בדיקת יחידה להקמת מושבות מיקרו להערכת יעילות חיסונים נגד שחפת
Summary
קביעת יחידות יוצרות מושבות (CFU) היא הטכניקה הסטנדרטית לכימות חיידקים, כולל Mycobacterium tuberculosis אשר יכול לקחת שבועות כדי ליצור מושבות גלויות. כאן אנו מתארים מיקרו-CFU לקביעת CFU עם יעילות זמן מוגברת, שטח מעבדה מופחת ועלות מגיב, ומדרגיות לניסויים בתפוקה בינונית וגבוהה.
Abstract
שחפת, סיבת המוות המובילה בעולם על ידי גורם זיהומי, הרגה 1.6 מיליון בני אדם בשנת 2022, רק עקף על ידי COVID-19 במהלך המגיפה 2019-2021. המחלה נגרמת על ידי החיידק Mycobacterium tuberculosis (M.tb). זן Mycobacterium bovis Bacillus Calmette-Guérin (BCG), החיסון היחיד לשחפת, הוא החיסון המורשה העתיק ביותר בעולם, שעדיין נמצא בשימוש. נכון לעכשיו, ישנם 12 חיסונים בניסויים קליניים ועשרות חיסונים בפיתוח פרה-קליני. שיטת הבחירה המשמשת להערכת היעילות של חיסוני שחפת במחקרים פרה-קליניים היא ספירת מושבות חיידקים על ידי בדיקת יחידות יוצרות מושבה (CFU). בדיקה זו גוזלת זמן רב ואורכת 4 עד 6 שבועות, דורשת שטח מעבדה ואינקובטור משמעותי, יש לה עלויות ריאגנטים גבוהות והיא מועדת לזיהום. כאן אנו מתארים שיטה אופטימלית לספירת מושבות, מיקרו-CFU (mCFU), המציעה פתרון פשוט ומהיר לניתוח תוצאות יעילות החיסון M.tb . בדיקת mCFU דורשת פי עשרה פחות ריאגנטים, מפחיתה את תקופת הדגירה פי שלושה, לוקח שבוע עד שבועיים לסיים, מפחיתה את שטח המעבדה ואת עלות המגיב, וממזערת את סיכוני הבריאות והבטיחות הקשורים לעבודה עם מספר גדול של M.tb. יתר על כן, כדי להעריך את יעילותו של חיסון נגד שחפת, ניתן לקבל דגימות ממגוון מקורות, כולל רקמות מבעלי חיים מחוסנים הנגועים במיקובקטריה. אנו מתארים גם שיטה אופטימלית לייצור תרבית מיקובקטריאלית חד-תאית, אחידה ואיכותית למחקרי זיהום. לבסוף, אנו מציעים לאמץ שיטות אלה באופן אוניברסלי למחקרים פרה-קליניים של קביעת יעילות החיסון, מה שיוביל בסופו של דבר לקיצור זמן בפיתוח חיסונים נגד שחפת.
Introduction
שחפת היא סיבת המוות המובילה בעולם על ידי גורם זיהומי יחיד, חיידק Mycobacterium tuberculosis (M.tb), והורגת יותר אנשים מכל פתוגן אחר. בשנת 2021, שחפת הייתה אחראית ל -1.6 מיליון מקרי מוות ועקפה את COVID-19 במהלך המגיפה 2019-20211. יתר על כן, על פי דו”ח השחפת העולמי של ארגון הבריאות העולמי לשנת 2022, מגפת COVID-19 הייתה אחראית לעלייה במקרי שחפת חדשים. ארגון הבריאות העולמי מדווח גם על ירידה גדולה במספר האנשים שאובחנו עם שחפת בתקופה זו, מה שעלול להגדיל עוד יותר את מספר מקרי השחפת1.
Bacillus Calmette-Guérin (BCG) הוא זן חי מוחלש של Mycobacterium bovis הפתוגני ששימש לראשונה כחיסון לפני יותר מ-100 שנה. זהו החיסון היחיד נגד שחפת והוא החיסון המורשה העתיק ביותר בעולם שעדיין בשימוש 2,3. נכון לעכשיו, ישנם 12 חיסונים בשלבים שונים של ניסויים קליניים4, ועשרות חיסונים נמצאים בפיתוח פרה-קליני 5,6. הערכה פרה-קלינית של חיסונים נגד שחפת כוללת הערכה של הבטיחות והאימונוגניות7, שניתן להשיג במודלים מגוונים של בעלי חיים כגון דגי זברה, עכברים, שרקנים, ארנבות, בקר ופרימטים לא אנושיים 8,9,10. בנוסף, הערכת יכולתו של חיסון לגרום להגנה מפני זיהום ו/או העברה של M.tb, כלומר יעילות החיסון, דורשת אתגר M.tb in vivo 5,11. באופן מעניין, חיסון BCG גורם להשפעות לא ספציפיות המשפיעות על הישרדותם של פתוגנים חיידקיים ונגיפיים אחרים12,13 באמצעות מנגנון של חסינות מאומנת14. כדי לכמת את הנטל החיידקי הקיים בחיה נגועה, שיטת הבחירה היא ספירת מושבות חיידקים באמצעות בדיקת יחידות יוצרות מושבה (CFU) 5,15. CFU היא יחידה המעריכה את מספר המיקרואורגניזמים (חיידקים או פטריות) היוצרים מושבות בתנאי גידול ספציפיים. CFUs מקורם במיקרואורגניזמים בני קיימא ומשכפלים, וקשה להעריך את המספר המוחלט של מיקרואורגניזמים חיים בתוך כל מושבה. לא בטוח אם המושבה נוצרה ממיקרואורגניזם אחד או יותר. יחידת CFU משקפת אי ודאות זו, ולכן ניתן לראות שונות גדולה בהעתקים של אותו מדגם. בדיקה גוזלת זמן זו דורשת טכנאים מיוחדים שהוכשרו לעבוד במתקן ברמת בטיחות ביולוגית 3 (BSL3), שטח מעבדה ואינקובטור משמעותי, לוקח בין 4 ל -6 שבועות להסיק, והוא נוטה לזיהום.
במחקר זה, אנו מתארים שיטה אופטימלית לספירת מושבות, מיקרו-CFU (mCFU), ומציעים פתרון פשוט ומהיר לניתוח התוצאות 15,16,17,18,19,20. בדיקת mCFU דורשת פי עשרה פחות ריאגנטים, מפחיתה את תקופת הדגירה פי שלושה, לוקח שבוע עד שבועיים לסיים, מפחיתה את שטח המעבדה ואת עלות המגיב, וממזערת את סיכוני הבריאות והבטיחות הקשורים לעבודה עם מספר גדול של M.tb. אנו מציעים לאמץ שיטה זו באופן אוניברסלי למחקרים פרה-קליניים של קביעת יעילות החיסון, מה שיוביל בסופו של דבר לקיצור זמן בפיתוח חיסונים נגד שחפת. לבסוף, שיטה אופטימלית זו של ספירת CFU שימשה לכימות לא רק מיקובקטריה אלא גם חיידקים אחרים, כגון Escherichia coli ו– Ralstonia solanacearum21.
Protocol
Representative Results
Discussion
שחפת היא בעיה חשובה בבריאות הציבור עם חשיבות גוברת, במיוחד במדינות בעלות הכנסה נמוכה ובינונית. השיבוש במסגרות הבריאות לאבחון וטיפול בשחפת במהלך מגפת COVID-19 גרם להשפעה שלילית על שכיחות המקרים החדשים1. בנוסף, יש לטפל בדחיפות בזני M.tb הרב-תרופתיים והעמידים לתרופות, ובהדבקה המ?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מימון פנימי מהפקולטה לרפואה, Universidade Católica Portuguesa, ומימון חיצוני מ- Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT), במסגרת המענקים UIDP/04279/2020, UIDB/04279/2020 ו- EXPL/SAU-INF/0742/2021.
Materials
| 96-well plates | VWR | 734-2781 | |
| DSLR 15-55 mm lens | Nikon | AF-P DX NIKKOR 18-55mm f/3.5-5.6G VR | |
| DSLR camera | Nikon | D3400 | |
| DSLR macro lens | Sigma | MACRO 105mm F2.8 EX DG OS HSM | |
| Fetal calf serum | Gibco | 10270106 | |
| Fiji Software | https://fiji.sc/ | Fiji is an open-source software supported by several laboratories, institutions, and individuals. All the required plugins are included. | |
| Igepal CA-630 | Sigma-Aldrich | 18896 | |
| L-glutamine | Gibco | 25030-081 | |
| Middlebrook 7H10 | BD | 262710 | |
| Middlebrook 7H9 | BD | 271310 | |
| Multichannel pipette (0.5 – 10 µl) | Gilson | FA10013 | |
| Multichannel pipette (20 – 200 µl) | Gilson | FA10011 | |
| Mycobacterium bovis BCG | American Type Culture Collection | ATCC35734 | strain TMC 1011 [BCG Pasteur] |
| OADC enrichment | BD | 211886 | |
| Phosphate buffered saline (PBS) | NZYTech | MB25201 | |
| RPMI 1640 medium | Gibco | 21875091 | |
| Sodium pyruvate | Gibco | 11360-070 | |
| Spectrophotometer UV-6300PC | VWR | 634-6041 | |
| Square Petri dish 120 x 120 mm | Corning | BP124-05 | |
| Tyloxapol | Sigma-Aldrich | T8761 | |
| Ultrasound bath Elma P 30 H | VWR | 142-0051 |
Referencias
- World Health Organization. . Global Tuberculosis Report 2022. , (2022).
- Bettencourt, P. J. G., Joosten, S. A., Lindestam Arlehamn, C. S., Behr, M. A., Locht, C., Neyrolles, O. 100 years of the Bacillus Calmette-Guérin vaccine. Vaccine. 39 (50), 7221-7222 (2021).
- Bettencourt, P. J. G. The 100th anniversary of bacille Calmette-Guérin (BCG) and the latest vaccines against COVID-19. The International Journal of Tuberculosis and Lung Disease. 25 (8), 611-613 (2021).
- Scriba, T. J., Netea, M. G., Ginsberg, A. M. Key recent advances in TB vaccine development and understanding of protective immune responses against Mycobacterium tuberculosis. Seminars in Immunology. 50, 101431 (2020).
- McShane, H., Williams, A. A review of preclinical animal models utilised for TB vaccine evaluation in the context of recent human efficacy data. Tuberculosis. 94 (2), 105-110 (2014).
- Voss, G., et al. Progress and challenges in TB vaccine development. F1000Research. 7, 199 (2018).
- Satti, I., McShane, H. Current approaches toward identifying a correlate of immune protection from tuberculosis. Expert Review of Vaccines. 18 (1), 43-59 (2019).
- Young, D. Animal models of tuberculosis. European Journal of Immunology. 39 (8), 2011-2014 (2009).
- Pedroza-Roldán, C., Flores-Valdez, M. A. Recent mouse models and vaccine candidates for preventing chronic/latent tuberculosis infection and its reactivation. Pathogens and disease. 75 (6), (2017).
- Gong, W., Liang, Y., Wu, X. Animal Models of Tuberculosis Vaccine Research: An Important Component in the Fight against Tuberculosis. BioMed Research International. 2020, 1-21 (2020).
- Bettencourt, P., et al. Identification of antigens presented by MHC for vaccines against tuberculosis. NPJ vaccines. 5 (1), 2 (2020).
- Moorlag, S. J. C. F. M., Arts, R. J. W., van Crevel, R., Netea, M. G. Non-specific effects of BCG vaccine on viral infections. Clinical Microbiology and Infection. 25 (12), 1473-1478 (2019).
- Wilkie, M., et al. Functional in-vitro evaluation of the non-specific effects of BCG vaccination in a randomised controlled clinical study. Scientific Reports. 12 (1), 7808 (2022).
- Netea, M. G., et al. Trained immunity: A program of innate immune memory in health and disease. Science. 352 (6284), aaf1098 (2016).
- Bettencourt, P., Pires, D., Carmo, N., Anes, E. Application of Confocal Microscopy for Quantification of Intracellular Mycobacteria in Macrophages. Microscopy: Science, Technology, Applications and Education. 1, 614-621 (2010).
- Bettencourt, P., Carmo, N., Pires, D., Timóteo, P., Anes, E. Mycobacterial infection of macrophages: the effect of the multiplicity of infection. Antimicrobial research: Novel bioknowledge and educational programs. , 651-664 (2017).
- Pires, D., Bettencourt, P., Carmo, N., Niederweis, M., Anes, E. Role of Mycobacterium tuberculosis outer-membrane porins in bacterial survival within macrophages. Drug Discovery Today. 15 (23-24), 1112-1113 (2010).
- Pires, D., et al. Mycobacterium tuberculosis Modulates miR-106b-5p to Control Cathepsin S Expression Resulting in Higher Pathogen Survival and Poor T-Cell Activation. Frontiers in immunology. 8 (DEC), 1819 (2017).
- Pires, D., et al. Role of Cathepsins in Mycobacterium tuberculosis Survival in Human Macrophages. Scientific reports. 6 (August), 32247 (2016).
- Bettencourt, P., et al. Actin-binding protein regulation by microRNAs as a novel microbial strategy to modulate phagocytosis by host cells: the case of N-Wasp and miR-142-3p. Frontiers in cellular and infection microbiology. 3 (June), 19 (2013).
- Bhuyan, S., et al. Microliter spotting and micro-colony observation: A rapid and simple approach for counting bacterial colony forming units. Journal of Microbiological Methods. 207, 106707 (2023).
- Jackson, S., McShane, H. Challenges in Developing a Controlled Human Tuberculosis Challenge Model. Current topics in microbiology and immunology. , 1-27 (2022).
- Darrah, P. A., et al. Prevention of tuberculosis in macaques after intravenous BCG immunization. Nature. 577 (7788), 95-102 (2020).
- Madura Larsen, J., et al. BCG stimulated dendritic cells induce an interleukin-10 producing T-cell population with no T helper 1 or T helper 2 bias in vitro. Immunology. 121 (2), 276-282 (2007).
- Bickett, T. E., et al. Characterizing the BCG-Induced Macrophage and Neutrophil Mechanisms for Defense Against Mycobacterium tuberculosis. Frontiers in immunology. 11, 1202 (2020).
- Pires, D., et al. Interference of Mycobacterium tuberculosis with the endocytic pathways on macrophages and dendritic cells from healthy donors: role of cathepsins. Drug Discovery Today. 15 (23-24), 1112-1112 (2010).
- Betts, G., et al. Optimising Immunogenicity with Viral Vectors: Mixing MVA and HAdV-5 Expressing the Mycobacterial Antigen Ag85A in a Single Injection. PLoS ONE. 7 (12), e50447 (2012).
- Tanner, R., et al. The influence of haemoglobin and iron on in vitro mycobacterial growth inhibition assays. Scientific reports. 7 (1), 43478 (2017).
- McNeill, E., et al. Regulation of mycobacterial infection by macrophage Gch1 and tetrahydrobiopterin. Nature communications. 9 (1), 5409 (2018).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- Pereira, M., Vale, N. Saquinavir: From HIV to COVID-19 and Cancer Treatment. Biomolecules. 12 (7), 944 (2022).
- Pires, D., et al. Repurposing Saquinavir for Host-Directed Therapy to Control Mycobacterium Tuberculosis Infection. Frontiers in immunology. 12, 647728 (2021).
- Pires, D., et al. Liposomal Delivery of Saquinavir to Macrophages Overcomes Cathepsin Blockade by Mycobacterium tuberculosis and Helps Control the Phagosomal Replicative Niches. International journal of molecular sciences. 24 (2), (2023).
- Maartens, G., Wilkinson, R. J. Tuberculosis. The Lancet. 370 (9604), 2030-2043 (2007).
- Matarazzo, L., Bettencourt, P. J. G. mRNA vaccines: a new opportunity for malaria, tuberculosis and HIV. Frontiers in Immunology. 14, 1172691 (2023).
- Young, D., Dye, C. The Development and Impact of Tuberculosis Vaccines. Cell. 124 (4), 683-687 (2006).
- Kommareddi, S., Abramowsky, C. R., Swinehart, G. L., Hrabak, L. Nontuberculous mycobacterial infections: Comparison of the fluorescent auramine-o and Ziehl-Neelsen techniques in tissue diagnosis. Human Pathology. 15 (11), 1085-1089 (1984).
- Sabiiti, W., et al. A Tuberculosis Molecular Bacterial Load Assay (TB-MBLA). Journal of visualized experiments: JoVE. (158), e60460 (2020).
- Somoskövi, A., et al. Comparison of Recoveries of Mycobacterium tuberculosis Using the Automated BACTEC MGIT 960 System, the BACTEC 460 TB System, and Löwenstein-Jensen Medium. Journal of Clinical Microbiology. 38 (6), 2395-2397 (2000).
- Tanner, R., et al. The in vitro direct mycobacterial growth inhibition assay (MGIA) for the early evaluation of TB vaccine candidates and assessment of protective immunity: a protocol for non-human primate cells. F1000Research. 10, 257 (2021).
