此处,我们描述了一种 体外 利用阻抗细胞谱技术研究活化T细胞与内皮细胞相互作用对血脑屏障完整性及通透性影响的小鼠模型
方法文章
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此处,我们描述了一种 体外 利用阻抗细胞谱技术研究活化T细胞与内皮细胞相互作用对血脑屏障完整性及通透性影响的小鼠模型
血脑屏障(BBB)的破坏是多发性硬化症(MS)及其动物模型实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)等自身免疫性疾病发展过程中的关键步骤。该过程的特征是活化的T细胞穿过构成血脑屏障主要成分的脑内皮细胞(ECs)。然而,此类T细胞与脑EC相互作用后对EC功能的影响在很大程度上仍不清楚。本文介绍了一种可用于随时间评估原代小鼠脑微血管内皮细胞(MBMEC)功能及屏障完整性的检测方法。该方法利用阻抗细胞谱技术——一种研究内皮细胞单层完整性和通透性的有力工具,通过测量跨内皮电阻(TEER)和细胞层电容(Ccl)的变化来实现。实验结果显示,与EC直接接触时,经刺激的T细胞而非初始T细胞可诱导EC单层功能障碍,表现为TEER下降和Ccl升高。该检测方法能够连续、自动地记录EC单层完整性的变化,其灵敏度足以区分不同强度的刺激以及T细胞活化的不同水平,并可用于研究多种物质(如抗体、药理学试剂和细胞因子)对T细胞-EC相互作用进行靶向调控后的生物学效应。该技术也可用于内皮细胞屏障完整性 体外 T细胞跨内皮迁移实验。这些应用使其成为研究生理和病理生理条件下血脑屏障特性的多功能工具。
血脑屏障将体循环与中枢神经系统(CNS)分隔开来1-3。它构成一种物理屏障,可抑制细胞的自由移动以及水溶性分子的扩散,从而保护大脑免受病原体和潜在有害物质的侵害。除了屏障功能外,血脑屏障还能向脑实质输送氧气和营养物质,以维持神经组织的正常功能。血脑屏障的功能特性由其细胞和非细胞成分高度调控,其中高度特化的内皮细胞(ECs)是其主要结构组分。血脑屏障的内皮细胞具有紧密连接(TJ)复合体、无窗孔结构、极低的胞饮活性以及持续活跃的转运机制等特征。血脑屏障的其他组分,包括内皮基底膜、包绕内皮的周细胞、星形胶质细胞终足及其相关的实质基底膜,也参与血脑屏障的发育、维持和功能2,4-6,并与神经元和小胶质细胞共同构成神经血管单元(NVU),从而保障中枢神经系统的正常运作7-9。
在多种神经系统疾病(如神经退行性、炎症性或感染性疾病)中,血脑屏障的功能会受到损害2,5,10紧密连接复合物和分子转运机制的失调会导致血脑屏障通透性增加、白细胞外渗、炎症反应及神经元损伤。为了在这些病理生理条件下研究血脑屏障的特性,已有多种 体外 已建立血脑屏障模型9,11,12它们共同为屏障完整性、通透性以及转运机制的变化提供了宝贵的见解。这些模型采用人、小鼠、大鼠、猪或牛来源的内皮细胞13-18;原代内皮细胞或细胞系可单独培养,或与周细胞和/或星形胶质细胞共培养,以更接近地模拟血脑屏障(BBB) 体内19-25近年来,跨内皮电阻(TEER)的测量已成为评估内皮屏障特性的广泛接受的工具。26,27.
跨上皮电阻(TEER)反映了离子流经细胞单层时所受到的阻抗,其降低可敏感地指示内皮屏障完整性的受损,从而表明通透性增加。目前已开发出多种TEER测量系统,包括上皮伏特计(Epithelial Voltohmmeter, EVOM)、电细胞基质阻抗传感技术(Electric Cell-substrate Impedance Sensing, ECIS)以及实时细胞分析系统15,28-30。TEER反映的是相邻内皮细胞(ECs)之间离子流经旁细胞途径时的电阻,与屏障完整性呈正比。在阻抗谱分析中27,31,可测量复杂的总阻抗(Z),通过测定细胞电容(Ccl)进一步提供有关屏障完整性的信息。Ccl与穿过细胞膜的容性电流(跨细胞途径)相关:细胞层在等效电路中表现为一个电容器,将膜两侧的电荷分隔开来,其值与屏障完整性呈反比。当内皮细胞在可渗透的插入式培养小室上生长时,会附着、增殖并铺展于微孔膜表面。这一过程会抑制插入膜本身的背景容性电流(插入膜自身也具有电容特性) ,导致电容逐渐下降至最低水平。随后,紧密连接(TJ)复合物形成,封闭相邻内皮细胞之间的间隙,限制离子通过旁细胞途径的流动,TEER随之升高并最终达到平台期。然而,在炎症条件下,内皮屏障完整性受到破坏:TJ复合物解体导致TEER下降,同时插入膜的容性组分再次上升,引起Ccl增加。
我们的TEER测量采用自动细胞监测32 系统:它遵循阻抗谱学的原理,并拓展了其先前的应用。在此,我们描述了一种 体外 可研究血脑屏障特性的模型,包括脑血管内皮细胞与免疫细胞(特别是活化T细胞)之间的相互作用。此类病理生理状态可见于中枢神经系统的自身免疫性疾病,如多发性硬化症及其动物模型实验性自身免疫性脑脊髓炎。33-37在此过程中,致脑炎性、髓鞘特异性T细胞穿越血脑屏障(BBB)是一个关键步骤。随后,这些T细胞在血管周围间隙被重新激活,并进入脑实质,在此募集其他免疫细胞,介导炎症反应并导致继发性脱髓鞘。1,35,38然而,这类T细胞与血脑屏障主要组成部分——内皮细胞之间相互作用的分子机制尚不明确。本方案旨在填补这一空白,并为内皮细胞所受影响提供新的见解即, 屏障完整性及通透性在与活化T细胞直接接触及其复杂相互作用下的变化
本方案采用原代小鼠脑微血管内皮细胞(MBMECs),在带有微孔膜的可渗透性插件上以单层形式培养。内皮细胞与CD4+ T细胞共培养,T细胞可预先通过多克隆方式或抗原特异性方式进行活化。MBMECs与预先活化的T细胞(而非初始T细胞)共培养,可导致跨内皮电阻(TEER)下降和细胞旁路通透性(Ccl)升高,从而定量评估MBMECs功能障碍及屏障完整性破坏。该技术具有非侵入性特点:使用内置电极而非夹持式电极,避免对内皮细胞单层造成显著干扰;可在无需细胞标记物的情况下监测屏障功能。该方法以自动化方式连续测量,并能随时间同步独立评估两项屏障参数(TEER和Ccl)。该方法灵敏度足够高,可区分不同水平的T细胞活化状态及其对内皮细胞的不同作用效应。
该方法可应用于多种功能性检测:可在MBMECs与T细胞的共培养体系中加入参与炎症过程的不同细胞因子和/或趋化因子;可使用针对内皮细胞或T细胞表面黏附分子的阻断抗体;也可在T细胞致敏阶段或与内皮细胞共培养期间添加T细胞活化标志物或其细胞毒性功能的抑制剂。该检测方法同样适用于T细胞跨内皮迁移实验,可在加入T细胞前用于评估MBMEC单层的完整性,作为质量控制手段。上述特点使该方法成为研究血脑屏障(BBB)的一种多功能且可靠的工具。 体外,重点关注活化T细胞对内皮细胞单层完整性的效应。这对于理解自身免疫性疾病(如多发性硬化症及其动物模型实验性自身免疫性脑脊髓炎)发病过程中血脑屏障破坏机制尤为重要,因为在这些疾病中,自身反应性致脑炎T细胞会穿越血脑屏障,引发炎症和神经元损伤。
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所有实验均按照德国动物护理指南,在明斯特大学中心动物实验设施的无特定病原体条件下进行小鼠的繁育和饲养。所有实验均遵循动物实验伦理委员会的指导原则,并经德国北莱茵-威斯特法伦州当地主管部门(LANUV,批准号:84-02.05.20.12.217)批准。
1. MBMEC 的分离与培养
注意:按照先前详细描述的方法分离 MBMEC,但需进行以下修改14:
2. 收集 MBMEC
3. CD4+ T细胞的分离与刺激
4. 设置并进行经上皮电阻(TEER)测量
5. 数据导出与统计分析
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图1 提供了对...的总体概述 体外 用于研究T细胞与内皮细胞相互作用的血脑屏障模型。该实验包括三个主要步骤。第一步是从脑皮层中分离原代小鼠脑微血管内皮细胞(MBMECs),并在培养板中培养五天。当细胞在培养板中达到融合状态后,用胰蛋白酶消化并重新接种到可渗透性插件上,然后将插件置于跨内皮电阻(TEER)测量仪中。连续三至五天持续测量和监测MBMECs的TEER值和细胞旁通透性(Ccl)。在此期间,分离T细胞并进行刺激(第二步),随后培养两至五天,具体时间取决于刺激的类型和强度。第三步是在Ccl处于稳定低水平且TEER达到最大值时,将T细胞加入MBMECs中进行共培养。选择TEER仍处于平台期的时间点进行共培养,对整个实验的成功至关重要。因此,必须谨慎选择T细胞的分离与刺激时间,以确保在将其加入内皮细胞时,T细胞已达到所需的活化水平。加入T细胞后,继续测量一天,随后分析结果。
经过最初的五天培养后,M...
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所述实验方案中的多个步骤对于实验成功至关重要。在初始的脑微血管内皮细胞(MBMEC)分离与培养过程中,应尽可能在无菌条件下操作,以防止真菌孢子或细菌污染细胞培养物。为了获得纯化的内皮细胞(EC)培养体系,建议在培养的前3天使用含有嘌呤霉素(Puromycin)的培养基,该条件可使内皮细胞存活,而其他细胞类型(尤其是周细胞)无法存活41,42。另一个需要特别关注的关键步骤是确定加入预激活T细胞的正确时间点。在跨内皮电阻(TEER)测量的前48小时内,MBMEC在可渗透性插入膜上增殖并逐渐闭合彼此之间的间隙。因此,电容(Ccl)持续下降,直至达到稳定且较低的水平(约0.6 µF/cm2)。这是内皮细胞单层融合的第一个标志,但尚不能代表形成了紧密的屏障。只有当Ccl达到稳定水平后,TEER才开始上升。当紧密连接(TJ)复合体完全形成且内皮屏障完全封闭时,TEER达到最大值。这一平台期通常在内皮细胞重新接种后3至5天内出现,并持续维持24至36小时。加入T细胞的最佳时间点是在平台期的起始阶段,这可确保内皮细胞仍具有足够的活力,能够与T细胞进行共培养。由于T细胞的激活需在共培养的最佳时间点到来之前启动,...
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I. Kuzmanov、A. M. Herrmann、S.G. Meuth、H. Wiendl 和 L. Klotz 无任何利益冲突需要披露。H.-J. Galla 是自动细胞监测仪制造商 nanoAnalytics GmbH 的科学顾问。
我们感谢 Annika Engbers 和 Frank Kurth 在技术上的出色支持,感谢 Markus Schäfer 博士(nanoAnalytics GmbH)在 TEER 测量方面的有益讨论。本工作得到了德国研究基金会(DFG)的资助,项目 SFB1009 A03 支持 HW 和 LK,CRC TR128 项目 A08、Z1 和 B01 支持 LK 和 HW,以及明斯特大学医学院临床研究跨学科中心资助项目 Kl2/2015/14 支持 LK。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| cellZscope | nanoAnalytics GmbH | www.nanoanalytics.com | 包含:24孔细胞模块、控制器、安装有cellZscope软件v2.2.2的PC |
| 超速离心机 | Thermo Scientific | www.thermoscientific.com | SORVALL RC 6+;转子F21S-8x50y;用于MBMEC分离 |
| 流式细胞仪 | Beckman Coulter | www.beckmancoulter.com | 用于T细胞跨膜迁移分析 |
| FlowJo7.6.5软件 | Tree Star | www.flowjo.com | 用于T细胞跨膜迁移分析 |
| Oak Ridge离心管,PC材质 | Thermo Fisher Scientific | 3118-0050 | 50 ml;用于MBMEC分离 |
| Transwell膜插件 - 孔径0.4 µm | Corning | 3470 | 用于TEER测量作为主要读数指标 |
| Transwell膜插件 - 孔径3 µm | Corning | 3472 | 用于T细胞跨膜迁移实验前的质量控制TEER测量 |
| 24孔细胞培养板 | Greiner | 650 180 | 平底;用于MBMEC培养 |
| 96孔细胞培养板 | Costar | 3526 | 圆底;用于免疫细胞培养 |
| QuadroMACS分离器 | Miltenyi Biotec | 130-090-976 | 用于T细胞和B细胞分离;适配MACS LS柱 |
| OctoMACS分离器 | Miltenyi Biotec | 130-042-109 | 用于树突状细胞分离;适配MACS MS柱 |
| Neubauer计数板 | Marienfeld | MF-0640010 | 用于细胞计数 |
| 细胞筛网,70 µm | Corning | 352350 | 用于免疫细胞分离 |
| 细胞筛网,40 µm | Corning | 352340 | 用于免疫细胞分离 |
| MACS MultiStand支架 | Miltenyi Biotec | 130-042-303 | 用于免疫细胞分离 |
| MACS LS分离柱 | Miltenyi Biotec | 130-042-401 | 用于T细胞和B细胞分离 |
| MACS MS分离柱 | Miltenyi Biotec | 130-042-201 | 用于树突状细胞分离 |
| 小鼠CD4 MicroBeads | Miltenyi Biotec | 130-049-201 | 用于CD4+ T细胞分离 |
| 小鼠CD19 MicroBeads | Miltenyi Biotec | 130-052-201 | 用于B细胞分离 |
| 小鼠CD11c MicroBeads | Miltenyi Biotec | 130-052-001 | 用于树突状细胞分离 |
| 人胎盘来源IV型胶原蛋白 | Sigma | C5533 | 用于MBMEC包被溶液 |
| 牛血浆来源纤连蛋白 | Sigma | F1141-5MG | 用于MBMEC包被溶液 |
| 胶原酶2(CSL2) | Worthington | LS004176 | 用于MBMEC分离 |
| 胶原酶/分散酶(C/D) | Roche | 11097113001 | 用于MBMEC分离 |
| DNase I | Sigma | DN25 | 用于MBMEC分离 |
| 胎牛血清(FBS) | Sigma | F7524 | 用于MBMEC分离 |
| 牛血清白蛋白(BSA) | Amresco | 0332-100G | 用于MBMEC分离 |
| Percoll | Sigma | P1644-1L | 用于MBMEC分离 |
| DMEM(含GlutaMAX) | Gibco | 31966-021 | 用于MBMEC分离及MBMEC培养基 |
| 青霉素/链霉素 | Sigma | P4333 | 用于MBMEC分离及MBMEC培养基 |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Sigma | D8537 | 用于MBMEC和免疫细胞分离 |
| 肝素 | Sigma | H3393 | 用于MBMEC培养基 |
| 人碱性成纤维细胞生长因子(bFGF) | PeproTech | 100-18B | 用于MBMEC培养基 |
| 嘌呤霉素 | Sigma | P8833 | 用于MBMEC培养基;仅前3天使用 |
| 0.05% 胰蛋白酶-EDTA | Gibco | 25300-054 | 用于收获MBMEC |
| IA型胶原酶 | Sigma | C9891 | 用于树突状细胞分离 |
| 台盼蓝溶液,0.4% | Thermo Fisher Scientific | 15250061 | 用于细胞计数 |
| EDTA | Sigma | E5134 | 用于免疫细胞分离 |
| IMDM + 1% L-谷氨酰胺 | Gibco | 21980-032 | 用于T细胞培养基 |
| X-VIVO 15 | Lonza | BE04-418Q | 避光保存;用于B细胞培养基 |
| β-巯基乙醇 | Gibco | 31350-010 | 用于B细胞培养基 |
| L-谷氨酰胺(100x Glutamax) | Gibco | 35050-061 | 用于B细胞培养基 |
| 小鼠MOG35—55 肽 | Biotrend | BP0328 | 用于抗原特异性T细胞活化 |
| 纯化抗小鼠CD3抗体 | BioLegend | 100302 | 克隆号145-2C11;用于多克隆T细胞活化 |
| 纯化NA/LE抗小鼠CD28抗体 | BD Pharmingen | 553294 | 克隆号37.51;用于多克隆T细胞活化 |
| 重组小鼠IFN-γ | PeproTech | 315-05 | 用于T细胞跨膜迁移实验 |
| 重组小鼠TNF-α | PeproTech | 315-01A | 用于T细胞跨膜迁移实验 |
| NA/LE纯化抗小鼠IFN-γ抗体 | BD Biosciences | 554408 | 克隆号XMG1.2;推荐终浓度:20 µg/ml |
| 颗粒酶B抑制剂II | Calbiochem | 368055 | 推荐终浓度:10 µM |
| PE标记抗小鼠CD4抗体 | Biolegend | 116005 | 克隆号RM4-4;用于T细胞跨膜迁移分析 |
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