所有致病性利什曼原虫(Leishmania)物种均在其脊椎动物宿主的巨噬细胞内寄居并增殖。本文介绍一种在体外培养的小鼠骨髓来源巨噬细胞中感染利什曼原虫(Leishmania)并精确量化其胞内生长动力学的实验方案。该方法适用于研究影响宿主-病原体相互作用及利什曼原虫(Leishmania)毒力的各个独立因素。
方法文章
所有致病性利什曼原虫(Leishmania)物种均在其脊椎动物宿主的巨噬细胞内寄居并增殖。本文介绍一种在体外培养的小鼠骨髓来源巨噬细胞中感染利什曼原虫(Leishmania)并精确量化其胞内生长动力学的实验方案。该方法适用于研究影响宿主-病原体相互作用及利什曼原虫(Leishmania)毒力的各个独立因素。
生命周期 利什曼原虫,利什曼病的致病原,在昆虫和脊椎动物宿主内分别交替存在于前鞭毛体和无鞭毛体阶段。尽管利什曼病的临床症状因感染物种不同而差异显著,可表现为良性的皮肤病变,也可发展为致命性的内脏疾病形式,所有 利什曼原虫 在生命周期的脊椎动物阶段,该物种存在于宿主巨噬细胞内。 利什曼原虫 因此,感染性直接与其侵入、在巨噬细胞内寄生泡(PVs)中存活和复制的能力相关。因此,评估寄生虫在细胞内复制的能力是测定其毒力的可靠方法。利用动物模型研究利什曼病的发展过程耗时长、繁琐且常具挑战性,尤其是针对具有重要致病意义的内脏型利什曼病。本文介绍一种用于追踪细胞内寄生虫发育过程的方法 利什曼原虫 在骨髓来源的巨噬细胞(BMMs)中。感染后72至96小时内,每隔24小时测定细胞内寄生虫数量。该方法可可靠地确定多种遗传因素对 利什曼原虫 毒力。例如,我们展示了如何通过单等位基因缺失的 利什曼原虫 线粒体铁转运蛋白基因(LMIT1) 损害了 Leishmania amazonensis 突变菌株 LMIT1/ΔLmit1 在BMMs内生长,表现出与野生型相比毒力显著降低。该实验方法还可精确控制实验条件,能够单独调控各个因素,以分析不同因素(营养物质、活性氧等)的影响。 等等因此,适当地实施和量化BMM感染研究为传统的动物模型研究提供了一种无创、快速、经济、安全且可靠的替代方法。
利什曼病是一类由利什曼原虫属(Leishmania)原生动物寄生虫物种引起的人类疾病,其临床表现具有广泛的谱系 利什曼原虫约有1200万人目前感染了 利什曼原虫 全球范围内,超过3.5亿人面临风险。该疾病的病理特征取决于 利什曼原虫 物种和宿主因素,并且症状从无害的自愈性皮肤病变到致命的内脏利什曼病不等。若不加以治疗,内脏利什曼病具有致死性,其致死率在原虫寄生虫感染所致的人类疾病中仅次于疟疾1尽管疾病病理和症状存在广泛差异,所有 利什曼原虫 物种具有双宿主生活周期,分别在昆虫和脊椎动物宿主体内交替进行前鞭毛体和无鞭毛体阶段。在脊椎动物体内, 利什曼原虫 靶向宿主巨噬细胞进行侵袭,并诱导寄生泡(PVs)的形成。寄生泡是一种具有吞噬溶酶体特性的酸性区室,其中高毒力的无鞭毛体形式进行复制。在慢性感染期间,无鞭毛体可在宿主组织中长期存在,并可传递给未感染的白蛉,从而完成传播循环。因此,在人类疾病发展的背景下,无鞭毛体是最关键的 利什曼原虫 生命周期形态2研究无鞭毛体在巨噬细胞吞噬泡内复制的机制对于理解 利什曼原虫 毒力3,4,5,6,7 以及新型有效疗法的开发。
我们在此描述一种本实验室常规使用的方法,用于研究 利什曼原虫 在骨髓来源的巨噬细胞(BMMs)中的感染与复制,涉及对细胞内病原体数量的定量评估 利什曼原虫 随着时间的推移,该过程包括从小鼠骨髓中分离单核细胞,并在体外培养中将其诱导分化为巨噬细胞。 体外 感染具有感染性的形式(前鞭毛体或无鞭毛体)的 利什曼原虫 并在感染后的72至96小时内,每隔24小时对细胞内寄生虫数量进行定量。本实验室已应用该检测方法评估多种环境因素和寄生虫基因的影响,包括鉴定出铁在促进寄生虫生长中的关键作用 L. amazonensis 通过小鼠足垫病变发育研究进一步验证了其毒力6,8,9,10,11,12,13,14,15. 由于所有致病性 利什曼原虫 物种在宿主巨噬细胞内建立其复制生态位,该检测方法可普遍用于所有病原体的毒力测定 利什曼原虫 物种
进行BMM感染可实现对宿主-寄生虫相互作用的单细胞水平分析,从而更深入地理解Leishmania寄生虫与其偏好的宿主微环境——巨噬细胞的PVs之间的相互作用。多个研究团队已成功应用巨噬细胞感染实验16,17,18,19,20,21,22,以探究宿主巨噬细胞和Leishmania特异性基因的功能,及其在表征胞内感染的复杂相互作用中的潜在参与。BMM感染可用于量化寄生虫的生长情况,作为宿主因素影响胞内存活能力的读数指标,例如杀菌性一氧化氮的产生、活性氧物质的生成,以及其他在溶酶体样PVs内遇到的不利条件23。巨噬细胞感染实验还被用于筛选潜在的抗利什曼药物候选分子,以推动治疗药物的开发13,24。
的 体外 BMM感染的特性在评估方面相较于其他方法具有多种优势 利什曼原虫 毒力。然而,此前多项研究在考察胞内寄生虫随时间推移的存活机制时,并未将感染量化为速率20,21,24此外,许多研究集中于追踪 体内 随着时间推移评估感染情况时,仅通过测量皮肤病变大小及其他与寄生虫复制间接相关的生理症状来进行25,26,27. 体内 感染是评估寄生虫毒力的严格方法,但仅基于足垫肿胀程度测量病灶大小往往不够充分,因为这种测量反映的是感染组织中的炎症反应,而非寄生虫的绝对数量。因此,在足垫病灶发育检测之后,必须对感染组织中的寄生虫负荷量进行定量分析,而这一过程需要耗时较长的有限稀释实验。28此外, 体内 研究通常需要在不同时间点处死多只动物,以获取目标组织6,8,9,10,11,13相比之下,仅需一只动物即可获得大量BMMs,且这些细胞可在允许于不同时间点评估感染情况的条件下进行接种培养。此外,与 体内 研究,执行 体外 BMM感染可实现对实验条件的更精确控制。通过定量感染的巨噬细胞及其所感染的寄生虫,可精确调控感染复数(MOI)和培养条件。对这些因素的精细控制对于鉴定特定细胞通路的特征及其对感染进程的影响至关重要。
鉴于这些优势,目前仅有极少数研究Leishmania毒力的课题组充分利用了巨噬细胞内复制的定量评估方法,这在一定程度上令人意外。本文讨论了可能阻碍该检测方法更广泛应用的一些常见问题,并提供了一步一步的操作流程,以促进其正确实施。考虑到该方法的精确性和多功能性,本文所述的BMM感染实验不仅可用于探索影响Leishmania毒力的宿主-病原体相互作用,还可用于研究其他在巨噬细胞内复制的微生物29。尤为重要的是,该实验还可开发为一种快速且经济的抗利什曼原虫药物研发的临床前筛选方法。
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所有实验操作均按照美国国立卫生研究院(NIH)《实验动物护理和使用指南》中的建议进行,并已获得马里兰大学动物照护与使用委员会(IACUC)的批准。第1至第4节中所述的所有步骤均须在生物安全柜内的层流环境中无菌操作。在整个实验过程中操作活体Leishmania寄生虫时,应使用个人防护装备并格外小心。
1. 骨髓来源巨噬细胞(BMMs)的分离与分化8,30,31
2. 在盖玻片上接种BMM用于感染(第7或8天)
3. 感染性形式的纯化 L. amazonensis
注意:准备用于感染的Leishmania——从静止期前鞭毛体培养物中纯化出环形前鞭毛体8,13,或使用标准的L. amazonensis无细胞分化方案将前鞭毛体在培养中分化为无鞭毛体形态6,8。
4. 利什曼原虫亚马逊种(L. amazonensis)感染
5. DAPI 染色与盖玻片封片
6. 感染定量
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利什曼原虫 具有两种感染形式——在培养物的稳定期由前循环型前鞭毛体分化而来的前鞭毛体,以及作为细胞内阶段的无鞭毛体(图1)。在某些情况下 利什曼原虫 物种如 L. amazonensis无血清培养条件下,通过将前鞭毛体细胞置于较低pH(4.5)和较高温度(32 °C)环境中,也可诱导其分化为无鞭毛体,该条件类似于骨髓来源巨噬细胞吞噬泡(BMM PVs)内的微环境。8,34仅利什曼原虫的前鞭毛体或无鞭毛体形式 利什曼原虫 能够诱导PVs的形成,并在被宿主巨噬细胞吞噬后在细胞内进行复制35未分化的对数期前鞭毛体无致病性,且无法促进寄生泡的形成 (图2).
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上述BMM感染实验所产生的定量数据,可使研究人员在相对较短的时间内(最长2周,而传统方法需2个月)获得感染率,并可靠地确定毒力特性的变化。 体内 实验)。该方法依赖于DNA特异性染料DAPI,可特异性地染色巨噬细胞和寄生虫的细胞核,从而实现对感染细胞的快速鉴定与定量。相比之下,其他染料(如吉姆萨染液)会以不同的强度结合多种不同的细胞组分,使显微观察分析变得复杂37使用DAPI可识别细胞内寄生虫,并将其与细胞结构清晰区分开(仅宿主细胞的细胞核会被染色,且其大小比寄生虫细胞核大数个数量级),从而更简便、快速地对感染进行定量分析。
与任何实验方法一样,本方法存在一些局限性,并包含若干需要谨慎操作的关键步骤。In vivo 条件下,Leishmania 感染在吞噬作用发生前会引发复杂的先天免疫应答,从而决定感染的最终进程38。因此,实验设计中模型小鼠品系的选择至关重要。本方案中使用的 C57BL/6 和 BALB/c...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益,
本工作获得了美国国立卫生研究院资助项目 RO1 AI067979(授予 NWA)的支持。
YK 获得了霍华德·休斯医学研究所/马里兰大学帕克分校本科生奖学金。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 6孔细胞培养板 | Cellstar | 657160 | |
| 腺嘌呤 | Acros Organics | AC147440250 | |
| 气溶胶屏障移液器吸头(100–1000 μL) | Fisherbrand | 02-707-404 | |
| 气溶胶屏障移液器吸头(20–200 μL) | Fisherbrand | 02-707-430 | |
| 气溶胶屏障移液器吸头(2–20 μL) | Fisherbrand | 02-707-432 | |
| Bard-Parker肋纹碳钢手术刀片 #10 | Aspen Surgical | 371110 | |
| BD鲁尔锁头10 mL注射器 | Becton Dickinson (BD) | 309604 | |
| BD PrecisionGlide针头,25G | Becton Dickinson (BD) | 305124 | |
| 细胞培养皿 35 mm × 10 mm | Cellstar | 627 160 | |
| 细胞培养瓶 | Cellstar | 660175 | |
| 盖玻片:12 mm圆形 | Fisherbrand | 12-545-80 | |
| DAPI(4',6-二脒基-2-苯基吲哚,二盐酸盐) | Invitrogen | D1306 | |
| D-生物素 | J.T. Baker | C272-00 | |
| EDTA | Sigma Aldrich | EDS | |
| 200度乙醇 | Pharmco-AAPER | 111000200 | |
| Falcon 100 mm × 15 mm 非组织培养处理聚苯乙烯培养皿 | Corning | 351029 | |
| 胎牛血清 | Seradigm | 1500-500 | |
| Ficoll400 | Sigma Aldrich | F8016 | |
| 荧光显微镜 | Nikon | E200 | |
| 山羊抗小鼠IgG Texas Red | Invitrogen | T-862 | |
| 山羊抗兔IgG AlexaFluor488 | Invitrogen | A-11034 | |
| 血红素 | Tokyo Chemical Industry Co. LTD | H0008 | |
| HEPES(1 M) | Gibco | 15630-080 | |
| Isoton II稀释液 | Beckman Coulter | 8546719 | |
| L-谷氨酰胺 | Gemini | 400-106 | |
| Medium 199(10倍浓缩) | Gibco | 11825-015 | |
| 丙酮酸钠(100 mM) | Gibco | 11360-070 | |
| 多聚甲醛 | Alfa Aesar | 43368 | |
| 青霉素/链霉素 | Gemini | 400-109 | |
| 磷酸盐缓冲液(不含钙镁) | ThermoFisher | 14200166 | |
| 聚丙烯圆锥形离心管 15 mL | Cellstar | 188 271 | |
| 聚丙烯圆锥形离心管 50 mL | Cellstar | 227 261 | |
| ProLong Gold抗荧光淬灭封片剂 | ThermoFisher | P36930 | |
| 大鼠抗小鼠Lamp-1抗体 | 发育研究杂交瘤库 | 1D4B | |
| 重组人M-CSF | PeproTech | 300-25 | |
| Reichert Bright-Line 血细胞计数板 | Hausser Scientific | 1492 | |
| RPMI 1640培养基(1倍浓度) | Gibco | 11875-093 | |
| 表面活性剂Triton X-100 | Millipore Sigma | TX1568-1 | |
| 台盼蓝 | Sigma Aldrich | T8154 | |
| 精细剪刀,4 1/2" | VWR | 82027-582 | |
| 解剖镊,细尖头 | VWR | 82027-386 | |
| 显微镜载玻片 | VWR | 16004-368 | |
| Z1库尔特颗粒计数器,双阈值 | Beckman Coulter | 6605699 |
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