Begeleide machine learning voor semi-kwantificering van extracellulair DNA in Glomerulonephritis

Summary

Extracellulair DNA (ecDNA) dat vrijkomt bij de celdood is pro-inflammatorium en draagt bij aan ontsteking. Meting van ecDNA op de plaats van letsel kan de werkzaamheid van therapeutische behandeling in het doelorgaan bepalen. Dit protocol beschrijft het gebruik van een machine learning tool om de meting van ecDNA in nierweefsel te automatiseren.

Abstract

Glomerulaire celdood is een pathologisch kenmerk van myeloperoxidase anti neutrofiele cytoplasmatische antilichaam geassocieerd vasculitis (MPO-AAV). Extracellulair deoxyribonucleïnezuur (ecDNA) komt vrij tijdens verschillende vormen van celdood, waaronder apoptose, necrose, necroptose, neutrofiele extracellulaire vallen (NETs' s) en pyroptose. Meting van deze celdood is tijdrovend met verschillende biomarkers die nodig zijn om de verschillende biochemische vormen van celdood te identificeren. Meting van ecDNA wordt over het algemeen uitgevoerd in serum en urine als surrogaat voor nierschade, niet in het eigenlijke doelorgaan waar de pathologische schade optreedt. De huidige moeilijkheid bij het onderzoeken van ecDNA in de nier is het gebrek aan methoden voor formaline vast paraffine embedded weefsel (FFPE) zowel experimenteel als in gearchiveerde menselijke nierbiopten. Dit protocol biedt een samenvatting van de stappen die nodig zijn om te vlekken voor ecDNA in FFPE weefsel (zowel menselijke als murine), blus autofluorescentie en meet de ecDNA in de resulterende beelden met behulp van een machine learning tool van de openbaar beschikbare open source ImageJ plugin trainable Weka segmentatie. Trainable Weka segmentatie wordt toegepast op ecDNA binnen de glomeruli waar het programma leert om ecDNA te classificeren. Deze classificatie wordt toegepast op latere verworven nierbeelden, waardoor de noodzaak van handmatige annotaties van elke afzonderlijke afbeelding wordt verminderd. Het aanpassingsvermogen van de trainbare Weka-segmentatie wordt verder aangetoond in nierweefsel van experimentele murineanti-MPO glomerulonephritis (GN), om NET's en ecMPO, gemeenschappelijke pathologische bijdragen aan anti-MPO GN te identificeren. Deze methode biedt objectieve analyse van ecDNA in nierweefsel dat duidelijk de werkzaamheid aantoont waarin het trainbare Weka-segmentatieprogramma ecDNA kan onderscheiden tussen gezond normaal nierweefsel en ziek nierweefsel. Dit protocol kan eenvoudig worden aangepast om ecDNA, NETs en ecMPO in andere organen te identificeren.

Introduction

Myeloperoxidase anti neutrofiele cytoplasmatische antilichaam geassocieerd vasculitis (MPO-AAV) is een auto-immuunziekte die resulteert in nierfalen van pathologische glomerulaire letsel met aanzienlijke celdood en het vrijkomen van deoxyribonucleic zuur (DNA)^1,2. DNA kan het immuunsysteem activeren door op te treden als een gevaarssignaal. Onder normale gezonde omstandigheden biedt de nucleaire locatie van DNA bescherming tegen blootstelling aan het immuunsysteem. Zelf-DNA dat extracellulair vrijkomt tijdens pathogene processen of auto-immuniteit wordt door het immuunsysteem gezien als een krachtige proinflam....

Protocol

Deze methode maakt detectie van pan ecDNA van alle vormen van celdood mogelijk. Dezelfde methode en antilichamen worden gebruikt voor menselijke nierbiopsieweefsel (vanaf stap 4). Alle dierlijke en menselijke onderwerpen hadden de goedkeuring van de Ethiek van De Universiteit van Monash, en De Gezondheid van Monash, Clayton, Victoria, Australië.

1. Kleuring voor ecDNA met DAPI en β-Actin

1. Induceer een 20-daags model van anti-myeloperoxidase glomerulonephritis (anti-MPO-GN) in 8-10 weken oude C57/Bl6 muizen, met controles⁹.
   1. Euthanaseer muizen op humane wijze met behulp van een CO_2-kamer.

Results

Deze beelden vertegenwoordigen de meerdere stappen die nodig zijn om met succes gebruik te maken van trainbare Weka segmentatie om de arbeidsintensieve handmatige meting van ecDNA in fluorescerend gekleurd FFPE nierweefsel van een muis met geïnduceerde anti-MPO GN te minimaliseren. Deze stappen worden samengevat in figuur 1 en figuur 2 met beelden die rechtstreeks uit het Weka-segmentatieprogramma zijn genomen, waarin elke stap i.......

Discussion

Er bestaan meerdere protocollen die pro-inflammatoriummarkeringen meten in het serum en de urine van zowel patiënten als muismodellen van glomerulonephritis. Dit beschreven protocol maakt analyse van de producten van celdood (ecDNA, NETs en ecMPO) direct binnen de glomerulus mogelijk. De meest cruciale stappen in dit protocol is de weefselvoorbereiding en beeldvorming. Het belangrijkste beperkende element van het gebruik van een fluorescerende kleuring methode voor analyse is het weefsel autofluorescentie. Formaline vast.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Bovine Serum Albumin	SIGMA	A2153	5% and 1% solutions are made up in PBS, can be made in bulk and frozen- discard once thawed.
Chicken anti Goat IgG (H+L) cross absorbed antibody Alexa Fluor 594	ThermoFisher Scientific	A-21468	Spin in mini centrifuge for 1 minute prior to use to avoid any free conjugate in your antibody cocktail
Chicken anti mouse IgG (H+L) cross absorbed antibody, Alex Fluor 647	ThermoFisher Scientific	A-121468	Spin in mini centrifuge for 1 minute prior to use to avoid any free conjugate in your antibody cocktail
Chicken anti rabbit IgG (H+L) Cross absorbed antibody Alexa Fluor 488	ThermoFisher Scientific	A-21441	Spin in mini centrifuge for 1 minute prior to use to avoid any free conjugate in your antibody cocktail
Chicken sera	SIGMA	C5405	Made up in 1%BSA/PBS
Coverslips 24 x60 mm	Azerscientific	ES0107222	#1.5 This is not standard thickness- designed for use in confocal microscopy
EDTA 10mM	SIGMA	E6758	Add TRIS and EDTA together in distilled water and pH to 9, for antigen retrieval, can be made up in a 10x Solution
Ethanol 30%, 70% and 100%	Chem Supply	UN1170	Supplied as 100% undenatured ethanol- dilute to 30% and 70% using distilled water
Formaldehyde, 4% (10% Neutral buffered Formalin)	TRAJAN	NBF-500	Kidney is put into a 5ml tube containing 3ml of formalin for 16 hours at RT, formalin should be used in a fume hood
Glass histology slides- Ultra Super Frost, Menzel Glaze, 25x75 x1.0mm	TRAJAN	J3800AM4	Using positive charged coated slides is essential. We do not recommend using poly-L-lysine for coating slides as tissue dislodges from slides during the antigen retrieval step
Goat anti human/mouse MPO antibody	R&D	AF3667	Aliquot and freeze at minus 80 degrees upon arrival
Histosol	Clini Pure	CPL HISTOSOL 08	Used neat, in 200ml staining rack containers, use in a fume hood
Hydrophobic pen	VECTOR Labs	H-400	Use to draw circle around kidney tissue
Mouse anti human/mouse Peptidyl arginase 4 (PAD4)	ABCAM	ab128086	Aliquot and freeze at minus 80 degrees upon arrival
Nikon C1 confocal scanning laser head attached to Nikon Ti-E inverted Microscope	Coherent Scientific		Aliquot and freeze at minus 80 degrees upon arrival
Phosphate Buffered Saline	SIGMA	P38135	0.01M PB/0.09% NaCl Make up 5L at a time
Pressure Cooker 6L Tefal secure 5 Neo stainless	Tefal	GSA-P2530738	Purchased at local homeware store
Prolong Gold DAPI	Life Technologies	P36962	Apply drops directly to coverslip
Rabbit anti human/mouse Beta Actin antibody	ABCAM	ab8227	Aliquot and freeze at minus 80 degrees upon arrival
Rabbit anti human/mouse H3Cit antibody	ABCAM	ab5103	Aliquot and freeze at minus 80 degrees upon arrival
Staining rack 24 slides	ProScitech	H4465	Staining rack chosen has to be able to withstand boiling under pressure and incubation in 60 degree oven
Sudan Black B	SIGMA	199664	0.3% Add 3g to a 1L bottle in 70% Ethanol, filter and protect from the light- stable for 6 months at room temperature
Tris 10mM	SIGMA	T4661	Add TRIS and EDTA together in distilled water and pH to 9, for antigen retrieval, can be made up in a 10x solution
Xylene	Trajan	XL005/20	Must be use used in a fume hood