1. Protokół immunofluorescencji
Wysiewanie, zakażanie i immunobarwienie
Następujące procedury wymagają odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa w laboratoriach hodowli tkankowych i mikrobiologicznych.
DZIEŃ 1
A. Przygotowanie komórek docelowych do infekcji
- Wysiać HBMEC do uzyskania 50% konfluencji (~1,5x104 komórek/cm2) na szkiełkach nakrywkowych (średnica 16 mm) umieszczonych w płytce 12-dołkowej (3,8 cm2 obszar wzrostu/dołek).
Pożywka wzrostowa: RPMI 1640 uzupełniona o 15% inaktywowanego ciepłem (56 °C, 30 min) FBS, 2 mM glutaminy, 1 mM pirogronianu sodu, 100 J/ml penicyliny/streptomycyny, 1% (v/v) roztworu nieistotnych aminokwasów MEM oraz 1% roztworu witamin MEM.
- Inkubować przez noc (O/N) w temperaturze 37°C, w 5% CO22 inkubator
B. Hodowla bakteryjna
- Hodować wybrany szczep przez noc (16-18 h) na odpowiedniej pożywce, np. płytkach z agarem Brain Heart Infusion (BHI) uzupełnionym o 10% podgrzewanej krwi koni w temperaturze 37°C w atmosferze 5% CO24.
DZIEŃ 2
A. Przygotowanie zawiesiny bakteryjnej (N. meningitidis)
- Za pomocą pętli do posiewu 10 μL przygotować zawiesinę nocnej hodowli bakterii w 2 mL PBSB (PBS z jonami wapnia i magnezu).
- Pozostawić zawiesinę na 5 min w temperaturze pokojowej (RT), aby umożliwić osadzenie się dużych agregatów bakteryjnych.
- Bez naruszania osadu przenieść górną 1 mL zawiesiny (szczep macierzysty) do sterylnej probówki.
- Aby oszacować liczbę bakterii w szczepie macierzystym, dodać alikwoty (20-50 μL) do probówek zawierających 1 mL 1% SDS w 0,1M NaOH i delikatnie wymieszać w celu solubilizacji.
- Zmierzyć zawartość kwasów nukleinowych w roztworze, określając absorbancję przy 260 nm (A260). W naszych warunkach A260 równa 1 odpowiada 5x108 jednostkom tworzącym kolonie na ml (cfu/mL). Można to zweryfikować, przygotowując szereg rozcieńczeń szczepu macierzystego w PBSB, wysiewając je na płytki agarowe i licząc kolonie po inkubacji przez noc (O/N).
- Rozcieńczyć alikwot szczepu macierzystego w medium infekcyjnym [M199 uzupełniony o 2% zdekomplementowaną (56°C, 30 min) normalną ludzką surowicę (NHS)], aby uzyskać wymaganą gęstość bakterii do infekcji komórek docelowych.
- W naszym laboratorium rutynowo stosuje się stosunek infekcji wynoszący 200-300 bakterii na jedną komórkę docelową.
B. Infekcja hodowli komórkowych
- Przemyj 3 razy szkiełka podstawowe z hodowanymi komórkami docelowymi za pomocą pożywki Hanksa, aby usunąć wszelkie ślady antybiotyków.
- Zainfekuj komórki świeżo przygotowanymi zawiesinami bakteryjnymi (opisanymi powyżej), inkubując przez 3 h do 8 h w temperaturze 37°C, w 5%CO2.
- Po zakończeniu okresu infekcji przemyj komórki trzykrotnie PBS i utrwal w 500 μL 2% paraformaldehydu (PFA) przez 30-45 min w temperaturze pokojowej lub przez noc w 4°C.
- Ustalono, że utrwalanie paraformaldehydem w powyższym stężeniu i czasie jest odpowiednie do zachowania morfologii bakterii i komórek.
- Po wypłukaniu paraformaldehydu przeprowadź permeabilizację utrwalonych komórek poprzez inkubację w 0,1% Triton X-100 rozpuszczonym w PBS przez 10 min.
- Przemyj próbki 3 razy PBS.
- Przystąp do immunobarwienia lub alternatywnie pozostaw próbki w 500 μL 1%BSA/PBST przez noc w 4°C.
DZIEŃ 3
Immunobarwienie
Barwienie bakterii wewnątrzkomórkowych oraz α-aktyniny można przeprowadzić sekwencyjnie lub jednocześnie, stosując odpowiednie przeciwciała pierwotne i wtórne w następujący sposób; wszystkie procedury można wykonać w płytkach 12-dołkowych.
- Zablokować szkiełka podstawowe zawierające permeabilizowane komórki za pomocą 500 μL 3% BSA/PBST (PBS zawierający 0,05% Triton X-100) przez 30-60 min w RT
- Po przemyciu PBS przenieść każde szkiełko do nowej suchej studzienki w płytce 12-dołkowej.
- Dodać przeciwciała pierwszorzędowe przeciwko bakteriom i α-actininie; 80 do 100 μL przeciwciała na szkiełko jest wystarczające, jeśli zostanie dodane ostrożnie tak, aby pokryło powierzchnię szkiełka. Inkubować przez 1h w temperaturze pokojowej.
- Użyto jednocześnie króliczego poliklonalnego antyserum przeciwko Neisseria meningitidis (hodowane laboratoryjnie) oraz mysiego przeciwciała monoklonalnego (mAb) przeciwko α-actininie (Abcam). W niektórych eksperymentach, zamiast przeciwciał anty-α-actinin, zastosowano mAb przeciwko aktynie lub wimentynie (Sigma).
- Po zakończeniu inkubacji dodać do studzienki 200 μL PBS, podnieść szkiełko i umieścić je w nowej studni zawierającej 500 μL PBS.
- Po 5 min usunąć PBS za pomocą pipety, a następnie dodać świeży PBS. Powtórzyć dwukrotnie. Przenieść szkiełka do nowej suchej studzienki.
- Dodać odpowiednie przeciwciała drugorzędowe sprzężone z różnymi fluorochromami, rozcieńczone w 1% BSA/PBST; inkubować w RT przez 1h w ciemności.
- Do detekcji bakterii użyto przeciwciał anty-króliczych Ig sprzężonych z TRITC, a do detekcji α-actinin i innych białek cytoszkieletu użyto przeciwciał anty-mysich Ig sprzężonych z FITC (Sigma) lub Alexa Fluor 488 (Invitrogen).
- Po zakończeniu inkubacji przemyć zgodnie z krokami 4 i 5.
- Przeprowadzić barwienie kontrastowe za pomocą 0,6 μg/mL DAPI w PBS (barwnik DNA) przez 5 min w RT w ciemności.
- Przepłukać PBS.
- Zamontować szkiełka podstawowe (komórkami skierowanymi w dół) na preparatach za pomocą kropli medium montażowego (np. Mowiol lub Vectashield).
- Przechowywać w ciemności w temperaturze 4°C.
- Próbki są gotowe do obserwacji pod mikroskopem.
2. Konfokalna mikroskopia skaningowa (CLSM)
Aby zaobserwować i zarejestrować obrazy bakterii wewnątrzkomórkowych oraz elementów cytoszkieletu, wykorzystano próbki poddane immunoznakowaniu, a obrazy wykonano przy użyciu konfokalnego skaningowego mikroskopu laserowego Leica SP5-AOBS sprzężonego z odwróconym mikroskopem epifluorescencyjnym Leica DM I6000. Wszystkie obrazy pozyskano z użyciem obiektywu imersyjnego olejowego 63x NA 1.4 i przetworzono za pomocą oprogramowania Leica.
Procedura CLSM:
- Aby rozpocząć procedurę CLSM, nanieść kroplę olejku imersyjnego na obiektyw i umieścić preparat na stole mikroskopu stroną z szkiełkiem nakrywkowym do dołu.
- Ustawić mikroskop w trybie wizualnym i zlokalizować obszar zainteresowania, korzystając z okularów mikroskopu.
- W oprogramowaniu Leica wybrać tryb akwizycji xyz.
- Wybrać format 512 x 512 (rozmiar ramki). W badaniach kolokalizacji im wyższa rozdzielczość, tym dokładniejszy obraz, przy czym należy pamiętać o granicy rozdzielczości mikroskopu. Następnie wybrać dwukierunkowy tryb X, co zwiększy prędkość skanowania i pomoże ograniczyć fotowyblakanie.
- Skonfigurować ustawienia skanowania sekwencyjnego. Kliknąć funkcję „seq” i wybrać jeden z trybów skanowania. Stosujemy tryb „between lines”.
- Wybrać wiązki laserowe zgodnie z fluorochromami sprzężonymi z przeciwciałami wtórnymi: 405 nm dla DAPI (niebieski), 488 nm dla Alexa Fluor 488 (zielony) oraz 561 nm dla TRITC (czerwony). Aktywować odpowiednio fotopowielacz (PMT) 1, 2 i 3. Dostosować ustawienia PMT, aby wykryć prawidłową długość fali emisji.
- Ustawić górną („begin”) i dolną („end”) granicę stosów z lub serii. Następnie określić wymaganą „wielkość kroku z”.
- Neisseria meningitidis jest diplokokiem (Rysunek 1G) i ponieważ każdy kok ma przybliżoną średnicę 0.5 μm, wybrano wielkość kroku z wynoszącą 0.20 μm, aby zwiększyć prawdopodobieństwo zeskanowania każdego kokka co najmniej dwukrotnie. Wartość ta mieści się również w zakresie wielkości kroku dla optymalnej rozdzielczości 0.1 - 0.2 μm.
- Ustawić końcowe parametry skanowania, wybierając uśrednianie linii (line averaging) równe 3, aby poprawić stosunek sygnału do szumu.
- Po kliknięciu „start” uzyskiwane są obrazy barwione podwójnie lub potrójnie poprzez sekwencyjne skanowanie przy różnych długościach fal, co pozwala wyeliminować interferencje (cross-talk) między różnymi chromoforami.
- Aby wskazać kolokalizację dwóch fluorochromów, wybrać funkcję „overlay”, aby połączyć wybrane kanały w jeden obraz; na przykład, gdy fluorochromy Alexa 488 (zielony) i TRITC (czerwony) kolokalizują, na obrazie nałożonym pojawi się kolor żółty.
- Skompilować stosy z lub serie za pomocą funkcji „maximum projection” w celu stworzenia obrazu 2D niezbędnego do wizualizacji ewentualnej kolokalizacji. Bardziej szczegółową analizę kolokalizacji można uzyskać poprzez analizę każdego przekroju optycznego.
- Po uzyskaniu stosów z lub serii, przetworzyć dane w celu otrzymania obrazu ortogonalnego do wizualizacji wewnątrzkomórkowej lokalizacji różnych elementów (Rysunek 1E).
3. Kwantyfikacja kolokalizacji
Analizy statystyczne obrazów z konfokalnego mikroskopu skaningowego są przeprowadzane przy użyciu oprogramowania Volocity (Improvision, PerkinElmer). Oprogramowanie to oferuje narzędzie zaprojektowane specjalnie do analizy kolokalizacji zgodnie z opisem Manders et al.(1993)5. Kolokalizacja w kontekście cyfrowego obrazowania fluorescencyjnego może być opisana jako detekcja sygnału w tym samym voxelu (objętości piksela) w każdym kanale. Dwa kanały składają się z obrazów dwóch różnych fluorochromów pobranych z tego samego obszaru próbki (podręcznik użytkownika Volocity). Analizy statystyczne wykonuje się w oprogramowaniu Volocity (Improvision, PerkinElmer), stosując opisaną poniżej ilościową analizę kolokalizacji.
Ilościowa analiza kolokalizacji
- Utwórz bibliotekę obrazów CLSM za pomocą oprogramowania Volocity.
- Z górnego paska w menu obrazu wybierz opcję „extended focus”. Narzędzie to złączy stosy z (z-stacks) w obraz 2D do analizy.
- Wybierz narzędzie „Colocalization”. Dwa analizowane kanały powinny mieć taką samą głębię kolorów.
- Zaznacz obszar, który ma zostać poddany kwantyfikacji. Ustaw próg (threshold), aby usunąć tło.
- Wygeneruj wyniki kolokalizacji, wybierając opcję „generate colocalization”. Statystyki kolokalizacji zostaną wygenerowane dla wcześniej wybranych obszarów zainteresowania (ROI).
- Wybierz współczynniki Mandersa R (współczynnik nakładania) oraz My (współczynnik kolokalizacji).
- Współczynniki Mandersa nie są wrażliwe na intensywność barwienia, ponieważ są normalizowane względem całkowitej intensywności pikseli; mogą zatem być stosowane, gdy barwienie jednego antygenu jest silniejsze od drugiego.
- Współczynnik nakładania R według Mandersa5,6 reprezentuje rzeczywiste stopień kolokalizacji, tzn. liczbę pikseli kolokalizujących w stosunku do całkowitej liczby pikseli.
- Z kolei współczynnik kolokalizacji My opisuje wkład fluorescencyjny składnika występującego w większej ilości (w tym przypadku α-actinin, zielony) w stosunku do składnika występującego w mniejszej ilości (w tym przypadku bakterie, czerwony), tzn. liczbę czerwonych pikseli nakładających się na zielone piksele w stosunku do całkowitej liczby czerwonych pikseli.
- Współczynniki Mandersa mieszczą się w zakresie od 0 do 1, gdzie 1 oznacza wysoką kolokalizację, a 0 jej brak; dla łatwiejszej interpretacji mogą być one wyrażone w procentach.
- Wyeksportuj wartości statystyczne do dokumentu Excel w celu prezentacji danych.
4. Reprezentatywne wyniki
Lokalizacja wewnątrzkomórkowa Neisseria meningitidis wykazującej ekspresję Opc oraz α-aktyniny
Obrazowanie konfokalne ludzkich mikro naczyniowych komórek śródbłonka mózgu zainfekowanych Nm przez 3 i 8 godzin, przeprowadzone zgodnie z powyższym opisem, wykazało kolokalizację α-aktyniny i Nm, która wydawała się występować rzadziej w eksperymentach z 3-godzinną infekcją (nie pokazano) w porównaniu z kulturami zainfekowanymi przez 8 h (Rysunek 1 A-F). Wyraźna kolokalizacja α-aktyniny z meningokokami wykazującymi ekspresję Opc była obserwowana za każdym razem w >5 powtórzonych eksperymentach. Analiza statystyczna kolokalizacji z wykorzystaniem kilku obrazów konfokalnych została przeprowadzona zgodnie z powyższym opisem. Ogółem, w HBMEC zainfekowanych meningokokami wykazującymi ekspresję Opc, uzyskano >25% nakładania się zielonych (α-aktynina) i czerwonych (Nm) pikseli (Rysunek 2B, współczynnik nakładania R). W przeciwieństwie do α-aktyniny, w eksperymentach, w których przeprowadzono znakowanie zinternalizowanych bakterii oraz aktyny lub wimentyny, zaobserwowano sporadyczną kolokalizację z aktyną, natomiast kolokalizacja z wimentyną była rzadka (Rysunek 2B).
Dane przeanalizowano również z wykorzystaniem współczynnika My, który uwzględnia względną liczebność każdej z części. My jest miarą częstotliwości występowania sygnału o większej liczebności (w tym przypadku zielonego, α-aktyniny) za każdym razem, gdy pojawia się sygnał o mniejszej liczebności (w tym przypadku czerwony, bakterie). Miara ta wykazuje uderzający poziom występowania α-aktyniny w sąsiedztwie zinternalizowanych meningokoków (Rysunek 2A i C).

Rysunek 1. Konfokalna skaningowa mikroskopia laserowa do oceny wewnątrzkomórkowych interakcji N. meningitidis z α-aktyniną. A-H. Konfluencyjne monowarstwy śródbłonka hodowane na szkiełkach przedmiotowych zainfekowano szczepem N. meningitidis wykazującym ekspresję białka Opc (A-F). Po 8 h wypłukano bakterie nieprzylegające, komórki utrwalono paraformaldehydem i permeabilizowano 0,1% Tritonem X-100. Następnie bakterie i α-aktyninę barwiono zgodnie z opisem powyżej (α-aktynina, kolor zielony; bakterie, kolor czerwony).
A-C. Jedno pole widzenia przedstawiające obrazy x-y lokalizacji Nm (A) lub α-aktyniny (B). Obraz nałożony w (C) wskazuje kilka obszarów, w których pojawia się kolor żółto-pomarańczowy, co sugeruje kolokalizację. Strzałki w (A) i (B) pokazują obszary, w których prawdopodobnie nastąpiła wysoka akumulacja α-aktyniny wokół bakterii.
D. Sekcja optyczna zainfekowanej monowarstwy HBMEC wskazująca na kolokalizację wokół bakterii wewnątrzkomórkowych zlokalizowanych u podstawy komórki.
Ponownie, kolokalizacja ta nie wynika z przypadkowej bliskości α-aktyniny, ponieważ ogólne barwienie α-aktyniny w tym obszarze jest słabe.
E i F. Trójwymiarowe obrazy zainfekowanych monowarstw HBMEC przetworzonych w opisany wyżej sposób. Widok pod kątem powierzchni apikalnej (E) pokazuje przylegające bakterie zabarwione na czerwono (czerwona strzałka), podczas gdy kilka bakterii zlokalizowanych w kierunku powierzchni bazalnych komórek śródbłonka (żółta strzałka) ma wyraźny kolor pomarańczowo-żółty. Lokalizacja bazalna jest widoczna wyraźniej na obrazie (F), który stanowi przekrój poprzeczny X-Z widok z końcówki.
G. Obraz z mikroskopu elektronowego N. meningitidis po barwieniu negatywowym, przedstawiający jego przeważającą postać diplokokową. Każdy kok każdy kok ma średnicę około 0,5 μm.

Rysunek 2. Lokalizacja i rozkład α-actinin, actin oraz vimentin w komórkach HBMEC.
A. Zainfekowane monowarstwy HBMEC traktowano zgodnie z opisem w powyższej legendzie, jednak oprócz α-aktyniny, niektóre szkiełka podstawowe wykorzystano do wykrywania aktyny lub wimentyny w procedurze podobnej do tej zastosowanej dla α-aktyniny. Jak wyżej, α-aktynina skoncentrowała się wokół kilku zinternalizowanych bakterii (białe strzałki). Wimentyna i aktyna nie kolokalizowały z bakteriami w zauważalnym stopniu. Pasek reprezentuje 20 μm.
B. i C. Wartości współczynników R oraz My uzyskano w ponad trzech eksperymentach z wykorzystaniem oprogramowania Volocity zgodnie z powyższym opisem.