Poziom reaktywnych form tlenu w żywych komórkach można zmierzyć za pomocą barwników wrażliwych na utlenianie (1 i 2) lub czujników plazmidowych (3 i 4) przy użyciu mikroskopii konfokalnej.
1. Wizualizacja wewnątrzkomórkowych ROS w komórkach J774
- Hodować makrofagi pochodzące z monocytów mysich J774.1 (106 komórek/ml) na szalkach 35-mm z szklanym dnem (Harvard Apparatus) przez 48 h.
- Stymulować komórki agonistami TLR (2 μg/ml, kwas lipoteichowy – agonista TLR2; 10μg/ml, Poly (I:C) – agonista TLR3; 1 μg/ml LPS – agonista TLR4) przez 6 h w temperaturze 37°C.
Uwaga: Makrofagi traktowane w podobnych warunkach zostały wykorzystane do mobilizacji Ca2+ w modelu kokultury.
- Do szalek z ECM (pożywka zewnątrzkomórkowa: 121 mM NaCl, 5 mM NaHCO3, 10 mM Na-HEPES, 4.7 mM KCl, 1.2 mM KH2PO4, 1.2 mM MgSO4, 2 mM CaCl2, 10 mM glukoza i 2.0% dekstran, pH 7.4; wszystkie odczynniki otrzymane od Sigma) zawierającej 2%BSA dodać barwnik wrażliwy na utlenianie H2DCF-DA (Invitrogen) do uzyskania stężenia końcowego 10 μM i inkubować komórki przez 20 min przed wizualizacją pod mikroskopem konfokalnym.
- Po obciążeniu barwnikiem wizualizować komórki umieszczone na stoliku z kontrolą temperatury odpowiedniego systemu obrazowania. Używamy konfokalnego systemu obrazowania Carl Zeiss LSM 510 Meta sprzężonego z argonowym laserem jonowym przy pobudzeniu 488 nm dla fluorescencji DCF, stosując obiektyw olejowy 40x13 (Ryc. 1A i D).
- Analizować obrazy za pomocą oprogramowania ImageJ (1.44), dostępnego bezpłatnie z National Institutes of Health (Rasband, W.S., ImageJ, U. S. National Institutes of Health, Bethesda, Maryland, USA, http://rsb.info.nih.gov/ij/, 1997-2009).
2. Wizualizacja mROS w komórkach J774
- Hodować makrofagi pochodzące z monocytów mysich linii J774.1 (106 komórek/ml) na szalkach 35-mm z szklanym dnem (Harvard Apparatus) przez 48 h.
- Stymulować komórki ligandami TLR w celu indukcji produkcji mROS (2 μg/ml kwasu lipoteichowego-TLR2; 10 μg/ml Poly (I:C)-TLR3; 1 μg/ml LPS-TLR4) przez 6 h w temperaturze 37°C.
- Do szalek dodać wskaźnik anionorodnika ponadtlenkowego mitochondrialnego MitoSOX Red (Invitrogen), aby uzyskać stężenie końcowe 5 μM w ECM zawierającym 2%BSA, a następnie inkubować komórki przez 30 min w temperaturze 37°C w celu załadowania MitoSOX Red.
- Po załadowaniu barwnika wizualizować komórki na stoliku z kontrolą temperatury systemu obrazowania konfokalnego Carl Zeiss LSM 510 Meta z Argonowym laserem jonowym przy wzbudzeniu 561 nm dla fluorescencji MitoSOX Red, używając obiektywu olejowego 40x (Ryc. 1B i E).
- W eksperymentach kontrolnych, po załadowaniu barwnika, dodać do komórek PBS lub DMSO (kontrola negatywna) bądź 2 μM Antomycyny A (jako generatora anionorodnika ponadtlenkowego mitochondrialnego – kontrola pozytywna) przed obrazowaniem próbki zgodnie z opisem w punkcie 2.4 (Ryc. 1C).
- Analizować obrazy przy użyciu oprogramowania ImageJ (1.44).
3. Wizualizacja cytozolowych ROS w stabilnych liniach HyPer-cyto MPMVECs
- Używamy pHyPer-cyto (Evrogen), ssaczego wektora ekspresyjnego kodującego fluorescencyjny sensor HyPer, który lokalizuje się w cytoplazmie i specyficznie wykrywa submikromolarne stężenia H2O214.
- Transfekujemy mysie komórki śródbłonka mikrokrążenia płucnego (MPMVECs) wektorem pHyPer-cyto, wykorzystując elektroporację lub odczynniki do transfekcji. Używamy 10 x 106 komórek i przeprowadzamy transfekcję 10μg pHyPer-cyto poprzez elektroporację przy użyciu systemu elektroporatora BioRad Gene pulser (250V; 500 μF). Hodujemy MPMVECs w pożywce DMEM uzupełnionej o 10% FBS, niezasadnicze aminokwasy, dodatek wzrostowy dla komórek śródbłonka oraz antybiotyki.
Uwaga: Po transfekcji wysiewamy komórki przy niskiej gęstości, aby ułatwić wzrost kolonii.
- 48 godzin po transfekcji wymieniamy pożywkę na pełną pożywkę hodowlaną uzupełnioną o 500 μg/ml G418. Przesiewamy klony o najwyższym procencie komórek pozytywnych pod kątem HyPer i pasażujemy klony pozytywne, aby zwiększyć liczbę komórek wykazujących ekspresję HyPer (Rys. 2).
Uwaga: Do klonalnej selekcji pojedynczych komórek stosujemy seryjne rozcieńczanie komórek i przesiewamy stabilne linie komórkowe o wysokiej ekspresji HyPer.
- Hodujemy stabilne linie MPMVECs z HyPer-cyto na szkiełkach podstawkowych pokrytych 0,2% żelatyną (80% konfluencji). Następnego dnia poddajemy komórki stymulacji ligandami TLR (2 μg/ml kwasu lipoteichowego-TLR2; 10μg/ml Poly (I:C)-TLR3; 1 μg/ml LPS-TLR4) przez 6 h w 37°C. Komórki niepoddane działaniu ligandów służą jako kontrola.
- Po zakończeniu inkubacji montujemy szkiełka w komorze do komórek Attofluor (Invitrogen). Do komory dodajemy 1ml uprzednio ogrzanego zrównoważonego roztworu soli Hanksa (HBSS) i umieszczamy komorę na stoliku z kontrolą temperatury konfokalnego systemu obrazowania Carl Zeiss LSM 510 Meta. Wizualizujemy i rejestrujemy zmiany fluorescencji przy pobudzeniu 488 nm, korzystając z obiektywu olejowego 40x (Rys. 3A i D).
- Obrazy analizujemy przy użyciu oprogramowania ImageJ (1.44) (patrz sekcja 6).
4. Wizualizacja mitochondrialnych ROS w stabilnych MPMVECach HyPer-dMito
- Używamy pHyPer-dMito (Evrogen), wektora ekspresyjnego dla ssaków kodującego ukierunkowany na mitochondria sensor HyPer, który lokalizuje się w mitochondriach i specyficznie wykrywa submikromolarne stężenia H2O2.
- Transfekujemy MPMVECs wektorem pHyPer-dMito i generujemy stabilne linie HyPer-dMito MPMVECs zgodnie z krokami opisanymi w sekcjach 3.2-3.3.
- Hodujemy stabilne HyPer-dMito MPMVECs na szkiełkach podstawowych pokrytych 0,2% żelatyną (do osiągnięcia 80% konfluencji).
- Następnego dnia poddajemy komórki działaniu ligandów TLR (2 μg/ml kwasu lipoteichowego-TLR2; 10μg/ml Poly (I:C)-TLR3; 1 μg/ml LPS-TLR4) przez 6 h w 37°C. Komórki niepoddane działaniu ligandów służą jako kontrola negatywna. Przed wizualizacją próbki dodajemy 2μM antymycyny A (induktor nadtlenku dwutlenku siarki mitochondrialnego – kontrola pozytywna).
- Po zakończeniu inkubacji montujemy szkiełka podstawowe w komorze do komórek Attofluor (Invitrogen). Do komory dodajemy 1ml uprzednio ogrzanego zrównoważonego roztworu soli Hanksa (HBSS), a następnie umieszczamy komorę na stoliku z kontrolą temperatury systemu obrazowania konfokalnego Carl Zeiss LSM 510 Meta. Obserwujemy i obrazujemy zmiany fluorescencji przy pobudzeniu 488 nm, korzystając z obiektywu olejowego 40x (Rys. 3B, C i E).
- Analizujemy obrazy przy użyciu oprogramowania ImageJ (1.44) (patrz sekcja 6).
5. Model kokultury do wizualizacji sygnalizacji Ca2+ w komórkach śródbłonka wywołanej przez ROS pochodzenia parakrynnego
Do wizualizacji i pomiaru zmian [Ca2+]i stosujemy fluorescencyjny barwnik wrażliwy na Ca2+ fluo-4 AM (Invitrogen).
- Hodować MPMVEC na szklanych lamellkach o średnicy 25 mm pokrytych 0,2% żelatyną (do osiągnięcia 80% konfluencji).
- Komórki wyhodowane na lamellkach inkubować w temperaturze pokojowej przez 30 min w ECM zawierającym 2% BSA i 0,003% kwasu pluronicznego z końcową stężeniem 5 μM fluo-4 AM (Invitrogen), aby umożliwić obciążenie fluo-4 AM. Po obciążeniu przemyć komórki eksperymentalnym roztworem obrazującym (ECM zawierający 0,25% BSA) z dodatkiem sulfinpyrazonu w celu zminimalizowania utraty barwnika.
- Po obciążeniu fluo-4 zamocować lamellki w komorze do komórek Attofluor (Invitrogen). Do komory dodać 800 μl uprzednio ogrzanego eksperymentalnego roztworu obrazującego i umieścić ją na stole z kontrolą temperatury systemu obrazowania konfokalnego Carl Zeiss LSM 510 Meta.
- W oddzielnej probówce oznakować nieaktywowane lub aktywowane makrofagi wyizolowane z myszy typu dzikiego lub gp91phox-/- (traktowane LPS przez 6 hr) za pomocą cell tracker red CMTPX (500 ng/ml) (Invitrogen) w ECM zawierającym 2% BSA i 0,003% kwasu pluronicznego. Przemyć i resuspendować komórki w 200 μl eksperymentalnego roztworu obrazującego.
- Dodać oznakowane makrofagi do obciążonych fluo-4 AM komórek MPMVEC w zmontowanej komorze.
- Rejestrować fluorescencję zieloną i czerwoną co 3 s przez 10-20 min przy użyciu systemu obrazowania konfokalnego Carl Zeiss LSM510 Meta z argonowym laserem jonowym z wzbudzeniem odpowiednio przy 488 i 561 nm dla fluo-4 AM i fluorescencji cell tracker red (Rys. 4 A-C).
Uwaga: Alternatywnie, do wywołania mobilizacji Ca2+ w MPMVEC można użyć linii komórkowej J774.1.
- Analizować zmiany intensywności fluorescencji fluo-4 przy użyciu oprogramowania ImageJ (1.44) (patrz sekcja 6).
6. Analiza danych przy użyciu oprogramowania ImageJ
Przenieś obrazy uzyskane z systemu konfokalnego w formacie pliku .lsm w celu analizy danych. Oprogramowanie ZEN 2009 i ZEN 2010, dostarczane odpowiednio z mikroskopem konfokalnym LSM 510 Meta lub mikroskopem konfokalnym wielofotonowym LSM 710, zapisuje pliki w formacie .lsm. Zalecamy stosowanie natywnych plików .lsm do analizy obrazu, aby zachować oryginalną jakość. Ten format pliku można bezpośrednio otworzyć w programie do analizy obrazu Image J. Poniższe kroki stanowią przykład ilościowej analizy pojedynczego obrazu. Do tej analizy danych nie są wymagane żadne dodatkowe wtyczki.
- Otwórz plik .lsm lub .TIFF w programie Image J, korzystając z opcji FILE>OPEN
- Kliknij zakładkę IMAGE>COLOR>SPLIT CHANNELS i rozdziel kanał zielony oraz kanał DIC. Do dalszych analiz wykorzystaj obraz z kanału zielonego.
- Kliknij dwukrotnie i wybierz zakładkę „Elliptical brush selection”, a następnie ustaw wartość piksela na 20.
- W przypadku obrazów Hyper-cyto kliknij pojedynczą komórkę, aby zdefiniować okrągły obszar pomiarowy. Następnie naciśnij klawisz „M”, aby zmierzyć intensywność wybranego obszaru. Wartości zostaną zapisane w nowym oknie wyników.
- Następnie, trzymając klawisz „Shift”, kliknij inną komórkę, aby zaznaczyć kolejny obszar, a potem naciśnij klawisz „M”. Intensywność zostanie odnotowana w oknie wyników. Powtórz kroki 4-5 dla 50 różnych komórek.
- W przypadku obrazów Hyper d-mito ustaw wartość piksela na 10 w opcji Elliptical brush selection. Obszar zainteresowania (ROI) należy obrysować ręcznie, obejmując mitochondria konkretnych komórek.
- Używając narzędzia freehand, obrysuj obszar wokół mitochondriów, a następnie naciśnij „M”. Powtórz kroki 6-7 dla 50 różnych komórek.
- Skopiuj wartości średnie z okna wyników i wklej je do arkusza Excel lub dowolnego oprogramowania do wykreślania wyników. Do przedstawienia danych w formie wykresu używamy programu SigmaPlot lub Graphpad PRISM.
7. Reprezentatywne wyniki
Rysunek 1 przedstawia produkcję ROS w cytozolu i mitochondriach po stymulacji ligandami TLR. Reprezentatywne obrazy konfokalne pokazują wzrost fluorescencji DCF (cytozolowej) i MitoSOX Red (mitochondrialnej) po 6 h stymulacji. Zmiany fluorescencji zostały znormalizowane i wyrażone jako krotność zmiany.
Rycina 2 przedstawia generowanie stabilnych linii komórek śródbłonka HyPer-cyto i HyPer-dMito. Komórki śródbłonka mysiego poddano transfekcji konstruktami plazmidowymi pHyPer-cyto lub pHyPer-dMito za pomocą elektroporacji. Komórki stabilnie eksprimujące plazmidy selekcjonowano przy użyciu G418 przez dwa tygodnie. Po selekcji rozcieńczone komórki wysiano na płytki 96-dołkowe. Izolowano pojedyncze kolonie i obrazowano je w celu potwierdzenia homogenicznej ekspresji.
Rycina 3 przedstawia pomiar poziomu H2O2 w cytozolu i mitochondriach komórek śródbłonka. Reprezentatywne obrazy konfokalne ukazują wzrost fluorescencji HyPer-cyto (cytozolowej) i HyPer-dMito (mitochondrialnej) po 6 h stymulacji. Zmiany natężenia fluorescencji znormalizowano i wyrażono jako krotność zmiany.
Rysunek 4 przedstawia ocenę mobilizacji cytozolowego Ca2+ w komórkach śródbłonka indukowanej przez reaktywne formy tlenu (ROS) pochodzące z makrofagów. Makrofagi stymulowane LPS dodano do komórek śródbłonka naczyniowych płuc (PMVEC), które wcześniej obciążono barwnikiem wskaźnikowym Ca2+ wewnątrzkomórkowego ([Ca2+]i) Fluo-4. Przyłożenie aktywowanych LPS makrofagów typu dzikiego wywołało wzrost [Ca2+]i w komórkach PMVEC, który został osłabiony przez knockout funkcjonalnejy oksydazy NADPH (gp91phox-/-).

Rycina 1. Wizualizacja komórkowych ROS i nadtlenku mitochondrialnego generowanych przez makrofagi. Komórki J774.1 poddano stymulacji ligandami TLR2, 3 i 4. (2 μg/ml, kwas lipoteichoikowy-TLR2; 10μg/ml, Poly (I:C)-TLR3; 1 μg/ml LPS-TLR4) przez 6 h w 37°C. Po traktowaniu komórki obciążono (A) wskaźnikiem ROS komórkowych (H2DCF-DA; fluorescencja zielona) lub (B) wskaźnikiem nadtlenku mitochondrialnego (MitoSOX Red; fluorescencja czerwona). (C) Antymycynę A wykorzystano jako kontrolę pozytywną produkcji mitochondrialnych ROS. Zmiany intensywności fluorescencji oceniano za pomocą mikroskopii konfokalnej. (D) i (E) Ilościowe oznaczenie średniej zmiany fluorescencji.

Rycina 2. Schematyczna prezentacja generowania stabilnej ekspresji wskaźników ROS cytozolowych i mitochondrialnych w komórkach śródbłonka.

Rysunek 3. Wizualizacja poziomów H2O2 w cytozolu i mitochondriach komórek śródbłonka. Komórki MPMVECs stabilnie eksponujące (A) HyPer-cyto lub (B) HyPer-dMito poddano działaniu ligandów TLR2, 3 i 4 (2 μg/ml kwasu lipoteichowego-TLR2; 10μg/ml Poly (I:C)-TLR3; 1 μg/ml LPS-TLR4) przez 6 h w 37°C. (C) Antymycynę A zastosowano jako kontrolę pozytywną produkcji mitochondrialnych ROS. Po traktowaniu zmiany intensywności fluorescencji oceniono za pomocą mikroskopii konfokalnej. (D) i (E) Ilościowe oznaczenie średniej zmiany fluorescencji.

Rysunek 4. ROS pochodzące z makrofagów wywołują upośledzoną mobilizację Ca2+ w komórkach śródbłonka. (A) Schematyczne przedstawienie modelu badania kokultury komórek śródbłonka i makrofagów. (B) Świeżo wyizolowane makrofagi mysie od myszy WT oraz gp91phox null (The Jackson Laboratory) aktywowano za pomocą 1 μg/ml LPS przez 6 h. Makrofagi znakowano barwnikiem cell-tracker Red (czerwony) i dodano do PMVECs obciążonych Fluo-4 (zielony), aby ocenić parakrynową sygnalizację O2•-. (C) Makrofagi aktywowane LPS wyizolowane z myszy WT wywołały dużą i szybką mobilizację Ca2+ w PMVECs w porównaniu do makrofagów z myszy gp91phox null. Walidacja aktywacji makrofagów została wykazana wcześniej.