: A correspondência de matriz elimina aEd para 2 curvas de calibração separadas (em homogeneizado e PBS) a serem feitas para análise quantitativa. O conteúdo da câmara doadora pode sedimentar ao longo do tempo. Misture suavemente o conteúdo por pipetagem antes de remover as alíquotas.

4. Quantificação de LC-MS e Análise de Dados

1. Adicionar 160 μL de metanol: acetonitrilo 1: 1 contendo diclofenac 500 ng / mL ou verapamil 10 ng / mL (padrão interno) a cada tubo e vortex para precipitar as proteínas. Centrifugar a 10 000 xg durante 5 min para sedimentar o precipitado e transferir os sobrenadantes para placas de poço profundo de 96 poços para análise de cromatografia líquida-espectrometria de massa (LCMS). ⁷
2. Construir curvas de calibração de 1-1000 nM para cada composto de teste, mantendo a mesma composição de matriz que as amostras acima. Quantificar a concentração do composto de teste em amostras das câmaras doadora e receptora utilizando um método LC-MS.
3. Calcular a fracção não ligada ( f _u ) oF o fármaco em matriz diluída usando a equação 1. Calcule o f _u em matriz não diluída usando a equação 2 ( D = fator de diluição de 10). ¹⁴
   
   
4. Verificar a recuperação (balanço de massa) de cada composto utilizando a equação 3 para identificar compostos com estabilidade / metabolismo / questões de ligação não específicas.
   NOTA: Recuperação normalmente cai entre 70% e 130%. ¹⁵
   

Resultados

Usando este protocolo, testámos centenas de compostos de desenvolvimento de tuberculose para a sua eficiência previsto no penetrante caseum. A Figura 1 visualiza os conceitos básicos do ensaio VERMELHO. A membrana de diálise das inserções VERMELHOS permite para pequenas moléculas não ligadas a difundir a partir do dador bem ao receptor bem como, finalmente, atingir um equilíbrio entre os dois compartimentos. As pequenas moléculas que são ligadas a macromolécu...

Discussão

Lesões necróticas pulmonares e cavidades em pacientes infectados com tuberculose contêm subpopulações de bactérias que são recalcitrantes ao tratamento medicamentoso. Os núcleos caseosos destas estruturas são particularmente responsáveis ​​por abrigar estes persisters em um ambiente extracelular. Acredita-se que uma distribuição favorável de agentes anti-bacterianos nestes locais remotos seja um determinante importante da eficácia do fármaco contra a tuberculose. Antes da validação deste protocolo, ...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
New Zealand White Rabbits	Covance	-
HN878 Mycobacterium tuberculosis	BEI Resources	NR-13647
Ketathesia (Ketamine) 100 mg/mL C3N	Henry Schein Animal Health	56344
Anased (Xylazine) 100 mg/mL	Henry Schein Animal Health	33198
Euthasol (pentobarbital sodium and phenytoin sodium) Solution	Virbac	710101
THP-1 monocytic cell line	ATCC	ATCC TIB-202
175 cm² TC-Treated Flask (T175)	Fisher Scientific	T-3400-175
RPMI 1640 media w/o glutamine	Fisher Scientific	MT-15-040-CV
Hyclone Fetal Bovine Serum, Gamma irradiated	Fisher Scientific	SH3091003IR
Hyclone L-glutamine, 200 mM	Fisher Scientific	SH3003401
Cellstar TC dish, 145 mm x 20 mm, vented	Fisher Scientific	T-2881-1
Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA)	Fisher Scientific	BP685-1
Ethylenediaminetetraacetic acid	Sigma	E6758
Oleic acid	Fisher Scientific	ICN15178101
Pierce RED Device Reusable Base Plate	Fisher Scientific	PI-89811
Pierce RED Device Inserts, 50/box	Fisher Scientific	PI-89809
Pierce RED insert removal tool	Fisher Scientific	89812
Adhesive plate seal	Fisher Scientific	08-408-240
PBS, pH 7.4, 10x 500 mL (Gibco)	Life Technologies	10010-049
DMSO	Sigma	472301
Acetonitrile	Sigma	34998
Methanol	Sigma	34860
Verapamil hydrochloride	Sigma	V4629
Diclofenac sodium salt	Sigma	93484
Trypan Blue Solution, 0.4%	Fisher Scientific	15-250-061
Ethanol, 200 proof	Fisher Scientific	04-355-451
2010 Geno/Grinder	SPEX SamplePrep	2010
Bead Mill Homogenizer Accessory, Metal Bulk Beads	Fisher Scientific	15-340-158
484R Cobalt 60 Irradiator	JL Shepard	7810-484-1
INCYTO C-Chip Disposable Hemacytometers	Fisher Scientific	22-600-100
Upright Light Microscope	Leica	DM1000
Binary Liquid Chromatography system	Agilent	1260	Multi-compenent
Mass spectrometer	AB Sciex	4000