一种中性粒细胞黏附定量方法的报道。该方法可构建类似于血管内环境的动态流动条件,能够在类似生理流动的环境中研究中性粒细胞与纯化的黏附分子(配体)或内皮细胞基质(HUVEC)之间的黏附。 体内 具有剪切应力的环境。
一种中性粒细胞黏附定量方法的报道。该方法可构建类似于血管内环境的动态流动条件,能够在类似生理流动的环境中研究中性粒细胞与纯化的黏附分子(配体)或内皮细胞基质(HUVEC)之间的黏附。 体内 具有剪切应力的环境。
中性粒细胞牢固黏附于内皮细胞在生理与病理状态下的炎症过程中发挥着关键作用。中性粒细胞牢固黏附的过程涉及多种不同的黏附分子,包括β整合素家族成员2 整合素家族及其与ICAM家族的对应受体。最近,在β2 据报道,整合素和ICAMs与自身免疫性疾病相关。因此,研究携带这些黏附分子不同等位基因形式的个体中性粒细胞的定量黏附能力,对于阐明自身免疫发病机制具有重要意义。流动腔系统中的黏附实验可模拟类似于血管内环境的流体剪切应力条件。 体内在此,我们介绍一种利用流动腔实验系统来研究人外周血中性粒细胞对人脐静脉内皮细胞(HUVEC)及纯化配体底物定量黏附特性的方法。通过该方法,可评估并比较不同黏附受体等位基因变异供者的中性粒细胞黏附能力。该方法亦可经修改后用于评估其他原代细胞类型或细胞系的黏附特性。
现已认识到,β2整合素及其ICAM配体中的遗传变异与自身免疫性疾病的发生相关1,2。为了理解这些变异如何参与自身免疫性疾病的发病机制,有必要确定来源于携带这些变异个体的细胞中这些变异的功能性后果。此类功能研究有助于阐明自然发生的遗传变异如何在健康和疾病状态下调控免疫应答的机制。以系统性红斑狼疮(SLE)为例,目前我们已知ITGAM(CD11b)及其配体ICAM-1的变异与疾病的发生密切相关1,2。由于中性粒细胞在炎症反应中起关键作用,对中性粒细胞黏附的定量研究可能揭示ITGAM/ICAM遗传变异如何影响炎症反应的机制。
中性粒细胞牢固黏附于内皮细胞(EC)是一个高度调控的过程,在炎症反应中发挥关键作用3,4。中性粒细胞的牢固黏附发生在其最初在内皮细胞上滚动和被捕获之后,最终可在体内导致跨内皮迁移。in vivo。这些过程涉及多种黏附分子,包括内皮细胞上的ICAM-1、ICAM-2、P-选择素、E-选择素以及中性粒细胞上的β2整合素5-9。因此,精确量化携带不同黏附分子等位基因变异的供体中性粒细胞的黏附能力,对于理解这些遗传变异的功能性及病理学后果至关重要。
流动室的实验应用可产生 体外 具有类似于血管环境中所观察到的流体剪切应力的环境 体内10-12确实,结合人脐静脉内皮细胞(HUVEC)的流室实验可以模拟 体内 血管环境。利用该方法,可研究细胞对内皮细胞的整体黏附特性。此外,流动腔室的高度可控环境还可用于评估细胞与纯化的黏附配体(如ICAM-1)的结合,从而有助于特定受体-配体相互作用的研究。
本文介绍一种利用流动腔黏附实验系统来研究人外周血中性粒细胞对人脐静脉内皮细胞(HUVEC)及纯化配体基质黏附特性的方法。利用表达不同黏附分子等位基因变异体的供体细胞进行该方法,可评估这些遗传变异如何影响人中性粒细胞的牢固黏附。
本研究招募的所有供体均签署了书面知情同意书,且本研究已获得阿拉巴马大学伯明翰分校机构审查委员会的批准。
1. 人脐静脉内皮细胞的原代培养与传代
2. 人脐静脉内皮细胞层的制备
3. 纯化配体包被
4. 中性粒细胞分离(所有步骤均在室温下进行)
5. 流动腔黏附实验
中性粒细胞结合涂有纯化配体(ICAM-1/P-选择素)的流动腔室的示例图2)或中性粒细胞结合人脐静脉内皮细胞包被的流动腔实验(图3如图所示,在持续流动条件下,中性粒细胞会持续积累并黏附于包被表面或人脐静脉内皮细胞(HUVEC)。在我们典型的实验条件下,可在四分钟的记录期间观察到50–70个中性粒细胞牢固黏附于包被表面或HUVEC。然而,中性粒细胞黏附分子的等位变异,或底物(纯化配体或HUVEC)中的等位变异,可能显著改变中性粒细胞黏附的定量结果。14.
我们还评估了在研究中观察到的中性粒细胞黏附事件的时间依赖性。尽管我们保持恒定的流动条件,但细胞的黏附特性仍可能随时间发生变化。然而,在本研究相对较短的时间范围内,我们并未观察到黏附速率随时间呈现一致性的差异。例如,1-2分钟时间点的黏附情况与3-4分钟时间点之间的黏附情况相比,并未表现出持续的差异。当然,如果在黏附实验过程中对细胞进行了刺激,则可能预期其黏附特性会随时间发生改变。
在我们的研究中,为排除分离过程诱导的中性粒细胞活化影响,我们在实验前特意用低剂量fMLP(10-8 M)对细胞进行10分钟的预刺激。内皮细胞(本研究中为HUVEC)也需要预先激活,以促进黏附分子的表达上调,从而实现白细胞牢固黏附的最佳条件。若未经预处理,内皮细胞(HUVECs)几乎无法支持中性粒细胞的黏附。在本研究中,我们采用10 ng/ml TNFα处理4–6小时后再使用。IL-1β(10 ng/ml)和LPS(0.5–1 µg/ml)也可用于内皮细胞的预激活。重要的是,未处理的HUVEC可作为阴性对照,以确保细胞黏附是由特异性的(受体介导的)中性粒细胞-内皮细胞相互作用所引起。此外,也可使用抗受体抗体阻断特定受体,以评估黏附的特异性。

图1. 显微镜载物台上流动室的配置。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 2. 中性粒细胞在不同时间点黏附于 ICAM-1/P-选择素包被表面的示例视频截图(A:0 分钟时间点,B:1 分钟时间点,C:2 分钟时间点,以及 D:4 分钟时间点)。ICAM-1 的浓度为 25 µg/ml,P-选择素的浓度为 0.5 µg/ml。中性粒细胞的流速为 350 µl/min,细胞密度为 500,000 个细胞/ml。

图3. 中性粒细胞在不同时间点黏附于HUVEC包被表面的示例视频截图(A:0分钟时间点,B:1分钟时间点,C:2分钟时间点,以及D:4分钟时间点)。中性粒细胞流速为350 µl/min,细胞密度为500,000 个细胞/ml。
| 物种 | 位置 | 剪切应力 (dynes/cm2) |
| Human | 颈总动脉 | 11.6 |
| Human | 臂动脉 | 6.5 |
| Human | 股总动脉 | 4.3 |
| Human | 肾上主动脉 | 7.3 |
| Human | 膈上主动脉 | 4.2 |
| Human | 浅股动脉 | 4.4 |
| Human | 微静脉 | 0.5-5.0 |
| Human | 视网膜第一级小动脉 | 40.2 |
| Human | 视网膜第二级小动脉 | 0.001 |
| Human | 视网膜第一级小静脉 | 23.2 |
| Human | 视网膜第二级小静脉 | 0.43 |
| Dog | 颈总动脉 | 15.8 |
| Rabbit | 颈总动脉 | 23.3 |
| Rat | 颈总动脉 | 46.6 |
| Mouse | 颈总动脉 | 64.8 |
| Dog | 股总动脉 | 9.8 |
| Rabbit | 股总动脉 | 156.8 |
| Rat | 股总动脉 | 65.9 |
表1. 不同器官和不同物种中的样本剪切应力。
* 摘自参考文献13、16、19和20。
本方案指导在剪切应力条件下对轻微活化的中性粒细胞进行分离与纯化,以精确量化中性粒细胞黏附。中性粒细胞黏附是炎症过程中的关键环节。已有研究表明,该过程中多种分子的遗传变异可增加自身免疫性疾病的发生风险1,2一种能够定量评估人中性粒细胞牢固黏附能力的检测系统是必需的。本方案所述方法可在受控条件下,精确且定量地测定中性粒细胞的牢固黏附潜能 体外 在单纯剪切应力环境下的中性粒细胞黏附情况。该方法因而能够对不同基因型个体间的中性粒细胞黏附进行直接的定量比较,以确定黏附分子遗传变异在其中的重要性14.
该方法中的多个步骤需要仔细考虑,以获得高度定量且可重复的结果。在制备HUVEC时,使用流动腔前必须确保细胞达到100%汇合。若使用纯化配体包被的表面,包被区域绝不能干燥,以避免配体变性。此外,人中性粒细胞的制备对实验成功至关重要。从血液中分离中性粒细胞的关键问题包括轻柔操作、尽量减少涡旋以避免细胞活化,以及将细胞保持在室温条件下(即 血液不应在冰上保存,离心步骤应在室温下进行,并尽可能在最短时间内完成细胞分离和实验操作。此外,也可采用其他中性粒细胞分离方法来制备适用于这些检测的细胞。17,18.
从实际操作角度来看,使用 freshly isolated 的人中性粒细胞进行黏附实验应在受试者静脉采血后3-6小时内开始 。由于中性粒细胞对操作极为敏感,采血与实验之间的长时间间隔可能影响实验结果。在进行流式腔实验前,精确测定中性粒细胞浓度也是获得准确且可重复结果的必要步骤。
在流室实验过程中,必须仔细监控视频记录,以确保在整个实验期间流速保持恒定且无湍流现象。若出现流速变化或存在湍流,则需要重复实验。实验结束后,还需通过显微镜评估剩余的中性粒细胞,以确认中性粒细胞未发生聚集。此时若出现聚集现象,表明中性粒细胞已被激活,这可能在实验过程中显著改变中性粒细胞的密度。
流室可在室内产生接近均匀的剪切应力(τ=6Qμ/(wh2),其中 Q=流速,μ=动态黏度,w=流室宽度,h=流室高度15)。在我们的研究中,中性粒细胞黏附实验采用 350 µl/min 的流速,由此产生的剪切应力为 1.5 dynes/cm2(w=0.25 cm,h=0.01 in.,黏度采用 37 °C 下水的黏度(0.007 poise)作为 RPMI 培养基黏度的近似值)。对于特定的流室,可通过调节流速以实现不同水平的剪切应力,从而模拟不同的生理条件。人体血管中典型的生理剪切应力范围为 0.5–5.0 dynes/cm13,16。其他血管及其他动物中的剪切应力值列于表 1113,16,19 20中。
尽管我们的方法主要聚焦于人中性粒细胞黏附的研究,但该方法并不局限于中性粒细胞,只需进行简单修改,即可轻松应用于其他细胞类型的黏附或滚动研究。此外,该方法中的底物也可根据不同的实验目的进行更换。
尽管本方案易于适应不同的研究,但仍存在一些局限性。本方案在此处的实施需要大量原代细胞用于分析,这可能限制了从小型动物获取的原代细胞的分析应用。此外,需要将纯化的黏附配体以具有活性/可及性的构象固定在表面,这可能会限制可使用的配体范围。使用Fc融合蛋白可显著提高配体在板表面形成正确构象的可能性。尽管如此,本方法仍具有显著的灵活性,可用于对黏附事件进行定量分析。这些研究将极大增进我们对黏附受体-配体对以及这些蛋白中遗传变异潜在功能重要性的理解,并有助于揭示其在人类疾病发病机制中的作用。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由狼疮研究研究所(纽约,纽约)、美国国立卫生研究院 P01-AR49084 项目、R21-DA026956 项目以及 UL1-TR00165 项目资助。我们感谢 Robert P. Kimberly 博士的持续支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.25% 胰蛋白酶/EDTA | Life technologies | 25200-056 | 含酚红 |
| 2x 胰蛋白酶抑制剂 | Life technologies | R-002-100 | |
| 35 mm 组织培养皿 | Corning Inc. | 430165 | 标准组织培养处理表面 |
| 75 cm2 组织培养瓶 | Corning Inc. | 430641 | 标准组织培养处理表面 |
| CCD 相机 | Dage-MTI | Model 300T-RC | |
| 细胞冻存容器 | Biocision | BCS-045 | |
| EBM-2 | Lonza Inc. | CC-3156 | HUVEC 增殖基础培养基 |
| EGM-2 Bulletkit | Lonza Inc | CC-4176 | 基础培养基用 HUVEC 生长因子 |
| FBS | Life technologies | 10082-147 | 认证,热灭活 |
| 明胶 | Sigma | G9391 | 来源于牛皮 |
| 血细胞计数板 | Fisher scientific | 02-671-51B | |
| 纤维连接蛋白 | Sigma | F2006 | 来源于人血浆 |
| 流式腔室 | Glyco Tech | 31-001 | 适用于 35 mm 培养皿的圆形流式腔室 |
| fMLP | Sigma | 47729 | |
| Histopaque-11191 | Sigma | 11191 | 高密度 Ficoll |
| HUVEC | Lonza Inc. | CC-2517A | |
| ICAM-1 | R&D Systems | 720-IC | Fc 嵌合体 |
| 淋巴细胞分离液 | Mediatech Inc. | 25072CV | 低密度 Ficoll |
| 显微镜 | Zeiss | Axiovert 100 | |
| RPMI 1640 培养基 | Life technologies | 11875 | 含 L-谷氨酰胺和酚红 |
| 蛋白 A | Sigma | P6031 | 用 PBS 重悬 |
| P-选择素 | R&D Systems | 137-PS | Fc 嵌合体 |
| 注射泵 | KD Scientific | KDS270 | |
| TNF-α | Life technologies | PHC3015 | 重组人源蛋白 |
| 台盼蓝溶液,0.4% | Life technologies | 15250-061 |