本方案描述了一种从全人血中纯化多形核白细胞的方法,以及两种定量检测其细胞毒性的实验。 金黄色葡萄球菌 针对这些重要的天然免疫细胞。
本方案描述了一种从全人血中纯化多形核白细胞的方法,以及两种定量检测其细胞毒性的实验。 金黄色葡萄球菌 针对这些重要的天然免疫细胞。
Staphylococcus aureus 能够分泌多种靶向并破坏多形核白细胞(PMNs 或中性粒细胞)膜完整性的白细胞毒素。本实验方案分为三个部分,分别描述了人源 PMNs 的纯化方法以及 S. aureus 对 PMNs 细胞毒性的定量检测。第 1 部分详细介绍了通过密度梯度离心法从人血液中分离 PMNs 和血清的方法。第 2 部分检测 S. aureus 分泌的胞外蛋白对纯化后人源 PMNs 的细胞毒性。第 3 部分测定活 S. aureus 被吞噬后对人源 PMNs 的细胞毒性。这些实验通过流式细胞术分析经碘化丙啶(propidium iodide)染色的 PMNs,检测 S. aureus 白细胞毒素对 PMN 细胞膜完整性的破坏作用;碘化丙啶是一种不能穿透完整细胞膜的 DNA 结合荧光染料。总体而言,这些方法能够快速评估 S. aureus 对原代人源 PMNs 的细胞毒性,且易于拓展应用于宿主-病原体相互作用其他方面的研究。
Staphylococcus aureus 是一种革兰氏阳性细菌,可引起人类多种疾病。这种重要的病原体可产生大量毒力因子,参与感染的不同阶段。这些因子包括使S. aureus能够黏附于不同类型宿主组织的表面分子1、干扰宿主免疫反应的胞外蛋白2,以及一系列靶向不同宿主细胞的分泌性毒素3。本报告中,我们描述了一种定量检测S. aureus产生的胞外蛋白对人多形核白细胞(PMNs,即中性粒细胞)——宿主先天免疫反应的主要效应细胞——细胞毒性的方法。
中性粒细胞(PMNs)是哺乳动物中最丰富的白细胞。这些循环免疫细胞会迅速被招募到宿主组织受损部位,以响应由常驻细胞产生的危险信号或入侵微生物所特有的化合物。在血管外渗过程中,这些分子的胞外输入以及与活化的宿主常驻细胞的直接接触,会增强中性粒细胞的活化状态,该过程称为“启动”4,5。已启动并到达受损组织的中性粒细胞随后执行重要的固有免疫反应,旨在防止感染的发生。这些反应包括对入侵微生物的结合与内吞(即吞噬作用),从而触发一系列胞内事件,最终通过多种强效抗菌化合物的联合作用将微生物杀灭5。
中性粒细胞(PMNs)在保护人类免受入侵病原体感染方面发挥着至关重要的作用,尤其在预防S. aureus感染中具有重要意义4。然而,这种细菌可产生多种毒力基因,干扰中性粒细胞的不同功能。这些毒力因子包括可阻断信号分子识别、阻止细菌在宿主组织上黏附、抑制抗菌化合物生成以及破坏细胞质膜完整性的胞外蛋白4。S. aureus通过多个双组分感应系统共同感知特定环境信号,进而协调这些毒力基因的时序性表达。其中,SaeR/S双组分系统是感染过程中调控S. aureus毒力基因转录的主要正向调节因子6,7,8,9,10,11。特别是,该双组分系统已被证实对产生特异性靶向人中性粒细胞的双组分杀白细胞素至关重要12。
本方案分为三个不同部分。第一部分描述了使用密度梯度离心法从人血液中纯化中性粒细胞(PMNs)的方法,该方法改编自Bøyum13 和 Nauseef14 建立的技术。第二和第三部分详细介绍了两种不同的技术,用于检测 S. aureus 的细胞毒性;一种是利用 S. aureus 产生的胞外蛋白对 PMNs 进行中毒处理,另一种则是考察活细菌在被吞噬后对 PMNs 的损伤能力。这些实验通过碘化丙啶(propidium iodide)来检测由 S. aureus 孔道形成毒素引起的 PMN 质膜完整性的丧失。碘化丙啶是一种DNA结合型荧光染料,通常不能穿透细胞膜,但可进入因 S. aureus 毒素作用而受损的细胞质膜。通过流式细胞术分析,可快速定量碘化丙啶阳性的PMNs,从而评估不同 S. aureus 菌株的相对细胞毒性。实验中以耐甲氧西林 S. aureus(MRSA)菌株USA300(经脉冲场凝胶电泳鉴定)及其在 saeR/S 基因位点的同源缺失突变体(USA300ΔsaeR/S)作为模型,展示这些方法如何定量 S. aureus 对人PMNs的细胞毒性。
根据蒙大拿州立大学人体受试者机构审查委员会批准的方案,采集了健康献血者的肝素化静脉血。所有献血者均签署了书面知情同意书,同意参与本研究。
1. 人多形核白细胞的纯化及人血清的分离
注意:所有试剂应使用市售的内毒素检测试剂盒常规检测内毒素的存在,且内毒素含量应低于<25.0 pg/mL,以防止中性粒细胞发生非预期的激活。
2. 金黄色葡萄球菌S. aureus胞外蛋白对人多形核白细胞的细胞毒性检测
3. S. aureus 吞噬作用后针对人多形核白细胞的细胞毒性检测
注意:在开始本实验之前,必须通过实验确定待测金黄色葡萄球菌(S. aureus)菌株在600 nm处的光密度(OD600)与细菌浓度所定义的生长曲线。实验成功的关键在于,使用继代培养细菌的OD600值,始终在对数生长中期收获浓度相等的各株金黄色葡萄球菌(S. aureus)。
我们已展示了如何利用上述方法相对定量细胞毒性的程度 S. aureus 使用耐甲氧西林金黄色葡萄球菌PFGE型USA300及其等基因缺失突变株对抗人中性粒细胞 saeR/S 在此菌株(USA300ΔsaeR/S) 此前研究中产生的6采用本方案第1节所述方法分离的中性粒细胞经碘化丙啶染色后,通过流式细胞术进行检测。利用前向散射与侧向散射图分析纯化中性粒细胞中单核细胞或淋巴细胞的污染情况图1A,B)并使用碘化丙啶染色测定中性粒细胞的完整性(图1C). 所述的人类中性粒细胞(PMN)纯化方法可稳定获得 0.5 x 107 至 1 × 108 中性粒细胞 >98% 纯度,且为 >95% 碘化丙啶染色阴性。
通过本方案第2节所述步骤,检测了USA300和USA300ΔsaeR/S产生的胞外蛋白对纯化中性粒细胞(PMN)的细胞毒性(图2)。这些实验表明,在与USA300产生的胞外蛋白共同孵育30分钟后,纯化的PMN中碘化丙啶染色呈浓度依赖性增加(图2B)。先前研究表明,SaeR/S双组分系统在多种靶向人PMN的双组分白细胞素的表达中具有重要作用6,10,11,16。与这些先前发现一致的是,在暴露于USA300ΔsaeR/S产生的胞外蛋白后,检测到的碘化丙啶阳性PMN极少(图2B)。进一步实验显示,在USA300胞外蛋白作用下,裂解PMN的比例持续上升,并在约30分钟后达到平台期(图2C)。在所有时间点,暴露于USA300ΔsaeR/S产生的胞外蛋白后,人PMN的裂解程度均极低。这些结果说明了该检测方法在相对定量S. aureus胞外蛋白对人PMN细胞毒性方面的实用性。
我们采用本方案第3节所述的S. aureus吞噬后对人中性粒细胞(PMNs)的细胞毒性检测方法,测试了USA300和USA300ΔsaeR/S菌株(图3)。在吞噬USA300后90分钟,碘化丙啶阳性PMNs的比例随细菌浓度增加而升高(图3A)。而在吞噬USA300ΔsaeR/S后,碘化丙啶阳性PMNs的比例显著降低(图3A),这一结果支持其他研究发现,表明SaeR/S双组分系统在S. aureus对人PMNs的细胞毒性中具有重要作用(图2)7,11。如前所述并如图3A所示,S. aureus浓度的差异对吞噬后PMNs裂解程度具有显著影响。对各实验中使用的USA300和USA300ΔsaeR/S接种物浓度进行计数后表明,这两种菌株间细胞毒性的差异并非由所用细菌浓度不同所致(图3B)。这些结果表明,S. aureus吞噬后对人PMNs的细胞毒性检测可用于评估不同S. aureus菌株破坏人PMNs质膜完整性的能力。

图 1:纯化中性粒细胞的流式细胞术分析。 流式细胞术散点图代表性结果显示:(A)纯化的人中性粒细胞和(B)人为污染外周血单个核细胞的中性粒细胞。(C)代表性流式细胞术直方图显示纯化中性粒细胞(灰色阴影)的碘化丙啶染色极少(<1%),与经 0.05% Triton X-100 处理的中性粒细胞(红色阴影)相比。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2:金黄色葡萄球菌(S. aureus)分泌的胞外蛋白对中性粒细胞(PMNs)毒性作用的流式细胞术分析。(A)中性粒细胞经碘化丙啶染色后,在与对照培养基(蓝色阴影)、过滤后的USA300上清液(终浓度1:110,灰色阴影)或0.05% Triton X-100(红色阴影)孵育30分钟后,具有代表性的流式细胞术直方图。(B)中性粒细胞与不同浓度的USA300或USA300∆saeR/S上清液孵育30分钟后,碘化丙啶阳性细胞所占比例。(C)中性粒细胞与USA300或USA300∆saeR/S上清液(终浓度1:110)孵育后,随时间变化的碘化丙啶阳性细胞比例。数据以至少3次独立实验的均值±标准误表示,* p ≤ 0.05,** p ≤ 0.005,采用双尾t检验确定。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:中性粒细胞吞噬作用后的流式细胞术分析 S. aureus. (A) 吞噬不同浓度的 USA300 或 USA300∆ 后 90 分钟,碘化丙啶阳性中性粒细胞的比例saeR/S (B) 包被抗体的浓度 S. aureus 用于图A所示实验的菌株。数据表示为4次独立实验的平均值±标准误,通过双尾t检验确定,* p ≤ 0.01。 请点击此处以查看此图的放大版本。
本方案描述了从人血中纯化中性粒细胞(PMNs)的方法,以及两种利用碘化丙啶(propidium iodide)定量S. aureus对这些重要先天免疫细胞细胞毒性的不同检测方法。这些实验的成功取决于所纯化PMNs的质量,以及S. aureus及其病原体分泌的胞外蛋白的适当制备。在PMN分离过程中,为尽量减少细胞在纯化期间及之后的激活,应使用无内毒素污染的试剂,轻柔处理细胞样品,并将细胞保持在适宜温度。PMN被激活的表现包括纯化过程中出现细胞聚集,以及超过5%的分离细胞碘化丙啶染色呈阳性。由于PMNs的寿命相对较短,必须在同一天内完成从人血中分离并进行实验检测。若纯化后的PMNs在冰上放置超过3小时,将开始出现自发性凋亡的迹象。如前所述,每次PMN制备均需通过流式细胞术分析前向散射(forward scatter)和侧向散射(side scatter),并结合碘化丙啶染色,仔细评估细胞的纯度和完整性。
S. aureus 表达的双组分白细胞毒素是导致本实验方案所述检测方法中观察到的大多数中性粒细胞(PMN)质膜完整性受损的原因。不同 S. aureus 菌株之间这些毒素以及其他成孔肽(如酚溶性调节因子)的表达差异,会导致对人中性粒细胞细胞毒性的不同。此外,S. aureus 菌株在体外培养过程中的显著生长差异也会影响成孔毒素的表达及其后续的细胞毒性效应。同时,在吞噬实验中,S. aureus 与中性粒细胞的比例对中性粒细胞质膜通透性具有重大影响(图3A),因此这些实验要求在对数生长中期,通过测定传代培养细菌的 OD600 值,一致地收获每种测试 S. aureus 菌株的相等浓度。鉴于上述因素,在开展细胞毒性检测之前,为所有待检菌株建立生长曲线至关重要。我们不建议将这些方法用于分析在体外生长特性存在显著差异的 S. aureus 菌株的细胞毒性。
USA300 是一种具有强毒力的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)分离株,已知其对人多形核中性粒细胞(PMNs)具有高度细胞毒性15,而在该菌株中缺失 SaeR/S 会显著降低多种双组分白细胞毒素的转录水平,这些毒素以人 PMNs 为靶标6,12,因此这些菌株是利用本文所述检测方法比较细胞毒性的理想模型。然而,不同金黄色葡萄球菌(S. aureus)分离株之间存在广泛的遗传变异,当使用其他 S. aureus 菌株进行测试时,本方案中详述的参数可能不会导致对人 PMNs 细胞毒性的显著变化。在使用其他 S. aureus 菌株时,可能需要调整培养条件、上清液添加体积或细菌与 PMNs 的比例,以确保这些方法的成功应用。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作得到了美国国立卫生研究院基金(NIH-1R56AI135039-01A1、1R21A128295-01、U54GM115371)以及蒙大拿州立大学农业实验站资金和Murdock慈善信托设备基金的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.9% 氯化钠注射液,USP,500 mL VIAFLEX 塑料容器 | Baxter | 2B1323Q | 中性粒细胞纯化 |
| 1.5 mL 带 snap cap 的微量离心管 | VWR | 89000-044 | 用于洗涤细胞 |
| 1.8% 氯化钠溶液 | Sigma-Aldrich | S5150 | 中性粒细胞纯化 |
| 12x75 mm 培养管 | VWR | 60818-430 | 用作流式细胞术检测管 |
| 20% (w/w) 葡聚糖 | Sigma-Aldrich | D8802 | 中性粒细胞纯化 |
| 3125 手动计数器 | Traceable Products | 3125CC | 用于细胞计数 |
| 50 mL 锥形离心管 | VWR | 89039-656 | 用于分装培养基 |
| Bacto 胰蛋白胨大豆肉汤,大豆-酪蛋白消化物培养基 | FischerScientific | 211823 | 用于细胞培养增殖 |
| BD 带鲁尔锁扣头的一次性注射器,3 mL | FischerScientific | BD 309657 | 用于过滤上清液 |
| Bright-Line 血细胞计数板 | Sigma-Aldrich | Z359629 | 细胞计数装置 |
| 含钙镁的 1x DPBS(Dulbecco 磷酸盐缓冲盐水) | Corning | 21-030-CV | 用于洗涤细胞 |
| Ficoll-Paque PLUS | GE Healthcare | 17-1440-02 | 中性粒细胞纯化 |
| Fisherbrand 无菌聚苯乙烯一次性移液管 | FischerScientific | 13-678-11E | 用于吸取液体 |
| Greiner CELLSTAR 96 孔板 | Millipore Sigma | M0687 | 用于盛放实验样品的培养板 |
| OMICRON 注射器滤器 | Omicron Scientific | SFPV13R | 用于过滤上清液 |
| 碘化丙啶 | ThermoFisher Scientific | P3566 | 细胞膜非通透性 DNA 染料 |
| PYREX 品牌 4980 锥形瓶 | Cole-Parmer | EW-34503-24 | 用于细胞培养增殖 |
| RPMI 1640,1X,不含 L-谷氨酰胺和酚红 | Corning | 17-105-CV | 用于重悬细胞 |
| 无菌冲洗用水,USP | Baxter | 2F7113 | 中性粒细胞纯化 |
| 移液器辅助泵 | Bel-Art Products | F37898 | 用于吸取液体 |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | 细胞膜完整性阳性对照 |
An erratum was issued for: Quantifying the Cytotoxicity of Staphylococcus aureus Against Human Polymorphonuclear Leukocytes. The title was updated.
The title was updated from:
Quantifying the Cytotoxicity of Staphyloccus aureus Against Human Polymorphonuclear Leukocytes
to:
Quantifying the Cytotoxicity of Staphylococcus aureus Against Human Polymorphonuclear Leukocytes