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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Das vorliegende Protokoll beschreibt eine Methode zur Verfolgung des Lupusverlaufs bei Mäusen. Zwei zusätzliche Verfahren werden vorgestellt, um die Lupusnephritis basierend auf Zellinfiltration und Proteinablagerung in den Nieren zu charakterisieren.
Systemischer Lupus erythematodes (SLE) ist eine Autoimmunerkrankung ohne bekannte Heilung und ist durch anhaltende Entzündungen in vielen Organen, einschließlich der Nieren, gekennzeichnet. Unter solchen Umständen verliert die Niere ihre Fähigkeit, Abfälle aus dem Blut zu entfernen und die Salz- und Flüssigkeitskonzentrationen zu regulieren, was schließlich zu Nierenversagen führt. Frauen, insbesondere solche im gebärfähigen Alter, werden neunmal häufiger diagnostiziert als Männer. Nierenerkrankungen sind die häufigste Todesursache bei SLE-Patienten. Das vorliegende Protokoll beschreibt eine schnelle und einfache Methode zur Messung der ausgeschiedenen Proteinspiegel im gesammelten Urin und verfolgt das Fortschreiten des Lupus im Laufe der Zeit. Darüber hinaus wird ein Ansatz zur Isolierung mononukleärer Nierenzellen basierend auf der Auswahl von Größe und Dichte bereitgestellt, um die renale Infiltration von Leukozyten zu untersuchen. Darüber hinaus wurde eine immunhistochemische Methode entwickelt, um die Proteinablagerung in den Glomeruli und die Leukozyteninfiltration im tubulointerstitiellen Raum zu charakterisieren. Zusammen können diese Methoden helfen, das Fortschreiten chronischer Entzündungen im Zusammenhang mit den Nieren von Lupus-anfälligen MRL / lpr-Mäusen zu untersuchen.
Die Hauptfunktion der Niere ist die Ausscheidung toxischer Substanzen durch den Urin unter Aufrechterhaltung der Homöostase von Wasser und Salzen1. Diese Funktion ist bei Patienten mit systemischem Lupus erythematodes (SLE) bedroht, was zu einer sogenannten Lupusnephritis (LN) führt. LN ist eine Folge des Immunsystems, das die Niere angreift, was zu anhaltenden Nierenentzündungen führt und daher seine Fähigkeit verliert, Abfälle aus dem Blut zu entfernen und Salz- und Flüssigkeitskonzentrationen zu regulieren. Dies führt schließlich zu Nierenversagen, das tödlich sein kann. Während des nephritischen Prozesses werden zirkulierende B-Zellen, T-Zellen und Monozyten in die Niere rekrutiert und sezernieren Chemokine, Zytokine und immunkomplexbildende Autoantikörper. Dies führt letztendlich zu Endothelzellschäden, membranösen Verletzungen, renaler tubulärer Atrophie und Fibrose2.
MRL/Mp-Fas lpr (MRL/lpr) Lupus-anfällige Mäuse sind ein klassisches Mausmodell, das lupusähnliche klinische Symptome aufweist, die dem menschlichen SLE3 ähneln. Dieses Modell hat maßgeblich zum Verständnis einer der häufigsten Todesursachen bei SLE-Patienten, der Lupusnephritis (LN)4, beigetragen. Sowohl beim menschlichen als auch bei der Maus-SLE ist LN durch eine allmähliche Entzündung gekennzeichnet, die durch renale Ablagerung von Immunkomplexen ausgelöst wird, gefolgt von Komplementaktivierung, Rekrutierung von Entzündungszellen und Verlust der Nierenfunktion5. Die Immunkomplexablagerung ist der erste Schritt, um die Chemokin- und Zytokinproduktion durch intrinsische Nierenzellen zu induzieren, die die Entzündungsreaktion durch Rekrutierung von Immunzellen erweitert6. Das aktuelle Protokoll präsentiert mehrere Techniken, um das Fortschreiten der Nierenerkrankung zu verfolgen, die die Zellinfiltration und die Ablagerung von Immunkomplexen analysieren.
Der wöchentlich gesammelte Urin ermöglicht die Erkennung und Visualisierung des zeitlichen Verlaufs der Proteinurie vor, während und nach dem Beginn des Lupus. Proteinurie als Biomarker kann das biologische Fortschreiten von LN bestimmen. Weitere Vorteile dieser Technik sind, dass sie nicht-invasiv, kostengünstig und einfach zu implementieren ist7. Wenn die Niere perfekt funktioniert, ist der Proteinurie-Spiegel konstant niedrig; Bei MRL/LPR-Mäusen wird jedoch nach einem Alter von 8-9 Wochen ein allmählicher Anstieg des Proteinuriespiegels beobachtet, der schließlich hoch genug ist, um Nierenversagen zu verursachen8. Mehrere Reagenzienstreifen und kolorimetrische Reagenzien sind im Handel erhältlich, um das Problem zu überwachen. Der Bradford-Test ist jedoch billig und sehr genau bei der Bestimmung des Beginns der Proteinurie und des Verlaufs der Lupusnephritis. Dieser Assay ist schnell und das Reagenz wird nicht durch das Vorhandensein von Lösungsmitteln, Puffern, Reduktionsmitteln und Metallchelatbildnern beeinflusst, die sich in Ihrer Probe 9,10,11 befinden können.
Ein wichtiger zu berücksichtigender Aspekt ist die Zellinfiltration in der Niere. Diese Infiltrate fördern die Pathogenese, indem sie die Sekretion löslicher Faktoren wie Zytokine auslösen, um die Entzündung zu verschlimmern12. Um besser zu verstehen, welche Zellpopulationen in den Infiltraten vorhanden sind, ist eine nützliche Methode, Leukozyten zu isolieren13. Hier wird der Nachweis einer renalen Infiltration von B-Zellen als Beispiel verwendet. Das Verfahren beginnt mit einem Verdauungsprozess mit Desoxyribonuklease (DNase) und Kollagenase, gefolgt von einer Dichtegradiententrennung, die Trümmer, rote Blutkörperchen und dichte Granulozyten entfernt. Der Grund für die Isolierung von B-Zellen (CD19+) und Plasmazellen (CD138+) ist, dass Lupusnieren diese Zellen konzentrieren können14. Es wird vermutet, dass das Vorhandensein von B-Zellen in kleinen Aggregaten in der Niere auf eine klonale Expansion und folglich auf die Produktion von Immunglobulin (Ig) hinweisen kann. Es ist bekannt, dass Plasmazellen auch in diesen Aggregaten vorhanden sind15. Sobald Leukozyten isoliert wurden, kann die fluoreszenzaktivierte Zellsortierung (FACS) verwendet werden, um die interessierenden Zellen nach Färbung mit verschiedenen fluoreszenzkonjugierten Antikörpern zu analysieren.
Die Immunfluoreszenz ist eine der immunhistochemischen (IHC) Nachweismethoden, die eine fluoreszierende Visualisierung von Proteinen in 4 μm dicken Nierengewebeproben ermöglicht. Andere IHC-Nachweismethoden hängen von der Art der Analyten, der Bindungschemie und anderen Faktoren ab16. Immunfluoreszenz ist eine schnelle Identifizierungsmethode, bei der das Antigen seinem Gegenstück Antikörper ausgesetzt wird, der mit einem spezifischen Fluorochrom (oder einem Fluoreszenzfarbstoff) markiert ist. Wenn es angeregt wird, erzeugt es Licht, das ein Fluoreszenzmikroskop erkennen kann. Diese Technik kann verwendet werden, um die Ablagerung von Komplement C3 und IgG2a17 zu beobachten. Eine übermäßige Aktivierung der Komplementkaskade könnte mit einer unkontrollierten Immunantwort und einem Funktionsverlust in Verbindung gebracht werden18. Die Immunablagerung von Anti-Doppelstrang-DNA-Autoantikörpern (Anti-dsDNA) in der Niere ist ein Hauptanliegen19, wo diejenigen mit IgG2a-Isotyp mit LN20 assoziiert wurden. Insbesondere zeigen Anti-dsDNA-Antikörper mehr Pathogenität und Affinität zu Kernmaterialien und bilden Immunkomplexe21. Wenn IgG2a vorhanden ist, wird die Komplementkaskade, einschließlich C3, aktiviert, um die Immunkomplexezu beseitigen 22. Die C3- und IgG2a-Marker können einzeln quantifiziert oder überlagert werden, um ihre Korrelation herzustellen.
Insbesondere die Serumkreatininmessung ist eine weitere zuverlässige Technik, die zusammen mit mikroskopischer Hämaturie und Nierenbiopsien zur Diagnose von LN23 verwendet werden kann. Das Vorhandensein von Proteinurie ist jedoch ein starker Indikator für glomeruläre Schäden. In diesem Sinne kann die Überwachung des Proteinurie-Spiegels während Lupus den Ausbruch der Krankheit erkennen und andere Methoden zur Diagnose von Lupus ergänzen. Darüber hinaus können Immunkomplexe, die in Glomeruli abgelagert werden, eine Entzündungsreaktion auslösen, das Komplementsystem aktivieren und mehr Entzündungszellen rekrutieren. Ein weiterer bemerkenswerter Punkt dieses Protokolls ist die B-Zell-Infiltration in der Niere. Zusammen mit den infiltrierten T-Zellen verstärkt dies lokale Immunantworten, die Organschäden auslösen. Wichtig ist, dass die Klassifizierung von LN nicht nur auf glomerulären morphologischen Veränderungen basiert, die in der Mikroskopie beobachtet werden, sondern auch auf Immunablagerungen, die mit Immunfluoreszenz beobachtet werden. Daher werden in diesem Protokoll genaue und kostengünstige Methoden zur Analyse der Nierenfunktion im Labor angeboten.
Das vorliegende Protokoll wird vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) an der Virginia Tech genehmigt. Da die Lupuserkrankung bei Weibchen häufiger vorkommt, wurden nur weibliche MRL/lpr-Mäuse verwendet. Die Probenentnahme wurde im Alter von 4 Wochen begonnen und nach 15 Wochen beendet. Die Mäuse wurden aus kommerziellen Quellen gewonnen (siehe Materialtabelle) und wurden in einer spezifischen pathogenfreien Umgebung gemäß den institutionellen Richtlinien gezüchtet und gehalten.
1. Proteinurie-Test
2. Isolierung der Nierenzellen
3. Immunfluoreszierende Färbung
Das Protokoll verwendet mehrere Methoden, um MRL / lpr-Mäuse auf Lupusnephritis zu untersuchen. Zunächst wird ein Verfahren beschrieben, um erhöhte Proteinuriespiegel aufgrund von Nierenfunktionsstörungen im Laufe der Zeit zu untersuchen. Wie in Abbildung 1 gezeigt, wurden weibliche Mäuse mit oraler Sonde von 200 μL phosphatgepufferter Kochsalzlösung (1x PBS) als Kontrollgruppe und probiotischem Lactobacillus reuteri als Behandlungsgruppe in einer Konzentration von 109 KBE/ml zweimal wöchentlich behandelt. Die Behandlung begann im Alter von 3 Wochen und endete im Alter von 15 Wochen. Die mit L. reuteri behandelte Mäusegruppe hatte eine aggressivere Proteinurie-Progression als die Kontrollgruppe.

Abbildung 1: Nachweis von Proteinspiegeln im Urin von MRL/lpr-Mäusen im Zeitverlauf . n = 5 Mäuse pro Gruppe. Die Statistik wurde mit dem einfachen linearen Regressionstest durchgeführt. *P < 0,05, **P < 0,01. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2 zeigt die FACS-Analyse der isolierten Nierenleukozyten. Die Mäuse wurden in diesem Experiment mit Vancomycin (2 g/L) oder Vancomycin plus E. coli dsDNA (80 μg) behandelt. Vancomycin wurde zusammen mit dem Trinkwasser während des angegebenen Zeitraums verabreicht. Die orale Sonde bakterieller DNA wurde den Vancomycin-behandelten Mäusen einmal wöchentlich für vier aufeinanderfolgende Wochen im Alter von 4, 5, 6 und 7 Wochen verabreicht. Es wurde erwartet, dass E. coli dsDNA die renale Infiltration von Plasmazellen auslöst, was zu einer beeinträchtigten Nierenfunktion führt, aber es wurde kein signifikanter Unterschied gefunden.

Abbildung 2: Analyse von Plasmazellen in isolierten Nierenleukozyten. (A) Sequentielle Gating-Strategie: Gesamtzellen, Einzelzellen, lebende Zellen, CD45+ Zellen und schließlich CD138+ Zellen. (B) Prozentsatz der Plasmazellen nach Behandlung mit van (Vancomycin) oder van + DNA (Vancomycin + E. coli dsDNA) für 3 Wochen (n ≥ 5 Mäuse pro Gruppe). Es wurde keine statistische Signifikanz ("ns") beobachtet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3 zeigt die Immunfluoreszenzfärbung von Komplement C3 und IgG2a auf weiblichen MRL/lpr-Nierenabschnitten. In diesem Experiment wurde die Wirkung von Umweltfaktoren auf die renale Ablagerung von C3 und IgG2a verglichen. Hausmäuse wurden mehrere Generationen lang in der Tieranlage gezüchtet und mit kürzlich von einem Anbieter gekauften Mäusen verglichen. Die immunhistochemische Analyse zeigte keinen Unterschied zwischen verschiedenen Einrichtungen.

Abbildung 3: Nachweis von Komplement C3 und IgG2a in Nierenschnitten mittels Immunfluoreszenzfärbung . (A) Repräsentative Bilder von Nierenschnitten, die mit Anti-C3-FITC (Grün) und Anti-IgG2a-PE (Rot) gefärbt wurden. (B) Vergleich der korrigierten Zellfluoreszenz (CCF) zwischen den beiden Gruppen (n ≥ 5 Mäuse pro Gruppe). Maßstabsbalken = 100 μM. Es wurde keine statistische Signifikanz ("ns") beobachtet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt besteht.
Das vorliegende Protokoll beschreibt eine Methode zur Verfolgung des Lupusverlaufs bei Mäusen. Zwei zusätzliche Verfahren werden vorgestellt, um die Lupusnephritis basierend auf Zellinfiltration und Proteinablagerung in den Nieren zu charakterisieren.
Wir danken der Flow Cytometry Core Facility, dem Histopathology Laboratory, dem Fralin Imaging Center am Virginia Polytechnic Institute und der State University für die technische Unterstützung. Diese Arbeit wird durch verschiedene NIH- und interne Zuschüsse unterstützt.
| 10x Tris-gepufferte Kochsalzlösung (TBS) | Thermo Fisher Scientific | J60764. K2 | |
| 2-Mercaptoethanol | Thermo Fisher Scientific | 21985-023 | |
| Anti-Mensch/Maus C3 | Cedarlan | CL7632F | |
| Anti-Maus CD138 BV711 | Biolegend | 142519 | |
| Anti-Maus CD45 AF700 | Biolegend | 103127 | |
| Rinderserumalbumin | Sigma-Aldrich | A9418-100G | |
| Collagenase D | Sigma-Aldrich | 11088882001 | |
| Konfokalmikroskop LSM 880 | Zeiss | LSM 880 | |
| Coplin Tiegel | Fisher Scientific | 50-212-281 | |
| Cryomold | Fisher Scientific | NC9511236 | |
| Dichtegradient Medium | GE Healthcare | 17-1440-02 | Percoll |
| DEPC-Behandeltes Wasser | Thermo Fisher Scientific | AM9906 | |
| DNase I | Sigma-Aldrich | D4527 | |
| dsDNA-EC | InvivoGen | tlrl-ecdna | |
| Ethylendiamintetraessigsäure | Fisher Scientific | S311-500 | EDTA |
| EVOS M5000 Mikroskop Bildgebungssystem | Thermo Fisher | Scientific AMF5000 | |
| FACS Fusion Zellsortierer | BD Biosciences | FACS Fusion | |
| Fötales Rinderserum - Premium, hitzeinaktiviertes | R& D systems | S11150H | |
| Fisherbrand 96-Well-Platten aus Polystyrol | Fisher Scientific | 12-565-501 | |
| Graphpad Prisma | GraphPad N | /A | |
| Hank' s Balanced Salt Solution | Thermo Fisher Scientific | 14175-079 | |
| HEPES | Thermo Fisher Scientific | 15630-080 | |
| ImageJ software | National Institutes of | Health N/A | |
| Lactobacillus reuteri Kandler et al. | ATCC | 23272 | |
| MEM nicht-essentielle Aminosäuren | Thermo Fisher Scientific | 11140-050 | |
| MRL/MpJ-Fas lpr /J Mäuse (MRL/lpr) | Jackson Lab | 485 | |
| Nagellack | N/A | N/A | Any conventional store |
| O.C.T. Compound | Tisse-Tek | 4583 | |
| PAP pen | Sigma-Aldrich | Z377821 | |
| Peel-A-Way Einweg-Einbettungsformen | Polysciences | R-30 | |
| Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140-122 | |
| Phosphatgepufferte Kochsalzlösung (PBS) | Thermo Fisher Scientific | 70011069 | |
| Pierce 20x TBS Puffer | Thermo Fisher Scientific | 28358 | |
| Pierce Coomassie Plus (Bradford) Assay-Kit | Thermo Fisher Scientific | 23236 | Albumin Standard enthalten |
| ProLon Gold Antifade Eindeckmittel | ThermoFisher | P36934 | |
| Gereinigte Ratte Anti-Maus CD16/CD32 | BD Biosciences | 553141 | FcR Block |
| RPMI 1640 | Thermo Fisher Scientific | 11875-093 | |
| Natriumpyruvat | Thermo Fisher Scientific | 11360-070 | |
| SpectraMax M5 | Molecular Devices | N/A | SoftMax Pro 6.1 Software |
| Sterile Zellsiebe 100 & Mikro; M | Fisher | Scientific 22363549 | |
| Tween 20 | Fisher Scientific | BP337-500 | |
| Vancomycinhydrochlorid | Goldbio | V-200-1 | |
| Zombie Aqua | Biolegend | 423102 | Fluoreszenzfarbstoff für die Durchflusszytometrie-Analyse |