Summary

Udvikling af en Ethanol-induceret Fibrotiske Lever Model i Zebrafisk at studere progenitorcelle-medieret hepatocyt Regeneration

Published: May 13, 2016
doi:

Summary

Sustained fibrosis with deposition of excessive extracellular matrix proteins leads to cirrhosis. Alcohol abuse is one of the main causes of severe liver disease. We established an ethanol-induced zebrafish fibrotic liver model to study the mechanisms and strategies of promoting hepatocyte regeneration upon alcohol-induced injury.

Abstract

Sustained liver fibrosis with continuation of extracellular matrix (ECM) protein build-up results in the loss of cellular competency of the liver, leading to cirrhosis with hepatocellular dysfunction. Among multiple hepatic insults, alcohol abuse can lead to significant health problems including liver failure and hepatocellular carcinoma. Nonetheless, the identity of endogenous cellular sources that regenerate hepatocytes in response to alcohol has not been properly investigated. Moreover, few studies have effectively modeled hepatocyte regeneration upon alcohol-induced injury. We recently reported on establishing an ethanol (EtOH)-induced fibrotic liver model in zebrafish in which hepatic progenitor cells (HPCs) gave rise to hepatocytes upon near-complete hepatocyte loss in the presence of fibrogenic stimulus. Furthermore, through chemical screens using this model, we identified multiple small molecules that enhance hepatocyte regeneration. Here we describe in detail the procedures to develop an EtOH-induced fibrotic liver model and to perform chemical screens using this model in zebrafish. This protocol will be a critical tool to delineate the molecular and cellular mechanisms of how hepatocyte regenerates in the fibrotic liver. Furthermore, these methods will facilitate potential discovery of novel therapeutic strategies for chronic liver disease in vivo.

Introduction

Trods af de bemærkelsesværdige regenereringsevne af hepatocytter 1, som er den største parenkymalt celletype af leveren, kronisk leversvigt svækker denne evne, hvilket fører til nedsat progenitorcelle (HPC) -afhængig regenerering 2.

Kronisk leverskader er hovedsageligt stammer fra alkoholmisbrug, kronisk hepatitis C virus (HCV) infektion 3 og ikke-alkoholiske fedtlever sygdom (NAFLD) 4. Det fører til en vedvarende leverfibrose, som er forbundet med akkumuleringen af ​​ekstracellulær matrix (ECM) proteiner. Vedvarende ECM akkumulering fordrejer intakt hepatisk arkitektur ved at danne et fibrøst arvæv 5, efterfølgende resulterer i cirrhosis med høj morbiditet og mortalitet. Mange forsøg er blevet gjort for at mindske den fibrotiske reaktion hovedsageligt ved at fokusere på inhibering profibrogenic cytokiner og aktiverede myofibroblaster 6. Sidstnævnte er primært afledt af hepatiske stjerneformige celler (HSCs), de vigtigste hepatiske ikke-parenkymceller ansvarlige for leveren ardannelse 4. Ikke desto mindre, regenerative behandlinger, der stimulerer endogene cellulære kilder, herunder HPCs at regenerere hepatocytter i overværelse af vedvarende fibrogene fornærmelser afventer yderligere undersøgelser.

Mange forsøgsmodeller af hepatisk fibrose er blevet beskrevet i pattedyr. Gentagen injektion af carbontetrachlorid (CCI4) har været meget anvendt til at inducere leverfibrose i murine og rottemodeller 7. Når det kombineres med en fedtrig (HF) kost, alkohol ført til en betydelig opregulering af profibrogenic genekspression og hepatisk fibrose 8. Mens steatose (lipid ophobning) skyldes akut eksponering alkohol, det gør leveren modtagelige for mere alvorlig leverskade 9.

Den zebrafisk, Danio rerio, har vist sig som en uvurderlig hvirveldyr modelsystem til undersøgelse regenerering. Selvomandre lavere hvirveldyr som f.eks salamandre og axolotls har en bemærkelsesværdig evne til regeneration, at zebrafisk har fordele frem for andre modelsystemer i forhold til de genmanipulation og visualisering strategier er nødvendige for at manipulere potentielle regenerativ faktorer 10. Zebrafisken repræsenterer også en attraktiv hvirveldyr model til at studere alkoholisk leversygdom (ALD) ved blot at tilføje ethanol (EtOH) til deres vand. Akut EtOH udsættelse for larver og voksne zebrafisk forårsagede leversteatose 11-13. Når voksne zebrafisk fik forlænget EtOH eksponering blev collagenaflejringen observeret med opregulering af fibrose-relaterede gener 14. Imidlertid er der et behov for at udvikle modeller til at studere leverregenerering som reaktion på EtOH som fibrogene stimulus.

For nylig har vi udviklet en EtOH-induceret fibrotisk lever model i zebrafisk 15. Vi kombinerede en hepatocyt-specifik genetisk ablationssystem med EtOH behandling i larvernes og Adult zebrafisk. Vi genererede to transgene linjer, Tg (fabp10a: CFP-NTR) GT1 og Tg (fabp10a: mCherry-NTR) GT2, hvor E.coli nitroreduktase (NTR) er fusioneret til cyan og mCherry fluorescerende protein, henholdsvis under kontrol af hepatocyt-specifik fedtsyrebindende protein 10a, lever basic (fabp10a) promotor. I dette system NTR konverterer en ikke-toksisk prodrug metronidazol (MTZ) i en DNA inter-streng tværbindingsmiddel 16, inducere eksplicit død af hepatocytter. Under anvendelse af denne model påviste vi, at en population af leverceller, som reagerer på Notch signalering, omregnet til hepatocytter i nær fravær af hepatocytter og i overskud af ECM. Vi har udpeget disse celler som HPC'er. Desuden gennem kemiske skærme, vi identificeret lille molekyle aktivatorer af Wnt-signalering og hæmmere af Notch signalering, som styrker hepatocyt regenerering i fibrøse leveren. therefore, vores fibrotisk lever model i zebrafisk repræsenterer en fantastisk kemisk screening-system i forhold til celle kultur- eller pattedyr-baserede screening system. Det er et in vivo-system med betydelig omkostnings- og tidsbesparelser. Her beskriver vi de nærmere regler for oprettelse af en EtOH-induceret fibrotisk lever model og til at udføre kemiske skærme ved hjælp af denne model i zebrafisk. Desuden blev tidsforløb analyser udført for at undersøge, hvordan hepatocyt regenerering forekommer i den fibrotiske leveren. Denne protokol vil give et uvurderligt værktøj til at studere de mekanismer og strategier til at forbedre hepatocyt regenerering i fibrøse leveren.

Protocol

Zebrafisk blevet rejst og opdrættet ved hjælp af en standard protokol, der opfylder kriterierne i National Institutes of Health og godkendt af Georgia Institute of Technology Institutional Animal Care og brug Udvalg. 1. Fremstilling af opløsninger Forbered 20 L æg vand (flæng bruges med 'embryo medium «) for at opretholde embryonal / larve zebrafisk. Opløs 1,5 g CaSO 4 og 6 g øjeblikkelig ocean havsalt i 250 ml destilleret vand. Hæld i en ballon fyldt med 20 L destilleret vand …

Representative Results

Figur 1 viser udviklingen af en EtOH-induceret fibrotisk lever model i larvernes zebrafisk. For at optimere en protokol for at udsætte zebrafisk larver til EtOH, vi først vurderet EtOH toksicitet. 2,5 dage post-befrugtning (dpf) larver blev udsat for EtOH koncentration 1%, 1,5% eller 2% i 24 timer efterfulgt af en samtidig 24 hr EtOH / MTZ behandling. Udsættelse for 2% EtOH forårsagede høj dødelighed, mens næsten alle larver udsat for 1% EtOH eller mindre viste mi…

Discussion

Vi observerede HPC-medieret hepatocyt regenerering i EtOH / MTZ-behandlede genvinder lever, hvilket tyder på, at selv under tilstedeværelse af væsentlig mængde ECM-proteiner, herunder fibrillære type I collagen, de HPC'er bevarer deres kompetence til at regenerere som hepatocytter. Det MTZ kun behandling steg ikke aflejring af ECM-proteiner betydeligt, mens EtOH eneste behandling ikke inducerede HPC aktivering 15. Ved at udnytte den kombinerede EtOH / MTZ behandling, var vi i stand til at undersøge …

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet delvist af tilskud fra GTEC (2731336 og 1411318), NIH (K01DK081351), og NSF (1.354.837) til CHS Vi takker Alem Giorgis for kritisk læsning af manuskriptet.

Materials

Calcium sulfate hemihydrate (CaSO4) Acros AC385355000
Magnesium sulfate (MgSO4) EMD MX0075
1,4-Piperazinediethanesulfonic acid (PIPES) Sigma-Aldrich P6757
Ethylene glycol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N′,N′-tetraacetic acid (EGTA) Sigma-Aldrich E3889
Ethanol Sigma-Aldrich E7023 200 proof
Formaldehyde Fisher Scientific F79-500
Metronidazole (MTZ) Sigma-Aldrich M3761
1-phenyl-2-thiourea (PTU) Sigma-Aldrich P7629
3-amino benzoic acid ethyl ester (Tricaine) Sigma-Aldrich A5040
Phosphate-buffered saline (PBS) tablet Amresco E404 Dissolve one tablet with 100 ml distilled water
Dimethyl sulfoxide (DMSO) Sigma-Aldrich D2438
Bovine serum albumin Fisher Scientific BP1600
Triton X-100 Fisher Scientific BP151
Low-melting agarose  Amresco BP165
Stem Cell Signaling Compound Library Selleck Chemicals L2100 10mM stock in DMSO
ActiProbe-1K Library Timtec ActiProbe-1K 10mM stock in DMSO
SB 415286 Selleck Chemicals S2729 Dissolve with DMSO to 10mM
CHIR-99021 Selleck Chemicals S2924 Dissolve with DMSO to 10mM
Anti-Collagen I antibody Abcam ab23730 Use at 1:100 for immunostaining, reacts with fish
AlexaFluor 647 Donkey anti-rabbit IgG (H+L) Molecular Probes A31573 Use at 1:200 for immunostaining
Mounting media (Vectorshield) Vector Laboratories H-1400
100 mm petri dish VWR 25384-088
24-well plate VWR 10062-896
Forceps Fine Science Tools 11255-20 Dumont #55
Glass slide VWR 48312-003 75×25 mm
Cover glass VWR 48366-045 18 mm
Plastic wrap Fisher Scientific 22305654
Aluminum foil Fisher Scientific 1213100
Kimwipes Kimberly-Clark 34155
Vibrotome Leica VT1000 S
Stereo microscope Leica M80
Epifluoresent microscope Leica M205 FA
Confocol microscope Zeiss LSM700

References

  1. Michalopoulos, G. K. Liver regeneration. J Cell Physiol. 213 (2), 286-300 (2007).
  2. Duncan, A. W., Dorrell, C., Grompe, M. Stem cells and liver regeneration. Gastroenterology. 137 (2), 466-481 (2009).
  3. Shepard, C. W., Finelli, L., Alter, M. J. Global epidemiology of hepatitis C virus infection. Lancet Infect Dis. 5 (9), 558-567 (2005).
  4. Hernandez-Gea, V., Friedman, S. L. Pathogenesis of liver fibrosis. Annu Rev Pathol. 6, 425-456 (2011).
  5. Bataller, R., Brenner, D. A. Liver fibrosis. J Clin Invest. 115 (2), 209-218 (2005).
  6. Kisseleva, T., Brenner, D. A. Anti-fibrogenic strategies and the regression of fibrosis. Best Pract Res Clin Gastroenterol. 25 (2), 305-317 (2011).
  7. Constandinou, C., Henderson, N., Iredale, J. P. Modeling liver fibrosis in rodents. Methods Mol Med. 117, 237-250 (2005).
  8. Gabele, E., et al. A new model of interactive effects of alcohol and high-fat diet on hepatic fibrosis. Alcohol Clin Exp Res. 35 (7), 1361-1367 (2011).
  9. Lieber, C. S. Alcoholic fatty liver: its pathogenesis and mechanism of progression to inflammation and fibrosis. Alcohol. 34 (1), 9-19 (2004).
  10. Poss, K. D. Advances in understanding tissue regenerative capacity and mechanisms in animals. Nat Rev Genet. 11 (10), 710-722 (2010).
  11. Jang, Z. H., et al. Metabolic profiling of an alcoholic fatty liver in zebrafish (Danio rerio). Mol Biosyst. 8 (7), 2001-2009 (2012).
  12. Passeri, M. J., Cinaroglu, A., Gao, C., Sadler, K. C. Hepatic steatosis in response to acute alcohol exposure in zebrafish requires sterol regulatory element binding protein activation. Hepatology. 49 (2), 443-452 (2009).
  13. Yin, C., Evason, K. J., Maher, J. J., Stainier, D. Y. The basic helix-loop-helix transcription factor, heart and neural crest derivatives expressed transcript 2, marks hepatic stellate cells in zebrafish: analysis of stellate cell entry into the developing liver. Hepatology. 56 (5), 1958-1970 (2012).
  14. Lin, J. N., et al. Development of an animal model for alcoholic liver disease in zebrafish. Zebrafish. 12 (4), 271-280 (2015).
  15. Huang, M., et al. Antagonistic interaction between Wnt and Notch activity modulates the regenerative capacity of a zebrafish fibrotic liver model. Hepatology. 60 (5), 1753-1766 (2014).
  16. Curado, S., Stainier, D. Y., Anderson, R. M. Nitroreductase-mediated cell/tissue ablation in zebrafish: a spatially and temporally controlled ablation method with applications in developmental and regeneration studies. Nat Protoc. 3 (6), 948-954 (2008).
  17. Parsons, M. J., et al. Notch-responsive cells initiate the secondary transition in larval zebrafish pancreas. Mech Dev. 126 (10), 898-912 (2009).
  18. Baker, K., Warren, K. S., Yellen, G., Fishman, M. C. Defective ‘pacemaker’ current (Ih) in a zebrafish mutant with a slow heart rate. Proc Natl Acad Sci U S A. 94 (9), 4554-4559 (1997).
  19. Avdesh, A., et al. Regular care and maintenance of a zebrafish (Danio rerio) laboratory: an introduction. J Vis Exp. (69), e4196 (2012).
  20. Gupta, T., Mullins, M. C. Dissection of organs from the adult zebrafish. J Vis Exp. (37), (2010).
  21. Paku, S., Schnur, J., Nagy, P., Thorgeirsson, S. S. Origin and structural evolution of the early proliferating oval cells in rat liver. Am J Pathol. 158 (4), 1313-1323 (2001).
  22. Turner, R., et al. Human hepatic stem cell and maturational liver lineage biology. Hepatology. 53 (3), 1035-1045 (2011).
  23. Kodama, Y., Hijikata, M., Kageyama, R., Shimotohno, K., Chiba, T. The role of notch signaling in the development of intrahepatic bile ducts. Gastroenterology. 127 (6), 1775-1786 (2004).
  24. Ryback, R., Percarpio, B., Vitale, J. Equilibration and metabolism of ethanol in the goldfish. Nature. 222 (5198), 1068-1070 (1969).
  25. Mathias, J. R., Saxena, M. T., Mumm, J. S. Advances in zebrafish chemical screening technologies. Future Med Chem. 4 (14), 1811-1822 (2012).
  26. Chen, C. H., Durand, E., Wang, J., Zon, L. I., Poss, K. D. zebraflash transgenic lines for in vivo bioluminescence imaging of stem cells and regeneration in adult zebrafish. Development. 140 (24), 4988-4997 (2013).
  27. Westhoff, J. H., et al. Development of an automated imaging pipeline for the analysis of the zebrafish larval kidney. PLoS One. 8 (12), e82137 (2013).
  28. Perlman, Z. E., et al. Multidimensional drug profiling by automated microscopy. Science. 306 (5699), 1194-1198 (2004).
  29. Chu, J., Sadler, K. C. New school in liver development: lessons from zebrafish. Hepatology. 50 (5), 1656-1663 (2009).
  30. Choi, T. Y., Ninov, N., Stainier, D. Y., Shin, D. Extensive conversion of hepatic biliary epithelial cells to hepatocytes after near total loss of hepatocytes in zebrafish. Gastroenterology. 146 (3), 776-788 (2014).
  31. He, J., Lu, H., Zou, Q., Luo, L. Regeneration of liver after extreme hepatocyte loss occurs mainly via biliary transdifferentiation in zebrafish. Gastroenterology. 146 (3), 789-800 (2014).
  32. Yao, Y., et al. Fine structure, enzyme histochemistry, and immunohistochemistry of liver in zebrafish. Anat Rec (Hoboken). 295 (4), 567-576 (2012).
  33. Yovchev, M. I., Xue, Y., Shafritz, D. A., Locker, J., Oertel, M. Repopulation of the fibrotic/cirrhotic rat liver by transplanted hepatic stem/progenitor cells and mature hepatocytes. Hepatology. 59 (1), 284-295 (2014).
check_url/fr/54002?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Huang, M., Xu, J., Shin, C. H. Development of an Ethanol-induced Fibrotic Liver Model in Zebrafish to Study Progenitor Cell-mediated Hepatocyte Regeneration. J. Vis. Exp. (111), e54002, doi:10.3791/54002 (2016).

View Video