Summary
我々は、炎症ステージを区別するための非侵襲的な画像化方法を記載している。ルミノールの全身送達は、好中球MPO活性に依存して急性炎症の領域を明らかにする。これとは対照的に、ルシゲニンの注入はマクロファージにおけるphoxの活動に依存して慢性炎症の可視化を可能にします。
Abstract
炎症は、多くの人間の病気の基本的な側面です。このビデオ報告では、マウスモデルにおける急性および慢性炎症を区別する非侵襲的な生物発光イメージング技術を示す。組織の損傷や病原体の侵入と、好中球は急性炎症反応を媒介する主要な役割を果たし、最初の防衛線である。炎症反応が進行するにつれて、循環する単球は徐々に損傷部位に移動し、慢性炎症を媒介および組織破片を除去し、抗炎症性サイトカインを産生することによって組織の修復を促進する成熟したマクロファージに分化する。ルミノールの腹腔内注射（5 - アミノ-2,3 - ジヒドロ-1,4 - フタラジンジオン、ナトリウム塩）は、主に、組織浸潤性好中球によって媒介される急性炎症を検出することができる。ルミノールは特にミエロ（Mからの生物発光の結果以来、好中球のファゴソーム内で生成されたスーパーオキシドと反応PO）媒介反応。ルシゲニン（ビス-N-メチルアクリジニウム硝酸塩）は、生物発光を生成するために、スーパーオキシドと反応する。しかし、ルシゲニンの生物発光は、MPOとは独立しており、それは、単に慢性炎症時にマクロファージにおける食細胞NADPHオキシダーゼ（phoxの）に依存しています。一緒に、ルミノール及びルシゲニンは、非侵襲的可視化と急性および慢性の両方の炎症のフェーズ間で異なる食細胞集団の縦断的評価を可能にする。人間の種々の疾患における炎症の重要な役割を考えると、我々はこの非侵襲的イメージング法は、病態の多様性好中球とマクロファージの差の役割を調査する助けることができると信じて。
Introduction
炎症は微生物感染1を含むヒト疾患の様々に関与して高度に規制生物学的反応であり、癒し2、糖尿病3、4癌、心血管5,6神経変性、自己免疫疾患7巻き。組織の炎症は、病原体クリアランス、組織修復、および疾患の解像度を達成するために、種々の免疫細胞の適切な調整を必要とする。好中球およびマクロファージは組織の炎症の重要な免疫メディエーターである。炎症の急性期では、好中球は、様々な有害な刺激や組織損傷8に最初の応答である。好中球は、急速に細胞が抗微生物顆粒と貪食を解放することによって微生物を侵略不活場所、循環から損傷部位に浸出。食作用の間に、好中球は、細胞がsuperoxの高いレベルを生成するファゴソーム内へと侵入する微生物を巻き込むイド（O 2· - ）。ファゴソームスーパーオキシドは、多くの下流活性酸素種（ROS）の主要な源である。例えば、スーパーオキシドは自発的不均化によって、またはスーパーオキシドジスムターゼ（SOD）9,10による過酸化水素（H 2 O 2）にdismutatedすることができる。好中球、ミエロペルオキシダーゼ（MPO）は、さらに、抗微生物次亜塩素酸（HOCl）11に過酸化水素を変換する。炎症反応が続くように、循環する単球は徐々に損傷部位に移行し、その貪食機能不活性化された病原体や細胞の破片を除去するのに役立ち、成熟マクロファージ2、に分化する。また、炎症の後の段階における重要なレギュレータとして、マクロファージは、抗炎症性サイトカイン12を製造することにより、下位レベル9で外ROSを生成することにより、組織の修復を促進します。この後の段階で生成されたROSは、組織の再構築、新たな血管形成、及びreepitheliaを規制lization 13。
食細胞NADPHオキシダーゼ（phoxの）は、好中球およびマクロファージ9の両方でスーパーオキシド産生の主要な源である。 phoxのは、そのアセンブリを厳密に調節されている9、多サブユニット複合体である。ホロ酵素は、いくつかの細胞質調節サブユニット（P67 phoxの 、P47 phoxの 、P40 phoxの 、およびRAC）と膜結合ヘテロチトクロームB 558（サブユニットCYBAとCYBBから成る）が含まれています。シトクロムB 558 CYBBサブユニット（また、P91 phoxのとNOX2として知られている）主な酸化還元連鎖反応9を行い、その中反応コアです。興味深いことに、そのアセンブリサイトは好中球とマクロファージの間で異なっています。安静時の好中球では、チトクロームB 558は、細胞内貯蔵顆粒14の膜中にほとんど存在しています。貪食中に、好中球は、Hを組み立てるMPO活性の高レベルも存在するファゴソーム09でoloenzymes。好中球phoxのが急速に酸素を消費し、ROS産生することにより、殺菌力を発揮する、現象が呼吸バースト11と呼ばれる。対照的に、マクロファージはMPO発現のレベルが低いと、b 558は、主に形質膜15,16に見出されるシトクロム。マクロファージが規制機能15のために以下のスーパーオキシドを生成しつつ好中球は、抗微生物活性について、高レベルのスーパーオキシドを生成する。
炎症は生体内で複雑 な過程であるので、炎症の異なる段階に特異的な非侵襲イメージング法は、疾患モデルの定量的及び長手評価を可能にする。機序の研究を用いて、なおした化学発光剤の使用、ルミノール（5 - アミノ-2,3 - ジヒドロ-1,4 - フタラジンジオン）とルシゲニン（ビス-N-メチルアクリジニウム硝酸塩）を実証している、それぞれ17炎症（慢性）急性および後期の非侵襲的イメージングのため。ルシゲニン生物発光は後期または慢性炎症17に関連して、マクロファージの活性を評価するために使用することができるのに対し、ルミノールは、炎症18-20の急性期における好中球MPO活性の可視化を可能にする。本稿では、これらのイメージング技術を実証するために2つの実験炎症モデル（皮下PMA及び皮下LPS）を用いた。
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Protocol
注：すべての動物実験は承認制度のプロトコルと動物のケアのガイドラインの下で行われた。
1。試薬およびソリューション
- 皮下接種のためのPMAは、ソリューション：DMSO中5 mg / mlのにホルボール12 - ミリステート13 - アセテート（PMA）の原液を準備します。 -20℃で原液を保存接種前に、原液を解凍し、PBSで1 mg / mlのPMAに希釈する。
- 皮下接種用LPSソリューション：前皮下接種に1 mg / mlので滅菌PBSに溶解リポ多糖（ サルモネラ菌血清型腸炎からLPS）。
- 急性期イメージングのためのルミノール溶液：10 mg / mlの滅菌生理食塩水で内ルミノール（5 - アミノ-2,3 - ジヒドロ-1,4 - フタラジンジオン、ナトリウム塩）（0.9％NaCl）中に溶解する。溶液は、使用前-20℃で保存することができる。
- 慢性期イメージングのためルシゲニンソリューション：滅菌生理食塩水でルシゲニン（ビス-N-メチルアクリジニウム硝酸塩）を溶解2.5 mg / mlの。溶液は、使用前-20℃で保存することができる。
2。皮下PMA炎症モデル
- 1〜2％イソフルランで誘導チャンバ内のNCRヌードマウスを麻酔。動きの損失と一定の呼吸率で全身麻酔を確認してください。イソフルラン混合ガスが供給ノーズコーンに動物を移し、麻酔下で動物を保つ。
- 左脇腹に注射部位をきれいにし、消毒する拭きイソプロピルアルコールを使用してください。
- 無菌技術を使用して、左脇腹の皮下空間にPMA接種液（PMA50μgのを含む）の50μLを注入します。イソプロピルアルコールパッドを使用して注射部位から余分な水分を取り除きます。それが炎症反応に影響を与える可能性があるので鎮痛の使用を避ける。
- 住宅ケージに戻って動物を移動し、密接に麻酔からの回復を監視します。回復を支援するために、動物を暖かく保つために加熱パッドを使用しています。
3。皮下LPSの炎症モデル
- 誘導室におけるイソフルラン1〜2％とC57BL/6Jマウスを麻酔。全身麻酔を確立したら、イソフルランガスが供給ノーズコーンに動物を転送し、麻酔下で動物を保つ。
- 左の足蹠に注射部位をきれいに拭いて、イソプロピルアルコールを使用してください。
- 無菌技術を使用して、左の足蹠にLPS接種液（LPS50μgのを含む）の50μLを注入します。イソプロピルアルコールパッドを使用して注射部位から余分な水分を取り除きます。それが炎症反応に影響を与える可能性があるので鎮痛の使用を避ける。
- 住宅ケージに戻って動物を移動し、密接に麻酔からの回復を監視します。リカバリ中に動物を暖かく保つために加熱パッドを使用してください。
4。炎症の生物発光イメージング
- 1〜2％イソフルラン混合ガスに誘導室に動物を麻酔。共同動きの損失と一定の呼吸率で全身麻酔をnfirm。
- 動物は、麻酔下にある間、腹腔内（IPアドレス）は、それぞれ、急性または慢性炎症のイメージングのためルミノール溶液（10 mg / ml）で、又はルシゲニン溶液（2.5 mg / ml）で注入する。最終的な投与量は、ルミノールとルシゲニンは25 mg / kg投与では100 mg / kgである。ルシゲニンの低用量（10〜15 mg / kg体重）を、いくつかのマウス株のための毒性の可能性を回避するために使用することができる。毒性の徴候は呼吸と呼吸困難の息切れが含まれています。 C57BL/6J株はNCRヌード株よりも低いルシゲニン忍容性を持っています。
- 生物発光撮像システムの撮像室に動物を移す。
- 1分間隔で連続した生物発光イメージングを実行します。各撮像ステップは1分取得時間から構成され、金/停止= 1、ビニング= 16、0秒の遅延。
- 画像取得パネル内に、順次多段階の撮像を可能にするために、BUの設定シーケンスをクリックtton。 （通常は15分の1の手順は十分であろう）最大の発光出力を決定するために、買収プロファイルで十分なイメージング手順を提供する。 15分間の撮像部は、基板と吸収体循環のための十分な時間を可能にする。
- イメージング室から動物を削除し、住宅ケージに戻し。回復を支援するために、動物を暖かく保つために加熱パッドを使用しています。
- 取得後の分析の間、興味のある標準化された領域（ROI）を通ってピーク合計生物発光信号を計算するためのイメージングソフトウェアパッケージを使用します。画像が示された最小値と最大しきい値と光子/秒/ cm 2で/ SRの輝きのように存在している。定量的なデータは、ROI毎秒当たりの光子で全光束として表示されます。
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Representative Results
我々は実験的炎症モデルにおける急性および慢性炎症を評価するために、縦方向の生物発光イメージングを行った。ホルボール12 -ミリステート13 -アセテート（PMA）は、スーパーオキシドアニオン生産のためのphoxのを活性化し、21強烈な急性の炎症反応をトリガーする強力なプロテインキナーゼC（PKC）アゴニストである。 NCRヌードマウスにおけるPMAの50 mgを皮下注射では、注射部位18、22における急速皮膚の炎症や急性炎症、23が発生していました。私たちは、PMA注射後3時間早ければ得最初の画像で4日間毎日イメージングを行った。 図1は、基質としてルミノール及びルシゲニンを使用して縦生物発光イメージングを示した。炎症（3時間）の初期段階で、我々はPMA注射部位における好中球MPO活性の高いレベルを示す重要なルミノール生物発光を観察した。有意なルシゲニン生物発光は、炎症のこれらの初期の段階で観察されなかった。で始まる2日目、我々は、痂皮形成を低減するため、発光強度を観察した。創傷治癒は（ 図1A、3日目と4）明らかになったとして、我々はルシゲニン生物発光（ 図1B）が着実に増加を観察した。これらの結果は、ルシゲニン生物発光は密接炎症の後期における組織修復に関連付けられているのに対し、ルミノール生物発光は、炎症の急性期に関連付けられていることを示している。
独立して、私たちはSCが野生型C57BL/6Jマウスの足蹠にリポ多糖50μgの（LPS）を注入し、10日間（ 図2A）までの縦方向の生物発光イメージングを行った。 LPSは、グラム陰性細菌の膜成分である。 LPSのSC接種は、TLR4受容体の活性化およびそれに続く炎症性ケモカイン/サイトカイン産24によって強力な炎症反応を誘発することができる。直接スーパーproductioためphoxのをアクティブにPMAとは異なりnは、LPSは、完全に組織が 貪食細胞18に浸潤活性化するための時間の長い期間を必要とします。好中球は、微生物感染症への早期対応者であるとして、我々は5日後に減少した急性炎症、（ 図2B）の最初の4日間は高架ルミノール生物発光を観察した。これとは対照的に、ルシゲニン生物は徐々に炎症の後期と慢性期（ 図2B、日5-10）で増加した。
まとめると、これらの結果は、急性および慢性の炎症段階を区別するために、差動基質特異性を使用する能力を実証する。重要なことに、結像は、免疫細胞の内因性の酵素活性によって媒介され、記者の異所性発現のための必要がない。
図1炎症の急性および遅相の生体縦生物発光イメージング 。 強い>（A）私たちは、50μgのPMAの皮下注射による局所組織の炎症を誘発し、毎日のルミノール（100 mg / kg体重、腹腔内）とルシゲニン（25 mg / kg体重、腹腔内）PMA注射後3時間から始まる生物発光イメージングを行った。有意な背景自動発光は化学発光剤をすることなく、炎症部位 で観察されなかった。注射部位でのルミノール及びルシゲニン生物発光（B）の定量的表現が。炎症の急性期では、ルミノール信号は、生物発光出力（3時間）を支配した。炎症の後の段階では、注射のサイトはルミノール（4日目）と比較し、より高いルシゲニンの生物発光を持っていた。エラーバーは、各イメージング時点で生物発光測定の標準偏差を表す。 より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください 。
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図2。 （A）LPS50μgのC57BL/6Jマウスの足蹠に皮下注射した。ルミノール及びルシゲニンと縦生物発光撮像を10日間毎日行われた。LPS注射部位でのルミノール及びルシゲニン生物発光の（B）定量的表現。ルミノール生物発光は、急性炎症の最初の4日間は増加しました。しかし、炎症の慢性/後半の段階で、ルミノール信号が急速に減少し、ルシゲニンの生物は徐々に増加しています。エラーバーは、各イメージング時点で生物発光測定の標準偏差を表す。 より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください 。
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Discussion
本稿では、生きている動物の炎症の非侵襲的イメージングのための生物発光法を示しています。 2発光基質、ルミノール及びルシゲニンの利点生かし、方法は炎症の異なる位相を区別することができます。ルシゲニンの生物発光は慢性期中のマクロファージによって媒介されるのに対し、ルミノール生物発光は、炎症の急性期における好中球に関連付けられています。比較的小さい（MW = 177.16グラム/モル）および電気的非荷電、ルミノールは容易に血漿およびファゴソーム膜25-29の両方を貫通することができます。また、ルミノール発光は好中球9の細胞内MPOの活動に固有のものです。一方、ルシゲニンは主にそのサイズが大きい（MW = 510.5グラム/モル）と、2つの正電荷25、27-30に起因する不透過性膜である。
好中球およびマクロファージは異なる細胞内の場所でphoxのホロ酵素を組み立てる。ただし、両方の試薬スーパーオキシドアニオン（O 2· - ）を提供するために、phoxの依存、細胞透過性とMPO-依存性の格差は、疾患モデルにおける炎症食細胞を区別するために基板を可能にします。好中球は、MPOの高レベルも存在する細胞内小胞（ファゴソーム）14の膜にphoxのを最大限に発現する。結果として、ルミノール生物発光は、特に急性炎症時に活性化された好中球に関連付けられている。彼らは慢性炎症15中に潜入し、成熟とは対照的に、マクロファージは、原形質膜でphoxのを組み立てる。非透過ルシゲニン直接慢性炎症性生物発光を生成するためにマクロファージによって生成された細胞外スーパーオキシドと対話することができます。
炎症は、多くの細胞型および種々の細胞外シグナル伝達分子の適切な調整を必要とインビボのプロセスが複雑である。このビデオレポートでは、実証動物モデルにおける急性および後期（慢性）炎症位相を監視するルミノール及びルシゲニン両方の相乗使用。これらの基質は市販されており、比較的安価であるので、これは比較的簡単かつ堅牢な撮像方法を容易に多くの疾患領域におけるin vivo用途においてに変換することができると信じている。注目すべきは、PET、MRI、近赤外（NIR）蛍光イメージング技術と比較して、化学発光法は、基材 '青色発光スペクトルに起因する深部組織のイメージングのための理想的ではない。組織の浸透を向上させるために、近年、青色発光を化学発光NIR放射31共自記ナノ粒子に転送することができることが実証されている。それらの化学構造のさらなる変形例は、潜在的に強力な光出力のためのそれらの量子効率を向上させ、より深い組織浸透のために彼らの発光スペクトルを絞り込むことができる。
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Disclosures
著者らは、この研究では、特別の利害関係を宣言しません。
Acknowledgments
この作品はナンシールーリーマークス財団によってサポートされていました。私たちは、原稿の重要な読書のための博士ナンシーE.コールに感謝します。私たちは、このビデオレポートを準備する彼の援助のために金武K.ウォンに感謝します。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) | Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO | P8139 | |
| Lipopolysaccharide from Salmonella enterica serotype enteritidis | Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO | L2012 | |
| Luminol (5-amino-2,3-dihydro-1,4-phthalazinedione, sodium salt) | Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO | A4685 | |
| Lucigenin (bis-N-methylacridinium nitrate) | Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO | M8010 | |
| IVIS Spectrum imaging system with Living Imaging 4.2 software package | Caliper LS/Perkin Elmer, Hopkinton, MA |
References
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