Apoptoza, czyli zaprogramowana śmierć komórki, jest wysoce regulowanym procesem fizjologicznym, który występuje w większości organizmów wielokomórkowych i jest kluczowy dla ich rozwoju i homeostazy1. Oprócz udziału w prawidłowym obrocie komórkowym i rozwoju embrionalnym, apoptoza umożliwia eliminację zainfekowanych lub uszkodzonych komórek z tkanek i może być wywołana w odpowiedzi na infekcję, stan zapalny, raka, a także przez interwencje medyczne, takie jak radioterapia lub sterydy1. Komórki apoptotyczne eksponują sygnały "zjedz mnie" na powierzchni komórki, które są rozpoznawane przez receptory na szeregu profesjonalnych i nieprofesjonalnych fagocytów, zwanych zbiorczo "efferocytami". Zaangażowanie tych receptorów indukuje wychwyt i degradację komórki apoptotycznej przez efferocyt w procesie znanym jako efferocytoza2,3. Fosfatydyloseryna jest najlepiej scharakteryzowanym sygnałem eat-me napędzającym efferocytozę. Zwykle jest ograniczony do wewnętrznej ulotki błony komórkowej, a apoptoza aktywuje mieszankę lipidową, która zaburza tę asymetrię błony, odsłaniając w ten sposób fosfatydyloserynę na powierzchni komórki4. Fosfatydyloseryna znajduje się na zewnątrzkomórkowej powierzchni niektórych komórek nieapoptotycznych, takich jak dojrzałe makrofagi i aktywowane płytki krwi. Jednak komórki te nie są efferocytozowane ze względu na obecność sygnałów "nie jedz mnie", takich jak CD47, na powierzchni komórki5,6,7. Eksponowana fosfatydyloseryna jest rozpoznawana przez szereg receptorów efferocytarnych wyrażanych przez efferocyty. Wiązanie tych receptorów z fosfatydyloseryną, bezpośrednio lub za pomocą opsonin, aktywuje szlaki sygnałowe, które promują wchłonięcie komórki apoptotycznej do wakuoli związanej z błoną, zwanej efferosomem8,9,10,11,12. Effersom łączy się sekwencyjnie z endosomami i lizosomami, które dostarczają molekularną maszynerię niezbędną do zakwaszenia efferosomu i degradacji komórki apoptotycznej cargo13,14. Po degradacji materiały pochodzące z komórek apoptotycznych są transportowane do endosomu recyklingu — proces, który ogranicza odpowiedzi immunologiczne na antygeny pochodzące z komórek apoptotycznych i który może pozwolić na odzyskanie składników odżywczych z komórki apoptotycznej 13,15. Niepowodzenie w eferocytozie powoduje upośledzenie klirensu komórek apoptotycznych; Te nieoczyszczone komórki w końcu ulegają wtórnej martwicy. Komórki martwicze uwalniają prozapalną zawartość cytozolową, patogeny i autoantygeny do środowiska zewnątrzkomórkowego, napędzając w ten sposób szereg chorób zakaźnych, zapalnych i autoimmunologicznych16,17. Apoptoza i efferocytoza razem ułatwiają usuwanie obumierających i martwych komórek oraz pozwalają na utrzymanie homeostazy tkanek.
Badanie molekularnych mechanizmów leżących u podstaw efferocytozy wymaga metod, które zapewniają jasną kwantyfikację absorpcji komórek apoptotycznych. Tę kwantyfikację komplikuje fakt, że w przeciwieństwie do innych mechanizmów wychwytu, takich jak endocytoza i fagocytoza18,19, efferocytoza może nie prowadzić do pochłonięcia nienaruszonej komórki docelowej, co skutkuje fragmentarycznym wychwytem komórki apoptotycznej przez efferocyty20. Opisany tutaj protokół opisuje test eferocytozy in vitro, który zapewnia dokładne określenie zinternalizowanych i niezinternalizowanych części poszczególnych komórek apoptotycznych i może być łączony z różnymi podejściami do mikroskopii komórek stałych i żywych. Tradycyjne testy fagocytozy dodają przeciwciała specyficzne dla celu fagocytarnego na końcu eksperymentu w celu oznaczenia niezinternalizowanych celów, gdzie nasza metoda różni się znakowaniem celu apoptotycznego kowalencyjnie połączoną biotyną21,22. Podczas gdy w tym teście można zastosować przeciwciała specyficzne dla komórek apoptotycznych, podejście biotynylacji pozwala na znakowanie dowolnego celu zawierającego białko i pozwala uniknąć potencjalnych problemów z wtórną reaktywnością krzyżową przeciwciał, jeśli przeprowadza się barwienie immunologiczne. W szczególności przedstawiamy przygotowanie apoptotycznych komórek Jurkat, które zostały podwójnie wybarwione zarówno barwnikiem śledzącym komórki, jak i biotyną. Barwnik śledzący komórki pozwala na śledzenie apoptotycznych materiałów pochodzących z komórek podczas efferocytozy, podczas gdy biotynylacja powierzchniowa pozwala na rozróżnienie zinternalizowanych i niezinternalizowanych części efferocytozowanych komórek apoptotycznych. Opisujemy również hodowlę i przygotowanie linii komórkowych J774.2 i THP-1 do stosowania jako mysie i ludzkie efferocyty, makrofagi M2 pochodzące z monocytów jako przykład pierwotnej efferocytozy komórkowej oraz komórki Jurkat do stosowania jako cele efferocytarne. Metody te można łatwo zastosować do innych linii komórkowych lub komórek pierwotnych, do komórek docelowych przechodzących jakąkolwiek formę śmierci komórkowej (np. apoptozy, nekrozy i nekroptozy) oraz do mimików o rozmiarach mikronów, które symulują apoptozę komórek przez powłoki lipidowe lub powłoki z ligandami specyficznymi dla receptora efferocytarnego będącego przedmiotem zainteresowania.
Metoda opisana w tym protokole ma kilka zalet w porównaniu z metodami opartymi na cytometrii przepływowej powszechnie stosowanymi w polu23,24. Poprzez bezpośrednie obrazowanie interakcji fagocytów-komórek apoptotycznych, w połączeniu z wyraźnym znakowaniem zarówno całkowitego, jak i niezinternalizowanego materiału komórek apoptotycznych, można dokonać ilościowych pomiarów efferocytozy. Co więcej, stosowanie fluoroforów niewrażliwych na pH ogranicza czynniki zakłócające, takie jak tłumienie fluorescencji FITC i GFP przy pH lizosomalnym, co zakłóca niektóre alternatywne metody25. Wreszcie, chociaż nie opisano ich szczegółowo, metody te można zastosować przy użyciu efferocytów eksprymujących transgeny znakowane fluorescencyjnie lub przy barwieniu immunologicznym po utrwaleniu, aby umożliwić ilościowe określenie aktywności cząsteczki sygnałowej i monitorowanie procesów komórkowych podczas efferocytozy.