Summary

Et højt indhold Imaging Assay til identifikation af botulinumneurotoksin inhibitorer

Published: November 14, 2014
doi:

Summary

Botulinum neurotoxin is one of the most potent toxins among Category-A biothreat agents, yet a post-exposure therapeutic is not available. The high content imaging approach is a powerful methodology for identifying novel inhibitors as it enables multiparameter screening using biologically relevant motor neurons, the primary target of this toxin.

Abstract

Synaptosomal-associated protein-25 (SNAP-25) is a component of the soluble NSF attachment protein receptor (SNARE) complex that is essential for synaptic neurotransmitter release. Botulinum neurotoxin serotype A (BoNT/A) is a zinc metalloprotease that blocks exocytosis of neurotransmitter by cleaving the SNAP-25 component of the SNARE complex. Currently there are no licensed medicines to treat BoNT/A poisoning after internalization of the toxin by motor neurons. The development of effective therapeutic measures to counter BoNT/A intoxication has been limited, due in part to the lack of robust high-throughput assays for screening small molecule libraries. Here we describe a high content imaging (HCI) assay with utility for identification of BoNT/A inhibitors. Initial optimization efforts focused on improving the reproducibility of inter-plate results across multiple, independent experiments. Automation of immunostaining, image acquisition, and image analysis were found to increase assay consistency and minimize variability while enabling the multiparameter evaluation of experimental compounds in a murine motor neuron system.

Introduction

Bakterien Clostridium botulinum producerer botulinum neurotoksin, et af de mest potente biologiske toksiner, man kender 1. Der er 7 forskellige BoNT serotyper (BoNT / AG). BoNT / A-Gall fremkalde lammelse ved den neuromuskulære junction grund SNARE kompleks proteolyse 2,3. SNARE proteolyse forhindrer neurotransmitter vesikel-membran fusion og derfor blokerer neurotransmitter exocytose 4. Den specifikke SNARE målet afhænger af den særlige BoNT serotype involveret i forgiftning proces. BoNT / A og BoNT / E spalter SNAP-25 hvorimod BoNT / C spalter både SNAP-25 og syntaxin 5. Den resterende serotyper spalter synaptobrevin (også kaldet vesikelassocieret membranprotein (VAMP). BoNT / A blev valgt til assay udvikling, da den er ansvarlig for en stor del af naturligt forekommende botulisme, og har den længste virkningstid 6. Udvikling af lille molekyle lægemidler mod BoNT / A er et vigtigt mål forvores drug discovery program og har benyttet traditionelle målrettede metoder til at identificere aktive websted proteolytiske inhibitorer 7, 8-10. Imidlertid vil etablering af aktivt sted inhibitorer med bredspektret aktivitet mod flere serotyper og post-eksponering effekt sandsynligvis være udfordrende.

Vi har derfor gennemført en innovativ, fænotypisk drug discovery tilgang, der bruger BoNT SNAP-25 spaltning som en funktionel endepunkt for at identificere små molekyler, der kan blokere BoNT-medieret motor neuron beruselse. SNAP-25 er nødvendig for neurotransmitterfrigivelse, som nedbrydning af SNAP-25 er prædiktive for lammelse og letalitet in vivo. For eksempel kan celle-baserede screening føre til opdagelsen af ​​nye modulatorer af cellulære faktorer, der er ansvarlige for toksin inaktivering eller inhibering af toksin veje inde i målcellerne. En vigtig faktor i fænotypisk assay udvikling er det udvalg af fysiologisk relevante biologiske modeller. We og andre har beskrevet mus embryonale stamceller (ES) celleafledte motoriske neuroner, der rekapitulere immunologisk karakter af primære motoriske neuroner, herunder afgivelse af SNAP-25 11- 13. Vigtigere, disse cellulære systemer er meget følsomme over BoNT / A forgiftning og viser dosis-afhængig spaltning af SNAP-25 som reaktion på stigende koncentrationer af toksin 11,12. De differentierede motoriske neuroner er også produceret i mængder, der er tilstrækkelige til high throughput plade baseret analyse og tilladt udformningen af ​​en vifte af cellulære assays.

Den fænotypiske analyse er en immunfluorescens fremgangsmåde, der anvender to forskellige antistoffer til at kvantificere spaltning af endogent udtrykt fuldlængde SNAP-25 i BoNT / A forgiftning af muse motor neuron kultur. En carboxylterminale BoNT / A-sensitive spaltning (BACS) antistof, der genkender kun fuld længde SNAP-25 tillader vurdering af BoNT / A-medieret proteolyse af SNAP-25ekspression i muse motorneuroner 10. Et skematisk diagram af HCI assay er vist i figur 1.

Protocol

Plade 20.000 differentieret muse ES-celler (MES) / brønd i en 96-brønds Poly-D-lysin overtrukne plader og opretholde motor neuron terminal differentiering medier i 5-7 dage. 1. Forbindelse Administration og Forgiftning med BoNT / A Udfør alle følgende arbejde i et BSL2 kabinet for at opretholde overensstemmelse med CDC / NIH retningslinjer. Forbered 10 mM stamopløsninger af hvert bibliotek forbindelse i 100% DMSO i polypropylen 96-brøndsplader. B…

Representative Results

Data fra høje og lave kontroller oprettet to forskellige populationer med forskellen på to medianer end 3 standardafvigelser (figur 7A). Målet med screeningsprocessen er at finde de forbindelser inden for stikprøve med værdier tættere på positiv kontrol population, under forudsætning af en normal fordeling i prøven population (figur 7B, (i)). Datapunkter, der er 3 standardafvigelser ud over den gennemsnitlige betragtes statistisk forskellig fra støj og klassificeret som en akt…

Discussion

Den høje styrke af botulinumneurotoksiner og den relative lethed af deres bevæbning har resulteret i deres klassificering som kategori A (højeste prioritet) biothreat midler ved det amerikanske Centers for Disease Control og Forebyggelse. Desværre er der ingen FDA godkendt terapi til bekæmpelse af BoNT forgiftning efter toksinet er blevet internaliseret af de motoriske neuroner. Enhver druggable mekanisme, der fremmer neuronal nyttiggørelse fra BoNT forgiftning kan føre mod udviklingen af ​​en potentiel terap…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Funding was provided by the Joint Science and Technology Office – Chemical Biological Defense (JSTO-CBD) Defense Threat Reduction Agency (DTRA) under sponsor project number CCAR# CB3675 and National Institutes of Health (1 R21 AI101387-01 and 5 U01AI082051-05).

Materials

Name of Reagent/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
Botulinum neurotoxin A  Metabiologics NA No catalog number
Microtitre plates Greiner  655946 Poly-D-Lysine 96-well plates
BACs antibody Lampire Biological NA
Microchem National  0255
Methanol Thermo Scientific A412-20
Formaldehyde Thermo Scientific 28908
Horse serum Invitrogen 16050
PE JANUS MDT Mini Automated Workstation Perkin Elmer AJMDT01
Opera Perkin Elmer OP-QEHS-01
Triton X 100 Sigma-Aldrich 9002-93-1
BIII tubulin antibody R&D Systems BAM1195
Tween 20 Sigma P1379-1L
Hoechst 33342dye  Invitrogen 3570
Antimouse IgG Invitrogen A21236
Anti rabbit IgG Invitrogen A10042
Columbus Image analysis software Perkin Elmer Ver 2.4
Spotfire Perkin Elmer Ver 5.5
Clorox bleach Fisher Scientific 18-861-284
PlateStack

References

  1. Lamanna, C. The most poisonous poison. Science. 130, 763-772 (1959).
  2. Dover, N., Barash, J. R., Hill, K. K., Xie, G., Arnon, S. S. Molecular Characterization of a Novel Botulinum Neurotoxin Type H Gene. J. Infect. Dis. , (2013).
  3. Hakami, R. M., Ruthel, G., Stahl, A. M., Bavari, S. Gaining ground: assays for therapeutics against botulinum neurotoxin. Trends in microbiology. 18, 164-172 (2010).
  4. Yersin, A., et al. Interactions between synaptic vesicle fusion proteins explored by atomic force microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100, 8736-8741 (2003).
  5. Dong, M., Tepp, W. H., Johnson, E. A., Chapman, E. R. Using fluorescent sensors to detect botulinum neurotoxin activity in vitro and in living cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101, 14701-14706 (2004).
  6. Stahl, A. M., Adler, M., and, C. B. M., Gilfillan, L. Accelerating botulism therapeutic product development in the Department of Defense. Drug Development Research. 70, 303-326 (2009).
  7. Nuss, J. E., et al. Development of cell-based assays to measure botulinum neurotoxin serotype A activity using cleavage-sensitive antibodies. Journal of biomolecular screening. 15, 42-51 (2010).
  8. Opsenica, I., et al. A chemotype that inhibits three unrelated pathogenic targets: the botulinum neurotoxin serotype A light chain, P. falciparum malaria, and the Ebola filovirus. Journal of medicinal chemistry. 54, 1157-1169 (2011).
  9. Opsenica, I., et al. The synthesis of 2,5-bis(4-amidinophenyl)thiophene derivatives providing submicromolar-range inhibition of the botulinum neurotoxin serotype A metalloprotease. European journal of medicinal chemistry. 53, 374-379 (2012).
  10. Nuss, J. E., et al. Pharmacophore Refinement Guides the Rational Design of Nanomolar-Range Inhibitors of the Botulinum Neurotoxin Serotype A Metalloprotease. ACS medicinal chemistry letters. 1, 301-305 (2010).
  11. Kiris, E., et al. Embryonic stem cell-derived motoneurons provide a highly sensitive cell culture model for botulinum neurotoxin studies, with implications for high-throughput drug discovery. Stem cell research. 6, 195-205 (2011).
  12. Pellett, S., et al. Neuronal targeting, internalization, and biological activity of a recombinant atoxic derivative of botulinum neurotoxin A. Biochemical and biophysical research communications. 405, 673-677 (2011).
  13. McNutt, P., Celver, J., Hamilton, T., Mesngon, M. Embryonic stem cell-derived neurons are a novel, highly sensitive tissue culture platform for botulinum research. Biochemical and biophysical research communications. 405, 85-90 (2011).
  14. Fischer, A., et al. Bimodal modulation of the botulinum neurotoxin protein-conducting channel. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106, 1330-1335 (2009).
check_url/fr/51915?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Kota, K. P., Soloveva, V., Wanner, L. M., Gomba, G., Kiris, E., Panchal, R. G., Kane, C. D., Bavari, S. A High Content Imaging Assay for Identification of Botulinum Neurotoxin Inhibitors. J. Vis. Exp. (93), e51915, doi:10.3791/51915 (2014).

View Video