Spatial quantificação de drogas em lesões de tuberculose pulmonar por Laser capturar Microdissection líquido cromatografia de espectrometria de massa (LCM-LC/MS)
Summary
Aqui, descrevemos um protocolo usando laser captura microdissection juntamente com análise de LC/MS espacialmente-quantificar as distribuições de drogas dentro de granulomas de tuberculose pulmonar. A abordagem tem ampla aplicabilidade para quantificar as concentrações de droga dentro de tecidos em alto detalhe espacial.
Abstract
Tuberculose ainda é das principais causas de morbidade e mortalidade em todo o mundo. Melhorias aos regimes da droga existentes e o desenvolvimento de novas terapêuticas são urgentemente necessárias. A capacidade das drogas de TB dosadas para alcançar e esterilizar as bactérias dentro mal vascularizado necróticas regiões (caseum) de granulomas pulmonares é crucial para a intervenção terapêutica bem sucedida. Regimes terapêuticos eficazes, portanto, devem conter drogas com propriedades de penetração de caseum favorável. Métodos atuais de LC/MS para quantificação dos níveis da droga em tecidos biológicos têm limitado a capacidades de resolução espacial, tornando difícil determinar com precisão a concentrações de drogas absoluto dentro de compartimentos de tecido pequenas tais como aqueles encontrados dentro granulomas necróticos. Aqui nós apresentamos um protocolo combinando laser captura microdissection (LCM) das regiões de tecidos patologicamente distinta com quantificação de LC/MS. Esta técnica fornece quantificação absoluta de drogas dentro de granuloma caseum, envolvendo a lesão celular e tecido sem envolvimento pulmonar e, portanto, com precisão determina se as concentrações bactericidas estão a ser alcançadas. Para além da investigação da tuberculose, a técnica tem muitas aplicações potenciais para espacialmente resolvidos de quantificação de drogas em tecidos doentes.
Introduction
A capacidade de espacialmente resolver e quantificar os níveis de droga é um requisito fundamental para determinar se medicamentos anti-tuberculose alcançar subpopulações bacterianas dentro de lesões pulmonares em concentrações1de esterilização. De particular importância é determinar a penetração de drogas para o núcleo necrótico da lesão (chamado de caseum), que normalmente contém o maior número de bacilos e pode ser mal acessível às drogas devido à ausência de vascularização.
Métodos tradicionais para avaliar a penetração da lesão, que envolvem a homogeneização de lesões pulmonares extirpadas seguido por extração com solventes e análise de espectrometria de massas (LC/MS) cromatografia líquida, são altamente sensíveis e seletiva para as drogas de interesse. No entanto, estes métodos oferecem informação espacial pobre, limitada ao tamanho do original tecido homogeneizado. Espectrometria de massa-baseado imagem abordagens, tais como dessorção laser assistida por matriz (MALDI) de ionização2,3, desorção electrospray ionização (DESI)4 ou extração de superfície líquido-reforçada5, 6 oferecem recursos de imagem altamente espacialmente resolvidos, mas a quantificação directa pode ser extremamente desafiador ou impossível devido a efeitos de supressão de íon heterogêneos e diferentes eficiências de extração do analito da célula de várias ou7tipos de tecido. Além disso, abordagens de imagem mais diretas tecido MS são inerentemente menos sensíveis do que a LC/MS, devido à falta de separação cromatográfica de espécie endógena competindo por ionização e a baixa eficiência de extração com solvente da droga do tecido.
Do laser microdissection de captura (LCM) combinado com análise de LC/MS foi aplicado rotineiramente para isolar e caracterizar regiões distintas de tecido para proteômica estuda8,9 e recentemente utilizada para quantificação de drogas em uma dose tecido animal10. Aqui nós apresentamos um protocolo otimizado aplicando LCM combinado com análise de LC/MS (LCM-LC/MS) para quantificar a fármacos anti-TB dentro de compartimentos distintos granuloma. No processo do laser microdissection captura, um laser UV é focado com o objetivo de microscópio para a seção de tecido, que corta e isola a área de tecido desejado, seguindo um caminho definido pelo usuário. Para gravidade assistida LCM (a técnica utilizada para esta pesquisa), a seção de tecido é montada sobre um slide de membrana fina de polímero (PET ou caneta) e o tecido é capturado em um tampão de tubo coleção situado abaixo do slide. As drogas são extraídas do tecido excisado e quantificados utilizando abordagens padrão de LC/MS. A quantidade de tecido devem ser coletados em última análise, é determinada a concentração desejada do fármaco presente nos tecidos e a sensibilidade do método LC/MS. Para a maioria das análises de drogas dosado em níveis terapêuticos e analisados utilizando um espectrômetro de massa de rotina triplo quadrupolo, 3 milhões µm2 (3 mm2) de tecido, área de superfície é suficiente.
Este protocolo descreve a poderosa combinação de perfis espaciais e quantificação completa oferecido pela LCM-LC/MS, fornecendo a concentração absoluta de drogas dentro de todos os compartimentos de granulomas TB. A técnica também pode ser aplicada para determinar as concentrações de drogas em muitos diferentes tecidos doentes, fornecendo informações de descoberta e desenvolvimento de drogas vitais.
Protocol
Representative Results
Discussion
Espacialmente resolvidos de quantificação de drogas em lesões de TB pulmonares é necessária para determinar se a exposição da droga atinge esterilizantes concentrações de populações bacterianas que residem dentro dos compartimentos diferentes lesão. LCM-LC/MS método descrito aqui permite a quantificação absoluta de fármacos anti-TB dentro de todos os compartimentos de lesão, incluindo o caseum ricos em bactérias, usando apenas 1-3 seções de tecido no total. Homogeneização de tecidos tradicionais e a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a Paul O’Brien, Marizel Mina e Isabella Freedman para experiências em animais, Jacquie Gonzalez e Danielle Weiner do NIH/NIAID para ajuda com irradiação gama de tecidos coelho antes do laser captura microdissection e Jansy Sarathy para manuscrito pensamentos e conselhos. Este trabalho foi financiado pelo financiamento do Bill e Melinda Gates Foundation (OPP1174780) e instrumentação de NIH compartilhado concedem 1S10OD018072. Agradecemos Eliseo A. Eugenin fornecendo acesso para microscópio Leica LMD 6500 e partilha de conhecimentos e conselhos. A compra e suporte contínuo, o LMD 6500 foi financiado por grant o Instituto Nacional de Saúde Mental, MH096625, o Instituto Nacional de Disorders Neurological e curso, NS105584, PHRI financiamento (E.A.E) e GSK contribuições (E.A.E).
Materials
| New Zealand White rabbits | Covance | N/A | |
| 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 | |
| Acetonitrile (LC-MS grade) | Fisher | A955-212 | |
| Methanol (LC-MS grade) | Fisher | A456-212 | |
| Formic Acid (LC-MS grade) | Fisher | A117-50 | |
| Water (LC-MS grade) | Fisher | W6212 | |
| 0.2 mL flat-cap PCR tubes | Corning | 07-200-392 | |
| Steel frames, PET-membrane | Leica | 11505151 | |
| Premium Frosted Microscope Slides | Fisher | 12-544-2 | |
| 96 Deep well plate 2.0ML PP RB | Fisher | NC0363259 | |
| Zorbax SB-C8 column (4.6 by 50 mm; particle size, 3.5 μm) | Agilent | 820631-001D | |
| "Zipper” Seal Sample Bags | Fisher | 01-816-1B | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| CM1850 cryostat | Leica | Discontinued | Leica CM1860 is the current model |
| Laser Microdissection System 6500 | Leica | Discontinued | Leica LMD 6 is the current model |
| Agilent 1260 Infinity II HPLC | Agilent | ||
| API 4000 QTRAP Mass Spectrometer | Sciex |
References
- Dartois, V. The path of anti-tuberculosis drugs: From blood to lesions to mycobacterial cells. Nat Rev Microbiol. 12 (3), 159-167 (2014).
- Prideaux, B., et al. The association between sterilizing activity and drug distribution into tuberculosis lesions. Nat Med. 21 (10), 1223-1227 (2015).
- Prideaux, B., et al. High-sensitivity MALDI-MRM-MS imaging of moxifloxacin distribution in tuberculosis-infected rabbit lungs and granulomatous lesions. Anal Chem. 83 (6), 2112-2118 (2011).
- Roscioli, K. M., et al. Desorption electrospray ionization (DESI) with atmospheric pressure ion mobility spectrometry for drug detection. Analyst. 139 (7), 1740-1750 (2014).
- Prideaux, B., et al. Mass spectrometry imaging of levofloxacin distribution in TB-infected pulmonary lesions by MALDI-MSI and continuous liquid microjunction surface sampling. Int J Mass Spectrom. 377, 699-708 (2015).
- Griffiths, R. L., Randall, E. C., Race, A. M., Bunch, J., Cooper, H. J. Raster-mode continuous-flow liquid microjunction mass spectrometry imaging of proteins in thin tissue sections. Anal Chem. 89 (11), 5683-5687 (2017).
- Prideaux, B., Stoeckli, M. Mass spectrometry imaging for drug distribution studies. J Proteomics. 75 (16), 4999-5013 (2012).
- Dilillo, M., et al. Mass spectrometry imaging, laser capture microdissection, and LC-MS/MS of the same tissue section. J Proteome Res. 16 (8), 2993-3001 (2017).
- Xu, B. J. Combining laser capture microdissection and proteomics: methodologies and clinical applications. Proteomics Clin Appl. 4 (2), 116-123 (2010).
- Cahill, J. F., Kertesz, V., Van Berkel, G. J. Laser dissection sampling modes for direct mass spectral analysis. Rapid Commun Mass Spectrom. 30 (5), 611-619 (2016).
- Subbian, S., et al. Chronic pulmonary cavitary tuberculosis in rabbits: A failed host immune response. Open Biol. 1 (4), 110016 (2011).
- Zimmerman, M., et al. Ethambutol partitioning in tuberculous pulmonary lesions explains its clinical efficacy. Antimicrob Agents Chemother. 61 (9), (2017).
- Kempker, R. R., et al. Cavitary penetration of levofloxacin among patients with multidrug-resistant tuberculosis. Antimicrob Agents Chemother. 59 (6), 3149-3155 (2015).
- Zhao, Y., et al. Unraveling drug penetration of echinocandin antifungals at the site of infection in an intra-abdominal abscess model. Antimicrob Agents Chemother. , (2017).
- Pascal, J., et al. Mechanistic modeling identifies drug-uptake history as predictor of tumor drug resistance and nano-carrier-mediated response. ACS Nano. 7 (12), 11174-11182 (2013).
