RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Opisujemy eksperymentalny układ do wizualizacji z bezprecedensową wysoką rozdzielczością tworzenia i zamykania fagosomów w trzech wymiarach u żywych makrofagów, przy użyciu mikroskopii fluorescencyjnej z całkowitym wewnętrznym odbiciem. Umożliwia monitorowanie podstawy miseczki fagocytarnej, rozciągających się pseudopodów, a także dokładnego miejsca rozszczepienia fagosomu.
Fagocytoza jest mechanizmem wykorzystywanym przez wyspecjalizowane komórki do internalizacji i eliminacji mikroorganizmów lub resztek komórkowych. Opiera się na głębokich rearanżacjach cytoszkieletu aktynowego, który jest siłą napędową rozszerzania błony plazmatycznej wokół cząstki. Ponadto skuteczne pochłanianie dużego materiału opiera się na ogniskowej egzocytozie przedziałów wewnątrzkomórkowych. Proces ten jest bardzo dynamiczny i opisano wielu graczy molekularnych, którzy odgrywają rolę w tworzeniu miseczek fagocytarnych. Precyzyjna regulacja w czasie i przestrzeni wszystkich tych cząsteczek pozostaje jednak nieuchwytna. Ponadto ostatni etap zamykania fagosomu był bardzo trudny do zaobserwowania, ponieważ hamowanie przez interferencję RNA lub dominujące ujemne mutanty często prowadzi do zahamowania tworzenia miseczki fagocytarnej.
Stworzyliśmy dedykowane eksperymentalne podejście wykorzystujące mikroskopię fluorescencji całkowitego wewnętrznego odbicia (TIRFM) w połączeniu z epifluorescencją, aby krok po kroku monitorować przedłużenie pseudopodów i ich końcówek w fagosomie rosnącym wokół cząstki luźno związanej z szkiełkiem nakrywkowym. Metoda ta pozwala nam obserwować z wysoką rozdzielczością same czubki pseudopodów i ich fuzję podczas zamykania fagosomu w żywych komórkach dla dwóch różnych fluorescencyjnie znakowanych białek w tym samym czasie.
Fagocytoza to główna funkcja komórki, która zaczyna się od rozpoznania i związania materiału z receptorami powierzchniowymi, co następnie prowadzi do internalizacji i degradacji spożytego materiału. Podczas gdy jednokomórkowe eukarionty, takie jak pleśń Dictyostelium discoideum i ameby, wykorzystują fagocytozę do odżywiania się bakteriami, organizmy wyższe wyewoluowały z komórkami profesjonalnymi. Makrofagi lub komórki dendrytyczne są pierwszą linią obrony przed patogenami w różnych tkankach i narządach i mają kluczowe znaczenie dla aktywacji adaptacyjnego układu odpornościowego poprzez prezentację antygenu i produkcję cytokin 1-4. W pewnych okolicznościach fagocytoza może być wykonywana przez nieprofesjonalne komórki fagocytarne, np. komórki śródbłonka i nabłonka. Proces ten jest ważny dla utrzymania homeostazy podczas rozwoju i w wieku dorosłym dla prawidłowego obrotu i przebudowy tkanek. Wreszcie, wyspecjalizowane fagocyty, takie jak komórki Sertoliego w jądrze lub komórki nabłonka barwnikowego siatkówki, są niezwykle silnymi fagocytami 5.
Tworzenie fagosomu, w którym następuje degradacja mikroorganizmów lub szczątków komórkowych, rozpoczyna się od zgrupowania receptorów fagocytarnych na powierzchni komórki fagocytarnej. Zdarzenia sygnalizacyjne następujące po grupowaniu receptorów opsonicznych, takich jak receptory Fc (FcR) lub receptory dopełniacza (CR), zostały dobrze scharakteryzowane. Istnieje jednak również wiele receptorów nieopsonicznych, w tym receptory Toll-podobne (TLR), lektyny, receptory mannozy i receptory padlinożerców. Receptory te rozpoznają determinanty na powierzchni cząstek, takie jak reszty mannozy lub fukozy, fosfatydyloseryna i lipopolisacharydy 1,6-9.
Rozpoznawanie patogenów lub szczątków komórkowych polega na wiązaniu i grupowaniu kilku typów receptorów fagocytarnych, co następnie prowadzi do intensywnej i przejściowej przebudowy aktyny. Równolegle ogniskowa egzocytoza przedziałów wewnątrzkomórkowych przyczynia się do uwolnienia napięcia błonowego i jest ważna dla efektywnej fagocytozy dużych cząstek. Zdarzenia sygnalizacyjne prowadzące do polimeryzacji aktyny i deformacji błony zostały przeanalizowane w modelach eksperymentalnych, które wyzwalały pojedynczy receptor fagocytarny. Podczas fagocytozy za pośrednictwem FcR zachodzi intensywna polimeryzacja aktyny, która jest regulowana przez małe GTPazy (Rac, Cdc42). Białko zespołu Wiskotta-Aldricha (WASP) prowadzi do aktywacji kompleksu 2/3 białka związanego z aktyną (Arp2/3), który zarodkuje włókna aktynowe 1,2,4,10. Lokalna produkcja fosfatydyloinozytolu-4, 5-bisfosforanu (PI(4,5)P2) ma kluczowe znaczenie dla początkowej polimeryzacji aktyny, która napędza tworzenie pseudopodów. Jego konwersja do PI(3,4,5)P3 jest wymagana do wydłużenia pseudopoda i zamknięcia fagosomu 11. Do zaniku PI(4,5)P2 przyczynia się kilka szlaków. Po pierwsze, oderwanie kinaz fosforanowych fosfatydyloinozytolu () od fagosomu zatrzymuje syntezę PI(4,5)P2. Po drugie, może być fosforylowany i zużywany przez kinazy PI3K klasy I (PI3K) i przekształcany w PI(3,4,5)P3 12. Rola fosfataz i fosfolipaz została również zasugerowana w hydrolizie PI(4,5)P2 i usuwaniu F-aktyny podczas fagocytozy w komórkach ssaków i w Dictyostelium13,14. Fosfolipaza C (PLC)δ hydrolizuje PI(4,5)P2 do diacyloglicerolu i inozytolo-1,4,5-trifosforanu. Fosfataza PI(4,5)P2 i PI(3,4,5)P3 OCRL (zespół oczno-mózgowo-nerkowy Lowe'a) jest również zaangażowana w tworzenie fagosomów. Precyzyjne miejscowe tworzenie F-aktyny i jej depolimeryzacja jest ściśle regulowana w czasie i przestrzeni, a my wykazaliśmy, że rekrutacja przedziałów wewnątrzkomórkowych jest ważna dla lokalnego dostarczania fosfatazy OCRL, przyczyniając się w ten sposób do lokalnej depolimeryzacji aktyny u podstawy miseczki fagocytarnej 13,15. W tym celu użyliśmy opisanej tutaj konfiguracji eksperymentalnej.
Mechanizm i czynniki molekularne niezbędne do zamknięcia fagosomu i rozszczepienia błony pozostają słabo zdefiniowane z powodu trudności w wizualizacji i monitorowaniu miejsca zamknięcia fagosomu. Do niedawna fagocytozę obserwowano na stałych lub żywych komórkach, które internalizują cząstki na swojej powierzchni grzbietowej lub po bokach, co utrudnia terminową wizualizację miejsca zamknięcia fagosomu. Ponadto metody mocowania mogą powodować cofanie się błon i zniekształcać wyniki dotyczące wydłużania i zamykania pseudopodiów. W przeciwieństwie do tego, test, który skonfigurowaliśmy i opisaliśmy tutaj, pozwala nam uwidocznić wydłużenie pseudopoda i etap zamykania fagocytozy w żywych komórkach 13, w oparciu o całkowitą mikroskopię wewnętrznego odbicia (TIRFM) 16. Ta technika optyczna wykorzystuje falę ulotną do wzbudzenia fluoroforów w cienkim obszarze na granicy między przezroczystym ciałem stałym (szkiełko nakrywkowe) a cieczą (pożywką do hodowli komórkowych). Grubość głębokości wzbudzenia wynosi około 100 nm od powierzchni ciała stałego, co pozwala na wizualizację zdarzeń molekularnych w pobliżu błony plazmatycznej. TIRFM pozwala na wysoki stosunek sygnału do tła i ogranicza zebraną fluorescencję nieostrą oraz cytotoksyczność spowodowaną oświetleniem komórek.
Korzystając z TIRFM, opracowaliśmy "test zamykania fagosomu", w którym szkiełka nakrywkowe są aktywowane polilizyną, a następnie pokrywane IgG-opsonizowanymi czerwonymi krwinkami (IgG-SRBC). Makrofagi wykazujące ekspresję przejściowo znakowanych fluorescencyjnie białek będących przedmiotem zainteresowania mogą następnie pochłonąć IgG-SRBC. Podczas gdy komórki odrywają cząstki docelowe, które są niekowalencyjnie związane z powierzchnią szkła, końcówki pseudopodów można obserwować i rejestrować w trybie TIRF. Akwizycje TIRF łączy się z akwizycjami w trybie epifluorescencji, po przesunięciu stopnia o 3 μm powyżej, co pozwala na wizualizację podstawy miseczki fagocytarnej. Możliwe jest również dodanie leków farmakologicznych, takich jak leki hamujące aktynę lub dynaminę podczas procesu, w celu dalszej analizy procesu na poziomie molekularnym.
Protokół opisany tutaj szczegółowo dotyczy mysiej linii komórkowej makrofagów RAW264.7 i opsonizowanych cząstek, ale praktycznie można go dostosować do dowolnej innej komórki fagocytarnej i z innymi celami, takimi jak koraliki. Metoda ta pozwoli na lepsze scharakteryzowanie regulacji w czasie i przestrzeni graczy molekularnych zaangażowanych w wydłużanie pseudopodów i zamykanie fagosomów podczas różnych procesów fagocytarnych.
Uwaga: Plazmid użyty Lifeact-mCherry jest miłym darem od dr Guillaume'a Montagnaca z Instytutu Curie w Paryżu, wygenerowanym po 17 roku.
1. Komórki i transfekcja
Uwaga: Makrofagi RAW264.7 są hodowane do subkonfluencji w kompletnym pożywce (pożywka RPMI (Roswell Park Memorial Institute) 1640, 10 mM HEPES, 1 mM pirogronianu sodu, 50 μM β-merkaptoetanolu, 2 mM L-glutaminy i 10% FCS (surowica cielęca płodu)) na płytce o średnicy 100 mm. Są one transfekowane plazmidami kodującymi fluorescencyjnie znakowane białka za pomocą elektroporacji. Rutynowo około 5 - 6 x 106 komórek jest transfekowanych 20 μg lub 10 μg plazmidu odpowiednio dla każdej transfekcji lub kotransfekcji. Należy pamiętać, że inne metody transfekcji oparte na elektroporacji lub lipofekcji mogą być stosowane jako alternatywne podejścia.
2. Opsonizacja czerwonych krwinek
Uwaga: Jako model docelowych cząstek dla makrofagów stosuje się owcze krwinki czerwone (SRBC). Zwykle stosuje się około 7 x 106 SRBC na naczynie ze szklanym dnem o średnicy 35 mm.
3. Powłoka polilizynowa szkiełek nakrywkowych
4. Niekowalencyjne utrwalanie SRBC na naczyniach ze szklanym dnem
5. Fagocytoza wizualizowana przez TIRFM
System eksperymentalny opisany w tym manuskrypcie jest schematycznie przedstawiony na rysunku 1. Transfekowane makrofagi RAW264.7 wyrażające interesujące białka połączone ze znacznikiem fluorescencyjnym są umieszczane w kontakcie z IgG-opsonizowanymi krwinkami czerwonymi owiec (SRBC), które zostały niekowalencyjnie utrwalone na szkiełku nakrywkowym. Makrofagi mogą oderwać SRBC od szkiełka nakrywkowego, aby je pochłonąć. Zastosowany mikroskop TIRF pozwala na jednoczesne pozyskiwanie sygnałów z obszaru TIRF odpowiadających końcówkom pseudopodów oraz sygnałów w trybie epifluorescencji po przesunięciu Z o 3 μm powyżej.
Istotne jest określenie kąta krytycznego dla całkowitej wewnętrznej fluorescencji odbicia, jak opisano na rysunku 2. Zapewnia to czysty sygnał TIRF z obszaru 100 nm poniżej błony plazmatycznej. Rysunek 3 przedstawia opracowywanie parametrów akwizycji za pomocą modułu o nazwie "Edytor protokołu" zawartego w oprogramowaniu Live Acquisition. Moduł ten pozwala użytkownikom tworzyć i zarządzać przepływami pracy przed wysłaniem ich do mikroskopu, który wykona proces. Na końcu pozyskiwania użytkownik pobiera strumień TIFF.
Rysunek 4 pokazuje, reprezentatywny film TIRFM z żywych komórek "testu zamykania fagosomu" w makrofagach RAW264.7 transfekowanych plazmidem (np. Lifeact-mCherry, uprzejmy dar dr Guillaume'a Montagnaca, Institut Curie, Paryż, wygenerowany po 17) w celu śledzenia polimeryzacji aktyny. Makrofagom przejściowo eksprymującym plazmid pozwolono pochłonąć IgG-SRBC związane ze szkiełkiem nakrywkowym. Gdy końcówki pseudopodów zostały przyłożone do szklanego szkiełka nakrywkowego wokół jednego SRBC, wykryto pierścień F-aktyny w obszarze TIRF (górny panel), który stopniowo zwężał się, aż się zamknął. Równolegle niewyraźny sygnał F-aktyny wykryty przez epifluorescencję po przesunięciu stopnia o 3 μm powyżej (dolny panel) odpowiadał depolimeryzacji u podstawy miseczki fagocytarnej. Po 3 minutach od akwizycji SRBC został całkowicie zinternalizowany, co zostało potwierdzone światłem przechodzącym (panel po prawej).
Dlatego ta metoda może być wykorzystana do prawidłowego rozróżnienia zdarzeń molekularnych, które mają miejsce na samych końcach pseudopodów, od zdarzeń molekularnych zachodzących u podstawy miseczki fagocytarnej.

Rysunek 1. Schematyczne przedstawienie "testu zamykania fagosomu" analizowanego przez TIRFM. Test zamykania fagosomu przeprowadza się przy użyciu makrofagów wykazujących przejściową ekspresję jednego lub dwóch fluorescencyjnie znakowanych białek. Makrofagi osadzają się na IgG-opsonizowanych SRBC niekowalencyjnie utrwalonych na szkiełkach nakrywkowych pokrytych polilizyną. Obrazy są rejestrowane w trybie TIRF w celu wykrycia miejsca zamknięcia fagosomu oraz w trybie epifluorescencji w celu wykrycia podstawy miseczki fagocytarnej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Wyznaczanie kąta krytycznego dla TIRFM. (A) Za pomocą "Akwizycji żywego" komórkę wykazującą ekspresję fluorescencyjnie znakowanych białek umieszcza się w środku pola (region 1 na czerwono). Dzięki opcji stosu TIRF obrazy były rejestrowane na jednej długości fali wzbudzenia, pod różnymi kątami od 0° do 5°, z krokiem 0,01° (obszar 2 na czerwono). (B) Sekwencja obrazów jest otwierana za pomocą oprogramowania ImageJ Color Profiler, a średnia intensywność fluorescencji obszaru zainteresowania (ROI) jest wykreślana z funkcją kątów na osi x za pomocą "Stosów" i "Profilu osi PlotZ" (obszar 1 na czerwono). (C) Położenie x piku fluorescencji na wykresie odpowiada kątowi krytycznemu: 1,98° (linia przerywana). Można użyć dowolnej wartości po tym kącie. Na przykład można wybrać 2,00° (czerwona linia). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3. Proces przepływu pracy z wykorzystaniem modułu Live Acquisition: "Edytor protokołów". (A) W oknie "Edytor protokołu" tworzone jest płótno przepływu pracy. (B) Protokół ten składa się z "pętli" czynności, które mikroskop powtórzy tyle razy, ile zdecyduje użytkownik. Na przykład: 750 (1). Jedna pętla obejmowała: akwizycję "Multi Channels" z laserowym wzbudzaniem interesujących białek fluorescencyjnych w trybie TIRF. Na przykład: Laser 491 nm intensywność 50% -kąt TIRF 2,00 (2); »ruch Z« celu 3 μm (3); Akwizycja "wielokanałowa" w trybie epifluorescencji (4); "Ruch Z" celu z powrotem do obszaru TIRF (5) i "Migawka" w świetle przechodzącym (6). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4. F-aktyna jest akumulowana jako punkt w miejscu zamknięcia fagosomu. Test zamykania fagosomów przeprowadzono przy użyciu makrofagów RAW264.7 wykazujących przejściową ekspresję plazmidu Lifeact-mCherry (dar dr Guillaume'a Montagnaca z Instytutu Curie w Paryżu, wygenerowany po 17 roku życia). Sygnał plazmidowy został uzyskany w obszarze TIRF (na górze) i w trybie epifluorescencji (na dole). Czerwony grot strzałki wskazuje akumulację aktyny w regionie TIRF. Prezentowany jest obraz w świetle przechodzącym po 3 minutach, wskazujący na zinternalizowane SRBC. Podziałka liniowa, 10 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Film 1: F-aktyna gromadzi się w końcach pseudopodów i w miejscu zamknięcia fagosomu, podczas gdy jest usuwana z podstawy kubka fagocytarnego. Test zamknięcia fagosomu przeprowadzono przy użyciu makrofagów RAW264.7 przejściowo eksprymujących plazmid. Obrazowanie plazmidowe w obszarze TIRF (na górze) i w trybie epifluorescencji (na dole) przy użyciu TIRFM wykonywano naprzemiennie co 50 ms przez 3 minuty w temperaturze 37 °C. Kliknij tutaj, aby wyświetlić ten film.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Opisujemy eksperymentalny układ do wizualizacji z bezprecedensową wysoką rozdzielczością tworzenia i zamykania fagosomów w trzech wymiarach u żywych makrofagów, przy użyciu mikroskopii fluorescencyjnej z całkowitym wewnętrznym odbiciem. Umożliwia monitorowanie podstawy miseczki fagocytarnej, rozciągających się pseudopodów, a także dokładnego miejsca rozszczepienia fagosomu.
Dziękujemy Dr. Alexandre Benmerah (Institut Imagine Necker, Paryż, Francja) za wstępne dyskusje na temat eksperymentalnego podejścia oraz Dr. Jamilowi Jubrailowi za przeczytanie manuskryptu. Nadège Kambou i Susanna Borreill są cenione za przeprowadzanie eksperymentów z tą metodą w naszym laboratorium. Prace te były wspierane przez granty z CNRS (Program ATIP), Ville de Paris i Agence Nationale de la Recherche (2011 BSV3 025 02), Fondation pour la Recherche Médicale (FRM INE20041102865, FRM DEQ20130326518 w tym stypendium doktoranckie dla CMW) dla FN oraz Agence Nationale de Recherche sur le SIDA et les hépatites virales" (ANRS), w tym stypendium doktoranckie dla JM.
| Anty-owcze czerwone krwinki IgG | MP Biomedicals | 55806 | |
| Surowica bydlęca Albumina frakcja szoku cieplnego, pH 7, ≥ 98% | Sigma | A7906 | |
| Podnośnik komórek | Corning | 3008 | |
| Kuwety 4 mm | Projekt ogniwa | EP104 | |
| DPBS, bez wapnia, bez magnezu | Thermo Fischer Scientific | 14190-094 | Temperatura pokojowa |
| Zestaw elektrobufora | Projekt ogniwa | EB110 | |
| 100 mm Naczynie do hodowli komórkowych z powłoką TC | Corning | 353003 | |
| Gene X-cell pulser | Biorad | 165-2661 | |
| Roztwór gentamycyny | Sigma | G1397 | |
| Naczynia ze szklanym dnem 35 mm niepowlekane 1.5 | MatTek corporation | P35G-1.5-14-C Case | |
| iMIC | TILL Photonics | Obiektyw zanurzeniowy w oleju (N 100X, NA1.49), komora grzewcza z CO2, kamera do wykrywania pojedynczych fotonów EMCCD (Electron Urządzenie sprzężone z ładunkiem zwielokrotniającym) i soczewka 1,5X | |
| Roztwór poli-L-lizyny 0,1% | Sigma | P8920-100ml | Rozcieńczenie 0,01% w wodzie |
| RPMI 1640 średni GLUTAMAX Suplement | Life technologies | 61870-010 | |
| RPMI 1640 medium, bez czerwieni fenolowej (10 x 500 ml) | Technologie życia | 11835-105 | Ciepły w 37 stopniach; C Kąpiel wodna przed użyciem |
| Owcze krwinki czerwone (SRBC) | Eurobio | DSGMTN00-0Q | Konserwowane w buforze Alsever w temperaturze 4 & stopni; C przed użyciem |