Análise da interação de nanopartículas com subpopulações definidas de células do sistema imunológico, por citometria de fluxo.
Artigo de método
Análise da interação de nanopartículas com subpopulações definidas de células do sistema imunológico, por citometria de fluxo.
Nanopartículas são dotados de propriedades muito promissoras para fins terapêuticos e de diagnóstico. Este trabalho descreve um método rápido e confiável de análise por citometria de fluxo para estudar a interação de nanopartículas com células do sistema imunológico. Células imunitárias primárias podem ser facilmente purificadas a partir de tecidos humanos ou de rato por isolamento magnético mediada por anticorpos. No primeiro caso, as diferentes populações de células que funcionam num citómetro de fluxo pode ser distinguida pela luz dispersa para a frente-(FSC), que é proporcional ao tamanho da célula, e a luz dispersa-lateral (SSC), relacionados com a complexidade celular interna. Além disso, os anticorpos marcados com fluorescência contra receptores específicos da superfície celular permite a identificação das várias subpopulações de dentro da mesma amostra. Muitas vezes, todos esses recursos variam quando as células são impulsionadas por estímulos externos que mudam seu estado fisiológico e morfológico. Aqui, de 50 nm de FITC-SiO 2 nanopartículas são usadas como um modelo para identificar the internalização de materiais nanoestruturados em células imunitárias do sangue humano. A fluorescência celular e leve aumento espalhadas do lado após incubação com nanopartículas nos permitiu definir o tempo ea dependência concentração de interação de células de nanopartículas. Além disso, tais protocolos pode ser estendida para investigar Rodamina-SiO 2 nanopartículas interacção com microglia primário, as células do sistema imunológico residentes no sistema nervoso central, isolado a partir de ratinhos mutantes que expressam especificamente a proteína verde fluorescente (GFP) da linhagem monócito / macrófago. Finalmente, a citometria de fluxo de dados relacionados com a nanopartícula interiorização nas células ter sido confirmada por microscopia confocal.
Nanomateriais são hoje inspirando o interesse de cientistas de vida para os potenciais aplicações para a biomedicina 1. Uma grande variedade de materiais inorgânicos e orgânicos podem ser utilizados para a produção de nanoestruturas com diferentes formas físicas, e características químicas. Entre essas estruturas, nanopartículas de forma esférica demonstrado grande potencial para a medicina diagnóstica e de translação 2. O seu núcleo e design de superfície são movidos por uma possível aplicação e implica um estudo profundo de respostas das células-alvo após o contato de nanopartículas e interação. As nanopartículas que são pensados para ser administrado deliberadamente a seres humanos vai entrar em contato direto com vários tipos de células do sistema imunológico. A sua responsabilidade de manter a integridade do corpo torna um tema crucial da investigação em nanomedicina 3.
A parte celular do sistema imunológico inato é representada principalmente por phagocitos. Entre eles, a linhagem dos monócitos / macrófagos, células derivadas, incluindo as microglia residentes no sistema nervoso central, desempenha um papel fundamental na defesa imunológica 4,5. Eles são capazes de desencadear respostas de protecção dentro de poucas horas após encontrar com corpos estranhos. Além disso, coordenar as células monocíticas e instruir a resposta imune adaptativa por meio da liberação de citocinas. Todos estes acontecimentos ocorrem mesmo na presença de materiais fabricados, os quais são em grande parte percebidos como "não-eu" pelo sistema imunitário 6.
Entre os métodos historicamente utilizados em imunologia para análise das células, citometria de fluxo representa uma das ferramentas mais poderosas. Além disso, a disponibilidade de tecnologias para a identificação ou purificação de uma subpopulação específica imune (geralmente explorando a exclusão ou a presença de uma única proteína de membrana) permite uma investigação exacta dos efeitos de um determinado nanopartículas em que ce primário especialll tipo 7. No entanto, as células podem apresentar alterações fisiológicas e morfológicas após exposição a nanopartículas. Além disso, as nanopartículas podem interferir com os parâmetros ópticos específicos, tais como a absorção ou emissão de luz em comprimentos de onda definidos, influenciar os resultados obtidos 8. Assim, os limites de utilização e eventuais adaptações de ensaios imunológicos clássicos para o estudo de novos materiais devem ser considerados.
Este trabalho refere-se à detecção de interações de nanopartículas com células imunes primárias por citometria de fluxo. Para abordar esta questão, 50 nm FITC-SiO 2 nanopartículas foram empregados como um nanomaterial modelo para descrever o método. As partículas de sílica podem ser produzidas de uma maneira muito precisa em escala nanométrica. Tamanho, forma, e propriedades de superfície, tais como carga ou hidrofobicidade, pode ser afinado para aumentar a sua biocompatibilidade 9. Muitos recursos de SiO 2 nanopartículas lhes permitem ser utilizado como ummodelo para a entrega da droga partículas 10. Além disso, corantes fluorescentes ou pontos quânticos pode ser preso ou ligados a estas partículas nano-oferecendo ferramentas úteis para fins de imagem 11.
ÉTICA DECLARAÇÃO
Amostras humanas e animais foram processados de acordo com as diretrizes do Ministério da Saúde italiano, a lei 116/92 e da Directiva 86/609/CEE do Conselho Comunidades Europeias.
1. As culturas de células monócitos
2. Isolamento de células mononucleares de sangue periférico (PBMC) a partir de Buffy Coats
3. Purificação de monócitos a partir de PBMC primária
4. A purificação do primário a partir de monócitos de sangue inteiro
5. Nanopartículas Internalização no sangue leucócitos e monócitos purificados
6. Isolamento de culturas mista glial primárias (Veja Bertero et al. 7)
7. Repique uma cultura de células gliais Confluent Mista
8. Nanopartículas Internalização em Microglia
9. A coloração com CD11b-VioBlue
10. Derramamento espectral sobre Compensação
A citometria de fluxo é uma ferramenta útil para identificar e caracterizar as células diferentes, e é a técnica escolhida para identificar células específicas do sistema imunológico, tais como monócitos, granulócitos, células T, células B, células assassinas naturais (NK), as células dendríticas (DC), e outras subpopulações de leucócitos.
No esforço para caracterizar melhor o comportamento de células brancas do sangue, em resposta a nanopartículas, realizamos ensaios de internalização com leucócitos primários isolados a partir do sangue de dadores saudáveis, (Figuras 1 e 2) e com a linha celular de monócitos humanos (células THP-1, a Figura 3) .
Como apresentado na Figura 1A, os três principais subpopulações de leucócitos no sangue foram claramente identificadas por dispersão para a frente e lateral, após isolamento PBMC. Além disso, depois de FITC-SiO 2 de tratamento, os linfócitos (cinzento), monócitos (azul) e granulócitos (vermelho) têm um n diferentetaxa de internalização anoparticle como mostrado pela intensidade da fluorescência verde (Figura 1B). O protocolo descrito permite a purificação da CD14 monócitos positivos primários de PBMC. Figura 2A relata a citometria de fluxo gráfico de pontos de monócitos CD14 + na presença de FITC-SiO2. Figura 2B mostra FITC-SiO2 internalização quantificada nas mesmas células e expressa nas histograma escala logarítmica.
Experiências de internalização semelhantes foram realizados em monócitos THP-1 tratadas com concentrações crescentes de FITC-SiO 2 nanopartículas. As células não tratadas foram utilizados como controlo negativo. Figura 3A mostra um aumento dependente da dose na dispersão lateral com uma frente inalterada espalhamento em células THP-1 da linha celular. Na Figura 3B, em conjunto com os histogramas de SSC e FSC em cada FITC-SiO 2 nanopartículas concentração testada, a intensidade média de fluorescência (MFI) quantificação é apresentado. Estes dados sugerem que o tratamento com FITC-SiO 2 nanopartículas induz uma internalização dependente da dose em monócitos destacadas pelo aumento da granularidade intracelular (dispersão lateral) e fluorescência (canal verde).
Para ganhar novos insights sobre o tipo de interação entre células do sistema imunológico e nanopartículas, culturas gliais mistos primários foram isolados e microglia, as células do sistema imunológico residentes sistema nervoso central, foi purificada. A utilização de um modelo de ratinho transgénico expressando microglia fluorescente verde permite a visualização de diferentes mecanismos neuro-inflamatórios. O ratinho transgénico B6.129P-CX3CR1 tm1Litt / J usado neste trabalho expressa a proteína fluorescente verde (GFP) sob o controlo do promotor 12, CX3CR1. Após 7 dias in vitro (DIV), microscopia de fluorescência mostra uma cultura de células gliais primário misturado com um grande número de astrócitos (GFP celular aderente negativos) e algumas células verdes (GFP positivo, Figura 5A). Neste modelo de rato, três subpopulações da glia podem ser distinguidos por citometria de fluxo com uma única coloração CD11b-anticorpo: o primeiro CD11b - GFP - (astrócitos e outras células da glia), um segundo grupo distinto de células microgliais GFP CD11b + +, e um terceiro GFP CD11b + - subpopulação (Figura 4A). Estes dois últimos subpopulações são ambos capazes de internalizar nanopartículas com um ligeiro aumento da eficiência da GFP + população (representando a microglia imaturo patrulha pela transcrição de CX3CR1 promotor), como mostrado por citometria de fluxo (Figura 4B). A internalização ocorreu pode ainda ser verificada por meio de microscopia confocal utilizando a mesma concentração final de Rodamina-SiO 2 nanopartículas como mostrado na Figura 5B.

2 internalização de nanopartículas em CD14 + monócitos purificados. A) para a frente Representante espalhando (FSC) versus dispersão lateral (SSC) citometria de fluxo gráfico de pontos de purificadas monócitos CD14 positivas. B) fluorescência verde histograma enredo da subpopulação de monócitos purificada em presença de 1nM FITC-SiO 2 nanopartículas (+45 mV) para 1 hora. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. Efeitos do FITC-SiO 2 nanopartículas internalização em células THP-1. A) Encaminhar Representante espalhando (FSC) versus scatterin ladog (SSC) citometria de fluxo gráfico de pontos de THP-1 linha celular de monócitos, após 1 h de exposição de FITC-SiO 2 nanopartículas aumento da concentração. B) variação dependente da concentração da dispersão lateral (SSC), a frente de dispersão (FSC) e verde fluorescência na presença de FITC-SiO 2 nanopartículas (+45 mV) para 1 hora. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. Rodamina-SiO 2 nanopartículas internalização em microglia primário isolado do B6.129P-CX3CR1 camundongos tm1Litt / J. A) a proteína fluorescente verde (GFP) versus fluxo CD11b-VioBlue citometria gráfico de pontos de prglia misto imary isolado a partir B6.129P-CX3CR1 ratinhos tm1Litt / J. CD11b + GFP + e CD11b + GFP - populações são mostrados no canto superior direito e quadrantes inferior direito, respectivamente B) fluorescência Red sobreposição de histograma trama de subpopulações microglia na presença de 1 Nm Rhodamine-SiO 2 nanopartículas (+45 mV) para 30. min (histograma vermelho) versus controle (histograma cinza). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5. A visualização de GFP +-microglia. (A) A microscopia de fluorescência em 7 DIV e (B) A microscopia confocalde Rodamina-SiO 2 nanopartículas internalização (setas vermelhas) em GFP +-microglia. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
O protocolo experimental apresenta pontos muito importantes a serem levados em conta. É muito importante para o trabalho a 4 ° C (em gelo) e, possivelmente, no escuro, durante todas as etapas de coloração, porque temperaturas mais altas e as luzes podem afectar negativamente o rendimento de coloração. Nanopartículas pode ser sonicada para ser melhor ressuspenso imediatamente antes da utilização.
Um fluxo correto citometria análise requer uma calibração correta nos diferentes canais. A calibração do instrumento deve ser realizada antes de cada sessão experimental. Além de problemas técnicos com a instrumentação, não pode haver também problemas com a rotulagem de anticorpos. É obrigatório para utilizar o anticorpo numa concentração apropriada. Se a concentração é muito alta ou muito baixa, a intensidade de sinal de insatisfação pode ser a conseqüência.
As desvantagens desta preocupação técnica, a necessidade de trabalhar com amostras monodispersas, à incapacidade de localizar olocal de origem do sinal (isto é, diferentes compartimentos celulares). Existem também algumas limitações na escolha de fluorocromos que ser utilizadas, em combinação: o comprimento de onda da excitação e as bandas de emissão tem de ser suficientemente separadas para permitir a sua medição apropriado. Se os espectros de anticorpos utilizados sobrepõem, é necessária uma compensação correcta.
A citometria de fluxo é um método poderoso para a análise de células, na presença ou ausência de nanopartículas. Esta técnica permite um estudo multiparamétrica de uma célula, um grande número de eventos analisados, rapidez de análise (mais de 1000 células / seg), reprodutibilidade e leituras estatísticos. As amostras podem ser processadas sem perder a viabilidade celular.
Usando nanopartículas marcados com fluorescência é possível qualificar e quantificar a sua internalização em subpopulações de células, que são identificados por meio de marcadores específicos expostos na membrana celular. Parâmetros celulares podem mudar em presença de s nanopartículas ESPECÍFICAS. Dependendo do objectivo da pesquisa, estas variações podem ser utilizadas para identificar um fenómeno específico, tal como espalhamento lateral das células que, proporcionalmente, aumenta com o aumento da taxa de internalização de nanopartículas.
Modificações induzidas por nanopartículas de superfície celular também pode representar uma limitação da técnica. Por esta razão, o volume de receptores de membrana celular deve ser sempre levada em consideração e, possivelmente, conhecida com antecedência, para caracterizar com precisão a população de células de interesse. Deficiências extremas de membrana de osmose em amostras de nanopartículas sobrecarregado pode levar à morte da célula.
Nanomaterial toxicidade dependente da dose deve ser empiricamente testados para cada população de células. Células mortas bem definido devem ser excluídos da quantificação de fluorescência. Por exemplo, a coloração de anexina V / PI é um dos vários métodos geralmente utilizados para detecção de células tanto em necrose e apoptose.
"> Células primárias expressando GFP são também uma ferramenta poderosa para selecionar uma determinada subpopulação de células e coletar dados sem prelabeling. A combinação com nanopartículas fluorescentes complementares permite uma quantificação muito rápido e precisa de interação célula-nanopartícula. Entrega da droga ou gene é pensado para ser melhorado no futuro, a aplicação de nanopartículas capazes de liberar uma carga específica de drogas em tecidos selecionados.Emprego de nanopartículas como moduladores específicos portadores de entrega e / ou imunes para farmacêutico requer o conhecimento do ambiente biológico (ou seja, por meio de citometria de fluxo) para estudar as interações célula-nanopartículas.
Os autores declaram que Miltenyi Biotech GmbH patrocinou a apresentação deste manuscrito. HiQ-Nano Company ( http://www.hiq-nano.com/index.html ) é um nanotecnologia spin off da empresa surgiu a partir de IIT.
Este trabalho foi financiado pela Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia.
Os autores gostariam de agradecer Miltenyi Biotec GmbH (Bergisch Gladbach, Alemanha) para o patrocínio deste manuscrito, Dr. Paolo Petrucciani (Departamento de Imuno-hematologia e serviço de transfusão, Hospital Lotti Pontedera, Pisa, Itália) para a prestação de buffy coats humanos e Prof Massimo Pasqualetti (Departamento de Biologia - Unidade de Biologia Celular e do Desenvolvimento, da Universidade de Pisa, Pisa, Itália) para a habitação a colônia mouse.
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| HBSS | Gibco | 14170-088 | Quente em 37 ° C banho-maria antes do uso |
| RPMI-1640 (Modificado ATCC) | Gibco | A10491-01 | Quente em 37 ° C banho-maria antes do uso |
| DMEM, Alta Glicose, vermelho de fenol | Gibco | 41966-029 | |
| Penicilina-Estreptomicina, Líquido | Gibco | 15140-122 | |
| Gentamicina | Gibco | 15710-049 | |
| Soro de Cavalo (lote n° 1131917) | Gibco | 16050-122 | |
| β-mercaptoetanol | Gibco | 21985-023 | |
| Tripsina 2,5% | Gibco | 15090-046 | |
| Soro Humano Agrupado | Invitrogen | 34005100 | |
| Versene | Invitrogen | 15040-033 | |
| DNAse I | Sigma Aldrich | D5025-150KU | |
| CD11b-VioBlue humano e camundongo | Miltenyi Biotec | 130-097-336 | |
| MACS BSA Stock Solution | Miltenyi Biotec | 130-091-376 | |
| autoMACS | Miltenyi Biotec | 130-091-222 | |
| Buffer de corrida | Miltenyi Biotec | 130-092-747 | |
| autoMACS Running Buffer | Miltenyi Biotec | 130-091-221 | |
| Kit de isolamento de monócitos Human Pan | Kit de Coluna de Sangue Total Miltenyi Biotec | 130-096-537 | |
| Miltenyi Biotec | 130-093-545 | ||
| MicroBeads CD14 de Sangue Total, humano | Miltenyi Biotec | 130-090-879 | |
| Coluna MS | Miltenyi Biotec | 130-042-201 | |
| Coluna LS | Miltenyi Biotec | 130-042-401 | |
| Separador MidiMACS | Miltenyi Biotec | 130-042-302 | |
| Separador MiniMACS | Miltenyi Biotec | 130-042-102 | |
| Solução de Lise de Células Vermelhas para Células Sanguíneas | Miltenyi Biotec | 130-094-183 | |
| 30 µ m | Miltenyi Biotec | 130-041-407 | |
| MACSQuant Analyzer citômetro de fluxo | Miltenyi Biotec | 130-092-197 | |
| MACSQuant Contas de calibração | Miltenyi Biotec | 130-093-607 | |
| Ficoll-Paque Premium | GE Healthcare | GEH17544202 | |
| FITC-SiO2 nanopartículas (50 nm, +45 mV) | HiQ-Nano Company | ||
| Nanopartículas de rodamina-SiO2 (50 nm, +45 mV) | da HiQ-Nano Company | ||
| Falcon | Becton Dickinson | 353043 |
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