Der Zelltod ist ein grundlegender physiologischer Prozess in allen lebenden Organismen. In den letzten Jahren haben umfangreiche Studien gezeigt, dass der Zelltod an der Immunität und dem Gleichgewicht im Organismus beteiligt ist. Die Erforschung des Zelltods hilft uns, den Ausbruch und die Entwicklung von Krankheiten besser zu verstehen. Es wurden mehrere Formen des programmierten Zelltods beschrieben, und es wurden einige wichtige Ziele in diesen Prozessen identifiziert. Pyroptose, Apoptose und Nekroptose sind die drei genetisch definierten programmierten Zelltodwege, die am inneren Gleichgewicht und an der Krankheit beteiligt sind1.
Die Pyroptose zeichnet sich durch die Bildung von Membranporen und die Freisetzung von Zellinhalten aus. Aktivierte Caspasen oder Granzyme spalten Gasdermine, um ihre N-terminalen Domänen zu trennen, die dann oligomerisieren, an die Membran binden und Poren bilden 2,3,4. Die Gasderminpore bietet einen atypischen Sekretionskanal durch die Zellmembranen, was zu nachgeschalteten Zellreaktionen führt, einschließlich der Freisetzung von Inhaltsstoffen und des Ioneneinstroms 2,3,4. Letztendlich kommt es in den Zellen zu einem Plasmamembranriss und einer pyroptotischen Lyse, die durch Ninjurin-15 erleichtert wird. Bei der Apoptose bilden aktivierte Bax und Bak Oligomere auf der mitochondrialen Außenmembran und setzen Cytochrom C frei, das durch ein Gleichgewicht zwischen proapoptotischen und antiapoptotischen Proteinen der BCL-2-Familie, Initiator-Caspasen (Caspase-8, -9 und -10) und Effektor-Caspasen (Caspase-3, -6 und -7) reguliert wird1,6,7. Zu den morphologischen Veränderungen der Apoptose gehören Membranblasen, Zellschrumpfung, Kernfragmentierung, Chromatinkondensation und apoptotische Körperbildung 6,8. Die Rezeptor-interagierende Serin/Threonin-Protein-Kinase 1 (RIPK3) und die Mixed-Lineage-Kinase-Domain-like (MLKL) sind zwei nachgeschaltete Kernkomponenten des nekrotischen Mechanismus1. RIPK3 rekrutiert und phosphoryliert MLKL, p-MLKL oligomerisiert, assoziiert mit der Zellmembran, initiiert Membranperforationen, verursacht Ioneneinstrom, erhöht die intrazelluläre Osmolarität und schließlich Zellruptur 6,9. Gasdermine und MLKL binden an die Plasmamembran und vermitteln Pyroptose bzw. Nekroptose, während BAX/BAK die Apoptose durch Bindung an die äußere Membran der Mitochondrien vermittelt6.
Obwohl jeder Signalweg spezifische Mechanismen und Ergebnisse hat, führen sie zu ähnlichen Veränderungen der Zellmembran. Unter normalen Umständen ist Phosphatidylserin (PS) nur im inneren Segel der Plasmamembran lokalisiert. In den frühen Stadien der Pyroptose, Apoptose und Nekroptose wird PS jedoch außerhalb der Plasmamembran exponiert. Caspase-3/Caspase-7 aktiviert die TMEM16- und XKR-Familien, was zu einer asymmetrischen Zellmembran führt und PS während der Apoptose10 externalisiert. Der Gasdermin D-vermittelte und MLKL-vermittelte Ca2+-Einstrom führt zum Verlust der Symmetrie der Phospholipid-Doppelschicht auf der Zellmembran und zur Exposition von PS. Die Exposition tritt vor dem Verlust der Integrität der Zellmembranauf 11,12. Basierend auf den ähnlichen Veränderungen in der Membran dieser drei Arten des programmierten Zelltods verwenden wir die Durchflusszytometrie, um die Doppelfärbung von Annexin V/7-Aminoactinomycin D (7-AAD) zu analysieren und den Zelltod nachzuweisen. Annexin V, ein calciumabhängiges Phospholipid-bindendes Protein, weist eine hohe Affinität zu PS auf, das als empfindliche Sonde zum Nachweis von exponiertem PS auf der Oberfläche der Plasmamembran dienen kann13. 7-AAD ist eine Nukleinsäurefärbung, die nicht die gesamte Zellmembran passieren kann. Es ähnelt Propidiumiodid (PI), einem häufig verwendeten Nukleinsäurefarbstoff. Sie haben ähnliche Fluoreszenzeigenschaften, aber 7-AAD hat ein engeres Emissionsspektrum und weniger Interferenzen mit anderen Detektionskanälen. Aufgrund dieser Ähnlichkeiten reicht es nicht aus, zwischen Pyroptose, Apoptose und Nekroptose zu unterscheiden. Wir haben die Durchflusszytometrie verwendet, um den Zelltod ganzer Zellen nachzuweisen. Mit einer zweiten Methode wird die Zellmembran mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) erfasst, um die möglichen Formen des Zelltods in einzelnen Zellen zu beobachten.
Wir etablierten eine Lipopolysaccharid (LPS) und Adenosintriphosphat (ATP)-induzierte Phorbol-12-myristat-13-acetat (PMA)-differenzierte Lipidablagerung in humanen Monozyten (THP-1)-Makrophagenmodellen, um den Zelltod zu beobachten. Dieses Protokoll konzentriert sich auf die Beobachtung des Zelltods und nicht auf die Untersuchung von Mechanismen.