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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Wir beschreiben einen Versuchsaufbau, um die Bildung und den Verschluss von Phagosomen in lebenden Makrophagen mit Hilfe der Totalreflexions-Fluoreszenzmikroskopie in drei Dimensionen zu visualisieren. Es ermöglicht die Überwachung der Basis des phagozytischen Bechers, der sich ausdehnenden Pseudopoden sowie der genauen Stelle der Phagosomenspaltung.
Phagozytose ist ein Mechanismus, der von spezialisierten Zellen verwendet wird, um Mikroorganismen oder Zelltrümmer zu internalisieren und zu eliminieren. Es beruht auf tiefgreifenden Umlagerungen des Aktin-Zytoskeletts, das die treibende Kraft für die Ausdehnung der Plasmamembran um das Partikel ist. Darüber hinaus beruht die effiziente Verschlingung von großem Material auf der fokalen Exozytose intrazellulärer Kompartimente. Dieser Prozess ist hochdynamisch und es wurde beschrieben, dass zahlreiche molekulare Akteure eine Rolle bei der Bildung phagozytärer Becher spielen. Die genaue zeitliche und räumliche Regulation all dieser Moleküle ist jedoch noch schwer fassbar. Darüber hinaus war der letzte Schritt des Phagosomenverschlusses sehr schwer zu beobachten, da die Hemmung durch RNA-Interferenz oder dominante negative Mutanten oft zu einer verzögerten phagozytären Becherbildung führt.
Wir haben einen speziellen experimentellen Ansatz mit Totalreflexions-Fluoreszenzmikroskopie (TIRFM) in Kombination mit Epifluoreszenz entwickelt, um Schritt für Schritt die Ausdehnung von Pseudopoden und ihren Spitzen in einem Phagosom zu überwachen, das um ein Partikel herum wächst, das lose an ein Deckglas gebunden ist. Diese Methode ermöglicht es uns, mit hoher Auflösung die Spitzen der Pseudopoden und ihre Fusion während des Verschlusses des Phagosoms in lebenden Zellen für zwei verschiedene fluoreszenzmarkierte Proteine gleichzeitig zu beobachten.
Phagozytose ist eine wichtige Zellfunktionen, die mit der Erkennungs beginnt und die Bindung von Material an Oberflächenrezeptoren, die dann führt zur Internalisierung und Degradation des aufgenommenen Materials. Während einzelliger Eukaryonten, wie die Form Dictyostelium discoideum und Amöben für Fütterung auf Bakterien Phagozytose verwenden, haben höhere Organismen mit professionellen Zellen entwickelt. Makrophagen oder dendritischen Zellen sind die erste Verteidigungslinie gegen Krankheitserreger in verschiedenen Geweben und Organen und sind entscheidend für die adaptive Immunsystem durch Antigenpräsentation und Zytokin - Produktion 1-4 zu aktivieren. Unter bestimmten Umständen können die Phagozytose von nicht-professionellen Phagozyten durchgeführt werden, zum Beispiel Endothel- und Epithelzellen. Dieser Prozess ist wichtig für die normale Gewebeumsatz und Umbau Homöostase während der Entwicklung und im Erwachsenenalter zu halten. Schließlich spezialisierte Fresszellen wie Sertoli-Zellen in den Hoden oder retinalenPigment - Epithelzellen sind extrem potente Phagozyten 5.
Die Bildung eines phagosome wo Abbau von Mikroorganismen oder Zellabfall auftritt beginnt mit der Clusterung von phagozytischen Rezeptoren auf der Oberfläche der phagozytischen Zelle. Downstream Signalereignisse folgende Häufung von opsonischen Rezeptoren wie Fc-Rezeptoren (FcR) oder Komplement-Rezeptoren (CRs) wurden gut charakterisiert. Allerdings gibt es auch zahlreiche nicht-opsonischen Rezeptoren, einschließlich Toll-like Rezeptoren (TLR), Lektine, Mannose-Rezeptoren und Scavenger-Rezeptoren. Diese Rezeptoren erkennen Determinanten auf der Partikeloberfläche , wie beispielsweise Mannose oder Fucose - Reste, Phosphatidylserin und Lipopolysaccharide 1,6-9.
Pathogen oder Zelltrümmer Anerkennung beinhaltet die Bindung an und Clustering von mehreren Arten von phagozytischen Rezeptor, der dann zu intensiv und vorübergehende Aktin-Umbildung führen. Parallel dazu Brenn Exozytose von intrazellulären ABTEILUNGts trägt zur Freisetzung von Membranspannung und ist für eine effiziente Phagozytose von großen Teilchen wichtig. Die Signalereignisse zu Aktin-Polymerisation und Membranverformung führen, wurden in experimentellen Modellen seziert, die einen einzelnen phagozytischen Rezeptor ausgelöst. Während FcR-vermittelte Phagozytose, gibt es intensive Aktin-Polymerisation, die von kleinen GTPasen (Rac, Cdc42) geregelt wird. Unter ihren nachgeschalteten Effektoren führt das Wiskott-Aldrich - Syndrom - Protein (WASP) zur Aktivierung des Actin-Related Protein 2/3 Komplex (Arp2 / 3) , die Aktinfilamente 1,2,4,10 nukleiert. Die lokale Produktion von Phosphatidylinositol-4, 5-bisphosphat (PI (4,5) P 2) ist von entscheidender Bedeutung für die anfängliche Aktin - Polymerisation , die pseudopod Bildung antreibt. Die Umstellung auf PI (3,4,5) P 3 ist für pseudopod Verlängerung und phagosome Verschluss 11 erforderlich. Mehrere Wege beitragen 2 zum Verschwinden von PI (4,5) P. Zum einen Ablösung von Phosphatidylinositol Phosphat Kinases (PIPKIs) von der phagosome Verhaftungen PI (4,5) P2 - Synthese. Zweitens kann es nach Klasse phosphoryliert und verbraucht werden , ich PI3K - Kinasen (PI3K) und in PI (3,4,5) P 3 12 umgewandelt. Eine Rolle für Phosphatasen und Phospholipasen hat auch in PI (4,5) P 2 Hydrolyse und F-Actin - Entfernung während der Phagozytose in Säugerzellen und in Dictyostelium 13,14 angedeutet worden. Die Phospholipase C (PLC) δ hydrolisiert PI (4,5) P 2 in Diacylglycerin und Inositol-1,4,5- Tris - Phosphat. Die PI (4,5) P2 und PI (3,4,5) P 3 Phosphatase OCRL (Lowe-Syndrom Lowe) wurde ebenfalls in phagosome Bildung in Verbindung gebracht. Präzise lokale Bildung von F-Actin und seine Depolymerisation fest in Raum und Zeit geregelt wird, und wir haben gezeigt, dass die Rekrutierung von intrazellulären Kompartimenten gezeigt ist wichtig, lokal die OCRL Phosphatase zu liefern, was zu einer lokalen Aktin Depolymerisation an der Basis des phagozytischen Tasse beitragen Der Mechanismus und die molekularen Spieler für phagosome Schließung und Membran scission erforderlich bleiben schlecht wegen der Schwierigkeiten, definiert bei der Visualisierung und Überwachung der Website von phagosome Schließung. Bis vor kurzem wurde die Phagozytose auf festen oder lebenden Zellen beobachtet, die Teilchen auf ihrer Rückenfläche internalisieren oder auf ihren Seiten, so dass die rechtzeitige Visualisierung des Standortes von phagosome Schließung schwierig. Darüber hinaus Befestigungsmethoden könnten Rückzug von Membranen und Vorspannung bewirken, dass die Ergebnisse auf Pseudopodien Erweiterung und Schließung. Dagegen ist der Test, den wir eingerichtet haben und beschreiben hier können wir pseudopod Erweiterung und die Schließung Schritt der Phagozytose in lebenden Zellen 13, bezogen auf die gesamte interne Reflexion Mikroskopie (TIRFM) 16 sichtbar zu machen. Diese optische Technik verwendet eine abklingende Welle Fluorophore in einem dünnen Bereich zwischen einer transparenten an der Grenzfläche anzuregen, soDeckel (Deckglas) und eine Flüssigkeit (Zellkulturmedium). Die Dicke der Anregungstiefe beträgt etwa 100 nm von der festen Oberfläche, so dass die Visualisierung von molekularen Ereignissen nahe an der Plasmamembran. TIRFM ermöglicht ein hohes Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis, und begrenzt die out-of-focus-Fluoreszenz und die Cytotoxizität aufgrund Beleuchtung der Zellen. Ausnutzend TIRFM, entwickelten wir das "phagosome Verschluss assay" in dem Deckgläschen mit Poly-Lysin aktiviert werden und dann beschichtet mit IgG-opsonisiertes roten Blutzellen (IgG-SRBCs). Makrophagen transient fluoreszierend markierten Proteine von Interesse exprimieren, werden dann die IgG-SRBCs zu versenken erlaubt. Während Zellen, die die Zielpartikel lösen, die nicht-kovalent an die Glasoberfläche sind, können die Spitzen der Pseudopodien beobachtet und in den TIRF-Modus aufgezeichnet werden. TIRF Akquisitionen mit Akquisitionen im Epifluoreszenz-Modus kombiniert, nach der Stufe 3 um oben verlagert, was die vis erlaubtualization der Basis des phagozytischen Tasse. Zugabe von pharmakologischen Wirkstoffen wie diejenigen, Actin oder dynamin während des Prozesses Hemmen ist auch möglich, das Verfahren weiter auf molekularer Ebene zu sezieren. Das Protokoll im Detail hier beschrieben ist, für eine RAW264.7 murine Makrophagenzelllinie und opsonierten Partikel, aber praktisch kann es auf andere phagozytische Zelle und mit anderen Zielen, wie beispielsweise Kügelchen angepasst werden. Diese Methode wird eine bessere Charakterisierung der Regelung in Zeit und Raum der molekularen Spieler in pseudopod Erweiterung und phagosome Schließung während verschiedener phagozytischen Prozessen beteiligt zu ermöglichen.
Hinweis: Das verwendete Plasmid LifeAct-mCherry ist ein freundliches Geschenk von Dr. Guillaume Montagnac, Institut Curie, Paris, erzeugt nach 17.
1. Zellen und Transfektion
Anmerkung: RAW264.7 Makrophagen sind sub Konfluenz in komplettem Medium gezüchtet (RPMI (Roswell Park Memorial Institute) 1640-Medium, 10 mM HEPES, 1 mM Natriumpyruvat, 50 & mgr; M β-Mercaptoethanol, 2 mM L-Glutamin und 10% FCS ( Kalbsfetusserum)) in einer 100-mm-Platte. Sie werden mit Plasmiden transfiziert durch Elektroporation fluoreszent markierte Proteine kodieren. Routinemßig etwa 5 - 6 x 10 6 Zellen mit 20 ug oder 10 ug Plasmid für jede Transfektion oder Co-Transfektion bzw. transfiziert sind. Man beachte, dass andere Mittel zur Transfektion beruhen auf Elektroporation oder Lipofektion als alternative Ansätze verwendet werden.
2. Opsonisierung von roten Blutkörperchen
Hinweis: Als Modell der Partikel Ziel für Makrophagen, rote Blutkörperchen vom Schaf (SRBCs) verwendet werden. Normalerweise etwa 7 x 10 6 SRBCs pro 35 mm Glasbodenschale verwendet.
3. Poly-Lysin-Beschichtung von Deckgläser
4. Nicht-kovalente Fixierung von SRBCs auf Glasboden Geschirr
5. Phagozytose Visualisierte von TIRFM
Das experimentelle System in diesem Manuskript beschrieben ist, ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt. Transfizierte RAW264.7 Makrophagen , die Proteine von Interesse zu einem fluoreszierenden Tag fusioniert exprimiert in Kontakt gebracht werden mit IgG-opsonisiertes roten Schafsblutzellen (SRBCs) , die waren nicht-kovalent fixierten auf dem Deckglas. Die Makrophagen können die SRBC aus dem Deckglas lösen sie zu verschlingen. Das Mikroskop verwendet TIRF ermöglicht die gleichzeitige Erfassung von Signalen aus dem Bereich TIRF zu den Spitzen der Pseudopodien und Signale in dem Epifluoreszenz-Modus entspricht, nach einer Verschiebung Z 3 um oben.
Es ist wesentlich , den kritischen Winkel für innere Totalreflexion Fluoreszenz zu bestimmen , wie in Abbildung 2 beschrieben Dies gewährleistet eine saubere TIRF - Signal von einem 100 nm Bereich unter der Plasmamembran. 3 stellt die Entwicklung der acquisitiauf Parameter durch ein Modul "Protocol Editor", die in der Live-Acquisition-Software genannt. Dieses Modul ermöglicht es Benutzern, Workflows zu erstellen und zu verwalten, bevor sie an das Mikroskop gesendet werden, die den Prozess ausgeführt wird. Am Ende des Erfassungs sammelt der Benutzer eine TIFF-Stream.
Abbildung 4 zeigt eine repräsentative Live-Zelle TIRFM Film eines "phagosome Verschlusstest" in RAW264.7 Makrophagen , die mit dem Plasmid transfiziert (zB LifeAct-mCherry, ein freundliches Geschenk von Dr. Guillaume Montagnac, Institut Curie, Paris, erzeugt nach 17) an die Aktin - Polymerisation folgen. Makrophagen transient exprimierenden Plasmid wurden erlaubt IgG-SRBCs auf das Deckglas gebunden zu verschlingen. Da die Spitzen der Pseudopodien zu dem Deckglas um ein SRBC apposed wurden, ein F-Actin-Ring wurde in der TIRF-Bereich (oben), die schrittweise verengt erkannt, bis es geschlossen. Parallel dazu die verschwommen F-ActinSignal durch Epifluoreszenz erkannt, nachdem die Stufe 3 um oben (unten) entsprach Depolymerisation an der Basis des phagozytischen Tasse verschieben. Nach 3 min des Erwerbs wurde die SRBC völlig verinnerlicht, wie mit Durchlicht (Panel auf der rechten Seite) bestätigt.
Daher kann dieses Verfahren verwendet werden, um richtig die molekularen Ereignisse unterscheiden, die stattfinden an den äußersten Enden der Pseudopodien und die molekularen Ereignisse an der Basis des phagozytischen Tasse auftritt.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der "Phagosomen Closure Assay" Analysierte durch TIRFM. Der phagosome Schließung Assay wird Makrophagen transient unter Verwendung exprimieren ein oder zwei fluoreszierend markiert-Protein. Makrophagen sind auf IgG-opsonisierter SRBCs nicht-kovalent fixiert auf Poly-Lysin coa hinterlegtted Deckgläser. Die Bilder werden in TIRF - Modus aufgenommen wurden die Website von phagosome Schließung und in Epifluoreszenz - Modus zu erfassen , die Basis des phagozytischen Tasse zu erkennen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 2: Bestimmung des kritischen Winkels für TIRFM. (A) Mit "Live Erwerb", eine Zelle fluoreszierend markierten Proteine exprimiert , wird in der Mitte des Feldes (Region 1 in rot) platziert. Mit der TIRF Stapel Option Bilder wurden bei einer Anregungswellenlänge erfasst, mit verschiedenen Winkeln von 0 ° bis 5 beginnend ° mit einer Schrittweite von 0,01 ° (Bereich 2 in rot). (B) Die Sequenz von Bildern geöffnet wird mit ImageJ Color Profiler Software und die mittlere Fluoreszenzintensität von aregion of Interest (ROI) mit Funktion der Winkel auf der x - Achse mit "Stacks" und "Plötz Achsprofil" (Region 1 in rot) dargestellt. (C) Die x - Position der Spitze der Fluoreszenz auf dem Grundstück entspricht der kritische Winkel: 1.98 ° (schwarz gestrichelte Linie). Jeder Wert nach diesem Winkel verwendet werden. Als Beispiel können 2,00 ° (rote Linie) gewählt werden. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 3. Workflow - Prozess unter Verwendung von Live - Acquisition - Modul: "Protocol Editor". (A) Im "Protokoll - Editor" Fenster, ein Workflow - Leinwand erzeugt wird. (B) Dieses Protokoll umfasst einen "Loop" von Aktionen, die das Mikroskop die Anzahl der Male wiederholen wird entschiedendurch den Benutzer. Als Beispiel: 750 (1). Eine Schleife eingeschlossen: "Multi-Kanäle" Erfassung mit Laseranregung von fluoreszierenden Proteine von Interesse in TIRF-Modus. Als Beispiel: Laser 491 nm Intensität 50% -TIRF Winkel 2.00 (2); "Z move" des Objektivs 3 & mgr; m (3); "Multi Channels" Akquisition im Epifluoreszenz-Modus (4); "Z move" von dem Ziel zurück zu dem TIRF Bereich (5) und einen "Snapshot" im Durchlicht (6). Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4. F-Actin als ein Punkt an der Stelle der Phagosomen Kumulierte Verschluss. Phagosomen Schließung Assay wurde unter Verwendung von RAW264.7 Makrophagen vorübergehend das Plasmid LifeAct-mCherry (ein freundliches Geschenk von Dr. Guillaume Mo ausdrückenntagnac, Institut Curie, Paris, erzeugt nach 17). Das Plasmid-Signal wurde in TIRF-Bereich (oben) und in Epifluoreszenz-Modus (unten) erworben. Die rote Pfeilspitze zeigt die Aktin-Anreicherung in der TIRF-Region. Durchlichtbild bei 3 min vorgestellt, die einen inneren SRBC anzeigt. Maßstabsbalken, 10 & mgr; m. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Film 1: F-Actin in den Spitzen der Pseudopodien und an der Stelle der Phagosomen Closure Kumulierte, während es von der Basis des Phagozytische Cup Phagosomen Verschlusstest wurde durchgeführt , Gelöscht wird unter Verwendung von RAW264.7 Makrophagen exprimiert vorübergehend das Plasmid.. Plasmid-Bildgebung in TIRF-Bereich (oben) und in Epifluoreszenz-Modus (unten) mit der TIRFM wurde Alternative durchgeführtly alle 50 ms während 3 Minuten bei 37 ° C. Bitte hier klicken , um dieses Video anzusehen.
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Wir beschreiben einen Versuchsaufbau, um die Bildung und den Verschluss von Phagosomen in lebenden Makrophagen mit Hilfe der Totalreflexions-Fluoreszenzmikroskopie in drei Dimensionen zu visualisieren. Es ermöglicht die Überwachung der Basis des phagozytischen Bechers, der sich ausdehnenden Pseudopoden sowie der genauen Stelle der Phagosomenspaltung.
Wir danken Dr. Alexandre Benmerah (Institut Imagine Necker, Paris, Frankreich) für die ersten Diskussionen über den experimentellen Ansatz und Dr. Jamil Jubrail für die Lektüre des Manuskripts. Nadège Kambou und Susanna Borreill sind dafür bekannt, dass sie in unserem Labor Experimente mit der Methode durchgeführt haben. Diese Arbeit wurde durch Stipendien des CNRS (ATIP-Programm), der Ville de Paris und der Agence Nationale de la Recherche (2011 BSV3 025 02), der Fondation pour la Recherche Médicale (FRM INE20041102865, FRM DEQ20130326518 einschließlich eines Promotionsstipendiums für FMA) an FN und der Agence Nationale de Recherche sur le SIDA et les hépatites virales" (ANRS) unterstützt, einschließlich eines Promotionsstipendiums für JM.
| Rote Blutkörperchen gegen Schafe IgG | MP Biomedicals | 55806 | |
| Rinderserum Albumin Hitzeschockfraktion, pH 7, ≥ 98% | Sigma | A7906 | |
| Zellheber | Corning | 3008 | |
| Küvetten 4 mm | Zellprojekt | EP104 | |
| DPBS, kein Kalzium, kein Magnesium | Thermo Fischer Scientific | 14190-094 | |
| Raumtemperatur Elektropuffer-Kit | Zellprojekt | EB110 | |
| 100 mm TC-behandelte Zellkulturschale | Corning | 353003 | |
| Gene X-cell pulser | Biorad | 165-2661 | |
| Gentamicin Lösung | Sigma | G1397 | |
| Glasbodenschalen 35 mm unbeschichtet 1,5 | MatTek corporation | P35G-1.5-14-C Case | |
| iMIC | TILL Photonics | Öl-Immersionsobjektiv (N 100X, NA1.49), Heizkammer mit CO2, eine Kamera Einzelphotonendetektion EMCCD (Electron Multiplikation Charge Coupled Device) und eine 1,5-fache | |
| Poly-L-Lysin-Lösung 0,1 % | Sigma | P8920-100 ml | Verdünnung bei 0,01 % in Wasser |
| RPMI 1640 mittel GLUTAMAX Ergänzung | Life technologies | 61870-010 | |
| RPMI 1640 medium, kein Phenolrot (10 x 500 ml) | Life technologies | 11835-105 | Warm in 37 > C Wasserbad vor dem Gebrauch |
| Rote Blutkörperchen (SRBCs) von SchafenEurobio | DSGMTN00-0Q | Konserviert in Alsever Puffer bei 4 μde; C vor dem Gebrauch |