Summary

高度に分極されたヒト網膜色素上皮培養におけるリポフスチンモデルの改善と外セグメント食能力の定量化

Published: April 14, 2023
doi:

Summary

このプロトコルでは、高度に分化および分極されたヒト網膜色素上皮(RPE)培養におけるリポフスチン蓄積モデルと、RPEの総OS消費/分解能力を検出するための改良された外部セグメント(OS)食作用アッセイについて説明します。これらの方法は、以前のリポフスチンモデルおよび古典的なパルスチェイス外セグメント食作用アッセイの限界を克服します。

Abstract

網膜色素上皮(RPE)による視細胞外側セグメントの毎日の食作用は、リポフスチンと呼ばれる細胞内老化色素の蓄積に寄与する。リポフスチンの毒性は、最も一般的な遺伝性網膜変性症であるスターガルト病で十分に確立されていますが、先進国における不可逆的な失明の主な原因である加齢黄斑変性症(AMD)ではより物議を醸しています。ヒトにおけるリポフスチン毒性を決定することは困難であり、Stargardtの動物モデルは毒性が限られている。したがって、in vivoでヒトRPEを模倣するin vitroモデルは、リポフスチンの生成、クリアランス、および毒性をよりよく理解するために必要です。これまでの細胞培養リポフスチンモデルの大部分は、細胞株内にあったか、またはRPEに光受容体外周セグメント全体の断片/先端ではなく、複雑なリポフスチン混合物の単一成分を供給し、より完全で生理学的なリポフスチンモデルを生成します。ここに記載されているのは、高度に分化した初代ヒト出生前RPE(hfRPE)および人工多能性幹細胞(iPSC)由来RPEにおいてリポフスチン様物質(難消化性自己蛍光物質、またはUAMと呼ばれる)の蓄積を誘導する方法である。UAMは、RPEが取り込んだ紫外線処理されたOSフラグメントを食作用によって繰り返し摂食することにより、培養物に蓄積されました。UAMがin vivoでリポフスチンに近似し、異なる主な方法についても説明します。リポフスチン様蓄積のこのモデルに伴い、UAM顆粒の広範な自家蛍光スペクトルを同時抗体染色と区別するためのイメージング方法が導入されています。最後に、RPE食作用能力に対するUAMの影響を評価するために、外側セグメントの断片/ヒントの取り込みと分解を定量化するための新しい方法が導入されました。「総消費能力」と呼ばれるこの方法は、従来の外部セグメント「パルスチェイス」アッセイに固有のRPE食作用能力の潜在的な誤解を克服します。ここで紹介するモデルと技術は、リポフスチンの生成とクリアランス経路、および推定毒性を研究するために使用できます。

Introduction

網膜色素上皮(RPE)は、感光体の外側セグメントの先端または断片の毎日の取り込みおよび分解を含む、上にある光受容体に対する重要なサポートを提供する(このプロトコル全体を通して、略語OSは、外側セグメント全体ではなくOSの先端または断片を表す)。有糸分裂後のRPEにおけるこの毎日の取り込みは、最終的に食性ソソーム能力を過負荷にし、リポフスチンと呼ばれる難消化性の自己蛍光性細胞内物質の蓄積につながります。興味深いことに、いくつかの研究はまた、RPEリポフスチンがOS貪食なしに蓄積できることを実証しています1,2。リポフスチンは、視覚周期レチノイドに由来する架橋付加物を含む多くの成分を有しており、80歳以上のRPE細胞体積のほぼ20%を占めることができる3

リポフスチンが有毒であるかどうかは熱く議論されています。スターガルト病は、光受容体とRPEの常染色体劣性変性であり、ABCA4の変異が光受容体の外側セグメントに含まれる視覚周期レチノイドの不適切な処理を引き起こします。不適切なレチノイド処理は、異常な架橋と、ビス-レチノイドN-レチニリデン-N-レチニルエタノールアミン(A2E)を含むビス-レチノイド種の形成につながります。研究は、A2E毒性の複数のメカニズムを示しています4,5。リポフスチンは臨床イメージング中の眼底自己蛍光シグナルに寄与し、Stargardtの患者と動物モデルの両方が網膜変性の前に眼底自家蛍光の増加を示し、リポフスチンレベルと毒性との相関関係を示唆しています6,7。しかし、年齢とともに、リポフスチンはRPE変性を引き起こすことなくすべての人間に蓄積します。さらに、RPE変性が高齢患者にのみ起こる加齢黄斑変性症(AMD)では、初期および中間型の疾患を有する患者は、年齢を一致させた非疾患のヒトよりも眼底自己蛍光シグナルが少ない8。これらの臨床所見は、組織学的レベルでも検証されています9,10

RPEリポフスチン蓄積の動物モデルも、リポフスチン毒性についていくつかの曖昧さを残しています。ABCA4ノックアウトマウスは、色素沈着した背景に網膜変性を示しませんが、アルビノの背景または青色光にさらされた場合に現れます11,12。さらに、ABCA4ノックアウトを介して誘導されるリポフスチンの毒性は、AMD13に見られるように、自然な老化に伴って生じるよりゆっくりと蓄積するリポフスチンとは異なる可能性があります。

リポフスチン蓄積のin vitroモデルは、RPEの健康に対するリポフスチン蓄積の影響を研究する代替手段を提供します。このようなモデルは、単一のレチノイド成分の給餌からOSの給餌まで、リポフスチン成分を操作することを可能にし、動物RPEではなくヒトでの研究を可能にする。過去数十年で、培養中のRPEリポフスチンをモデル化するための複数の方法が開発されてきました。他のグループとともに、ボールトン博士のグループは、4〜85歳のドナーからの継代4〜7個のヒト初代RPE細胞で最大3か月間、ウシOSを毎日給餌しました14。あるいは、オートファジーの阻害は、継代3〜7初代ヒトRPE培養物15におけるリポフスチン蓄積ももたらしている。しかし、高度に分化した継代1、初代ヒト出生前RPE(hfRPE)培養における亜致死的リソソーム阻害は、毎日OSを繰り返し添加してもリポフスチンを誘導できなかった16

より還元主義的なアプローチとして、他の人は単一のリポフスチン成分、特にビスレチノイドA2E 4,17を培養物に与えました。このような研究は、個々のリポフスチン成分に対する毒性の潜在的な直接的なメカニズムを定義するという点で貴重であり、例えば、リソソームコレステロールおよびセラミド恒常性18を示唆する。同時に、A2E19の毒性については議論があり、それを細胞に直接供給することは、光受容体OSの食作用を伴うリポフスチン蓄積の典型的な経路を回避する。リポフスチンの全成分をRPE培養物に送達しようとして、ボールトンおよびマーシャルは、ヒトの目からリポフスチンを精製し、これを胎児および高齢のヒトドナーの両方に由来する継代4〜7ヒト一次RPE培養物に供給した20。この方法は革新的ですが、繰り返し実験するための限られたリポフスチン源を表しています。

RPE培養物へのOSの反復給餌は多くの系でリポフスチンを産生するが、高度に分化した初代RPE培養ではそうしない16。光酸化OSは、生体内のリポフスチン形成中に自然に起こるビスレチノイド形成のような架橋反応を誘導します。これは、高度に分化し、リポフスチン蓄積に耐性を有するものであっても、RPE培養系におけるリポフスチン様顆粒形成を加速することができる16。ここでは、高分化型hfRPEおよびヒトiPSC-RPEにおけるリポフスチン様顆粒蓄積を誘導する方法が紹介され、Wihlmarkの公開プロトコル21から改変される。この方法は、生体内のリポフスチン生成に対して起こるのと同じソース(視細胞OS)および経路(ファゴリソソームOS取り込み)を用いてリポフスチン様顆粒を誘導するという利点を有する。さらに、インビボでヒトRPEを複製するために、高度に分化され、複数の研究で検証されたヒトRPE培養で行われます222324これらのリポフスチン様顆粒は、難消化性自己蛍光物質(UAM)と呼ばれ、UAMをin vivoリポフスチンと比較するこのプロトコルのデータと考察を提供します高度に分化したヒトRPEにおけるUAMを含む培養物の構築と評価の方法とともに、RPE OSの食作用を評価するための最新の方法も紹介されています。OS食作用を定量化するための複数の優れたパルスチェイス法が導入されており、ウェスタンブロッティング、免疫細胞化学、FACS25,26,27などが含まれています。しかし、OSパルスチェイスの早い段階では、OSの取り込み不良につながる条件と、内部化されたOSの急速な劣化を促進する条件が混同される可能性があります。ここで紹介する方法は、RPEによって完全に消費/低下された導入OSの総量(「総消費容量」)を測定し、このあいまいさを排除するのに役立ちます。「総消費容量」法によるOS貪食率への影響など、これらのプロトコルを活用したリポフスチン毒性に関する知見は、生体内でのリポフスチンの毒性を明らかにするために利用されることが期待されます。

Protocol

ヒト組織の取得と使用を含む本プロトコルは、ミシガン大学治験審査委員会(HUM00105486)によってレビューおよび承認されました。 1. 光酸化アウターセグメントチップおよびフラグメントの調製 注:暗順応したウシ網膜を購入し、氷上で出荷しました( 材料の表を参照)。これらの網膜から、OSは、以前に公開されたプロトコル23</s…

Representative Results

OSの光酸化のセットアップを図1Aiに示します。ポリテトラフルオロエチレンコーティングされたスライドにより、スライドの残りの部分に広がることなく、開いた長方形ごとに大量の溶液中のOSをロードできます。OS付きのスライドは、蓋を外した滅菌ペトリ皿内に含まれ、図1Aiiに示すようにUVランプがスライドの上に置かれます。あるいは、スラ?…

Discussion

RPEリポフスチンは何十年にもわたって研究されてきましたが、その毒性は議論されています2,9,16,42動物モデル11からのリポフスチンの毒性についての曖昧さを考えると、ヒトRPEを用いたin vitroモデルは貴重です。さまざまなin vitroリポフスチン蓄積モデルが記載さ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、硝子体網膜外科財団(VRSF)、ファイト・フォー・サイト(FFS)、および国際網膜研究財団(IRRF)からの助成金によって部分的にサポートされています。J.M.L.M.は現在、国立眼科研究所からのK08助成金(EY033420)によってサポートされています。HFTの研究に連邦資金は使用されていません。さらなる支援は、Dry AMDのためのJames Grosfeld Initiativeと、次の民間ドナーであるBarbara DunnとDee & Dickson Brownからのものです。

Materials

100 mm cell culture dish Corning #353003 Others also work
24-well Transwells Corning #3470
Anti-LC3 antibody Cell Signaling Technology #4801S 1:1000 dilution
Anti-rhodopsin antibody 1D4 Abcam #5417 1:1000 dilution. Epitope is C-terminal.
Anti-rhodopsin antibody 4D2 EnCor Biotech MCA-B630 1:5000 dilution for western blot, 1:1000 dilution for immunostaining. Epitope is N-terminal.
Autofluorescence quencher Biotium #23007 TrueBlack Lipofuscin Autofluorescence Quencher
Autofluorescence quencher Vector Laboratories SP-8400 Vector TrueVIEW Autofluorescence Quenching Kit
Bodipy 493/503 Life Technologies D3922
Cholesterol esterase  Life Technologies From A12216 kit
Confocal microscope Leica Leica Stellaris SP8 with FALCON module
Dark-adapted bovine retinas W. L. Lawson Company Dark-adapted bovine retinas (pre-dissected) Contact information:
https://wllawsoncompany.com/
(402) 499-3161
stacy@wllawsoncompany.com
Filipin Sigma-Aldrich F4767
Flow cytometer Thermo Fisher Attune NxT
Flow cytometer analysis software  BD FlowJo
Handheld UV light  Analytik Jena US UVGL-55
Human MFG-E8 Sino Biological 10853-H08B
Human purified Protein S Enzyme Research Laboratories HPS
Laemmli sample buffer Thermo Fisher J60015-AD
LDH assay Promega J2380 LDH-Glo Cytotoxicity Assay
Mounting media Invitrogen P36930 Prolong Gold antifade reagent
Nile red Sigma-Aldrich #72485
Polytetrafluoroethylene-coated slides Tekdon Customized Customized specifications: PTFE mask with the following "cut-outs" -  3 glass rectangles, each measuring 17 mm x 9 mm, oriented so that the 17 mm side is 4 mm from the top of the slide and 4 mm from the bottom of the slide, assuming a standard microscope slide of 25 mm x 75 mm. Each rectangle is spaced at least 6 mm away from other rectangles and the edges of the slide. Print PTFE mask on a slide with frosted glass on one side to allow for labeling of the slide.
Protease inhibitors  Cell Signaling Technology #5872
Protein assay Bio-Rad #5000122 RC DC protein assay
TEER electrode World Precision Instruments STX3
Trans-epithelial electrical resistance (TEER) meter World Precision Instruments EVOM3
Ultraviolet crosslinker device Analytik Jena US UVP CL-1000

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Zhang, Q., Autterson, G., Miller, J. M. L. Improved Lipofuscin Models and Quantification of Outer Segment Phagocytosis Capacity in Highly Polarized Human Retinal Pigment Epithelial Cultures. J. Vis. Exp. (194), e65242, doi:10.3791/65242 (2023).

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