Summary

Fremme 3-D Aggregering av FACS Renset Thymus- Epitelceller med EAK 16-II / EAKIIH6 Self-montering Hydrogel

Published: June 27, 2016
doi:

Summary

This video demonstrates a protocol to enrich thymic epithelial cells (TECs) with density gradient for FACS isolation. It also shows the use of EAK16-II/EAKIIH6 peptides to promote the TEC aggregate formation. The microenvironments of EAK16-II/EAKIIH6 hydrogel provide the 3-D configuration necessary to maintain the survival and function of the TECs.

Abstract

Thymus involution, associated with aging or pathological insults, results in diminished output of mature T-cells. Restoring the function of a failing thymus is crucial to maintain effective T cell-mediated acquired immune response against invading pathogens. However, thymus regeneration and revitalization proved to be challenging, largely due to the difficulties of reproducing the unique 3D microenvironment of the thymic stroma that is critical for the survival and function of thymic epithelial cells (TECs). We developed a novel hydrogel system to promote the formation of TEC aggregates, based on the self-assembling property of the amphiphilic EAK16-II oligopeptides and its histidinylated analogue EAKIIH6. TECs were enriched from isolated thymic cells with density-gradient, sorted with fluorescence-activated cell sorting (FACS), and labeled with anti-epithelial cell adhesion molecule (EpCAM) antibodies that were anchored, together with anti-His IgGs, on the protein A/G adaptor complexes. Formation of cell aggregates was promoted by incubating TECs with EAKIIH6 and EAK16-II oligopeptides, and then by increasing the ionic concentration of the medium to initiate gelation. TEC aggregates embedded in EAK hydrogel can effectively promote the development of functional T cells in vivo when transplanted into the athymic nude mice.

Introduction

Thymus er det primære lymfoide organ er ansvarlig for genereringen av en mangfoldig populasjon av patogen-reaktive, selv-tolerant T-celler som er avgjørende for funksjonen av ervervet immunsystemet. Det er en dynamisk organ hvor utviklings thymocytter, innvandret fra benmargen som lymfocytt progenitorceller, migrerer gjennom det svampliknende tredimensjonale (3-D) matrise av thymus-stroma, gjennomgår avstamning-spesifikasjonen og differensiering, og til slutt migrere så modne T-celler. Suksessen til dette godt programmert prosessen avhenger i stor grad av krysstale mellom de trekkende thymocytter og bolig thymus epitelceller (Tecs), den dominerende befolkningen i thymus stroma som er avgjørende for å etablere og opprettholde integriteten av thymus mikromiljøet.

Basert på deres anatomiske plassering og unik funksjon, kan Tecs deles inn i to undergrupper: den Tecs i cortex (cTECs) som er ansvarslig for valg av selv-MHC (major histocompatibility komplekse) begrensede T-celler (positiv seleksjon), og Tecs i medulla (mTECs) som er vesentlig for å eliminere autoreaktive T-celler (negativ seleksjon) 1,2. Mange faktorer (for eksempel aldring, infeksjon, bestråling, narkotika behandlinger) kan føre til irreversible skader på thymus epitel, noe som resulterer i nedsatt adaptiv immunitet. Til tross for mange forsøk, gjenopprette thymus-funksjonen har vært utfordrende på grunn av problemer med å reprodusere thymus mikromiljøet. Spesielt, er tymisk tre-dimensjonal (3-D) konfigurasjon kritisk for overlevelse og funksjon av Tecs, mens Tecs dyrket i en 2-D miljø hurtig redusere ekspresjonen av gener som kritiske for thymopoiesis 3,4.

EAK16-II (AEAEKAKAEAEAKAK) og dets C-terminale histidinylated analog EAKIIH6 (AEAEKAKAEAEAKAKHHHHHH) er lav molekylvekt, amfifile oligopeptider som er løselige i deionisert water, men gjennomgår gelering for dannelse av p-fibriller når de utsettes for ionestyrke høyere enn 20 mM NaCl (normal saltkonsentrasjon i human kroppsvæske er 154 mM). Dette miljø responsive egenskapen gjør dem allsidige byggesteiner for å danne 3D-strukturer. Den His-tag på EAKII-H6 gir en docking mekanisme, der anti-Hans IgG / Fc-bindende rekombinant protein A / G (αH6: PA / G) komplekser kan tjene som en adapter for å forankre protein narkotika og andre biomolekyler ( for eksempel antistoffer) på hydrogelen kompositt 5-8.

Vi har tidligere demonstrert at fluorescensmerkede IgG-molekyler er forankret på hydrogelen kan beholdes ved injeksjonsstedet i opp til 13 dager 9. Videre, når de αH6: pA / G adaptere forankret med anti-CD4-IgG ble tilsatt til EAK16-II / EAKIIH6 (EAK) hydrogel, CD4 + T-celler ble bestemt tatt 10. Ved hjelp av tilsvarende teknikk, har vi nylig vist at 3-D aggregering av Tecs cOuld bli fremmet i EAK hydrogel med adapter komplekser bærer TEC-spesifikk anti-EpCAM antistoffer (αH6: PA / G: αEpCAM). Når transplantert under nyre kapsler av nakne mus, kan TEC klynger innebygd i EAK hydrogel effektivt støtte utviklingen av funksjonelle T-celler in vivo 11,12.

Her viser vi vår metode for å raskt og effektivt rense Tecs med fluorescens-aktivert celle sortering (FACS) og generere 3D-TEC aggregater med EAK hydrogel system.

Protocol

Alle dyr som brukes i forsøkene ble plassert i dyret anlegget på Allegheny-Singer Research Institute under protokollen gjennomgått og godkjent av Institutional Animal Care og bruk komité Allegheny helsenett / Allegheny Singer Research Institute. 1. fordøye Thymus med Collage Slakte thymus kjertler. Avlive 3-5 uker gamle C57BL6 / J-mus i en karbondioksid (CO 2) kammer å høste thymus kjertler. I detalj, plasserer musene i kammeret etter CO 2 ind…

Representative Results

For å undersøke effekten av å bruke densitetsgradient separasjons protokollen for å berike CD45- stromale celler, ble celler høstet fra både grenseflaten og de utfelte lymfocytt-pellets farget med anti-CD45 og anti-EpCAM-antistoffer. Både anti-Ulex europaeus agglutinin 1 (UEA1) og anti-MHC klasse II-antistoffer ble også inkludert i fargings cocktail for å ytterligere identifisere de cTEC og Mtec undergrupper. Som vist i figur 1, var vi i stand til rutinemessig ?…

Discussion

Mens Tecs er den dominerende befolkningen i thymus stroma og spille viktige roller for struktur og funksjon av thymus kjertler, de representerer bare ca 0,1-0,5% av den totale thymus cellularity. De er også skjøre celler som høye prosentandeler av celledød blir av og til observert følgende kollagenase fordøyelse, dvs. til behandling dissosiere Tecs fra den ekstracellulære matriks (ECM). Deres sjeldenhet (~ 200 000 per mus thymus) og skjørhet gjort det en utfordrende oppgave å isolere Tecs. Den nylige u…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble støttet delvis av National Institutes of Health gir R21 AI113000 (WSM) og R01 AI123392 (YF).

Materials

1. TEC Isolation
70% Ethanol Decon Laboratories 2701(1 Gallon) Ethanol 200 Proof, deionized water
Dissecting scissors, straight Fine Science Tools, Inc. 91460-11
Graefe forceps, straight Fine Science Tools, Inc. 11053-10
Graefe forceps, curved Fine Science Tools, Inc. 11052-10
Washing solution 1X PBS, 0.1% BSA, 2mM EDTA
1x PBS (Phosphate buffered saline) Gibco 10010-023
BSA (Bovine serum albumin) Sigma A1470-100G
EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) Invitrogen 15575-038
Digestion solution 9 mL RPMI-1640, 0.025 mg/mL Liberase TM Research grade, 10 mM HEPES, 0.2 mg/mL DNaseI
RPMI-1640 Gibco 11879-020
Liberase TM Research Grade Roche 05 401 127 001 referred as "purified collagenase"
1M HEPES Lonza 17-737E
Dnase I Roche 10 104 159 001
50mL Centrifuge tube Corning 430290
60mm tissue culture dish Falcon 353002
1/2cc U-100 Insulin syringe 28G1/2 Becton Dickinson 329461
5mL Polystyrene round-bottom tube Falcon 352058
5ml glass pipet Fisher Healthcare 13-678-27E Use for rinsing the thymic fragments. Thymic fragments tend to stick to the wall with plastic pipets.
MACSmix tube rotator Miltenyi 130-090-753
100um Cell strainer Falcon 352360
Density gradient medium: OptiPrep Axis-Shield
Name Company Catalog Number Comments
2. Cell sorting
5mL Polypropylene round-bottom tube Falcon 352063
Anti-mouse CD16/CD32 (Fc Block) BD Biosciences 553142 Use as undiluted, 2uL per sample
Anti-mouse CD45-PercpCy5.5 eBioscience 45-0451-80 Use at 1:150, 10uL per sample
Anti-mouse CD326 (EpCAM)-PE eBioscience 12-5791-82 Use at 1:100, 10uL per sample
BD Influx BD Biosciences
Single cell analysis software FlowJo
Name Company Catalog Number Comments
2. EAK gel assembly
Anti-His-Tag AnaSpec 29673 "anti-His-Tag IgG"
Purified anti-mouse CD326 (EpCAM) BioLegend 118202 "anti-EpCAM IgG"
Recombinant protein A/G Pierce Biotechnology
1.5mL Safe-Lock Tubes, Biopur, Sterile Fisher Healthcare 05-402-24B referred as "1.5mL microcentrifuge tube" 
96-well, Tissue culture plate, Round-bottom with low evaporation lid BD Falcon 353917
Rocking platform: Nutator Mixer no.1105 BD Clay Adams
10% sucrose Sigma S0389 Prepare with sterile distilled water
EAK16-II (AcNH-AEAEAKAKAEAEAKAK-CONH2) American Peptide Company  custom synthesized, 10mg/mL
EAKIIH6 (AcNH-AEAEAKAKAEAEAKAKHHHHHH-CONH2) American Peptide Company  custom synthesized, 7.5mg/mL
Complete medium RPMI-1640, 10% FBS, 1% Pen/Strep, 1% L-glutamine, 1% NEAA, 5mM HEPES, 50uM 2-Mercaptoethanol
RPMI-1640  Gibco 11879-020
FBS (Fetal Bovine Serum) Atlanta Biologicals S11150 Heat inactivated before use
Pen/Strep Gibco 15140-122
L-glutamine 200mM (100x) Gibco 25030-081
NEAA (non-essential amino acid) 100x Gibco 11140-050
1M HEPES BioWhittaker 17-737E
2-Mercaptoethanol (100X) Millipore ES-007-E
Platform shaker: The Belly Dancer Stovall Life Sciences Inc. model: USBDbo

References

  1. Anderson, G., Jenkinson, E. J., Moore, N. C., Owen, J. J. MHC class II-positive epithelium and mesenchyme cells are both required for T-cell development in the thymus. Nature. 362, 70-73 (1993).
  2. Fan, Y., et al. Thymus-specific deletion of insulin induces autoimmune diabetes. The EMBO J. 28, 2812-2824 (2009).
  3. Mohtashami, M., Zuniga-Pflucker, J. C. Three-dimensional architecture of the thymus is required to maintain delta-like expression necessary for inducing T cell development. J Immunol. 176, 730-734 (2006).
  4. Pinto, S., et al. An organotypic coculture model supporting proliferation and differentiation of medullary thymic epithelial cells and promiscuous gene expression. J Immunol. 190, 1085-1093 (2013).
  5. Fung, S. Y., Yang, H., Chen, P. Formation of colloidal suspension of hydrophobic compounds with an amphiphilic self-assembling peptide. Colloids Surf B Biointerfaces. 55, 200-211 (2007).
  6. Jun, S., et al. Self-assembly of the ionic peptide EAK16: the effect of charge distributions on self-assembly. Biophys J. 87, 1249-1259 (2004).
  7. Saunders, M. J., et al. Engineering fluorogen activating proteins into self-assembling materials. Bioconjug Chem. 24, 803-810 (2013).
  8. Zhang, S., Holmes, T., Lockshin, C., Rich, A. Spontaneous assembly of a self-complementary oligopeptide to form a stable macroscopic membrane. Proc of the Natl Acad Sci U S A. 90, 3334-3338 (1993).
  9. Wen, Y., et al. Coassembly of amphiphilic peptide EAK16-II with histidinylated analogues and implications for functionalization of beta-sheet fibrils in vivo. Biomaterials. 35, 5196-5205 (2014).
  10. Zheng, Y., et al. A peptide-based material platform for displaying antibodies to engage T cells. Biomaterials. 32, 249-257 (2011).
  11. Tajima, A., et al. Bioengineering mini functional thymic units with EAK16-II/EAKIIH6 self-assembling hydrogel. Clin Immunol. 160, 82-89 (2015).
  12. Fan, Y., et al. Bioengineering Thymus Organoids to Restore Thymic Function and Induce Donor-Specific Immune Tolerance to Allografts. Mol Ther. 23, 1262-1277 (2015).
  13. Fan, Y., et al. Thymus-specific deletion of insulin induces autoimmune diabetes. The EMBO J. 28, 2812-2824 (2009).
  14. Fan, Y., et al. Compromised central tolerance of ICA69 induces multiple organ autoimmunity. J Autoimmun. 53, 10-25 (2014).
  15. Palumbo, M. O., Levi, D., Chentoufi, A. A., Polychronakos, C. Isolation and characterization of proinsulin-producing medullary thymic epithelial cell clones. Diabetes. 55, 2595-2601 (2006).
  16. Williams, K. M., et al. Single cell analysis of complex thymus stromal cell populations: rapid thymic epithelia preparation characterizes radiation injury. Clin Transl Sci. 2, 279-285 (2009).
  17. McLelland, B. T., Gravano, D., Castillo, J., Montoy, S., Manilay, J. O. Enhanced isolation of adult thymic epithelial cell subsets for multiparameter flow cytometry and gene expression analysis. J Immunol Methods. 367, 85-94 (2011).
  18. Seach, N., Wong, K., Hammett, M., Boyd, R. L., Chidgey, A. P. Purified enzymes improve isolation and characterization of the adult thymic epithelium. J Immunol methods. 385, 23-34 (2012).
  19. Xing, Y., Hogquist, K. A. Isolation, identification, and purification of murine thymic epithelial cells. J Vis Exp. , e51780 (2014).
  20. Graham, J. M. Separation of monocytes from whole human blood. ScientificWorldJournal. 2, 1540-1543 (2002).
  21. Li, X., Donowitz, M. Fractionation of subcellular membrane vesicles of epithelial and nonepithelial cells by OptiPrep density gradient ultracentrifugation. Methods Mol Biol. 440, 97-110 (2008).
  22. Mita, A., et al. Purification method using iodixanol (OptiPrep)-based density gradient significantly reduces cytokine chemokine production from human islet preparations, leading to prolonged beta-cell survival during pretransplantation culture. Transplant Proc. 41, 314-315 (2009).
  23. Anderson, G., Takahama, Y. Thymic epithelial cells: working class heroes for T cell development and repertoire selection. Trends Immunol. 33, 256-263 (2012).
  24. Kyewski, B., Klein, L. A central role for central tolerance. Annu Rev Immunol. 24, 571-606 (2006).
  25. St-Pierre, C., et al. Transcriptome sequencing of neonatal thymic epithelial cells. Sci Rep. 3, 1860 (2013).
check_url/fr/54062?article_type=t&slug=promoting-3-d-aggregation-facs-purified-thymic-epithelial-cells-with

Play Video

Citer Cet Article
Tajima, A., Liu, W., Pradhan, I., Bertera, S., Lakomy, R. A., Rudert, W. A., Trucco, M., Meng, W. S., Fan, Y. Promoting 3-D Aggregation of FACS Purified Thymic Epithelial Cells with EAK 16-II/EAKIIH6 Self-assembling Hydrogel. J. Vis. Exp. (112), e54062, doi:10.3791/54062 (2016).

View Video