Opisujemy metodę in vitro, która pozwala na ilościowe określenie rzeczywistej liczby komórek adhezyjnych w monowarstwie komórek śródbłonka.
Artykuł metodologiczny
Opisujemy metodę in vitro, która pozwala na ilościowe określenie rzeczywistej liczby komórek adhezyjnych w monowarstwie komórek śródbłonka.
Jednym z głównych procesów zapalnych jest infiltracja komórek odpornościowych ze światła naczynia krwionośnego do otaczającej tkanki. Dzieje się tak, gdy komórki śródbłonka, które wyściełają naczynia krwionośne, stają się adhezyjne do krążących komórek odpornościowych, takich jak monocyty. Pomiar tej adhezji in vitro był do tej pory wykonywany poprzez ilościowe określenie całkowitej liczby monocytów, które przylegają do warstwy śródbłonka, albo jako bezpośrednie zliczenie, albo poprzez pośredni pomiar fluorescencji przylegających monocytów. Chociaż takie pomiary wskazują na średnią adhezjalność populacji komórek śródbłonka, są one zaburzone przez szereg czynników, takich jak liczba komórek, i nie ujawniają proporcji komórek śródbłonka, które są faktycznie adhezyjne. W tym artykule opisano i zademonstrowano metodę, która pozwala na wyliczenie komórek adhezyjnych w badanej populacji monowarstwy śródbłonka. Komórki śródbłonka są hodowane na szklanych szkiełkach nakrywkowych, a po pożądanym leczeniu są poddawane monocytom (które mogą być znakowane fluorescencyjnie). Po inkubacji, procedurze płukania, obejmującej wiele rund zanurzania i drenażu, komórki są utrwalane. Adhezyjne komórki śródbłonka, które są otoczone monocytami, są łatwo identyfikowane i zliczane, co daje wskaźnik adhezji, który ujawnia rzeczywistą proporcję komórek śródbłonka w populacji, które są adhezyjne.
Infiltracja komórek odpornościowych, takich jak monocyty, przez warstwę komórek śródbłonka, które wyściełają naczynia krwionośne, jest ważnym krokiem w procesie zapalenia. 1. Pozwala to na naprowadzanie komórek odpornościowych (immunocytów) do miejsca urazu. W innych przypadkach i lokalizacjach, takich jak tętnica wieńcowa i tętnica szyjna, naciekanie monocytów przez warstwę śródbłonka może prowadzić do niepożądanego długotrwałego przebywania tych komórek w ścianie tętnicy, potencjalnie prowadząc do tworzenia się blaszek miażdżycowych2. We wszystkich przypadkach naciekania immunocytów pierwszym krokiem jest aktywacja komórek śródbłonka w zlokalizowanym obszarze naczynia krwionośnego. Komórki śródbłonka są aktywowane przez cytokiny prozapalne, takie jak TNF-α i IL-6, w celu zwiększenia ekspresji białek powierzchniowych komórek, takich jak VCAM, ICAM i E-selektyna, które ułatwiają rekrutację i przyłączanie immunocytów do powierzchni komórki śródbłonka3-6.
Początkowo pomiar adhezji komórek śródbłonka był przeprowadzany poprzez liczenie monocytów, które przylegały do monowarstwy 7 śródbłonka. Ograniczenia tej metody pod względem precyzji doprowadziły do zastosowania znakowanych radioaktywnie limfocytów lub monocytów, a następnie do oznaczania ilościowego materiału promieniotwórczego, który odpowiada adhezji limfocytów lub monocytów 4. Metoda ta została ostatecznie zastąpiona metodą opartą na fluorescencji, w której interesujące immunocyty znakowano barwnikiem fluorescencyjnym i poddawano tej samej procedurze, co powyżej, z tą różnicą, że mierzy się fluorescencję zamiast radioaktywności 8. Obecnie ta metoda stała się najwygodniejsza i jest sprzedawana w formie zestawu przez kilku komercyjnych dostawców. Chociaż test ten może mierzyć względne poziomy adhezji między próbkami kontrolnymi i eksperymentalnymi, nie ujawnia, czy zmiana fluorescencji jest spowodowana jednolitą zmianą adhezji w całej populacji komórek śródbłonka, czy też zmiana jest spowodowana różnicą adhezji w subpopulacji komórek. Oczywiste jest również, że rygorystyczność mycia wywiera głęboki wpływ na wynik, a co ważniejsze, równomierność spłukiwania niezwiązanych monocytów między różnymi monowarstwami komórek śródbłonka będzie miała duży wpływ na bliskość wyników z powtórzeń i odtwarzalność wyników między próbkami. Niedawno wykorzystano kilka systemów, które pompują monocyty w pożywce przez monowarstwę komórek śródbłonka, aby rozwiązać ten problem 9. Ponadto te systemy przepływu podsumowują również wpływ siły ścinającej na komórki śródbłonka. Chociaż zalety takich systemów są oczywiste i bardzo atrakcyjne, ważne jest również, aby zdać sobie sprawę, że podczas gdy adhezja komórek śródbłonka może być znacznie zwiększona, jak ma to miejsce w przypadku ostrego zapalenia, przez czynniki takie jak TNFα, niektóre inne aktywatory, takie jak promieniowanie jonizujące10 wywołują zmiany, które nie są łatwo wykrywalne w in vitro eksperymentalnych ram czasowych przez te bardzo rygorystyczne systemy. Chociaż takie drobne zmiany w adhezji komórek śródbłonka są łatwe do przeoczenia lub odrzucenia in vitro, niekoniecznie są one łagodne in vivo, gdzie takie małe zmiany w ciągu życia, które są charakterystyczne dla przewlekłego stanu zapalnego, mogą mieć bardzo znaczące skutki. W związku z tym potrzebna jest solidna, a jednocześnie czuła i specyficzna metoda wykrywania i pomiaru adhezji komórek śródbłonka.
Tutaj przedstawiamy metodę bezpośredniego pomiaru adhezji komórek śródbłonka. Metoda ta nie opiera się na pomiarze fluorescencji jako pośrednim zastępczym wskaźniku adhezji komórek śródbłonka. Ujawnia, czy zmiany adhezji są spowodowane jednolitą zmianą we wszystkich komórkach, czy też ograniczają się do subpopulacji. Ponadto umożliwia jednoczesne barwienie komórek śródbłonka markerami, takimi jak beta-galaktozydaza związana ze starzeniem się, marker żywotności komórek, Calcien AM i przeciwciała przeciwko białkom powierzchniowym i wewnątrzkomórkowym, umożliwiając asocjację poszczególnych adhezyjnych komórek śródbłonka z określonymi stanami komórkowymi lub ekspresją określonych białek.
1. Przygotowanie szklanych szkiełek nakrywkowych
2. Przygotowanie monowarstwy komórek śródbłonka
3. Przygotowanie monocytów
4. Etykietowanie komórek HL-60 za pomocą Cell Tracker (opcjonalnie)
5. Wyliczanie adhezyjnych komórek śródbłonka
6. Barwienie przeciwdziałające przeciwciałom
7. Barwienie przeciwdziałające aktywności beta-galaktozydazy związanej ze starzeniem
sięTa metoda pozwala na wykrycie pojedynczych adhezyjnych komórek śródbłonka w obrębie populacji. Na przykład, podczas gdy monowarstwa nienaświetlanych komórek śródbłonka zachowała kilka sporadycznych monocytów HL-60 po inkubacji i przemyciu, monowarstwa śródbłonka 7 dni po naświetlaniu dawką 10Gy przed inkubacją z monocytami była związana przez monocyty tworzące skupiska wokół pojedynczych komórek śródbłonka (Rysunek 1). Chociaż zjawisko to jest łatwo dostrzegalne w mikroskopii kontrastowej, mikroskopia fluorescencyjna pozwala na uzyskanie jeszcze wyraźniejszego obrazu skupisk monocytów.
Po przeprowadzeniu opisanego testu adhezji można przystąpić do barwienia białek błonowych, cytoplazmatycznych lub jądrowych (Rysunek 2>) przy użyciu odpowiednich przeciwciał ze standardowymi metodami immunofluorescencji. Ponadto można przeprowadzić testy enzymatyczne, takie jak test na beta-galaktozydazę związaną ze starzeniem (Rysunek 3>).
Ponieważ każdy skupisko monocytów odpowiada pojedynczej komórce śródbłonka, wyliczenie tych skupisk pozwoli określić rzeczywistą liczbę adhezyjnych komórek śródbłonka w obrębie monowarstwy (Rysunek 4), a tym samym procent adhezyjnych komórek śródbłonka w populacji (Tabela 1, Rysunek 6). Jest to jedyna znana dotychczas metoda umożliwiająca taką kwantyfikację adhezyjności komórek śródbłonka. Należy zauważyć, że komórki śródbłonka wykorzystane w niniejszych eksperymentach wykazują hamowanie kontaktowe i nie zwiększają swojej liczby po osiągnięciu konfluencji. Eliminuje to potencjalną komplikację związaną ze wzrostem liczby komórek śródbłonka w późniejszych punktach czasowych. W razie potrzeby monocyty przyłączone do monowarstw śródbłonka można odczepić za pomocą roztworu 0,5% trypsyny i 0,2% EDTA (zamiast utrwalania w punkcie 3.9), a następnie zmierzyć ich fluorescencję za pomocą czytnika płytek, podobnie jak ma to miejsce w współczesnych metodach (Rysunek 5).

Rycina 1. Adhezja monocytów do monowarstwy komórek śródbłonka. Na nienapromieniowanych komórkach śródbłonka monocyty przylegały jako pojedyncze komórki w sposób sporadyczny i losowy (panele lewe) oraz w skupiskach na poszczególnych komórkach śródbłonka w monowarstwie 7 dni po napromieniowaniu dawką 10 Gy (panele prawe). Dolne panele przedstawiają obrazy fluorescencyjne odpowiadające panelom górnym, co potwierdza, że małe i jasne sferyczne komórki widoczne w kontraście fazowym są rzeczywiście monocytami, które uprzednio oznakowano barwnikiem Cell-Tracker Green. Niektóre skupiska monocytów wskazano białymi strzałkami. Obrazy wykonano przy użyciu obiektywu 10X. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 2. Barwienie komórek śródbłonka na obecność białek po teście adhezji. Po przeprowadzeniu opisanego testu adhezji, komórki na szkiełkach podstawowych poddano immunofluorescencji w celu wykrycia (A) białka błonowego (CD44), b) białka cytoplazmatycznego (Tubulina) lub c) białka jądrowego (γ-H2AX). Lewe panele (A) i (B) (obrazowane obiektywem 20X) przedstawiają monocyty uprzednio znakowane barwnikiem Cell Tracker Green, a analogiczne obrazy na prawych panelach ukazują CD44 i mikrotubule (czerwone) oraz jądra barwione DAPI (niebieskie). Białe strzałki w (C) wskazują jądra napromieniowanych komórek śródbłonka, które zostały zabarwione przeciwciałami przeciwko γ-H2AX. Jądra monocytów, zabarwione przez DAPI na jaśniejszy niebieski kolor, są łatwo odróżnialne od owalnych jąder komórek śródbłonka. Obrazy wykonano przy użyciu obiektywu 20X. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 3. Barwienie komórek śródbłonka na beta-galaktozydazę związaną z senescencją. Po teście adhezji komórki na szkiełkach podstawowych poddano barwieniu na beta-galaktozydazę związaną z senescencją, co powoduje zabarwienie lizosomów komórek senescentnych na niebiesko, co jest widoczne w komórce śródbłonka selektywnie związanej z licznymi monocytami, które są łatwo identyfikowalne ze względu na mały rozmiar i sferyczny kształt. Obraz uzyskany przy użyciu obiektywu 20X. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4. Wyliczanie skupisk monocytów na poszczególnych komórkach śródbłonka. Po przeprowadzeniu testu adhezji wykonano zdjęcia komórek z kilku różnych pozycji, a następnie zidentyfikowano i zakreślono (na zielono) skupiska monocytów. Skupisko zdefiniowano jako aglomerację 10 lub więcej monocytów na jednej komórce śródbłonka. Policzono liczbę skupisk monocytów oraz liczbę komórek śródbłonka 12 dni po napromieniowaniu (oznaczone czerwonymi kropkami) na zdjęciu, a następnie obliczono procent przywierających komórek śródbłonka, jak przedstawiono w Tabeli 1. Zdjęcie wykonano przy użyciu obiektywu 10X. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 5. Ilościowe oznaczenie fluorescencji adherentnych monocytów. Po przeprowadzeniu testu adhezji komórki na szkiełkach przedmiotowych poddano trypsynizacji, a następnie zmierzono fluorescencję monocytów uprzednio znakowanych barwnikiem CellTracker Green za pomocą płytkowego czytnika fluorescencji, co służyło jako pośredni wskaźnik adhezyjności warstwy endotelialnej. Wyniki takich pomiarów w określonych dniach po napromienianiu zostały zestawione i naniesione na powyższy wykres.

Rysunek 6. Przedstawienie wyników testu adhezji z Tabeli 1. Przylegające komórki śródbłonka w pięciu różnych miejscach na trzech szklanych zakryciach oceniono zgodnie z opisem na Rysunku 4; wyniki zestawiono w powyższej tabeli, wykazując, że 12 dni po irradiation 10 Gy, od 8 do 10 procent napromieniowanych komórek śródbłonka stało się przylegającymi.
| Procentowa zawartość kleju komórki śródbłonka | |||
| Płyta 1 | Płyta 2 | Płyta 3 | |
| Pole 1 | 8.65 | 8.29 | 8.21 |
| Pole 2 | 10.44 | 7.27 | 7.21 |
| Pole 3 | 9.63 | 9.05 | 8.33 |
| Pole 4 | 11.11 | 7.09 | 8.41 |
| Pole 5 | 10.55 | 9.4 | 11.61 |
| Średnia | 10.07 | 8.22 | 8.75 |
Tabela 1. Wyniki testu adhezji. Adhezyjne komórki śródbłonka w pięciu różnych miejscach na trzech szkiełkach podstawkowych oceniono zgodnie z opisem w Rysunku 4, a wyniki zestawiono w powyższej tabeli, wykazując, że 12 dni po napromieniowaniu dawką 10 Gy od 8 do 10 procent napromieniowanych komórek śródbłonka stało się adhezyjnych.
Opisany powyżej test adhezji monocytów został z powodzeniem wykorzystany w eksperymentach mających na celu zbadanie biologicznych skutków promieniowania jonizującego na monowarstwy śródbłonka10. Chociaż nie jest to jedyna dostępna metoda oceny adhezji monowarstwy śródbłonka, jest to jedyna metoda, która pozwala na ilościowe określenie proporcji lub procentu komórek śródbłonka w monowarstwie, która jest adhezyjna. Jest to ważne rozróżnienie, ponieważ globalną ilościową zmianę adhezji monocytów, mierzoną innymi metodami, można przypisać albo ogólnemu wzrostowi adhezji wszystkich komórek monowarstwy śródbłonka, albo wzrostowi adhezji subpopulacji komórek śródbłonka w monowarstwie, jak pokazano w powyższym przykładzie. O tym, jak ważne jest posiadanie tych informacji, świadczy fakt, że możliwość ilościowego określenia odsetka komórek śródbłonka, które wykazywały zwiększoną adhezję po napromieniowaniu, doprowadziła do nieuniknionego wniosku, że efekt ten nie jest spowodowany mutacją genetyczną konkretnego genu, ponieważ odsetek komórek, które były adhezyjne, był znacznie wyższy (ponad 1000 razy większy) niż ten, którego można by się spodziewać po losowej mutacji genu przez promieniowanie rentgenowskie dawka.
Czynnikiem, który pozwala na dobrą powtarzalność wyników, jest reżim prania. Ponieważ procedura mycia polega na zanurzeniu szkiełka nakrywkowego w buforze do płukania, a następnie wklepaniu w tkankę, unika się zmienności turbulencji buforu, która nieuchronnie wynika ze starej metody pipetowania buforu do płukania do studzienki. W rzeczywistości to właśnie obserwacja nadmiernej zmienności między powtórzeniami uzyskanymi za pomocą metody pipetowania zmusiła nas do opracowania procedury mycia, która usunęła element zmienności z etapu mycia.
Trzeba przyznać, że ograniczenia tego testu polegają na konieczności ręcznego zliczania klastrów monocytów, co nie pozwala na dostosowanie go do analiz wysokoprzepustowych. Po drugie, decyzja o tym, ile monocytów składa się na klaster, musi być ustalana częściowo arbitralnie, a poziom może być zbyt wysoki i skutkować wykluczeniem niektórych prawdziwych klastrów. Brak siły ścinającej w tej metodzie może być również postrzegany jako ograniczenie w eksperymentach, w których indukowana jest znacznie zwiększona adhezja komórek śródbłonka (np. +TNFα). Jednak w innych sytuacjach brak siły tnącej jest zaletą, ponieważ pozwala na wykrycie mniej przesadnego zwiększenia przyczepności. Niewielki wzrost adhezji monocytów może być szczególnie ważny i istotny. In vivo nie można oczekiwać, że monocyty (w typowym czasie eksperymentalnym) będą przyczepiać się w dużych ilościach do komórek śródbłonka z niewielkim wzrostem adhezji, głównie z powodu siły ścinającej. Z czasem jednak niektóre monocyty prawdopodobnie by to zrobiły, a to z większym prawdopodobieństwem reprezentuje środowisko przewlekłego stanu zapalnego. W związku z tym brak siły ścinającej może być zaletą, ponieważ daje możliwość ujawnienia niewielkiego wzrostu adhezji komórek śródbłonka w eksperymentalnych ramach czasowych, które są zwykle krótkie i prawdopodobnie zbyt ulotne, aby można było zaobserwować umiarkowany wzrost adhezji pod wpływem naprężeń ścinających.
Możliwość poddania komórek po tym teście innym analizom, takim jak test starzenia i barwienie immunofluorescencyjne, zwiększa użyteczność tej metody, ponieważ umożliwia powiązanie adhezji określonych komórek śródbłonka z określonymi białkami komórkowymi lub stanami komórkowymi, jak wykazano powyżej, cecha, która nie jest dostępna w starszych testach adhezyjnych.
Metodę tę zastosowano w przypadku ludzkich komórek śródbłonka naczyń wieńcowych unieśmiertelnionych za pomocą est2, a podobne wyniki uzyskano również w przypadku pierwotnych ludzkich komórek śródbłonka wieńcowego10, co pokazuje, że nie jest ona specyficzna tylko dla określonej linii komórkowej. Ponadto przyjęcie tej metody oznaczania adhezji komórek śródbłonka nie wyklucza poddania tych samych komórek standardowemu testowi adhezji, który mierzy fluorescencję znakowanych immunocytów. Podsumowując, raport ten pokazuje, że metoda ta jest wszechstronna, kompleksowa i dostarcza znacznie więcej informacji niż standardowy test adhezji.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Jesteśmy bardzo wdzięczni Simonowi Boufflerowi za jego pełne wsparcie oraz Public Health England za wsparcie infrastruktury. Prace te były wspierane przez Public Health England poprzez grant National Institute for Health Research (NIHR). Niniejszy raport jest pracą zleconą przez NIHR. Poglądy wyrażone w tej publikacji są poglądami autorów, a niekoniecznie poglądami NHS, NIHR lub Departamentu Zdrowia. Fundatorzy nie odgrywali żadnej roli w projektowaniu badania, gromadzeniu i analizie danych, podejmowaniu decyzji o publikacji lub przygotowaniu manuskryptu.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Hepes Buforowany roztwór soli fizjologicznej (HBSS) | Sigma | H6648 | |
| Szkiełka nakrywkowe szklane o średnicy 12 mm | Menzel-Glaser | CB00120RA1 | |
| 24-dołkowa płytka klastrowa | Costar | 3526 | |
| Mezo-Endo Cell | Media Zastosowania w komórkach | 212-500 | |
| Trypsyna-EDTA | Sigma | T4174 | |
| Soja Inhibitor trypsyny | Life Technologies | 17075-029 | |
| Cell Tracker Green | Life Technologies | C7025 | |
| RPMI | Sigma | R8758 | |
| Surowica cielęca płodu | Technologies | 10500064 | |
| Zestaw do oznaczania beta glasctozydazy | Sygnalizacja komórkowa | 9860 | |
| Fibronectin | Sigma | F0895 |