急性炎症性、感染性、構造的滑膜の変化を評価することができるヒト の生外 トランスウェルシステムを開発しました。
方法論記事
急性炎症性、感染性、構造的滑膜の変化を評価することができるヒト の生外 トランスウェルシステムを開発しました。
関節炎は関節内の炎症状態であり、軟骨の損傷、痛み、可動域の喪失を引き起こします。関節炎研究の最近の進展は、関節包(例えば滑膜)がこの炎症の重要な原因であることを明確に示していますが、必須滑膜構造を再現するヒトモデルは存在しません。これに対処するために、合同宇宙分析システム(JSAS)が設立されました。前滑膜は全膝関節形成術(TKA)を受けた患者から術中に採取されました。滑膜を解離し、3mm生検コアに切片しました。コアは5μmまたは0.4μmのトランスウェル上部井戸に設置され、300μlのDMEMと10%のFBSを含みました。下部ウェルには600μLの培地が追加され、2〜3日ごとに交換されました。生存可能性は、高酸素(50%)、大気/標準(~21%)、生理学的(5%)の潜伏条件下で最大7日間評価されました。下部ウェルの刺激には、単球化学誘発タンパク質1(MCP-1/CCL2)、リポ多糖(LPS)、N-アセチルシステイン、 S. aureus、 B. burgdorferiが含まれていました。培地はELISAのために保管され、組織はホルマリン固定パラフィン埋め込み(FFPE)解析のために保管されました。標準条件下では滑膜は3日間完全に生存可能でした。刺激は内膜および滑膜サブライニング細胞の構造と機能を変化させ、駐留マクロファージ境界の喪失、サブライニング拡張、病原性線維芽細胞のアップレギュレーション、サイトカインIL-1βおよびTNFαの産生などが含まれます。免疫細胞と線維芽細胞はフローサイトメトリー解析の結果、下部チャンバー(5μmの孔径)に移動しました。移動可能な B. ブルグドルフェリ は0.4 μmの孔径で組織内に移動しましたが、非運動性 のS. aureus は移動しませんでした。関連するサイトカインはELISAに十分な量で発現していました。JSASは、ヒト滑膜の急性変化を研究できるモジュールシステムであり、前臨床モデルで3D構造の複雑さを可能にしつつ、生物学的に重要な構造と機能を維持しています。
関節炎は、米国成人の20%以上、65歳以上の50%が慢性疾患を患っています。また、世界的な障害の主な原因の一つでもあります。関節炎には軟骨損傷だけでなく、関節包や滑膜の炎症(例:滑膜炎)も含まれます。慢性滑膜炎は、変形性関節症や関節リウマチにおける骨や軟骨損傷を増強する炎症促進サイトカインの主要な原因である可能性が高いです。3,4。したがって、滑膜内の免疫媒介性の変化を理解することは、関節炎患者に対する新たな治療的および予防的選択肢の開発に不可欠であると考えられます。
滑膜は、細胞内膜(IntL)とサブライニング(SubL)という二つの主要な層から成る組織的な構造です。IntLは滑液(SF)と接するもので、SubLはSF成分を構成し血管構造を含みます。IntLにはマクロファージと線維芽細胞様シノビオサイト(FLS)の両方が存在します。IntLのマクロファージは常駐細胞であり、SubL6内の間質性マクロファージによって局所的に更新されます。これらの常駐滑膜マクロファージ(RSMs)はCD206およびTREM2の発現によってM2歪み、上皮化され、タイトジャンクションマーカーを発現します。このIntLのサブ構造は、機能的かつ物理的に関節空間の恒常性を維持する上で重要な役割を果たす可能性があります5,6。これは関節リウマチ(RA)で観察されています。例えば、IntLが分解すると、関節リウマチの患者は症状の悪化を経験し、内膜が再形成されると症状が解消します。自然発生性RA寛解は特にMerTK +CD206+滑膜マクロファージと関連しています7。急性関節痛患者のSFでもRSMが確認され、感染性または炎症性疾患の重症度がRSMsおよび炎症性サイトカインの量と相関していることが確認されました8。残念ながら、IntLとSubLの構造、RSMやFLSの機能的変化、そして軟骨や骨を損傷させる可能性のある炎症メディエーターの産生との関係は、特に人間において調査が難しいです。
複数の臨床的に関連性の高い環境における滑膜炎の基礎メカニズムを探求するため、関節空間解析システム(JSAS)と呼ばれるヒト の体外 モデルが開発されました。このシステムは、炎症性および感染症性関節炎の広範な評価を可能にするモジュール要素を用いた再現性の高い結果を生み出します。本記事では、全関節置換術、JSAS設計、滑膜の急性構造変化を定量化するために必要な組織形態計測、免疫蛍光法(IF)、RNAscope、酵素結合免疫吸着法(ELISA)などの組織機能的応答など、一般的な開胸関節手術からの組織獲得の過程について説明します。JSASは一般的なヒト in vitro モデルと異なり、IntLおよびSubL構造を維持しているため、軟骨損傷を引き起こす急性または急性の活膜炎を近 体内 で知ることができます。滑膜の本来の構造を維持することで、炎症を抑制または持続させるRSMおよびFLSの内在能力を解明することが可能です。 生体外 モデルとして、末梢免疫細胞を滑膜マクロファージに分化させることも、滑膜を1〜2種類の離散細胞タイプに過度に単純化することも必要ありません。これは、自然に病変したヒト組織を用いることで、コラーゲン誘発性関節炎(CIA)などの動物モデルとは異なり、ヒトに関連する病原体特異的評価が可能です。最後に、複数の感染症をシミュレーションでき、変形性関節症や炎症性関節炎に加えて敗血症性関節炎のモデルも作り出します。主な制限は、アポトーシスが始まる前の標準条件下での3日間の培養です。
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患者の同意および組織処理プロトコルは、地元の機関審査委員会(IRB)によって承認されました。試薬および使用機器は 材料表に記載されています。
1. 組織取得および生検
2. 統合空間解析システム(JSAS)の設置
3. 実験的な削除と解析
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酸素培養条件の最適化
生理学的組織灌流は約6%〜8%の酸素であり、細胞培養の標準的な培養条件は大気中の酸素濃度(~21%)である16。比較すると、過酸素化は細胞培養の生存率を高める場合もあれば、毒性を持つ場合もあります。JSASの適切な利用は滑膜組織の生存可能性の早期判断を必要としました。したがって、アポトーシスは0日目、1日目、2日目、3日目、5日目、7日目にカスパーゼ3免疫組織化学または免疫蛍光法で、生理的(5%O2)、大気/標準(21% O2)、および高酸素(50% O2)の3つの酸素条件下で評価されました。アポトーシスは標準的な潜伏条件下で3日目に始まり、5日目にピークに達しました。過酸素および低酸素状態の両方で、アポトーシスは1日目から2日目に確認され、5日目にピークに達しました。このため、さらなる実験には標準的なインキュベーション条件が選択されました(
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この研究はJSASの能力、特に生きた滑膜組織を機能的に応答性のある滑膜構造で維持できることを示しました。ほとんどの培養条件下で72時間の培養期間中、細胞死は最小限でした。滑膜構造の微細な変化を評価するために、IntLおよびSubLの構造変化を定量化する独自の組織学的測定システムが記述されました。これらの変化は急性または急性から慢性の滑膜炎の兆候です。この定量化は、従来の分類システムがリンパ球浸潤やより長い経過経過に依存するため、細胞内の機構的解析と組み合わせることで特に有益である。組織間で組織形態測定とELISAの結果に一貫性があり、約50人の患者を比較するために結果を正規化する必要がなかった。再現可能な組織形態計測に加え、JSASは免疫組織化学、フローサイトメトリー、ELISAも行っています。ここで検証されていないが、確かに有用なのは、バルクqPCR、シノウのフレイノを酵素的に分解して単一細胞懸濁液に分解したフローサイトメトリー、単一細胞RNAシーケンシング、または空間トランスクリプトミクスである。また、手術室からのリク...
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利益相反はありません。
このプロトコルは、組織を提供してくださった患者の寛大さと、手術のために安全に組織を入手する整形外科の同僚の技術なしには実現しませんでした。K.I.C.はNIAMS K08 AR084605の支援を受け、C.P.P.は退役軍人キャリア開発プログラム[IK2BX004532]の支援を受けています。このグループは、アイオワ大学研究担当副学長が支援する中核リソースであるアイオワ大学中央顕微鏡研究施設およびカーバー医学部の利用を認めます。フローサイトメトリーデータは、アイオワ大学のカーバー医科大学/ホールデン総合がんセンターの中核研究施設であるフローサイトメトリー施設で取得されました。この施設の資金は利用者料とカーバー医科大学、ホールデン包括的がんセンター、アイオワシティ退役軍人医療センターの寛大な財政支援によって賄われています。本出版物で報告された研究は、以下の支援を受けています:国立衛生研究所研究資源センター(Award Number 1 S10 OD034193-01);および国立衛生研究所国立がん研究所(National Cancer Institute)から賞番号P30CA086862を受けました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 10 cm ペトリ皿 | Corning | CLS430167 | |
| 23srRNA RNAscope プローブ | ACD/Biotechne | 468211 | |
| 24ウェルプレート | Life Sciences | 3524 | |
| 3 mm 生検パンチ | Integra | 12460406 | |
| 50 mL コニカル | N/A | ||
| 70% エタノール(滅菌用) | N/A | ||
| Borrelia burgdorferi | ATCC | 35210 | 最大の病原性を示すために、後期指数増殖期で使用する必要があります |
| BSK-H | Sigma-Aldrich | B8291 | |
| CD68 抗体 | Invitrogen | 14-0688-82 | 1:1000 |
| CO2 タンク(標準条件) | N/A | ||
| Dulbecco's リン酸緩衝生理食塩水(Ca-/Mg-) | Thermofisher | 14190144 | |
| 胎児ウシ血清 | Biotechne | S11150 | 熱不活化 ロット:F22100 |
| 鈍刃鉗子 | N/A | ||
| ヘモスタット | N/A | ||
| 加湿セルインキュベーター(標準条件) | N/A | ||
| 低酸素インキュベーター | N/A | ||
| 低酸素タンク(5% O2, 5% CO2, 残り N2, 生理的条件) | N/A | ||
| IL-4 抗体 | Thermofisher | MA5-42470 | 1:100 |
| iNOS 抗体 | Thermofisher | PA1-036 | 1:100 |
| 虹彩鉗子 | N/A | ||
| リポポリサッカライド | Sigma-Aldrich | L2630 | |
| 低グルコース DMEM(+ナトリウムピルビン酸、+L-グルタミン) | Life Technologies | 11885084 | |
| MMP9 抗体 | Thermofisher | MA5-32705 | 1:1000 |
| モジュラーインキュベーターチャンバー(高酸素条件) | Emrbient, Inc | MIC-101 | |
| モノサイトケモアトラクタントプロテイン 1 | Peptrotech | 300-04-20UG | |
| N-アセチルシステイン | Sigma-Aldrich | A9165 | 各実験で新たに調製し、等モル量の重炭酸ナトリウムでpH 7-7.4にバッファーすることが必要です |
| OPG ELISA | Millipore | RAB0484 | 1:1 希釈 |
| リットル毎分フローレギュレーター付き酸素タンク | N/A | ||
| PDPN 抗体 | Invitrogen | 14-9381-82 | 1:100 |
| プロピジウムヨウ化物 | Thermofisher | J66764.MC | |
| RNAscope マルチプレックス蛍光V2アッセイ | ACD/Biotechne | 323100 | |
| sRANKL ELISA | MyBioSource | MBS262624 | 1:1 希釈 |
| Staphylococcus aureus USA 300 MRSA | ATCC | BAA-1717 | |
| SYBR Green | Thermofisher | S7563 | 10,000X ストック |
| TNF 抗体 | Thermofisher | PA5-19810 | 1:100 |
| トランスウェルインサート - 0.4 μm サイズ | Millicell | PICM01250 | |
| トランスウェルインサート - 5 μm サイズ | Corning | CLS3421 |
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