Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Niet-thermische infrarood lichtbehandeling van ischemie/reperfusieschade en daaropvolgende analyse van macrofaagdifferentiatie

1.1K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/62908

⸱

30 december 2021

 ,  ,  ,  ,  , 

In dit artikel

Samenvatting

We beschrijven de vermindering van reperfusieschade door 670 nm bestraling in een muismodel van ischemie en reperfusie door plaatsing van een tourniquet. Deze bestraling van 670 nm verminderde de ontstekingsreactie, verminderde het aantal pro-inflammatoire macrofagen en verhoogde de beschermende macrofagen.

Samenvatting

Weefselbeschadiging en necrose door ontstekingsprocessen zijn een gevolg van ischemie-reperfusieschade (IRI). In skeletspieren vermindert ischemie de aërobe energiecapaciteit van spiercellen, wat leidt tot nadelige biochemische veranderingen en ontstekingen. Het doel van deze studie is om aan te tonen dat blootstelling aan nabij-infrarood licht (NIR) tijdens een periode van ischemie de IRI vermindert door necrose en ontsteking te verminderen, naast het verminderen van pro-inflammatoire M1 en het verhogen van beschermende M2-macrofagen. C57/Bl6-muizen ondergingen unilaterale tourniquet-geïnduceerde ischemie van de achterpoot gedurende 3 uur, gevolgd door reperfusie gedurende 15 of 30 minuten. Muizen werden willekeurig toegewezen aan 3 groepen. Groep 1 onderging IRI met 30 minuten reperfusie. Groep 2 onderging IRI met een reperfusie van 15 minuten. Elke groep bestond uit 50% no-NIR en 50% NIR-behandelde muizen met een blootstelling van 50 mW/cm2 gedurende 5 min/1 uur na sluiting van de tourniquet. Groep 3 waren schijndieren die gedurende 3 uur werden verdoofd, waarbij IRI werd weggelaten.

Laserdoppler-flowbeeldvorming werd uitgevoerd op alle muizen om ischemie en reperfusie te bevestigen. Flowgegevens werden uitgedrukt als de verhouding van ischemische ledematen en de contralaterale controle. De muizen werden na reperfusie geëuthanaseerd en de quadriceps en gastrocnemius werden geoogst. Immunoprecipitatie en western blot van macrofaagmarkers CD68 (M1) en CD206 (M2) werden uitgevoerd en genormaliseerd naar CD14-expressie. De expressie van de ontstekingsmarkers CXCL1 en CXCL5 werd significant verminderd door NIR in de IRI-groep. Een significante afname van CD68 en een toename van de expressie van CD206 werd waargenomen bij dieren die IR en NIR kregen. Weefselnecrose werd verminderd door NIR in de IRI-groep, zoals gevisualiseerd door 2,3,5-trifenyltetrazoliumchloride (TTC)-kleuring. De bevindingen tonen aan dat blootstelling aan NIR de IRI verminderde en de overleving van het weefsel verbeterde. NIR verminderde ontsteking, verminderde pro-inflammatoire M1 en verhoogde beschermende M2-macrofagen. Blootstelling aan NIR verminderde ontstekingen en verbeterde regeneratie, wat leidde tot weefselbescherming na ischemie.

Inleiding

Ischemie-reperfusieletsel (IRI) is een klinische uitdaging die wordt gezien na vasculaire letsels en het langdurig gebruik van chirurgische tourniquets. Eerdere studies hebben aangetoond dat 60-90 minuten de bovengrens is voor warme ischemietijd, waarboven onomkeerbare weefselbeschadiging kan optreden. Meer dan enige andere afzonderlijke factor beperken de beperkingen van de tijd voor warme ischemie het succes en het herstel van herimplantatie van dysvasculaire ledematen 1,2.

In skeletspieren vermindert ischemie de aërobe capaciteit van cellen, wat leidt tot acute ontsteking en nadelige biochemische veranderingen. Deze effecten worden verergerd door reperfusie, die de rekrutering van neutrofielen en de productie van vrije radicalen stimuleert, waardoor de skeletspier verder wordt beschadigd. Dit kan gebeuren door vasculaire occlusie, of het nu het gevolg is van een verwonding of het opzettelijk gebruik van een tourniquet om bloedingen te voorkomen. Enkele van de belangrijkste mediatoren in dit proces zijn myeloperoxidase (MPO), een enzym dat tot expressie wordt gebracht door neutrofielen en dat een integraal onderdeel is van de respiratoire burst-functie en de productie van vrije radicalen3, en chemokinen zoals CXCL1 en CXCL5 die dienen om neutrofielen te rekruteren naar plaatsen van acute ontsteking4.

De dijbeenslagader werd niet ontleed om in geval van nood een open tourniquet na te bootsen. Deze aanpak is ook gebaseerd op de reproduceerbaarheid van het creëren van ischemie en reperfusie, evenals een consistent bloedvrij gebied. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat blootstelling aan niet-thermisch infrarood (NIR) licht met een golflengte van 670 nm de vasculaire collateralisatie in een ischemische achterpoot van een muis kan verhogen met NIR-blootstelling gedurende dagen, waardoor de effecten van IRI5 worden verzacht. Bovendien heeft eerder onderzoek aangetoond dat NIR-licht de polarisatie van macrofagen in pro-inflammatoire (M1) of prohealing (M2)fenotypes 6 kan induceren.

Elke behandeling die weefselbeschadiging en celdood na hypoxie en reperfusie kan minimaliseren, zou gunstig zijn voor het vergroten van het succes van het redden van ledematen na vasculaire verwondingen. Daarom is het algemene doel om de IRI te verbeteren door de introductie van 670 nm lichtbehandeling als een haalbare optie voor andere behandelingsmodaliteiten. Dit artikel is gebaseerd op de hypothese dat blootstelling aan NIR-licht tijdens een periode van ischemie ontsteking en weefselnecrose vermindert door de secretie van chemolokgeneiwitten en de instroom van ontstekingscellen te verminderen door macrofagen ertoe aan te zetten een M2-fenotype aan te nemen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Dit onderzoek is uitgevoerd in strikte overeenstemming met de aanbevelingen in de Gids voor de verzorging en het gebruik van proefdieren van de National Institutes of Health. Het protocol is goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee (Protocol: AUA#1517). Al het onderzoek met muizen is uitgevoerd in overeenstemming met het PHS-beleid.

1. Tourniquet plaatsing

OPMERKING: Er werd een tourniquet geplaatst om ischemie te induceren en een bloedvrij operatieveld te bereiken.

  1. Verdoof een C57/Bl6-muis met isofluraan in de inductiekamer in een concentratie van 3-5%.
  2. Haal de muis uit de inductiekamer als deze niet reageert op beknelling van de tenen. Plaats de muis in een neuskegel voor voortdurende anesthesie bij 1.5-2% op een verwarmingskussen met een niet-reflecterende mat onder een laserdoppler-imager (LDI).
  3. Plaats de tourniquet rond de linker achterpoot (Figuur 1).
    LET OP: Sluit de tourniquet nog niet. Meet eerst de bloedstroom (zie rubriek 2).

2. Meting van de bloedstroom door LDI

OPMERKING: De bloedstroom werd gemeten om de juiste occlusie en reperfusie te bevestigen, zoals eerder beschreven7.

  1. Plaats de verdoofde muis onder de LDI (26 cm) op een verwarmingskussen met een niet-reflecterend oppervlak in buikligging met gestrekte benen en poten naar boven gericht.
  2. Leg beelden vast door de muis binnen het opnamegebied van de laser te plaatsen (16,1 cm x 16,1 cm).
    1. Stel de laser in op een scansnelheid van 4 ms/pixel. Leg foto's vast met de eigen software door op de opnameknop te drukken. Maak foto's voor, tijdens occlusie en tijdens reperfusie door op de opnameknop te klikken.
      OPMERKING: De afbeeldingen zijn stromingsgerelateerde kaartafbeeldingen; rood is een goede doorbloeding; Blauw is geen bloedstroom. Bevestig in de afbeelding dat de verstopte achterpoot blauw is. Controleer op dezelfde manier de afbeelding om te bevestigen dat de eerder afgesloten achterpoot rood is bij reperfusie. Het is absoluut noodzakelijk om een niet-reflecterende mat voor de LDI te hebben; Anders heeft de reflectie invloed op de beelden.
  3. Analyseer de afbeeldingen met de meegeleverde software door een interessegebied te definiëren. Stel een verhouding vast tussen de ischemische en controlepoten.

3. Protocol voor ischemie en reperfusie

  1. Sluit de tourniquet rond de achterpoot van de verdoofde muis gedurende 3 uur.
    OPMERKING: Door de tourniquet aan te spannen, ontstaat ischemie, waardoor de bloedstroom wordt onderbroken.
  2. Open de tourniquet na 3 uur occlusie; Open en doordrenk de achterpoot gedurende 15 of 30 minuten.

4. Weefsel oogsten

  1. Verhoog de anesthesie tot 5% isofluraan om de muizen diep te verdoven. Voer een pneumothorax uit door de borstholte te openen met een scherpe schaar om de dood te garanderen. Oogst de gastrocnemie en de quadricepsspieren 8,9,10.
  2. Vries het verzamelde weefsel in vloeibare stikstof in en bewaar het bij -80 °C voor verdere analyse.

5. NIR-toepassing

OPMERKING: NIR wordt toegepast om ontstekingen te verminderen en reperfusieschade te verminderen.

  1. Breng 670 nm NIR aan met een intensiteit van 100 mW gedurende 5 minuten eenmaal per uur tijdens occlusie.
  2. Richt de achterpoot met de glasvezellichtbron op een afstand van 2,5 cm tussen de achterpoot en het licht. Stel het contralaterale been niet bloot aan NIR (zie afbeelding 1 voor de opstelling).
  3. Schijn het NIR-licht gedurende 5 minuten per uur voor de duur van de ischemische periode.
  4. Instrument de schijngroep op dezelfde manier. Sluit de tourniquet niet en breng geen NIR aan op de achterpoot.
    OPMERKING: De NIR-lamp heeft een koellichaam. De temperatuur stijgt niet binnen 5 minuten na blootstelling aan licht11.

6. Necrose TTC

OPMERKING: Weefselnecrose wordt beoordeeld om de vermindering van necrose in spierweefsel te visualiseren.

  1. Kleur verse quadricepsspieren met TTC bij 37 °C gedurende 20-30 minuten in 1% TTC in 0,1 M fosfaatbuffer aangepast aan pH 7,4.
  2. Observeer rood, gekleurd levend weefsel op basis van de aanwezigheid van een formazanneerslag.
    OPMERKING: De rode kleuring is gebaseerd op de vermindering van TTC door dehydrogenase-enzymen in gezond weefsel. Necrotisch weefsel is ongekleurd10.
  3. Leg afbeeldingen vast van met TTC bevlekte plakjes voor analyse en meet het necrotische gebied door een interessegebied te definiëren.

7. Westerse analyse voor chloortyrosine

  1. Onderwerp muizen aan het ischemie/reperfusieprotocol (rubriek 3).
  2. Oogst weefsels (sectie 4) en isolaat eiwit zoals eerder beschreven12. Bepaal de eiwitconcentratie met de Bradford-test13.
  3. Gebruik het totale eiwitlysaat om elektroforese uit te voeren en dep op 3-chloortyrosine zoals eerder beschreven12.
  4. Voer een western blot uit op lysaten van de gastrocnemii.
    1. Voeg Laemmli-monsterbuffer met 5% mercaptoethanol toe aan de monsters om een concentratie van 25 μg totaal eiwit in 40 μl te verkrijgen.
    2. Laat de monsters gedurende 5 minuten op een 4-15% Tris-glycine extended gel (zie de materiaaltabel) op 50 mV lopen. Verhoog de spanning tot 100 mV gedurende 1 uur totdat het verffront op is.
  5. Incubeer de gel in 1x transferbuffer (25 mM Tris, 190 mM glycine, 20% methanol; pas de pH indien nodig aan op 8,3) gedurende 10 min.
  6. Stel de transfersandwich samen (spons, filter, gel, cellulosemembraan, filter, spons). Plaats een herbruikbaar ijspak in het transferapparaat. Transfer gedurende 30 minuten in de koelcel op 100 mA.
    OPMERKING: Zorg ervoor dat er geen luchtbellen in de transfersandwich zitten, de vlek op de kathode zit en de gel op de anode.
  7. Spoel de vlek af en blokkeer deze in de blokkeerbuffer (zie de materiaaltabel) met 0,05% Tween gedurende 30 minuten bij kamertemperatuur. Was de vlek met Tris-gebufferde zoutoplossing (TBS) met 5% Tween driemaal gedurende 5 minuten voordat u het primaire antilichaam toevoegt.
  8. Incubeer een nacht met de primaire polyklonale antilichamen tegen 3-chloortyrosine. Verdun de antilichamen in de blokkeerbuffer met 0,05% Tween (1:1.000).
  9. Gebruik mierikswortelperoxidase (HRP)-geconjugeerde ezel anti-muis IgG en HRP-anti-geit IgG (1:10.000 verdunning) als secundaire antilichamen.
  10. Visualiseer identiteitsbanden in de vlekken met behulp van verbeterd chemiluminescentie (ECL) reagens en een beeldvormingssysteem.
    1. Meng componenten op basis van het protocol van de fabrikant en incubeer ze gedurende 3 minuten met de vlek om de ECL-reagentia aan de interessebanden te binden.
    2. Breng de vlek in beeld met een beeldvormingssysteem (zie de materiaaltabel). Gebruik beeldvormingssoftware zoals ImageJ om de dichtheid te meten en de dichtheidswaarden van de interessebanden te normaliseren naar die van de controlebanden.

8. ELISA voor CXCL1 en CXCL5

  1. Isoleer het totale eiwit uit de gastrocnemie spieren zoals eerder beschreven12.
  2. Beoordeel de mate van ontsteking door middel van ELISA voor CXCL1 en CXCL5 zoals eerder beschreven14 en volgens de instructies van de fabrikant.

9. Immunoprecipitatie gevolgd door westerse analyse

  1. Onderwerp de muizen aan het ischemie/reperfusieprotocol (sectie 3).
  2. Oogst de weefsels (sectie 4) en isoleer het eiwit zoals eerder beschreven12. Bepaal de eiwitconcentratie met de Bradford Assay13.
  3. Om de macrofaagfractie van het totale eiwitlysaat te concentreren, voert u een immunoprecipitatie uit voor CD14 zoals eerder beschreven15.
  4. Gebruik het CD14-immunoprecipitaat om elektroforese uit te voeren en te deppen voor CD206 en CD68 zoals eerder beschreven12.
  5. Voer een western blot uit op lysaten van de gastrocnemii zoals beschreven in rubriek 7.
  6. Incubeer de immunoprecipitaten 's nachts met de primaire polyklonale antilichamen tegen CD206 of CD68. Verdun de antilichamen 1:200 in TBS.
  7. Gebruik HRP-geconjugeerde ezel anti-muis IgG en HRP-anti-geit IgG (verdunning 1:10.000) als secundaire antilichamen.
  8. Breng ECL-reagens aan op de vlek na het mengen van componenten op basis van het protocol van de fabrikant en incubeer gedurende 3 minuten om de interessante banden te visualiseren. Breng de vlek in beeld met behulp van een beeldvormingssysteem.

10. Statistische analyse

  1. Voer statistische analyse uit van gegevens binnen en tussen groepen met variantieanalyse (ANOVA) voor herhaalde metingen, gevolgd door Bonferroni's wijziging van de t-toets van de student, p ≤ 0,05.
  2. Gegevens uitdrukken als gemiddelde ± standaardfout van het gemiddelde (SEM) of gemiddelde ± standaarddeviatie (SD).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Flowmetingen bevestigden ischemie en reperfusie
De plaatsing van NIR-licht en het experimentele protocol zijn weergegeven in figuur 1. Er werd een ischemiemodel van de achterpoot van muizen ontwikkeld en gebruikt om het effect van blootstelling aan NIR op IRI van de skeletspier te beoordelen. Zoals verwacht, verifieerde laserdopplerfluxbeeldvorming (Figuur 2A) dat de tourniquet effectief was in het induceren ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Dit artikel beschrijft een van de eerste onderzoeken die zich richt op het verminderen van reperfusieschade door NIR-lichtbehandeling door de ontstekingsreactie in de achterpoot te veranderen. Ischemie, reperfusieschade en NIR-lichtbehandeling zijn niet helemaal nieuw. Andere studies richtten zich op ischemie-reperfusie door NIR-licht. NIR-lichtbehandeling is met succes gebruikt bij het verkleinen van de myocardiale infract grootte en het verminderen van nierbeschadiging na ischemie-repe...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.

Dankbetuigingen

We danken de afdeling Orthopedische Chirurgie voor het financieren van deze studie. We danken ook Brian Lindemer en Grant Broeckel voor hun technische ondersteuning.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
2,3,5-TriphenyltetrazoliumSigma Aldrich17779-10X10ML-F1% oplossing
4–15% Criterio TGX Stain-Free Protein GelBioRad#5678084Tris-glycine extended gels
4x Laemmli Sample Buffer - 1610747BioRad16110747
670 nm lichtbronNIR Technologiesop maat gemaakt
BCA Protein Assay KitThermo Fisher23227
BioRad ChemiDocBio-RadBeeldvormingssysteem
Bio-Rad
β-mercaptoethanolBioRad1610710
CXCL1 ELISAR&D SystemsDY453-05
CXCL5 ELISAR&D SystemsDX000
ForaneBaxter1001936040isofluraangeademde verdoving
geit anti-konijn IgG-HRPSanta Cruz Biotechnologiessc-20041:10.000 verdunning
Ice Accu ijspak
Laser Doppler ImagerMoorMOORLDI2-HIR
monoklonaal CD14-antilichaamSanta Cruz Biotechnologiessc-5157851:200 verdunning
monoklonaal CD206-antilichaamSanta Cruz Biotechnologiessc-589861:200 verdunning
monoklonaal CD68-antilichaamSanta Cruz Biotechnologiessc-200601:200 verdunning
Pierce Protein free (TBS) blokkeringsbufferblokkeringsbuffer
polyklonaal Chlorotyrosine-antilichaamHycultHP50021:1.000 verdunning
Protein A/G PLUS-AgaroseSanta Cruz Biotechnologiessc-2003
Super Signal West FemtoThermoFisher34095verbeterd chemiluminescentie reagens

Referenties

  1. Drysch, M., et al. An optimized low-pressure tourniquet murine hind limb ischemia reperfusion model: Inducing acute ischemia reperfusion injury in C57BL/6 wild type mice. PLoS One. 14 (1), 0210961(2019).
  2. Bonheur, J. A., Albadawi, H., Patton, G. M., Watkins, M. T. A noninvasive murine model of hind limb ischemia-reperfusion injury. Journal of Surgical Research. 116 (1), 55-63 (2004).
  3. Whiteman, M., Spencer, J. P. Loss of 3-chlorotyrosine by inflammatory oxidants: implications for the use of 3-chlorotyrosine as a bio-marker in vivo. Biochemical and Biophysical Research Communications. 371 (1), 50-53 (2008).
  4. Becker, S., Quay, J., Koren, H. S., Haskill, J. S. Constitutive and stimulated MCP-1, GRO alpha, beta, and gamma expression in human airway epithelium and bronchoalveolar macrophages. American Journal of Physiology. 266 (3), 278-286 (1994).
  5. Zaidi, M., et al. Transient repetitive exposure to low level light therapy enhances collateral blood vessel growth in the ischemic hindlimb of the tight skin mouse. Photochemistry and Photobiology. 89 (3), 709-713 (2013).
  6. Souza, N. H. C., et al. Photobiomodulation and different macrophages phenotypes during muscle tissue repair. Journal of Cellular and Molecular Medicine. 22 (10), 4922-4934 (2018).
  7. Tang, G. L., Kim, K. J. Laser doppler perfusion imaging in the mouse hindlimb. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (170), e62012(2021).
  8. Ionescu, A., Zahavi, E. E., Gradus, T., Ben-Yaakov, K., Perlson, E. Compartmental microfluidic system for studying muscle-neuron communication and neuromuscular junction maintenance. European Journal of Cell Biology. 95 (2), 69-88 (2016).
  9. Adamovich, Y., Ezagouri, S., Dandavate, V., Asher, G. Monitoring daytime differences in moderate intensity exercise capacity using treadmill test and muscle dissection. STAR Protocols. 2 (1), 100331(2021).
  10. Wang, C., Yue, F., Kuang, S. Muscle histology characterization using H&E staining and muscle fiber type classification using immunofluorescence staining. Bio-Protocol. 7 (10), 2279(2017).
  11. Keszler, A., Lindemer, B., Hogg, N., Weihrauch, D., Lohr, N. L. Wavelength-dependence of vasodilation and NO release from S-nitrosothiols and dinitrosyl iron complexes by far red/near infrared light. Archives of Biochemistry and Biophysics. 649, 47-52 (2018).
  12. Weihrauch, D., et al. Vasodilation of isolated vessels and the isolation of the extracellular matrix of tight-skin mice. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (121), e55036(2017).
  13. Bradford, M. M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analytical Biochemistry. 72, 248-254 (1976).
  14. Li, Z., Jiang, J., Gao, S. Potential of C-X-C motif chemokine ligand 1/8/10/12 as diagnostic and prognostic biomarkers in idiopathic pulmonary arterial hypertension. Clinical Respiratory Journal. , (2021).
  15. Weihrauch, D., et al. Intralipid increases nitric oxide release from human endothelial cells during oxidative stress. JPEN. Journal of Parenteral and Enteral Nutrition. 45 (2), 295-302 (2021).
  16. Liebert, A., Krause, A., Goonetilleke, N., Bicknell, B., Kiat, H. A role for photobiomodulation in the prevention of myocardial ischemic reperfusion injury: A systematic review and potential molecular mechanisms. Scientific Reports. 7, 42386(2017).
  17. Asghari, A., Takhtfooladi, M. A., Hoseinzadeh, H. A. Effect of photobiomodulation on ischemia/reperfusion-induced renal damage in diabetic rats. Lasers in Medical Science. 31 (9), 1943-1948 (2016).
  18. Quirk, B. J., Sonowal, P., Jazayeri, M. A., Baker, J. E., Whelan, H. T. Cardioprotection from ischemia-reperfusion injury by near-infrared light in rats. Photomedicine and Laser Surgery. 32 (9), 505-511 (2014).
  19. Smith, E. R., Shapiro, G. L. Totally tourniquets. The facts & details about different types of tourniquets. JEMS: A Journal of Emergency Medical Services. 38 (11), 48-50 (2013).
  20. Yu, G., et al. Inhibition of myeloperoxidase oxidant production by N-acetyl lysyltyrosylcysteine amide reduces brain damage in a murine model of stroke. Journal of Neuroinflammation. 13 (1), 119(2016).
  21. de Brito Sousa, K., et al. Differential expression of inflammatory and anti-inflammatory mediators by M1 and M2 macrophages after photobiomodulation with red or infrared lasers. Lasers in Medical Science. 35 (2), 337-343 (2020).
  22. Iida, N., Grotendorst, G. R. Cloning and sequencing of a new gro transcript from activated human monocytes: expression in leukocytes and wound tissue. Molecular and Cellular Biology. 10 (10), 5596-5599 (1990).
  23. Jani, S., Bergmann, S. R. Metabolic modulation of myocardial ischemia. Current Cardiology Reports. 8 (2), 123-130 (2006).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Meer artikelen verkennen

Nabij-infrarood lichtskeletspierletselweefselnecroseM1-macrofagenM2-macrofagenlaser-doppler-imagingwestern blotontstekingsmarkers

Dit artikel is gepubliceerd

Video binnenkort beschikbaar