本文介绍了利用旋转盘共聚焦显微镜对小鼠腹腔常驻巨噬细胞的单个吞噬事件进行成像的方法。该方案可拓展应用于其他吞噬性细胞。
本文介绍了利用旋转盘共聚焦显微镜对小鼠腹腔常驻巨噬细胞的单个吞噬事件进行成像的方法。该方案可拓展应用于其他吞噬性细胞。
吞噬作用在宿主防御以及组织发育和维持中发挥关键作用,其过程涉及肌动蛋白细胞骨架的快速、受体介导的重排,以捕获、包裹并内吞大颗粒物质。尽管已鉴定出吞噬受体、下游信号通路以及效应分子(如Rho GTP酶),但特定受体介导的吞噬事件中细胞骨架动态重塑的具体机制仍不明确。四十年前,通过扫描电子显微镜鉴定出两种不同的吞噬机制,分别以Fcγ受体(FcγR)介导和补体受体(CR)介导的吞噬作用为代表。免疫球蛋白G(IgG)包被的颗粒与FcγR结合后,会触发细胞膜伸出细长的突起,最初在颗粒周围形成所谓的吞噬杯,随后颗粒被完全包裹并内化至细胞内。相比之下,补体包被的颗粒在与补体受体结合后似乎直接“沉入”吞噬细胞内部。这两种吞噬模式——吞噬杯形成与“沉入”模式——已在文献中被广泛确立。然而,近年来有报道指出补体受体介导的吞噬作用也可能诱导多种膜突起,使两种模式之间的界限变得模糊。随着高分辨率成像技术的发展,亟需建立能够实时三维(三维)可视化特定吞噬受体如何介导单个颗粒摄取的吞噬实验方法。目前研究吞噬作用更常用的方法,例如终点法检测,无法捕捉颗粒与吞噬细胞界面发生的动态过程。本文中,我们描述了利用延时旋转盘共聚焦显微镜进行的吞噬实验,可实现对单个吞噬事件的三维成像。此外,我们还介绍了能够明确区分Fcγ受体介导或补体受体介导吞噬作用的成像实验方法。
在梅奇尼科夫观察海星幼虫中吞噬性间充质细胞的二十年前,即1882年,以及随后提出吞噬作用理论1之前,恩斯特·海克尔已于1862年描述了掠食性海蛞蝓物种 Thetis fimbris(Tethys fimbria)血细胞对不溶性染料颗粒的吞噬现象(Ernest Haeckel. Die Radiolarien (Rhizopoda radiaria): Eine Monographie; Druck und Verlag von Georg Reimer, Berlin, 1862)。他明确描述了细胞膜突起包裹颗粒的过程,这些颗粒随后被摄入胞质,并在细胞核周围聚集。一百多年后,Kaplan 的一项开创性研究提出,吞噬作用至少存在两种形态学上不同的机制2。Kaplan 通过扫描电子显微镜观察发现,小鼠腹腔巨噬细胞利用细长的膜突起接触并紧密包裹经 IgG 调理的绵羊红细胞,最初形成杯状结构。吞噬杯的形成依赖于肌动蛋白的聚合,因为可穿透细胞的真菌毒素细胞松弛素 B(已知可阻断肌动蛋白动态)能够抑制该过程3。相比之下,经补体调理的绵羊红细胞则似乎直接“沉入”巨噬细胞内,而无需形成明显的膜突起;尽管在某些图像中,可在下沉颗粒附近的局部区域观察到膜皱褶。与吞噬杯形成不同,补体受体介导的“沉入”过程对细胞松弛素 B 处理不敏感2。在 Kaplan 描述的实验中,补体调理是通过将免疫球蛋白 M(IgM)标记的绵羊红细胞与补体 C5 缺陷型小鼠的血清共同孵育完成的,这种方法可避免补体 C5 依赖的终末补体复合物引发的溶血。
卡普兰(Kaplan)所发现的吞噬作用的两种模式——吞噬杯形成与内陷吞噬——已成为该领域的公认观点4,5,6,7,8,9然而,Kaplan 的原始研究中所使用的超高分辨率图像2,以及Munthe-Kaas开展的一项类似研究 等10,仅能提供吞噬事件的快照。在最近的一篇综述中,Rougerie 等11 强调指出,FcγR介导和CR介导的吞噬作用之间的形态学差异仍有待阐明,此外,在补体受体介导的颗粒摄取过程中已观察到膜皱褶的形成2活细胞成像技术可对单个吞噬事件从颗粒捕获到内吞的全过程进行实时观察,结合基因修饰小鼠模型,将极大增进我们对吞噬细胞如何捕获并摄取颗粒的理解。一种可行的方法是采用快速原子力显微镜(AFM),该技术能够实现对活细胞表面超高清分辨率(10–20 nm)的形貌成像。近期,一种快速AFM系统12 已开发出一种适用于快速、低噪声成像细胞表面的技术。该技术的优势在于,能够在较短时间间隔(数秒)内连续测量活细胞的高分辨率形貌及力学参数,而扫描电子显微镜则需对细胞进行固定和临界点干燥处理,无法实现此类动态观测。另一种方法是延时三维共聚焦显微镜技术,该技术应用广泛,但在记录过程中存在光毒性和荧光漂白等限制因素。该方法具有高度的灵活性,可实现高空间分辨率的光学切片,并能利用多种荧光探针进行标记,包括基因编码的荧光蛋白,标记方式极为多样。本文描述了利用延时转盘共聚焦显微镜进行吞噬作用检测的方法,可实现对特定受体介导的吞噬事件的高时空分辨率动态观察。
本方案遵循本单位人类研究伦理委员会以及动物护理指南的相关规定。
1. 分离小鼠腹腔常驻巨噬细胞
2. 在通道载玻片中接种腹膜细胞
3. 人红细胞的分离
4. 巨噬细胞质膜的标记
5. 人红细胞质膜的标记
6. 使用小鼠免疫球蛋白 G(IgG)对人红细胞进行调理(标记)
7. 成像经质膜染色和IgG包被的人红细胞的吞噬作用
8. 成像经质膜染色并包被补体的人红细胞的吞噬作用
9. 人红细胞IgG和C3b包被的确认
用于延时旋转共聚焦显微镜成像观察吞噬作用的通道式载玻片示意图见图1。人红细胞(hRBCs)用红色荧光质膜标记物CellMask Orange染色,而分离的小鼠腹腔常驻巨噬细胞(Ms)则用绿色荧光Alexa Fluor 488标记的抗F4/80抗体标记(图2),该抗体既作为小鼠巨噬细胞的特异性标志物,也用于标记质膜。人红细胞可通过与IgG(或IgM)抗CD235a抗体共孵育而被小鼠IgG(mIgG)或小鼠IgM(mIgM)调理;CD235a又称血型糖蛋白A,是人红细胞特异性表达的蛋白。通过延时三维成像观察绿色荧光巨噬细胞与红色荧光人红细胞的相互作用,可实现对单颗粒吞噬事件的可视化(图2)。对单个吞噬事件的细致观察可揭示颗粒捕获与摄入过程的细节。例如,可观察到巨噬细胞的丝状伪足(一种细长的指状突起)捕获经mIgG调理的人红细胞的过程(图3A;另见Horsthemke et al.15)。此外,还可观察到人红细胞在吞噬杯形成过程中的挤压现象(图3A)。当加入新鲜小鼠血清后,经mIgG或mIgM调理的人红细胞可激活经典补体级联反应,最终形成溶血性膜攻击复合物。通过使用CellMask Orange与Calcein双标记染色并进行成像,可测量补体介导溶血的动力学过程。在溶血过程中,绿色荧光胞质染料Calcein会迅速从细胞中释放(图3B)。

图1:纤维连接蛋白包被通道载玻片的操作。(A)通道载玻片由两个储液池通过一个尺寸为 50 mm × 5 mm × 0.4 mm 的通道连接而成。初始时可通过向其中一个储液池加入 1–2 mL 培养基并倾斜载玻片来预充满通道。(B)可在孵育前将盖帽安装至储液池上。这些盖帽可方便地用于在向通道接种细胞前排出不需要的气泡。(C)可通过直接将培养基用移液器加至通道口,从而填充无气泡的 100 µL 通道。此步骤可用于例如将巨噬细胞接种到载玻片中,或加入荧光素(绿色荧光)标记的抗 F4/80 抗体,后者既可作为膜标记物,也可作为小鼠巨噬细胞的标志物。(D)将颗粒(如调理素化的人红细胞)加入已接种荧光标记巨噬细胞的通道后,可将载玻片置于倒置显微镜载物台上,进行延时旋转盘共聚焦显微成像。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:吞噬作用的时间推移3D成像。(A)示意图显示经血浆膜染色(红色荧光)的人类红细胞(hRBCs)通过小鼠抗CD235a免疫球蛋白G(mIgG)抗体进行调理,并将标记的hRBCs呈递给经绿色荧光染料偶联的抗F4/80抗体标记(绿色荧光)的小鼠巨噬细胞(Ms)。(B)通过转盘共聚焦显微镜获取的时间推移图像(XZ视图),显示mIgG调理的hRBCs形成吞噬杯并被吞噬的过程。比例尺 = 10 µm。(C)3D重建图像显示巨噬细胞吞噬mIgG调理的hRBCs。对应的三个时间点的XZ视图见B。网格间距为5.07 µm。请点击此处查看该图的高清版本。

图3:丝状伪足捕获颗粒的过程。 通过转盘共聚焦显微镜获取的延时图像,显示小鼠巨噬细胞通过丝状伪足(上图中的箭头所示)这一指状突起,捕获经小鼠免疫球蛋白G(mIgG)包被的人红细胞(hRBC)。请注意,在吞噬杯形成早期,红细胞即失去其锯齿状边缘。此外,吞噬杯似乎对包裹的红细胞产生挤压作用(下图箭头所示)。比例尺 = 10 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。
绝大多数吞噬作用检测方法,尤其是终点法和高通量检测方法,无法可视化颗粒被实际捕获、包裹和内化的过程。20世纪70年代,Munthe-Kaas 等10 和 Kaplan2 的开创性研究指出,在IgG调理化颗粒与补体调理化颗粒(如绵羊红细胞)的吞噬过程中,细胞骨架发生了显著不同的重组。本文中,我们描述了利用转盘共聚焦显微镜进行的吞噬作用检测方法,可实现对单个吞噬事件的高分辨率、实时成像。我们的模型吞噬细胞为小鼠腹腔常驻巨噬细胞,该细胞易于分离且操作最少,我们使用新鲜分离的人红细胞作为颗粒。然而,该吞噬检测方法也可适用于其他吞噬细胞,例如小鼠骨髓来源的巨噬细胞或中性粒细胞、小鼠巨噬细胞系、人单核细胞来源的巨噬细胞或人外周血中性粒细胞。对于人吞噬细胞或小鼠中性粒细胞,需使用其他荧光标记抗体,例如荧光标记的抗CD14抗体(人单核细胞/巨噬细胞)16 或抗Gr-1(Ly-6G)抗体(小鼠中性粒细胞)。
未致敏的人类红细胞与传统使用的绵羊红细胞类似,在某种程度上是惰性的,因为这些细胞通常不会(或极少)被小鼠腹腔巨噬细胞吞噬。这确保了与聚苯乙烯微球相比具有较低的背景活性。可方便地使用针对CD235a(血型糖蛋白A)的小鼠IgG或IgM单克隆抗体对人类红细胞进行免疫球蛋白致敏,CD235a是人类红细胞(红血球)及红系前体细胞的特异性标志物17,18。在平行实验中,可应用荧光标记的抗小鼠IgG或IgM二抗以确认致敏效果。IgG和IgM抗体类别属于血凝素,即能够引起红细胞凝集的物质(抗体)。为避免凝集,在与抗CD235a抗体孵育的8分钟期间,我们间歇性地混匀细胞悬液,随后将混合后的悬液直接加入含巨噬细胞的通道载玻片(纤维连接蛋白包被的载片)中,无需洗涤步骤。洗涤步骤通常需要通过离心使红细胞沉淀,而这会显著促进凝集反应的发生。在对人类红细胞进行致敏之前,我们使用一种亲脂性的橙红色荧光探针标记其质膜。该探针在延时成像开始时荧光强烈,但信号会逐渐减弱,可能主要归因于光漂白19。此外,在成像过程中,巨噬细胞以及载玻片上的纤维连接蛋白涂层也可能呈现微弱的橙红色荧光。这一问题可能源于红细胞标记后洗涤不充分。除了使用亲脂性荧光质膜标记物外,还可利用其胺反应性琥珀酰亚胺酯将人类红细胞标记一种pH敏感型罗丹明衍生物15,20。这种方法的优势在于可实现吞噬体成熟过程的可视化,因为荧光强度随pH降低而增强15,20;但其缺点在于,此类活性酯制剂目前价格昂贵,且在水溶液中重组后不稳定。
经IgG包被的人红细胞通过Fcγ受体(FcγR)被吞噬,这一过程可使用从NOTAM21或Fcer1g-/-(Fcer1g基因敲除)小鼠分离的腹腔巨噬细胞加以验证。NOTAM巨噬细胞能够结合IgG包被的人红细胞,但缺乏诱导吞噬作用所必需的ITAM(基于免疫受体酪氨酸的活化基序)介导的信号通路;而Fcer1g基因敲除巨噬细胞则不表达表面Fcγ受体。IgG或IgM包被的人红细胞可通过与补体C5缺陷型小鼠的新鲜分离血清孵育,进一步包被C3b(随后被裂解为iC3b)(野生型血清会引起溶血)。包被抗体IgG和IgM可激活经典补体级联反应,导致膜攻击复合物(孔道结构)形成并引发细胞裂解。在缺乏补体C5的小鼠中,补体级联反应可进行至补体C3的裂解,但C5转化酶因缺乏底物而无法催化终末通路。我们开发了简单的检测方法以测量补体级联反应的动力学。简而言之,人红细胞可同时用红色荧光的质膜标记物和绿色荧光的胞质荧光染料进行标记。当由补体成分C5-C9形成的膜攻击复合物产生时,胞质荧光染料会在数秒内迅速从胞质中丢失。对补体级联反应终末效应(细胞溶解)功能的观察表明,4分钟的孵育时间足以实现人红细胞的C3b/iC3b包被。在平行实验中,可通过加入抗小鼠C3b抗体与荧光标记的二抗混合物后,简便地评估人红细胞表面C3b/iC3b的包被情况。此情况下需进行洗涤步骤以去除未结合的荧光抗体。尽管洗涤步骤涉及通过离心使细胞沉淀,可能促进凝集,但仍可通过共聚焦显微镜清晰评估包被效果。补体受体介导的吞噬作用可通过将IgG/iC3b包被的人红细胞施加于NOTAM或Fcer1g-/-巨噬细胞,或将IgM/iC3b包被的人红细胞施加于野生型巨噬细胞来进行成像观察。IgM包被的血细胞不能被含有ITAM的Fcγ受体(FcγRI、FcγRIII和FcγRIV)识别,因此无法介导IgG包被颗粒所依赖的吞噬作用22。
为观察吞噬事件,可用绿色荧光染料标记的抗F4/80抗体对巨噬细胞的质膜进行标记,该抗体同时也是小鼠巨噬细胞的特异性标志物。如上所述,人红细胞可通过与橙色/红色荧光质膜染料孵育而呈现红色荧光。这种亲脂性质膜染料可避免基于抗体标记可能带来的干扰效应。经或未经调理的红色荧光人红细胞可直接用移液器加入通道载玻片的100 µL通道中,并使用转盘共聚焦(或类似)显微镜,分别采用488 nm和561 nm激光线,通过60X/1.49油浸(或类似)物镜进行三维时间序列成像。尽管高分辨率成像具有吸引力,但在约16分钟内重复采集Z轴堆栈图像可能导致显著的光漂白和光毒性。我们选择使用2×2 binning模式,以提高信噪比,并允许降低激发光强度和/或曝光时间,尽管会牺牲光学分辨率。此外,为减少光毒性,我们在培养基中添加活性氧清除剂。在后续研究中,该检测方法可进一步改进以用于成像人红细胞凋亡后的吞噬过程。Ca²⁺2+ 离子载体(如 A23187)可用于诱导磷脂酰丝氨酸外翻23,一个 "吃我" 早期凋亡的信号与标志24,25.
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由德国研究基金会(DFG,Deutsche Forschungsgemeinschaft)资助,项目编号为 HA 3271/4-1 和 HA 3271/4-2,以及由 DFG 资助的卓越集群 1003(EXC 1003,“运动中的细胞”,Cells in Motion,CiM)项目编号 FF-2016-05 的资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 24 G 塑料导管 | B Braun Mesungen AG, Germany | 4254503-01 | 用于腹腔灌洗 |
| 不含 Ca’s 缓冲盐溶液2+ 和 Mg2+ | Thermo Fisher Scientific | 14170120 | 用于腹腔灌洗 |
| 14 mL 聚丙烯圆底管 | BD Falcon | 352059 | 用于收集腹腔细胞 |
| 含 20 mM Hepes 的 RPMI 1640 培养基 | Sigma-Aldrich | R7388 | 检测的基础培养基 |
| 热灭活胎牛血清 | Thermo Fisher Scientific | 10082139 | 用作 RPMI 1640 培养基的补充物 |
| 100 倍浓度的青霉素/链霉素 | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | 用作 RPMI 1640 培养基的补充物 |
| 纤维连接蛋白包被的 µ-Slide I 型腔室载片 | Ibidi, Martinsried, Germany | 80102 | 用于检测的通道式载片 |
| µ-Slide(阳极氧化铝)支架 | Ibidi, Martinsried, Germany | 80003 | 可高压灭菌的可堆叠通道载片支架 |
| 含碳酸氢盐的 RPMI 1640 培养基 | Sigma-Aldrich | R8758 | 用于过夜培养的培养基 |
| N-(2-巯基丙酰基)甘氨酸 | Sigma-Aldrich | M6635 | 活性氧清除剂 |
| Alexa Fluor 488 标记的大鼠(IgG2a)单克隆(克隆号 BM8)抗小鼠 F4/80 抗体 | Thermo Fisher Scientific | MF48020 | 小鼠巨噬细胞标志物及质膜标记物 |
| CellMask Orange | Thermo Fisher Scientific | C10045 | 红色荧光质膜染料 |
| pHrodo 的琥珀酰亚胺酯 | Thermo Fisher Scientific | P36600 | pHrodo 的胺反应性琥珀酰亚胺酯 |
| 小鼠(IgG2b)单克隆(克隆号 HIR2)抗人 CD235a | Thermo Fisher Scientific | MA1-20893 | 用于用人 IgG 包被人红细胞 |
| Alexa Fluor 594 标记的 山羊抗小鼠(二抗)IgG 抗体 | Abcam | Ab150116 | 用于确认人红细胞被小鼠 IgG 包被 |
| 大鼠抗小鼠 C3b/iC3b/C3c 抗体 | Hycult Biotech | HM1065 | 用于确认人红细胞被 C3b/iC3b 包被 |
| Alexa Fluor 488 标记的山羊抗大鼠 IgG 抗体 | Thermo Fisher Scientific | A-11006 | 作为二抗用于确认 C3b/iC3b 包被 |
| Calcein/AM | Thermo Fisher Scientific | C3100MP | 用于将 Calcein 负载至人红细胞 |
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| 561 nm 固态激光器,50 mW | Perkin Elmer, Rodgau, Germany | 转盘共聚焦显微镜系统的 561 nm 激光光源 |