Summary
우리는 염증 단계를 구별하기위한 비 침습 이미징 방법을 설명합니다. 루미놀의 전신 배달 호중구의 MPO 활동에 의존 급성 염증의 영역을 보여준다. 대조적으로, lucigenin의 주입은 대 식세포에서 Phox 활동에 의존 만성 염증으로 시각화 할 수 있습니다.
Abstract
염증은 많은 인간의 질병의 근본적인 측면이다. 이 비디오 보고서에서, 우리는 마우스 모델에서 급성 및 만성 염증을 구별 비 침습적 생물 발광 영상 기술을 보여줍니다. 조직 손상이나 병원체 침공, 호중구는 급성 염증 반응을 중재에 중요한 역할을 방어의 첫 번째 라인이다. 염증 반응이 진행되면서, 순환 단핵구은 점차 부상의 사이트에 마이그레이션 및 만성 염증을 중재 및 조직 파편을 제거하고 항 염증 사이토 카인을 생산하여 조직 복구를 촉진 성숙한 식세포로 분화. 루미놀의 복강 내 주입 (5 - 아미노 -2,3 - 디 하이드로 -1,4 - phthalazinedione, 나트륨 염)은 주로 조직 침투 호중구에 의해 중재 급성 염증의 검출을 할 수 있습니다. 루미놀은 특히 myeloperoxidase (M에서 생물 발광의 결과 때문에 호중구의 phagosomes를 내 생성 된 과산화물과 반응PO) 매개 반응. Lucigenin (BIS-N-methylacridinium 질산)는 생물 발광을 생성하기 위해 초과 산화물과 반응. 그러나 lucigenin의 생물 발광은 MPO 독립적이며 전적으로 만성 염증시 대 식세포의 식세포 NADPH 산화 효소 (Phox)에 의존합니다. 함께 루미놀과 lucigenin 비 침습 시각화 및 급성 및 만성 염증 단계에 걸쳐 서로 다른 식세포 인구의 경도 평가를 할 수 있습니다. 인간의 질병의 다양한 염증의 중요한 역할을 감안할 때, 우리는이 비 침습 영상 방법은 병적 인 조건의 다양한 호중구와 대 식세포의 차동 역할을 조사 할 수 있습니다 믿습니다.
Introduction
염증은 치유 2 상처, 당뇨병 3, 퇴행성 암 4, 심혈관 5, 6,자가 면역 질환 7 미생물 감염 1 등 인간 질병의 다양한 참여 규제가 엄격한 생물 학적 반응이다. 조직의 염증은 병원균 정리, 조직 복구, 질병 해상도를 달성하기 위해 다양한 면역 세포의 적절한 조정이 필요합니다. 호중구와 대식 세포 조직 염증의 주요 면역 매개체이다. 염증의 급성 단계에서는 백혈구는 각종 유해 자극 및 조직 손상 8 번째 조치입니다. 호중구는 빠르게 세포가 항 미생물 과립 및 식균 작용을 출시하여 미생물을 침해 비활성화 곳, 순환 부상의 사이트에 extravasate. 식균 작용하는 동안, 호중구 세포가 superox의 높은 수준을 생산하는 내 phagosomes를에 미생물을 침해 침몰IDE (O 2 · -). Phagosomal 과산화물은 많은 스트림 반응성 산소 종 (ROS)의 기본 소스입니다. 예를 들어, 초과 산화물은 자연 dismutation 또는 옥사이드 디스 뮤 타제 (SOD) 9, 10에 의해 과산화수소 (H 2 O 2)에 dismutated 할 수 있습니다. 호중구에서 myeloperoxidase는 (MPO) 더 항균 차아 염소산 (유리 HOCl) 11 과산화수소로 변환합니다. 염증 반응이 지속적으로 순환 단핵구은 점차 부상의 사이트에 마이그레이션하고 그 식세포 기능을 비활성화 병원균과 세포 파편을 제거하는 데 도움이 성숙한 대식 세포 2,로 구분. 또한, 염증의 이후 단계에서 중요한 규칙으로, 대식 세포는 항 염증성 사이토 카인 12 생산에 의해 그리고 낮은 레벨 9에서 세포 ROS를 생성하여 조직의 복구를 촉진합니다. 이 이후 단계에서 생성 된 ROS는 조직 리모델링, 새로운 혈관 형성 및 reepithelia을 조절lization 13.
식세포 NADPH 산화 효소 (Phox)는 호중구와 대 식세포 9 모두에서 초과 산화물의 생산의 주요 원천입니다. Phox 누구 조립 단단히 9 규제 멀티 소단위 복잡합니다. holoenzyme 여러 세포질 규제 소단위 (P67 phox, P47 phox, P40 phox 및 RAC)와 막 바인딩 heterodimer 시토크롬 B 558 (소단위 CYBA 및 CYBB으로 구성)이 포함되어 있습니다. 시토크롬 B 558 CYBB 소단위는 (또한 P91 phox 및 NOX2라고도 함) 차 산화 환원 연쇄 반응 9을 수행하는 내 반응이 핵심입니다. 흥미롭게도, 그 조립 사이트는 호중구와 대식 세포 사이에 차이가 있습니다. 휴식 호중구에서 시토크롬 B 558 세포 내 저장 과립 (14)의 막에 주로 존재한다. 식균 작용하는 동안, 호중구 H 조립MPO 활동의 높은 수준도 존재 phagosomes를 9 일에 oloenzymes. 호중구 Phox 빠르게 산소를 소비하고 ROS 생산하여 살균 능력을 발휘하는 현상은 호흡 버스트 11라고합니다. 대조적으로, 대식 세포는 MPO 표현의 낮은 수준을 가지고 있고 B 558은 주로 플라즈마 막 15, 16에서 발견된다 시토크롬. 대식 세포가 규제 기능 15 이하 과산화물을 생성하는 동안 따라서 호중구, 항균성 활동을 초과 산화물의 높은 수준을 생산하고 있습니다.
염증이 생체 과정에서 복잡한이기 때문에, 염증의 다른 단계에 대한 구체적인 비 침습 이미징 방법은 질병 모델의 정량적 경도 평가를 허용합니다. 기계론의 연구를 사용하여, 우리는 이전에 두 화학 발광 에이전트의 사용 루미놀 (5 - 아미노 -2,3 - 디 하이드로 -1,4 - phthalazinedione)와 lucigenin (BIS-N-methylacridinium 질산)를 증명하고있다각각 17 염증의 급성 및 후기 (만성) 단계의 비 침습 이미징을위한. lucigenin의 생물 발광은 후반 단계 또는 만성 염증 17과 관련있는 대식 세포의 활동을 평가하는 데 사용할 수있는 반면, 루미놀은 염증 18-20의 급성 단계에서 호중구 MPO 활동을 시각화 할 수 있습니다. 이 논문에서, 우리는이 이미징 기술을 보여주기 위해 두 가지 실험 염증 모델 (SC PMA 및 SC LPS)를 사용.
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Protocol
참고 : 모든 동물 실험이 승인 제도 프로토콜 및 동물 관리 지침에 따라 수행되었다.
1. 시약 및 솔루션
- SC 접종에 대한 PMA 솔루션 : phorbol 12-스틴 산 5 MG / DMSO에 ML에서 13 아세테이트 (PMA)의 주식 솔루션을 준비합니다. -20 ° C.에 재고 솔루션을 저장 접종 전에 재고 솔루션을 해동하고 PBS 1 MG / ML PMA에 희석.
- SC 접종에 대한 LPS 솔루션 : 이전 SC 접종 1 MG / ML에서 멸균 PBS에 용해 리포 다당류 (살모넬라 균의 enterica 혈청 형 장염에서 LPS).
- 급성기 이미징 루미놀 용액 : 10 ㎎ / ㎖에서 (0.9 % 염화나트륨) 멸균 생리 식염수에 (5 - 아미노 -2,3 - 디 하이드로 -1,4 - phthalazinedione, 나트륨 염) 루미놀을 녹인다. 이 솔루션은 사용하기 전에 -20 ° C에 저장할 수 있습니다.
- 만성 단계 이미징 Lucigenin 솔루션 : 멸균 생리 식염수에 lucigenin (BIS-N-methylacridinium 질산)를 녹여2.5 MG / ML. 이 솔루션은 사용하기 전에 -20 ° C에 저장할 수 있습니다.
2. 피하 PMA 염증 모델
- 2 % isoflurane을 가진 유도 챔버에있는 NCR 누드 마우스를 마취. 운동의 손실과 일정한 호흡 속도에 의해 전신 마취를 확인합니다. isoflurane을 혼합 가스를 공급 코 콘에 동물을 전송하고 마취하에 동물을 유지합니다.
- 왼쪽 측면에 주사 부위를 청소하고 소독 닦아 이소 프로필 알코올을 사용합니다.
- 무균 기술을 사용하여, 왼쪽 측면에 피하 공간으로 PMA 접종 용액 (PMA의 50 μg을 포함)의 50 μl를 주입. 이소 프로필 알코올 패드를 사용하여 주사 부위에서 초과 액체를 제거합니다. 이 염증 반응에 영향을 미칠 수 있으므로 진통제의 사용을 피하십시오.
- 주택 케이지로 동물을 이동하고 밀접하게 마취로부터 회복을 모니터링 할 수 있습니다. 복구를 지원하기 위해, 동물을 따뜻하게 유지하기 위해 가열 패드를 사용합니다.
3. 피하 LPS 염증 모델
- 유도 챔버에서 isoflurane을 1 ~ 2 %로 C57BL/6J 마우스를 마취. 전신 마취를 설정하면, isoflurane을 가스 공급 노즈 콘에 동물을 전송하고 마취하에 동물을 유지합니다.
- 왼쪽 발바닥에 주사 부위를 청소 닦아 이소 프로필 알코올을 사용합니다.
- 무균 기술을 사용하여, 왼쪽 발바닥에 LPS 접종 용액 (LPS의 50 μg을 포함)의 50 μl를 주입. 이소 프로필 알코올 패드를 사용하여 주사 부위에서 초과 액체를 제거합니다. 이 염증 반응에 영향을 미칠 수 있으므로 진통제의 사용을 피하십시오.
- 주택 케이지로 동물을 이동하고 밀접하게 마취로부터 회복을 모니터링 할 수 있습니다. 복구하는 동안 동물을 따뜻하게 유지하기 위해 가열 패드를 사용합니다.
4. 염증의 생물 발광 이미징
- 2 % isoflurane을 혼합 가스를 유도 챔버에서 동물을 마취. 공동운동의 손실과 일정한 호흡 속도에 의해 전신 마취를 nfirm.
- 동물이 마취하에있는 동안, 복강 (IP)은 각각 급성 또는 만성 염증 이미징 루미놀 용액 (10 ㎎ / ㎖) 또는 lucigenin 솔루션 (2.5 MG / ML) 주입. 마지막 복용량은 루미놀과 lucigenin 25 ㎎ / ㎏ 100 ㎎ / ㎏이다. lucigenin (10 ~ 15 ㎎ / ㎏)의 낮은 복용량은 몇 마우스 종자 가능한 독성을 방지하는 데 사용할 수 있습니다. 독성의 징후는 호흡과 호흡 곤란 곤란이 (가) 있습니다. C57BL/6J 변형은 NCR 누드 변형보다 낮은 lucigenin 인내를 가지고 있습니다.
- 생물 발광 영상 시스템의 이미징 챔버에 동물을 전송합니다.
- 1 분 간격으로 순차적 생물 발광 영상을 수행합니다. 각 이미징 단계를 1 분 수집 시간으로 구성되어, F / 정지 = 1, 비닝 (binning) = 16 0 초 지연.
- 이미지 수집 패널 내에서 순차적으로 여러 단계의 이미지를 사용하려면, BU를 설정하는 순서를 클릭하십시오tton. 최대 발광 출력 (보통 15 1 분 단계는 충분합니다)를 결정하기 위해 취득 프로필에 충분한 이미징 단계를 제공합니다. 15 분 영상 부분은 기판 흡수 및 전신 순환을 위해 충분한 시간을 허용합니다.
- 이미징 챔버에서 동물을 제거하고 하우징 케이지로 다시 이동합니다. 복구를 지원하기 위해, 동물을 따뜻하게 유지하기 위해 가열 패드를 사용합니다.
- 취득 후 분석 중에 관심의 표준화 영역 (ROI)를 통해 최대 총 발광 신호를 계산하는 이미징 소프트웨어 패키지를 사용합니다. 이미지 / 최소 및 최대 임계 값을 갖는 초 / cm 2 / SR이 표시 광자의 생기로 존재한다. 정량적 데이터는 ROI 당 초당 광자의 광속으로 표시됩니다.
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Representative Results
우리는 실험 염증 모델에서 급성 및 만성 염증을 평가하는 종 생물 발광 영상을 시행 하였다. Phorbol 12 미리 스틴 산 13 - 아세테이트 (PMA)는 수퍼 옥사이드 음이온 생산을위한 Phox을 활성화하고 21 강렬한 급성 염증 반응을 유발 강력한 단백질 키나제 C (PKC) 작용제이다. NCR 누드 마우스에있는 PMA의 50 MG의 SC 주입 주사 부위 18 일 22시 빠른 피부 자극 및 급성 염증, 23를 일으켰습니다. 우리는 PMA 주입 후 3 시간 일찍 얻은 첫 번째 이미지와 함께 사일 동안 매일 이미징을 수행 하였다. 그림 1은 기판으로 루미놀과 lucigenin를 사용하여 세로 생물 발광 영상을 보여 주었다. 염증 (3 시간)의 초기 단계에서, 우리는 PMA 주입의 사이트에서 호중구 MPO 활동의 높은 수준을 나타내는 중요한 루미놀 생물 발광을 관찰했다. 유의 lucigenin의 생물 발광은 염증이 초기 단계에서 관찰되지 않았다. 에 시작하루에 2, 우리는 딱지 형성하기 때문에 감소 발광 강도를 관찰했다. 상처 치유 (그림 1A, 하루 3, 4) 명백하게, 우리는 lucigenin 생물 발광의 꾸준한 증가 (그림 1B)를 관찰했다. 이러한 결과는 lucigenin의 생물 발광은 밀접하게 염증의 늦은 단계에있는 조직 복구와 관련되는 반면 루미놀 생물 발광은 염증의 급성 단계와 연결되어 있는지 보여줍니다.
독립적으로, 우리는 SC는 야생 형 C57BL/6J 마우스의 발바닥에서 리포 다당류 50 μg (LPS)를 주입, 최대 10 일 (그림 2A)에 대한 종 생물 발광 영상을 시행 하였다. LPS는 그람 음성 세균의 세포막 구성 요소입니다. LPS의 SC 접종 TLR4 수용체 활성화 및 후속 염증성 케모카인 / 시토 킨 생산 (24)에 의해 강력한 염증 반응을 유발 할 수 있습니다. 직접 과산화물 productio에 대한 Phox를 활성화 PMA는 달리N, LPS 완전히 조직이 식세포 18 침투 활성화하는 시간의 긴 기간이 필요합니다. 호중구는 세균 감염에 대한 초기 반응이기 때문에, 우리는 5 일 (그림 2B) 이후 감소 급성 염증의 처음 4 일 동안 상승 루미놀 생물 발광을 관찰했다. 반면, lucigenin의 생물 발광은 점차 염증의 늦은 만성 단계 (그림 2B, 일 5-10)에서 증가했다.
함께, 이러한 결과는 급성과 만성 염증 단계를 구분하기 위해 차동 기질 특이성을 사용하는 능력을 보여줍니다. 중요한 영상은 면역 세포의 내인성 효소 활동에 의해 중재, 그리고 기자의 이소성 표현을위한 필요가 없습니다.
그림 1. 염증의 급성 및 후기 단계의 생체 종 생물 발광 이미징합니다. 강해> (A) 우리는 50 μg PMA의 피하 주사에 의해 지방 조직의 염증을 유도하고, 매일 루미놀 (100 ㎎ / kg, IP) 및 lucigenin (25 MG / kg, IP) PMA 주입 후 3 시간에서 시작하여 생물 발광 영상을 시행 하였다. 유의 한 배경 자동 발광은 화학 발광 에이전트없이 염증의 사이트에서 관찰되지 않았다. 주사 부위에서 루미놀과 lucigenin 생물 발광의 (B) 정량적 표현. 염증의 급성 단계에서 루미놀 신호는 생물 발광 출력 (3 시간)을 지배했다. 염증의 나중 단계에서 주입 사이트 루미놀 (4 일)에 비해 높은 lucigenin의 생물 발광을했다. 오차 막대는 각각의 영상 시점에서 생물 발광 측정의 표준 편차를 나타냅니다. 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
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그림 2. (A) LPS의 50 μg을 C57BL/6J 마우스의 보호구에 SC를 주입했다. 루미놀과 lucigenin와 경도 생물 발광 영상은 10 일 동안 매일 실시 하였다. LPS 주입 사이트에서 루미놀과 lucigenin 생물 발광의 (B) 정량적 표현입니다. 루미놀 생물 발광은 급성 염증의 처음 4 일 동안 증가했다. 그러나 염증의 말 / 만성 단계에서, 루미놀 신호는 급격히 감소하고 lucigenin의 생물 발광이 점차 증가했다. 오차 막대는 각각의 영상 시점에서 생물 발광 측정의 표준 편차를 나타냅니다. 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
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Discussion
이 보고서에서, 우리는 살아있는 동물에서 염증의 비 침습 이미징을위한 생물 발광 방법을 보여줍니다. 두 개의 발광 기판, 루미놀 및 lucigenin을 활용하는 방법은 염증의 다른 단계를 구분할 수 있습니다. lucigenin의 생물 발광은 만성 단계에서 대식 세포에 의해 매개되는 반면 루미놀 생물 발광은 염증의 급성 단계에서 호중구와 연결되어 있습니다. 상대적으로 작은 (MW = 177.16 g / 몰)과 전기적으로 충전되지 않은, 루미놀은 쉽게 플라즈마 막의 phagosomal 25-29를 모두 통과 할 수 있습니다. 또한, 루미놀 발광은 호중구 9 세포 내 MPO 활동에 고유합니다. 반면에, lucigenin 주로 인해 큰 크기 (MW = 510.5 g / 몰)과 두 개의 양전하 25, 27-30.에 스며 들지 막입니다
호중구와 대식 세포는 다른 세포 내 위치에 Phox holoenzyme를 조립합니다. 하지만 두 시약수퍼 옥사이드 음이온 (O 2 ·을 -)를 제공 Phox에 의존, 세포 투과성과 MPO-의존성의 차이는 질병 모델에서 염증 식세포를 구별하기 위해 기판 수 있습니다. 호중구는 MPO의 높은 수준도 존재하는 세포 내 소포 (phagosomes를) 14의 막 Phox의 대부분을 표현한다. 결과적으로, 루미놀의 생물 발광은 특히 급성 염증시 활성화 된 호중구와 연결되어 있습니다. 그들이 침투 및 만성 염증 15시 성숙 대조적으로, 대식 세포는 세포막에 Phox를 조립합니다. 비 투과성 lucigenin 직접 만성 염증성 생물 발광을 생산하는 대식 세포에 의해 생성 된 세포 옥사이드와 상호 작용할 수 있습니다.
염증은 많은 세포 유형과 다양한 세포 신호 분자의 적절한 조정을 필요로 생체 과정에서 복잡합니다. 이 비디오 보고서에서, 우리는을 보여동물 모델에서 급성 및 후기 (만성) 상 염증을 모니터링하는 루미놀과 lucigenin 모두 시너지 효과를 사용. 이러한 기판 상업적으로 사용할 수 있고 상대적으로 저렴하기 때문에, 우리는이 비교적 간단하고 강력한 이미징 방법은 쉽게 많은 질환 분야에서 생체 응용 프로그램으로 변환 할 수 있다고 생각합니다. 참고로, PET, MRI 및 근적외선 (NIR) 형광 이미징 기술에 비해 화학 발광 방법은 기판 '블루 방출 스펙트럼에 의한 깊은 조직 이미징을위한 적합하지 않습니다. 조직 침투를 개선하기 위해, 그것은 최근에 파란색 발광 방출이 NIR 방출 31 공동 투여 나노 입자로 전송 될 수 있음을 입증하고있다. 그들의 화학 구조의 추가 수정은 잠재적으로 강력한 광 출력에 대한 자신의 양자 효율을 향상시키고 깊은 조직 침투에 대한 자신의 방출 스펙트럼을 세분화 할 수 있습니다.
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Disclosures
저자는이 연구에서 관심 없음 충돌 선언하지 않습니다.
Acknowledgments
이 작품은 낸시 Lurie는 마크 재단에 의해 지원되었다. 우리는 원고의 중요한 읽기 박사 낸시 E. 콜 감사합니다. 우리는이 비디오 보고서를 준비하고있는 그의 도움을 킨 K. 웡 감사합니다.
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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