$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
System immunologiczny składa się z dwóch gałęzi: odporności wrodzonej i nabytej. Odporność wrodzona jest ewolucyjnie starsza niż odporność nabyta. Obecnie uważa się, że bezkręgowce mają tylko wrodzoną odporność, podczas gdy kręgowce posiadają zarówno gałęzie wrodzone, jak i adaptacyjne. Podczas gdy odporność nabyta zapewnia specyficzną i długotrwałą odporność na niektóre patogeny, odporność wrodzona jest natychmiastową reakcją na atakujące bakterie, wirusy i grzyby. Kluczowym aspektem wrodzonej odpowiedzi immunologicznej jest uwalnianie cytokin i chemokin, co powoduje stan zapalny i rekrutację fagocytów (np. makrofagów, neutrofili) do pochłaniania i niszczenia obcych najeźdźców.
Udane wrodzone reakcje immunologiczne obejmują: (1) rozpoznawanie atakujących mikroorganizmów; (2) indukcja odpowiednich kaskad sygnalizacyjnych (np. uwalnianie cytokin i chemokin); (3) prawidłowy rozwój/odpowiednia liczba komórek fagocytarnych; (4) migracja fagocytów do miejsc zakażenia; (5) pochłanianie patogenów; oraz (6) niszczenie pochłoniętych mikroorganizmów. Niedobór któregokolwiek z tych kroków może prowadzić do tego, że gospodarz zostanie przytłoczony infekcją i podda się jej. Silna wrodzona odpowiedź immunologiczna ma zasadnicze znaczenie dla zdrowia organizmów, ponieważ jest pierwszą linią obrony przed patogenami we wszystkich roślinach i zwierzętach. U kręgowców nasila również adaptacyjną odpowiedź immunologiczną1. Dlatego tak ważne jest, abyśmy byli w stanie ocenić wszystkie aspekty wrodzonej odpowiedzi immunologicznej, aby lepiej ją zrozumieć i zoptymalizować jej funkcję.
Wiele organizmów modelowych jest używanych do badania odporności wrodzonej, począwszy od Arabadopsis, przez C. elegans, Drosophila, myszy, aż po hodowane komórki ludzkie. Zaletą stosowania systemu modelowego danio pręgowanego (Danio rerio) do badania odporności wrodzonej jest to, że danio pręgowany jest kręgowcem, posiadającym zarówno odporność wrodzoną, jak i nabytą, jednak rozwój odporności wrodzonej i nabytej jest czasowo oddzielony. Danio pręgowany polega wyłącznie na odporności wrodzonej w celu ochrony przed infekcją, dopóki odporność adaptacyjna nie stanie się w pełni funkcjonalna, co następuje około 4-6 tygodni po zapłodnieniu2. Oprócz narzędzi do manipulacji genetycznej, jasności optycznej i szybkiego, zewnętrznego rozwoju, odporność wrodzona jako główny sposób obrony zarodków danio pręgowanego zapewnia uproszczony model, w którym można badać złożoność wrodzonej odpowiedzi immunologicznej in vivo.
Opracowano wiele protokołów do oceny różnych aspektów wrodzonej odpowiedzi immunologicznej u zarodków danio pręgowanego. Mikromacierze i RNAseq potwierdziły, że profile cytokin wywołane przez wrodzoną odpowiedź immunologiczną danio pręgowanego są podobne do ludzkiej, a także zasugerowały udział nieoczekiwanych genów w odporności wrodzonej3,4. Przezroczystość zarodka danio pręgowanego oraz fluorescencyjnych, transgenicznych szczepów patogenów i danio pręgowanego pozwala na wizualizację dynamicznych interakcji gospodarz-patogen in vivo w czasie rzeczywistym. Transgeniczne zarodki danio pręgowanego wykazujące ekspresję GFP pod kontrolą promotora mieloperoksydazy specyficznego dla neutrofili 5,6 lub promotora mpeg1 specyficznego dla makrofagów7 umożliwiły wizualizację i ilościowe określenie migracji fagocytów do miejsc zlokalizowanych infekcji8, a także wizualizację fagocytozy i niszczenia patogenów znakowanych fluorescencyjnie8,9. Zarodki danio pręgowanego są również podatne na generowanie wysokoprzepustowych testów i chemicznych badań przesiewowych. W związku z tym niedawno opracowano wysokoprzepustowe metody analizy transkryptomu po zakażeniu10 i migracji fagocytów do miejsc uszkodzenia wywołanegochemicznie11.
Spośród technik wymienionych powyżej, żadna nie ocenia ilościowo końcowego etapu niszczenia patogenów przez fagocyty. Ten ostatni etap polega na wybuchu oddechowym (tj. produkcji ROS i innych toksycznych związków), które zabijają pochłonięte patogeny. Enzym oksydaza NADPH jest głównym źródłem ROS w komórkach fagocytarnych. Złożenie podjednostek enzymu oksydazy NADPH powoduje przeniesienie elektronów do tlenu, generując aniony ponadtlenkowe. W wyniku kolejnych reakcji enzymatycznych ponadtlenek może zostać przekształcony w nadtlenek wodoru i kwas podchlorawy (ryc. 1A). To właśnie wybuch oddechowy fagocytów zabija patogeny, a zatem ilościowe określenie potencjału wybuchu oddechowego zarodków danio pręgowanego wskazuje na ogólny wrodzony stan zdrowia immunologicznego. Opracowaliśmy test oparty na fluorescencji w celu ilościowego określenia wybuchu oddechowego w grupach pojedynczych zarodków danio pręgowanego12. Test ten wykorzystuje niefluorescencyjną, zredukowaną formę dostępnego na rynku, przepuszczalnego dla komórek barwnika. Barwnik ten, dioctan 2',7'-dichlorodihydrofluoresceiny (H2DCFDA), po utlenieniu przekształca się w związek fluorescencyjny, 2',7'-dichlorofluoresceinę (DCF). Różnorodne ROS generowane przez wybuch oddechowy fagocytów może utleniać H2DCFDA i generować fluorescencję24. Pojawienie się fluorescencji można wykorzystać do ilościowego określenia i porównania reakcji na wybuch oddechowy między grupami danio pręgowanego. Octan mirystynianu forbolu agonistycznego kinazy białkowej C (PMA) jest używany do chemicznej indukcji oksydazy NADPH w celu wytworzenia ROS, a tym samym zwiększenia odczytów fluorescencji (Figura 1B). W niniejszym dokumencie przedstawiamy szczegółowy protokół zmodyfikowanej i zoptymalizowanej wersji tego testu na wybuch oddechowy zarodka danio pręgowanego. Test ten można wykorzystać do porównania wybuchu oddechowego między grupami pojedynczych zarodków danio pręgowanego w czasie i/lub w odpowiedzi na manipulacje eksperymentalne (np. knockdown białka za pośrednictwem morfoliny). Zastosowanie tej metody, w połączeniu z innymi testami odporności wrodzonej danio pręgowanego, zapewni pełniejszy obraz złożonej i krytycznej wrodzonej odpowiedzi immunologicznej.