Celem tego protokołu jest wywołanie przejściowej produkcji in vivo nieśmiertelnych poziomów reaktywnych form tlenu (ROS) w skórze myszy, co dodatkowo promuje reakcje fizjologiczne w tkance.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Celem tego protokołu jest wywołanie przejściowej produkcji in vivo nieśmiertelnych poziomów reaktywnych form tlenu (ROS) w skórze myszy, co dodatkowo promuje reakcje fizjologiczne w tkance.
Tutaj opisujemy protokół indukcji przełączanej fotogeneracji in vivo endogennych reaktywnych form tlenu (ROS) w skórze myszy. Ta przejściowa produkcja ROS in situ skutecznie aktywuje proliferację komórek w niszach komórek macierzystych i stymuluje regenerację tkanek, co silnie przejawia się poprzez przyspieszenie procesów gojenia się oparzeń i wzrostu mieszków włosowych. Protokół opiera się na regulowanym leczeniu fotodynamicznym, które traktuje tkankę prekursorami endogennego fotouczulacza protoporfiryny IX i dalej naświetla tkankę światłem czerwonym przy ściśle kontrolowanych parametrach fizykochemicznych. Ogólnie rzecz biorąc, protokół ten stanowi interesujące narzędzie eksperymentalne do analizy biologii ROS.
Reaktywne formy tlenu (ROS) są wynikiem chemicznej redukcji tlenu cząsteczkowego do postaci wody i obejmują tlen singletowy, anion ponadtlenkowy, nadtlenek wodoru i rodnik hydroksylowy1,2,3. ROS mają bardzo krótką żywotność ze względu na ich niezwykle reaktywny chemicznie charakter. W organizmach tlenowych ROS powstają przypadkowo wewnątrz komórek jako główny nieszczelny produkt uboczny oddychania tlenowego (łańcuch transportu elektronów) w mitochondriach. Przejściowa akumulacja wysokiego poziomu ROS w komórce powoduje stan stresu oksydacyjnego, który może wywołać nieodwracalną inaktywację białek, lipidów i cukrów oraz wprowadzenie mutacji w cząsteczce DNA2,3,4,5. Stopniowa akumulacja uszkodzeń oksydacyjnych w komórkach, tkankach i całych organizmach stale wzrasta z czasem i jest związana z indukcją programów śmierci komórkowej, kilkoma patologiami i procesem starzenia2,3,4,6.
Organizmy tlenowe stale rozwijają skuteczne mechanizmy molekularne, aby poradzić sobie z nadmiernym gromadzeniem ROS w komórkach i tkankach. Mechanizmy te obejmują członków rodziny białek dysmutazy ponadtlenkowej (SOD), które katalizują dysmutację rodników ponadtlenkowych na tlen cząsteczkowy i nadtlenek wodoru, a także różne katalazy i peroksydazy, które wykorzystują pulę przeciwutleniaczy (glutation, NADPH, peroksyredoksyna, tioredoksyna7,8) w celu katalizowania późniejszej konwersji nadtlenku wodoru do wody i tlenu cząsteczkowego.
Jednak kilka raportów potwierdza rolę ROS jako kluczowych składników obwodów molekularnych, które regulują krytyczne funkcje komórki, w tym proliferację, różnicowanie i mobilność2,3,4. Koncepcja ta jest dodatkowo wspierana przez wstępną identyfikację i charakterystykę dedykowanych mechanizmów wytwarzania RFT w organizmach tlenowych, w tym lipooksygenaz, cyklooksygenaz i oksydaz NADPH9,10. W tym sensie ROS odgrywają aktywną rolę podczas rozwoju zarodków kręgowców11,12,13 a kluczowe role tych cząsteczek w regulacji specyficznych funkcji fizjologicznych in vivo zostały zgłoszone w różnych systemach eksperymentalnych, w tym w programie różnicowania komórek progenitorowych hematopoetycznych u Drosophila14, indukcja uzdrawiania u danio pręgowanego, czyli regeneracja ogona u kijanek Xenopus15. U ssaków ROS były zaangażowane w potencjał samoodnawiania/różnicowania nerwowych komórek macierzystych w modelu neurosfery16 oraz w deregulację funkcji jelitowych komórek macierzystych podczas inicjacji raka jelita grubego17. W skórze sygnalizacja ROS jest związana z różnicowaniem naskórka i regulacją niszy komórek macierzystych skóry oraz cyklu wzrostu mieszków włosowych18,19.
Z tej perspektywy, głównym ograniczeniem eksperymentalnym pozwalającym określić fizjologiczne role ROS w systemach biologicznych, zarówno w warunkach normalnych, jak i patologicznych, jest brak odpowiednich narzędzi eksperymentalnych do indukowania kontrolowanej produkcji tych cząsteczek w komórkach i tkankach, dokładnie odwzorowujących ich fizjologiczną produkcję jako drugich przekaźników sygnałowych. Obecnie większość podejść eksperymentalnych polega na podawaniu egzogennych RFT, głównie w postaci nadtlenku wodoru. Niedawno wdrożyliśmy eksperymentalne podejście polegające na włączeniu przejściowej, nieśmiertelnej produkcji endogennych ROS in vivo w skórze myszy, w oparciu o podanie prekursorów endogennego fotouczulacza protoporfiryny IX (PpIX; np. kwasu aminolaevulinowego lub jego pochodnej metyloaminolewulinianu) i dalszego naświetlania próbki światłem czerwonym w celu wywołania tworzenia in situ ROS z wewnątrzkomórkowego tlenu cząsteczkowego (Rysunek 1). Ta procedura fotodynamiczna może być skutecznie wykorzystana do stymulacji rezydentnych nisz komórek macierzystych, aktywując w ten sposób programy regeneracyjne klasy tissue19,20 i otwierając drogę dla nowych modalności terapeutycznych w medycynie regeneracyjnej skóry. W niniejszym artykule przedstawiamy szczegółowy opis protokołu, pokazujący reprezentatywne przykłady stymulacji nisz komórek macierzystych, mierzonej jako wzrost liczby długoterminowych komórek zatrzymujących znacznik 5-bromo-2'-deoksyurydyny (BrdU) (LRC) w obszarze wybrzuszenia mieszka włosowego19,21, a następnie aktywacja programów regeneracyjnych (przyspieszenie procesów wzrostu włosów i gojenia oparzeń) wywołana przez stan przejściowy, nieśmiertelna produkcja ROS w skórze szczepu myszy C57Bl6.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie procedury hodowli i eksperymentów na myszach muszą być prowadzone zgodnie z lokalnymi, krajowymi, międzynarodowymi przepisami i wytycznymi dotyczącymi eksperymentów na zwierzętach.
1. Indukcja wzrostu włosów, indukcja oparzeń i identyfikacja długotrwałych BRDU LRC w nabłonku skóry ogona
UWAGA: Do opisanych poniżej eksperymentów używaj 10-dniowych lub 7-tygodniowych myszy C57BL/6, najlepiej rodzeństwa z miotu. We wszystkich procedurach eksperymentalnych zwierzęta będą znieczulane przez inhalację 3% izofluranu lub uśpione przez zwichnięcie szyjki macicy, zgodnie ze wskazaniami.
2. Indukcja przejściowej produkcji nieśmiertelnych poziomów ROS w skórze myszy
UWAGA: Aby wywołać przejściowe wytwarzanie nieśmiertelnych poziomów ROS w skórze myszy, zostanie zastosowana terapia fotodynamiczna z użyciem prekursora endogennego fotosensybilizatora PpIX, w tym przypadku metyloaminolewulinianu (mALA) i światła czerwonego.
3. Wykrywanie ROS w skórze
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Miejscowe podanie prekursora mALA w skórę grzbietu i ogona myszy prowadzi do znacznej akumulacji PpIX w całej tkance, a w szczególności w mieszku włosowym, co potwierdza czerwono-różowa fluorescencja tego związku pod wpływem wzbudzenia światłem niebieskim (407 nm) (Rysunek 2A,C). Następne napromieniowanie potraktowanej tkanki światłem czerwonym (636 nm) przy gęstości energii 2,5−4 J/cm2 indukuje przejściową produkcję ROS w tkance, zwłaszcza w obszarze wypukłości (...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W tym miejscu przedstawiamy metodologię, która pozwala na przejściową aktywację endogennej produkcji ROS in vivo w skórze myszy z efektami fizjologicznymi. Metodologia opiera się na procedurze fotodynamicznej mającej na celu wywołanie kontrolowanej i miejscowej stymulacji endogennego fotouczulacza PpIX (ryc. 1B). To eksperymentalne podejście jest interesującym narzędziem do badania biologii ROS w systemach eksperymentalnych in vivo, stanowiąc znaczący postęp w stosunku do metodologii wykorzy...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie komercyjne zastosowania procedur opisanych w tej pracy są chronione patentem CSIC-UAM (EP2932967A1) autorstwa EC, MIC i JE i licencjonowanym przez Derma Innovate SL do komercyjnego wykorzystania. JE i JJM zajmują stanowisko doradcze w Derma Innovate SL.
Ta praca została wsparta grantami od Ministerio de Economía y Competitividad (RTC-2014-2626-1 dla JE) i Instituto de Salud Carlos III (PI15/01458 dla JE) z Hiszpanii. Komisja Europejska otrzymała wsparcie w ramach grantu Atracción de Talento Investigador 2017-T2/BMD-5766 (Comunidad de Madrid i UAM).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 2′,7′-dichlorofluorescin dioctan | Sigma Aldrich | D6883-50MG | |
| 5'-bromo-2'-deoksyjuryna | Sigma | Aldrich B5002-500MG | |
| Anty-bromodeoksyurydyna-fluoresceina | Roche | 11202693001 | |
| Krem do depilacji (np. Veet) | Veet | ||
| Dihydroethidium | Sigma Aldrich | 37291-25MG | |
| System obrazowania in vivo, np. IVIS Lumina 2 | Perkin Elmer | ||
| mALA w postaci kremu do stosowania miejscowego, np. METVIX Crema 160 mg/g | Miernik energii Galderma | ||
| Power (np. ThorLabs Model PM100D) | ThorLabs | ||
| Źródło światła czerwonego, np. 636 nm Lampa LED Aktilite | Photocure ASA |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.