Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Representative Results
Discussion
Acknowledgements
Materials
References
Immunology and Infection
The charcoal agar resazurin assay (CARA) is a semi-quantitative, medium-throughput method to assess activity of test agents against mycobacteria that are replicating, non-replicating, or both. The CARA permits rapid evaluation of time- and concentration-dependent activity and identifies parameters to pursue by colony forming unit (CFU) assays.
有一个迫切需要发现和进展抗感染药的缩短结核病治疗时间。 结核分枝杆菌,结核的病原体,是难治快速和持久的化疗由于表现出的表型耐药性杆菌的存在。的C harcoal 一个噶尔řesazurin 一个 SSAY(CARA)的开发,以表征由高通量筛选广告活动发现的活性分子针对复制型或非复制型结核分枝杆菌的一种工具。在细菌学琼脂培养基活性炭的夹杂有助于减轻化合物结转的影响,并消除了对预稀释之前斑点上CARA微孔板细胞的要求。后在37℃的7-10天的潜伏期,由分枝杆菌菌落CARA微孔板的表面上生长刃天青的还原允许半定量ASSE通过荧光细菌数量的ssment。卡拉约检测细菌数2-3日志10差并预测最低杀菌浓度导致≥99%的细菌杀死(MBC≥99)。卡拉有助于确定分子是否在被复制杆菌,非复制,或既活跃。使用卡拉导频实验促进其中的测试药剂和化合物曝光的时间的浓度需要由菌落形成单位(CFU)的测定进一步评估鉴定。此外,如果复制的活性成分都属于杀菌或抑菌卡拉无法预测。
结核分枝杆菌 ,结核的病原体,可以在处于潜伏状态的主机是难以用抗生素根除生存。表型(非遗传)感染期间结核分枝杆菌的抗性被认为是由于,在部分地非复制杆菌1,2-种群。 I类持久化的表型显示耐药性之间通过大量人口的药物敏感细胞3,4罕见随机产生的机制。 II类持留由宿主免疫的因素,包括在感染过程中遇到的微环境的外部应力呈现非复制。我们最近开发II类的体外模型的非复制的持久性,以模仿由结核分枝杆菌在活化巨噬细胞和肉芽肿面临的条件。 II类的持久性的多应力模型包括条件生长缓慢,如脂肪酸碳源,并完全哈尔吨增长,如轻度酸性(pH值5.0),低氧(1%O 2)和一氧化氮和其它的反应性氮中间体5-9。使用非复制的这种多应力模型大规模筛查,和其它II类非复制模型,已经产生了多种分子,其活性是针对非复制状态5-7,9-18。相同的非复制的屏幕还显示,具有抗既复制和非复制杆菌活性的分子的一类,称为“双活性”7,10,12,19,20。
抗菌药物发现的命中以铅阶段的工作,候选分子的广泛特性来选择命中扩张,初步药理特性,目标识别和初步的体内药效学研究线索。作为早期步骤,抗感染药由行动其抑菌或杀菌机理和分类,如果杀菌,W论是细菌灭杀是时间和/或浓度依赖性。的菌落形成单位(CFU)测定是为解决这些问题的古典,金标准方法。在CFU试验,细菌暴露于测试试剂,之后,等分试样被去除,连续稀释,并稀释的等分试样散布固体细菌学培养基上,并温育,以允许存活细胞的生长。最后,细菌菌落列举。 CFU试验需要大量酶标板稀释细胞和含有琼脂的Petri板枚举幸存的殖民地。对于缓慢生长的分枝杆菌的CFU试验是通过缓慢的生成时间(18-24小时),这需要大约3周菌落平板上出现阻碍。另外,培养箱空间专门生物安全级别为3的设施通常是有限的。
虽然繁琐,CFU试验是黄金标准来表征非复制型和双活性分子对mycobacter的影响IA。非复制的检测方法受到许多连接到复制测定以评估细胞活力6-8的高误报率。例如,具有抗复制结核分枝杆菌有效的活性化合物(一种“复制活性”)可能无法在非复制测定期间杀死,但仍然可以通过凭借结转从的非复制相杀测定到测定,这是支持复制(“复制条件”)的条件下进行的恢复阶段。化合物结转进一步复杂化的双活性分子的分析,使得难以区分的活性是否被复制,非复制,或双。
为了解决上述问题,我们开发的C harcoal 一个噶尔- [R esazurin对分枝杆菌快速,半定量枚举 SSAY(CARA)如M. tubercul肌病, 牛分枝杆菌 BCG和耻垢分枝杆菌 7( 图1和2)。在体外缓冲溶液,活性炭迅速隔绝大多数用于治疗肺结核7的标准药物。在卡拉活性炭微孔板结合,可能会从一个测定微量结转化合物和CARA的这一特点消除了串联稀释到枚举7,21,22事先测定孔内容的要求。 CARA微孔板的琼脂表面上分枝杆菌菌落的数目通过加入刃天青的估计,蓝色染料,其还原形式,试卤灵,是粉红分子通过一个分光23测量其荧光。 CARA微孔板温育1-2天的耻垢分枝杆菌和7-10天的缓慢生长的分枝杆菌如结核分枝杆菌和牛分枝杆菌 BCG。卡拉有2-3〜10日志的迪菲一个狭窄的动态范围伦斯在CFU。当使用代替CFU试验中,单个CARA微孔板替换大约用于用于电镀连续稀释和120三 - 风格琼脂平板5个96孔板中。 CARA数据的解释有助于确定哪些孵育时间和化合物浓度来测试比较费力基于CFU-试验指导今后的研究。
1. CARA微孔板的制备
2.设置复制和非复制MIC 90测定
3. CARA微孔板接种
4.制定CARA微孔板
5.数据分析
预期CARA结果在图2中描述,并在表1中总结。对于复制的细胞时,卡拉用的标准的MIC 90测定并行运行,而对于非复制测定法,该CARA与被耦合到一个生长阶段的适于MIC 90测定并行运行。测试试剂,其导致CARA荧光的失败可以上升到高于背景水平的浓度是CARA-MBC≥99( 图3a)。在“≥99”下标表示该CARA-MBC提供测试剂的浓度估计,使人们产生≥2日志10细菌灭杀(≥99%杀死)。
液体肉汤MIC 90测定是无法杀菌和抑菌活性区分和这种区别必须由CFU试验来解决。通过惯例,从生长缓慢的分枝杆菌抑菌活性区分杀菌的阈值近似超过7天7.26 2-3日志10杀。由于CARA的动态范围也2-3日志10杀,该CARA可以提供杀菌或抑菌活性的估计。该CARA容易识别一些复制活性抑菌由于这些化合物的故障减少CARA荧光背景水平( 图2)。然而,一些化合物具有抑菌活性对复制的结核分枝杆菌具有有效的抗生素后效应,这意味着它们继续甚至在不存在化合物结转在恢复阶段,以抑制细菌的生长。这种效果可能是困难的卡拉法来识别。化合物被怀疑施加抗生素后效应,如果它们显示一个“静态窗口”,其定义为一> 4倍移向右between中的MIC和CARA曲线( 图3b)。静态窗口指示不要照搬结核分枝杆菌的活性分子可能是抑菌而不是杀菌。在一些情况下,静止窗户仅膨胀Y轴为CARA荧光( 图3c和3d)的检查后是显而易见的。
CARA和MIC 90的数据通常被绘制在一起( 图4)。通过MIC 90和CARA测试replicating-和非复制活性分子的代表性数据示于图4。有对分子4大活动类:1)复制杀菌(证明用异烟肼, 图4a); 2)复制抑菌(利奈唑胺, 图4b)证明; 3)非复制杀菌(展示用羟基保泰松, 图4c);并且,4)代表licating活性(抑菌或杀菌)和非复制杀菌(与PA-824, 图4d所示)。重要的是, 图4a和4b表明,虽然异烟肼和利奈出现由MIC 90测定以具有针对非复制的细菌的活性,所述CARA表明它们是所测试的非复制的条件下无活性。为了测试CARA的效用在预测的分子的时间和浓度依赖性的影响,复制耻垢分枝杆菌暴露于增加利福平浓度( 图5a - d)中 ,并在1-24小时之间的不同时间,将等分试样点样CARA上板。这些数据表明,利福平施加的冲击,早在1小时( 图5a),第3和24小时( 图5b-d)中的显示增加的杀菌活性,并且由2在〜10μg/ ml的杀≥2-3日志104小时( 图5d)。一个类似的实验测试的车辆的控制和9的药物浓度一式四份,并在4个时间点,将是一个标准的基于CFU-测定望而却步。
因此,该CARA在药物发现作用作为介质通量,快速机制来标识一个分子的活性曲线。 CARA预测值应该使用标准CFU试验进行严格的评估。在加入0.4%活性炭至培养皿为CFU分析可能有助于改善相关性CARA数据,并可能导致更准确的CFU计数,校正的幅度通常正比于化合物的效力21,22。
图1:CARA在药物开发的预测工具。此图总结了CARA的效用为药物筛选(单点筛选,挑肥拣瘦,和剂量应答测定)和费时命中到铅测定(CFU测定法和目标识别)之间的中间阶段。 [与黄金等改编的权限,抗菌制剂和化疗,2015年 7] 请点击此处查看该图的放大版本。
图2: 肉汤MIC 90测定和CARA与预期效果示意图。这两个MIC 90和CARA结果中给出了8种可能的活动。颜色编码为MIC 90微孔板为白色(没有增长)和布朗(增长),以及CARA微孔板为黑色(无荧光)和粉色(试卤灵荧光)。数据是假设。 [改编与黄金等权限,抗菌制剂和化疗,2015年 7] 请点击此处查看该图的放大版本。
图3:CARA 专业术语和定义。导致CARA荧光背景水平的分子的最小杀菌浓度是CARA-MBC≥99(a)中 。下复制的条件下,CARA-MBC≥99到MIC 90的右侧的一个≥4倍移常常表示抑菌活性和被称为“静态的窗口”(b)中 。对于一种有效的抗生素后效应分子,静态窗口可能难以观察(c)和要求Y轴(CARA荧光)扩展可视化(D)。数据是假设。 [与黄金等改编的权限,抗菌制剂和化疗,2015年 7] 请点击此处查看该图的放大版本。
图4: 说明性MIC 90和CARA结果选择化合物。对于MIC 90(红色)和CARA(蓝色)的数据被证实为( 一 )异烟肼(INH),(B)利奈唑胺,(C)羟基保泰松,和(d)的PA-824。野生型结核分枝杆菌H37Rv暴露于化合物为标准复制条件或非复制7-9的多应力模型下7天。如图2中进行的MIC 90测定和CARA。 [与黄金等改编的权限,抗菌制剂和化疗,2015年7]请点击此处查看该图的放大版本。
图5: 剂量-和利福平的时间依赖性活性。非致病的,快速生长耻垢分枝杆菌暴露于复制条件和等分下增加利福平的浓度分别固定在取样CARA 1(a)中 ,图3(b),6(c)和24(D)小时。 [改编与黄金等权限,抗菌制剂和化疗,2015年 7].COM /文件/ ftp_upload / 54690 / 54690fig5large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。
表1:图2的预期结果的总结 。 [与黄金等改编的权限,抗菌制剂和化疗,2015年 7] 请点击这里查看此表的放大版本。
卡拉最初被开发为缓解进展非复制或双活性分子7的瓶颈。该CARA作为初筛安打和CFU测定( 图1)的浓度-应答确认之间的中间步骤。由于单个CARA板可以代替用来列举存活的细菌准备连续稀释需要大量的微孔板,以及含有琼脂培养皿中,CARA提供了一个简单的方法来快速评估分子的活动,并测试一次多个变量,包括化合物浓度和暴露于化合物的时间。
在一个CFU试验中,除了系列稀释经常范围高达10 6倍,琼脂板通常稀释由附加〜800倍(10微升到8毫升在一个三-式培养皿)分子。我们的两阶段,对活性化合物的多应力筛选测定非复制分枝涂berculosis具有5倍的结转因素,那就是,一个存在于该测定的非复制阶段化合物以五分之一的原始浓度在生长测定6-9的(复制)相。卡拉减轻了通过隔离的小分子用活性炭结转的效果。多数结核病药物和临床候选结合活性炭迅速而完全,用氨基糖苷类链霉素7的异常。在CFU测定琼脂平板活性炭纳入防止细菌生长抑制,或细菌杀死,被结转TMC207和PA-824 7,21,22。因而,借助于在细菌学琼脂掺入活性炭,该CARA不依赖于细胞和测试试剂的系列稀释液。
卡拉有助于预测复制活性和非活性复制杀菌影响的抑菌或杀菌的影响。 IN GENERAL,卡拉是并行使用标准的MIC 90测定。的CARA的预测能力来自比较的MIC 90和CARA的结果( 图2和表1)。当用于研究的抗分支杆菌剂,该CARA能准确地预测被复制杀菌( 图4a)的活性,复制抑菌( 图4b),非复制杀菌( 图4c),或双活性( 图4d)。卡拉还允许在这两个时间和剂量复合的活动简单的评价。 CFU测定单独需要大量的努力和材料,以评估在宽范围的剂量和时间的化合物的活性,但是当CARA结果缩小的条件范围的那些任务变得易于管理,其中所述化合物可以证明是活性( 图5 )。
虽然CARA在学习的行动工具在分枝杆菌NTI感染治疗,化验有其局限性。该CARA具有窄的动态范围(2-3日志10)和用于在其中一个预计可能不存在超过2至3个对数10细菌杀灭条件可能不适合。 CARA预测需要使用更严格和准确的方法来枚举细菌数量,诸如CFU试验进一步研究。一些抗感染药,如PAS的抗生素后效应,可以混淆CARA作为预测工具针对复制的结核分枝杆菌 7与杀菌和抑菌活性的化合物之间进行区分。
有两个建议,以提高CARA的质量。首先,必须倾CARA琼脂凝固之前微孔板迅速,同时保持空间精度和避免微孔以外飞溅。无论所需板的数量,我们建议在做介质的0.5至1升批次,以帮助维持对Medium液体形式为倒板所需要的时间的持续时间。更改提示经常却使微孔板用中使用部分堵塞的提示避免。其次,必须最大限度地减少重复的荧光人为的变异。分枝杆菌菌落,特别是用于病原性分枝杆菌,例如结核分枝杆菌 ,经常不稳定生长。例如,小菌落在琼脂表面上生长可以在大小,形状,高度变化,或者可以延伸到微孔板的内壁。一个挑战是与显色剂均匀覆盖全部杆菌。另一个障碍是,在37℃下延长温育后,该CARA微孔板的固体细菌学介质可以变得干燥,易吸收的显影试剂。因为活性炭可以结合刃天青和急冷荧光7,有可能是从油井到井的变化,由于干井吸收刃天青显影溶液和活化charcoa升淬刃天青荧光。预润湿立即加入显影试剂之前所有CARA微孔板用PBS表面减轻这两个问题 - 显影试剂将同样达到所有分枝杆菌菌落,并且刃天青活性炭上述安全地保持。该CARA可以具有识别和表征分枝杆菌突变体的表型,或在介质通量药物筛选测定法的其他细菌种类的应用程序。
有没有利益冲突披露。
我们感谢克里斯汀伯恩斯黄的手稿和J.戴维·沃伦(威尔康乃尔医学院)的化学援助,同时开发CARA的专家评审。这项工作是由比尔和梅林达·盖茨基金会,艾比和霍华德P.米尔斯坦计划在转化医学的结核病药物加速器计划,以及美国国立卫生研究院TB研究组(U19 AI111143)支持。微生物学和免疫学系是由威廉·伦道夫·赫斯特基金会的支持。 SSK是由美国国立卫生研究院资助K08AI108799支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Middlebrook 7H9 | Beckton Dickinson | 271310 | |
Middlebrook 7H11 | Beckton Dickinson | 298810 | |
Middlebrook OADC | Beckton Dickinson | 212351 | |
BSA, heat shock | Roche | 3118958001 | |
activated charcoal | Sigma | C5510 | |
PBS, Dulbecco's Ca2+ and Mg2+ free | Life Technologies / Invitrogen | 14190-144 | |
tween 80 | Sigma | P8074 | |
tyloxapol | Sigma | T8761 | |
sodium nitrite | Sigma | 2252 | |
rifampicin | Sigma | R3501 | |
6-bromo-1H-indazol-3-amine | Alfa Aesar | H34095 | |
potassium phosphate monobasic | Sigma | P0662 | |
magnesium sulfate, heptahydrate | Sigma | M1880 | |
ferric ammonium citrate | Sigma | F5879 | |
zinc sulfate, heptahydrate | Sigma | Z0251 | |
ammonium chloride | Sigma | A9434 | |
butyric acid, liquid | Sigma | B103500 | |
resazurin powder | Sigma | R7017 | |
sodium chloride | J.T. Baker | 4058-01 | |
prepared resazurin solution | Invitrogen | DAL1100 | |
PCR stickers | Denville | B1212-5 | |
spectrophotometer | Molecular Devices | M5 | |
96-well, tissue culture treated microplates | Corning | 3595 | |
reagent reservoirs | VWR | 89094-678 | |
resealable plastic bags | VWR | 395-94602 | |
14 mL Polypropylene round-bottom tubes | Corning | 352059 | |
50 mL conical centrifuge tube | Corning | 352070 | |
75 cm2 Cell culture flask | Corning | 431464U | |
clear, flat bottom tissue culture treated 96-well microplate | Costar | 3595 | |
Prism 6 for OS X | GraphPad | http://www.graphpad.com/scientific-software/prism/ |
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