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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Mostramos una técnica para la bioluminiscencia in vivo en vivo y en el infrarrojo cercano de formación de imágenes de la neuritis óptica y la encefalitis en el modelo de encefalomielitis autoinmune experimental (EAE) para la esclerosis múltiple en ratones SJL / J.
La encefalomielitis autoinmune experimental (EAE) en ratones SJL / J es un modelo para la esclerosis múltiple recurrente-remitente (EMRR). puntuaciones de EAE clínicos que describen déficit de la función de motor son lecturas básicas de la inflamación inmune mediada de la médula espinal. Sin embargo, las puntuaciones y el peso corporal no permiten una evaluación in vivo de la inflamación del cerebro y la neuritis óptica. Este último es una manifestación temprana y frecuente en aproximadamente 2/3 de los pacientes con EM. Aquí, se muestra métodos para la bioluminiscencia y de formación de imágenes en vivo en el infrarrojo cercano para evaluar EAE evocado neuritis óptica, inflamación del cerebro, y alteración de la barrera hematoencefálica (BBB) en ratones vivos utilizando un sistema de imagen in vivo. Un sustrato bioluminiscente activado por oxidasas mostró principalmente la neuritis óptica. La señal era específico y permite la visualización de los efectos de la medicación y cursos de tiempo de la enfermedad, que en paralelo las puntuaciones clínicas. nanopartículas fluorescentes pegilada que permanecían dentro del vasculature durante largos períodos de tiempo se utilizaron para evaluar la integridad BBB. Infrarrojo cercano de imágenes revela una fuga de acreditación en el pico de la enfermedad. La señal fue el más fuerte alrededor de los ojos. Un sustrato de infrarrojo cercano para metaloproteinasas de la matriz se utilizó para evaluar la inflamación EAE-evocado. Auto-fluorescencia interfirió con la señal, lo que requiere desmezcla espectral para la cuantificación. En general, imágenes de bioluminiscencia era un método fiable para evaluar la neuritis óptica y la medicación efectos de EAE asociado y fue superior a las técnicas de infrarrojo cercano en términos de especificidad de la señal, robustez, facilidad de cuantificación, y el costo.
La esclerosis múltiple es causada por el ataque y la destrucción autoinmune de la vaina de mielina en el cerebro y la médula espinal1. Con una incidencia general de alrededor de 3,6 casos por cada 100.000 personas al año en mujeres y alrededor de 2,0 en hombres, la EM es la segunda causa más común de discapacidad neurológica en adultos jóvenes, después de las lesiones traumáticas2,3. La patología de la enfermedad es atribuida por factores genéticos y ambientales4 pero aún no se comprende completamente. Los linfocitos T autorreactivos entran en el sistema nervioso central y desencadenan una cascada inflamatoria que provoca infiltrados focales en la sustancia blanca del cerebro, la médula espinal y el nervio óptico. En la mayoría de los casos, estos infiltrados son inicialmente reversibles, pero la persistencia aumenta con el número de recaídas. Se han desarrollado varios modelos de roedores para estudiar la patología de la enfermedad. Los modelos más populares son la EAE remitente-recurrente en ratones SJL/J y la EAE primaria-progresiva en ratones C57BL6.
Las puntuaciones clínicas de EAE, que describen el alcance de los déficits de la función motora, y el peso corporal son el estándar de oro para evaluar la gravedad de la EAE. Estos signos clínicos concuerdan con el grado de infiltración de células inmunitarias y destrucción de mielina en la médula espinal y predicen moderadamente la eficacia del tratamiento farmacológico en humanos5. Sin embargo, estos signos reflejan principalmente la destrucción de los tractos de fibras ventrales en la médula espinal. En la actualidad, no existe un método fácil, no invasivo, fiable y reproducible para evaluar la infiltración cerebral in vivo y la neuritis óptica en ratones vivos.
Las imágenes in vivo concuerdan con los 3 principios "R" de Russel y Burch (1959), que afirman un Replacement, Reducación y Refinement de los experimentos con animales6, porque las imágenes aumentan las lecturas de un animal en varios puntos de tiempo y permiten una reducción de los números totales. En la actualidad, la inflamación o el estado de la mielina se evalúan principalmente ex vivo mediante inmunohistoquímica, análisis FACS o diferentes métodos de biología molecular7, todos ellos requiriendo ratones sacrificados en momentos específicos.
Se han desarrollado varias sondas de sistemas de imagen in vivo para evaluar la inflamación en la piel, las articulaciones y el sistema vascular. Las técnicas se basan en la activación de sustratos fluorescentes bioluminiscentes o de infrarrojo cercano por peroxidasas tisulares, incluyendo la mieloperoxidasa (MPO), las metaloproteinasas de matriz (MMPs)8, y las catepsinas9 o cyclooxygenase2. Estas sondas se han validado principalmente en modelos de artritis o aterosclerosis9,10. También se ha utilizado una sonda sensible a la catepsina para la obtención de imágenes de tomografía molecular de fluorescencia de EAE11. Las MMPs, particularmente MMP2 y MMP9, contribuyen a la disrupción de la BBB mediada por la proteasa en EAE y están reguladas al alza en los sitios de infiltración de células inmunes12, lo que sugiere que estas sondas pueden ser útiles para la obtención de imágenes de EAE. Lo mismo ocurre con las sondas basadas en peroxidasa o catepsina. Técnicamente, las imágenes de la inflamación en el cerebro o la médula espinal son sustancialmente más desafiantes porque el cráneo o la columna vertebral absorben señales bioluminiscentes e infrarrojas cercanas.
Además de los indicadores de inflamación, se han descrito sustancias químicas fluorescentes, que se unen específicamente a la mielina y pueden permitir la cuantificación de la mielinización13. Se descubrió que una sonda fluorescente de infrarrojo cercano, yoduro de 3,3'-dietiltiatricarbocianina (DBT), se unía específicamente a fibras mielinizadas y se validó como herramienta cuantitativa en modelos de ratón de defectos primarios de mielinización y en desmielinización evocada por cuprizona14. En EAE, la señal de DBT estaba bastante aumentada, lo que refleja la inflamación de las fibras de mielina5.
Un sello distintivo adicional de EAE y MS es la ruptura de la BBB, lo que resulta en un aumento de la permeabilidad vascular y la extravasación de células sanguíneas, líquido extracelular y macromoléculas en el parénquima del SNC. Esto puede provocar edema, inflamación, daño de oligodendrocitos y, finalmente, desmielinización15,16. Por lo tanto, la visualización de la fuga de BHE utilizando sondas fluorescentes, como la albúmina sérica bovina marcada con fluorocromo5, que normalmente se distribuyen muy lentamente de la sangre al tejido, puede ser útil para evaluar la EAE.
En el presente estudio, hemos evaluado la utilidad de diferentes sondas en EAE y mostramos el procedimiento para la técnica bioluminiscente más fiable y robusta. Además, discutimos los pros y los contras de las sondas de infrarrojo cercano para la actividad MMP y la integridad de BBB.
1. EAE inducción en SJL / J Mice
2. bioluminiscente y imágenes de infrarrojo cercano de la neuritis óptica y la inflamación cerebral
3. Los análisis de imagen
Lapso de tiempo de bioluminiscencia de la neuritis óptica
La señal de bioluminiscencia de la sonda era el más fuerte inflamación alrededor de los ojos y se produjo exclusivamente en ratones con EAE con neuritis óptica. Una señal se produjo ni en los ratones no EAE ni los ratones no inyectados con la sonda de la inflamación. La señal desapareció cuando los ratones se recuperó. Por lo tanto, la señal es específica para la neuritis óptica, y el pico de la señal es paralelo a la cima de las puntuaciones de EAE clínicos. La Figura 1 muestra dos ejemplos de ratones SJL / J proyectado en días 10 y 14 después de la inducción de EAE. La señal bioluminiscente fue el más alto en el día 10 y desapareció cuando los ratones comenzaron a recuperarse. Los cursos de tiempo de las puntuaciones clínicas acertaron la desaparición de la señal bioluminiscente (ejemplo-1) o precedidas (ejemplo 2) la disminución de las puntuaciones.
Evaluación de la eficacia del tratamiento
La inflamación de la sonda
Los efectos de la medicación (R-flurbiprofeno 5 mg / kg / d) 5 se muestran en la Figura 2. Se presentan cinco ejemplos de las imágenes bioluminiscentes en cada grupo. Las puntuaciones en el grupo de vehículo y el tratamiento fueron heterogéneos, pero en todos los ratones, la señal bioluminiscente en el ojo que muestra la inflamación en el nervio óptico fue menor en el grupo de medicación (Figura 2A). La cuantificación de los recuentos totales bioluminiscentes en regiones de interés confirmó significativa la eficacia del tratamiento (Figura 2B, con los diagramas de caja de los recuentos totales bioluminiscentes, t-test, p <0,05 no pareado de 2 colas). Los resultados de las imágenes de acuerdo con el efecto terapéuticos de la medicación en función de las puntuaciones clínicas y manifestaciones histopatológicas de la EAE en la médula espinal y del nervio óptico 5.

Figura 2. eficacia de los fármacos en ratones EAE-SJL / J Uso bioluminiscente de imágenes. ratones SJL / J recibieron vehículo o medicamento (R-flurbiprofeno 5 mg / kg / d) desde el día 5 después de la inmunización. Las imágenes fueron capturadas después de la inyección de la sonda de la inflamación (100 l ip) en el pico 1 st EAE, n = 10 por grupo. EAE desarrolla en 7/10 en ambos grupos, y EAE no respondedores fueron sin señal. A) Imágenes de bioluminiscencia en ratones vivos Captured 5 - 15 min después de la inyección ip de 100 l de la sonda de la inflamación se presentan como superposiciones de fotografía arco iris pseudocolor. bares LUT van desde el azul (baja) a rojo (alta intensidad). Barra de escala: 1 cm. El pico individualde los recuentos totales bioluminiscentes en regiones de interés se utilizó para la cuantificación. ROI se restringieron a la cabeza. Los sitios de inyección del PLP se protegieron con un paño negro. B) Los diagramas de caja que muestran la cuantificación de los recuentos totales en regiones de interés. El cuadro representa el rango intercuartil, la línea es la mediana, y los bigotes muestran el mínimo hasta el máximo. Los recuentos totales difirieron significativamente entre los grupos (prueba t no pareada 2 caras, P <0,05), mostrando una reducción de la neuritis óptica y la encefalitis en ratones que recibieron la medicación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Nanopartículas fluorescentes pegilado
imágenes de epifluorescencia de las nanopartículas en el infrarrojo cercano revelaron fugas vasculares alrededor de los ojos y en el cerebro, tanto en el tratamiento groups (Figura 3A, 2 ejemplos). Las partículas se distribuyen muy lentamente de la sangre en el espacio intersticial, a excepción de los sitios de inflamación, en el que el tinte se acumula, lo que permite una evaluación de la acreditación integridad. La fuga fue evidente a las 3 h y 24 h después de la inyección de las nanopartículas, pero era más fuerte en el punto de tiempo más tarde. No había ninguna señal específica en ratones no EAE o ratones no inyectados con nanopartículas (panel derecho). Por lo tanto, la señal era específica. El análisis cuantitativo de la eficiencia radiante en regiones de interés (Figura 3B) no reveló diferencias significativas entre los grupos de tratamiento (n = 3 por grupo, no pareado de 2 colas t-test, p <0,05).

Figura 3. Evaluación de la barrera hematoencefálica interrupción con pegilado fluorescente nanopartículas. SJL / J ratones recibieron vehículo o medicamento (R-flurbiprofen 5 mg / kg / d) desde el día 5 después de la inmunización. Las imágenes fueron capturadas 3 h y 24 h después de la inyección de nanopartículas-infrarrojo cercano marcado (70 l iv) durante el pico primero EAE, n = 3 por grupo. EAE no respondedores fueron sin señal. La herramienta de auto-ROI se utilizó para la cuantificación de la eficiencia radiante. Las regiones de interés se limita a la cabeza. Los sitios de inyección de PLP se protegieron. A) Imágenes de epifluorescencia ejemplares de ratones vivos, capturados 3 hy 24 h después de la inyección de nanopartículas. Imágenes de ratones sin EAE o sin la inyección de nanopartículas se utilizaron como controles de imagen. Barra de escala: 1 cm. bares LUT van de color rojo oscuro (baja) a amarillo (alta intensidad). B) Los gráficos de barras que muestran la cuantificación de la eficiencia radiante en regiones de interés (media ± DE). Los grupos de tratamiento no difirieron significativamente (prueba t no pareada 2 caras). Por favor, haga clic aquí para v IEW una versión más grande de esta figura.
Metaloproteinasa de la matriz sensible sonda
Después de restar la auto-fluorescencia, las imágenes de la sonda de MMP proteasa activable revelaron la inflamación en el cerebro y la médula espinal en ratones EAE (Figura 4A, ejemplos de 4 ratones por grupo). No había señal en ratones no inyectados con la sonda, y una señal débil se produjo en un ratón EAE sin síntomas clínicos (no respondedores). Imágenes en la figura 4 se muestra la señal en Ex / Em 640/700 restado por la imagen en Ex / Em 675/720. Las diferencias entre los tratamientos fueron revelados sólo después del análisis cuantitativo de la eficiencia radiante en auto-ROI después de desmezcla espectral (Figura 4B, la prueba t no pareada de 2 colas, n = 6 y 4, P <0,05).
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Figura 4. Evaluación de la actividad de las metaloproteinasas con sonda de imagen MMP-sensible infrarrojo cercano. ratones SJL / J recibieron vehículo o medicamento (R-flurbiprofeno 5 mg / kg / d) desde el día 5 después de la inmunización. Las imágenes fueron capturadas 24 h después de la inyección de la sonda (150 l iv) en la primera pico EAE, n = 6 y 4. Los sitios de inyección de PLP se protegieron. EAE no respondedores y los ratones sin inyecciones de sonda de MMP se utilizaron como controles. Cada 2 imágenes fueron capturadas en Ex / Em 640/700 nm (señal específica) y 675/720 nm (autofluorescencia). Con la herramienta de desmezcla espectral, la auto-fluorescencia se restó y, posteriormente, se utilizó la herramienta de auto-ROI para identificar los sitios de la actividad MMP específica. La eficiencia radiante total se utiliza para la cuantificación. A) imágenes de epifluorescencia ejemplar en ratones vivos capturados 24 h después de la inyección de la sonda. Las imágenes son el resultado de desmezcla espectral (UMX). Barra de escala: 1 cm. barra de LUTs gama de color rojo oscuro (baja) a amarillo (alta intensidad). B) Los diagramas de caja que muestra la cuantificación de la eficiencia total radiante en el rendimiento de la inversión. El cuadro representa el rango intercuartil, la línea es la mediana, y los bigotes muestran el mínimo hasta el máximo. El asterisco indica una diferencia significativa entre los grupos (prueba t no pareada 2 caras, P <0,05). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.
Mostramos una técnica para la bioluminiscencia in vivo en vivo y en el infrarrojo cercano de formación de imágenes de la neuritis óptica y la encefalitis en el modelo de encefalomielitis autoinmune experimental (EAE) para la esclerosis múltiple en ratones SJL / J.
Esta investigación fue apoyada por la Deutsche Forschungsgemeinschaft (CRC1039 A3) y el programa de financiación de la investigación "Landesoffensive zur Entwicklung wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz" (LOEWE) del Estado de Hessen, Centro de Investigación de Medicina Traslacional y Farmacología TMP y el Else Fundación Kröner-Fresenius (EKFS), Grupo de Investigación de Formación de Investigación traslacional Innovación - Pharma (TRIP).
| AngioSpark-680 | Perkin Elmer, Inc., Waltham, EE. UU. | NEV10149 | Sonda de imagen, nanopartículas pegiladas, útil para la obtención de imágenes de la integridad de la barrera hematoencefálica |
| MMP-sense 680 | Perkin Elmer, Inc., Waltham, EE. UU. | NEV10126 | Sonda de imagen, activable por metaloproteinasas de matriz, útil para la obtención de imágenes de la inflamación |
| Sonda de inflamación XenoLight RediJect Perkin | Elmer, Inc., Waltham, EE. UU. | 760535 | Sonda de imagen, activable por oxidasas, útil para la obtención de imágenes de la inflamación |
| PLP139-151/CFA emulsión | Hooke Labs, St Lawrence, MA | EK-0123 | EAE kit de inducción |
| Pertussis Toxin | Hooke Labs, St Lawrence, MA | EK-0123 | EAE kit de inducción |
| IVIS Lumina Spectrum | Perkin Elmer, Inc., Waltham, EE. UU | . | Sistema de bioluminiscencia e imágenes infrarrojas |
| Software LivingImage 4.5 | Perkin Elmer, Inc., Waltham, EE. UU. | CLS136334 | software de análisis IVIS |
| Isoflurano | Abbott Labs, Illinois, EE. UU. | 26675-46-7 | Anestésico |