Aprendizaje automático supervisado para la semi-cuantificación del ADN extracelular en glomerulonefritis
Summary
El ADN extracelular (ADNC) liberado durante la muerte celular es proinflamatorio y contribuye a la inflamación. La medición del ADNc en el lugar de la lesión puede determinar la eficacia del tratamiento terapéutico en el órgano diana. Este protocolo describe el uso de una herramienta de aprendizaje automático para automatizar la medición de ECDNA en el tejido renal.
Abstract
La muerte celular glomerular es una característica patológica de la vasculitis asociada a anticuerpos citoplasmáticos con mieloperoxidasa (MPO-AAV). El ácido desoxirribonucleico extracelular (ADNc) se libera durante diferentes formas de muerte celular, incluyendo apoptosis, necrosis, necroptosis, trampas extracelulares de neutrófilos (NELL) y piroptosis. La medición de esta muerte celular consume mucho tiempo con varios biomarcadores diferentes necesarios para identificar las diferentes formas bioquímicas de muerte celular. La medición del ADNc generalmente se lleva a cabo en suero y orina como sustituto del daño renal, no en el órgano diana real donde se produce la lesión patológica. La dificultad actual para investigar el ADC en el riñón es la falta de métodos para el tejido incrustado de parafina fija de formalina (FFPE) tanto experimentalmente como en biopsias renales humanas archivadas. Este protocolo proporciona un resumen de los pasos necesarios para manchar para ecDNA en el tejido FFPE (tanto humano como murino), apagar la autofluorescencia y medir el ECDNA en las imágenes resultantes utilizando una herramienta de aprendizaje automático de la segmentación de Weka de código abierto disponible públicamente. La segmentación entrenable de Weka se aplica a ecDNA dentro de los glomérulos, donde el programa aprende a clasificar el ECDNA. Este clasificador se aplica a las imágenes renales adquiridas posteriores, lo que reduce la necesidad de anotaciones manuales de cada imagen individual. La adaptabilidad de la segmentación entrenable de Weka se demuestra aún más en el tejido renal de la glomerulonefritis experimental murina anti-MPO (GN), para identificar NETs y ecMPO, contribuyentes patológicos comunes a anti-MPO GN. Este método proporciona un análisis objetivo de la ADNc en el tejido renal que demuestra claramente la eficacia en la que el programa de segmentación de Weka entrenable puede distinguir el ADNc entre el tejido renal normal sano y el tejido renal enfermo. Este protocolo se puede adaptar fácilmente para identificar ECDNA, NETs y ecMPO en otros órganos.
Introduction
La vasculitis asociada a anticuerpos citoplasmáticos anti neutrófilos de mieloperoxidasa (MPO-AAV) es una enfermedad autoinmune que produce insuficiencia renal por lesión glomerular patológica con considerable muerte celular y liberación de ácido desoxirribonucleico (ADN)1,2. El ADN puede activar el sistema inmunitario actuando como una señal de peligro. En condiciones saludables normales, la ubicación nuclear del ADN ofrece protección contra la exposición al sistema inmunitario. El auto-ADN que se libera extracelularmente durante los procesos patógenos o la autoinmunidad es visto por el sistema inmune como un potente daño proinflamatorio asociado a la autoprotesión molecular asociada (DAMP)3. El ADN celular adicional (ADNC) se libera de las células moribundas a través de varios mecanismos distintos que se rigen por distintas vías bioquímicas, como la apoptosis, la formación de trampas extracelulares de neutrófilos necrópticos (PT), necrosis o piroptosis4,,5,,6,,7,,8.
Aquí describimos métodos para manchar y medir el ECDNA liberado de las células moribundas en secciones de los riñones de parafina fija de formalina (FFPE) de las biopsias experimentales anti-MPO GN y renales de pacientes con MPO-AAV9,10. Existen múltiples métodos para la detección de ADN de doble cadena circulante (dsDNA) y complejos de ADN tanto de suero como de orina y de ensayos in vitro11,12. Estos métodos, aunque precisos para determinar la cantidad de ADC, no determinan dónde se libera anatómicamente el ADC. Existen métodos que describen la medición específica del ECDNA, como la tuneltosis para la apoptosis y la medición de los desechos celulares13,,14. No hay ningún método que describa la medición de ECDNA culminó de todas las formas de muerte celular en los riñones FFPE donde se produce el daño patológico. Esto es importante para determinar si los tratamientos terapéuticos experimentales están limpiando el ADNc de los sitios de lesión patológica en el órgano diana real.
La adquisición de varias imágenes a partir de muestras de riñón crea un alto volumen de datos que es analizado comúnmente por un solo usuario. Esto requiere mucha mano de obra, consume mucho tiempo y puede estar sujeto a reproducibilidad poco fiable por parte de otros usuarios, debido al sesgo del usuario. Trainable Weka segmentation es un plugin de software de código abierto para ImageJ que utiliza herramientas bioinformáticas de vanguardia para clasificar píxeles utilizando algoritmos de aprendizaje automático15,,16. Este método es “entrenable” por lo que aprende de la clasificación del usuario de segmentos de píxeles y aplica la nueva clasificación aprendida a otras imágenes. Este método se basa en herramientas de análisis comunes dentro del programa ImageJ que se utilizan para “clasificar” cada píxel de un segmento como perteneciente a una “clase” específica. Una vez que el programa aprende los “clasificadores”, se pueden utilizar para identificar otros segmentos clasificados similares dentro de la misma imagen. A continuación, este modelo se guarda y se aplica a otros conjuntos de imágenes dentro del mismo experimento.
Los obstáculos actuales para determinar el ADC in situ en las secciones renales son la autofluorescencia endógena de la fijación en formalina y el análisis intensivo de mano de obra de las imágenes. Aquí describimos cómo apagar esta autofluorescencia, detectar ecDNA y usar el aprendizaje automático supervisado para la medición de alto rendimiento de ecDNA. Hemos publicado previamente la medición de NETs y MPO extracelular (ecMPO) utilizando una macro en ImageJ, ahora demostramos semi automatización de estos métodos utilizando el aprendizaje automático supervisado1. Demostramos la adaptabilidad de la herramienta de aprendizaje automático, para clasificar una mancha alternativa para NETs y ecMPO dentro de la misma imagen. Estos métodos de tinción descritos aquí para detectar ECDNA, NETs y ecMPO se pueden traducir a otros órganos sólidos y enfermedades donde ecDNA, NETS y ecMPO desempeña un papel en la perpetuación de enfermedades como la artritis reumatoide y el lupus17,,18.
Protocol
Representative Results
Discussion
Existen múltiples protocolos que miden los marcadores proinflamatorios en el suero y la orina tanto de los pacientes como de los modelos de ratón de glomerulonefritis. Este protocolo descrito permite el análisis de los productos de la muerte celular (ECDNA, NETs y ecMPO) directamente dentro del glomerulo. Los pasos más cruciales en este protocolo son la preparación de tejidos y la toma de imágenes. El principal elemento restrictivo del uso de un método de tinción fluorescente para el análisis es la autofluoresce…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Reconocemos a Monash Micro Imaging por el uso del microscopio de escaneo láser confocal vertical Nikon C1 y la plataforma histología Monash para el procesamiento de tejido renal.
Materials
| Bovine Serum Albumin | SIGMA | A2153 | 5% and 1% solutions are made up in PBS, can be made in bulk and frozen- discard once thawed. |
| Chicken anti Goat IgG (H+L) cross absorbed antibody Alexa Fluor 594 | ThermoFisher Scientific | A-21468 | Spin in mini centrifuge for 1 minute prior to use to avoid any free conjugate in your antibody cocktail |
| Chicken anti mouse IgG (H+L) cross absorbed antibody, Alex Fluor 647 | ThermoFisher Scientific | A-121468 | Spin in mini centrifuge for 1 minute prior to use to avoid any free conjugate in your antibody cocktail |
| Chicken anti rabbit IgG (H+L) Cross absorbed antibody Alexa Fluor 488 | ThermoFisher Scientific | A-21441 | Spin in mini centrifuge for 1 minute prior to use to avoid any free conjugate in your antibody cocktail |
| Chicken sera | SIGMA | C5405 | Made up in 1%BSA/PBS |
| Coverslips 24 x60 mm | Azerscientific | ES0107222 | #1.5 This is not standard thickness- designed for use in confocal microscopy |
| EDTA 10mM | SIGMA | E6758 | Add TRIS and EDTA together in distilled water and pH to 9, for antigen retrieval, can be made up in a 10x Solution |
| Ethanol 30%, 70% and 100% | Chem Supply | UN1170 | Supplied as 100% undenatured ethanol- dilute to 30% and 70% using distilled water |
| Formaldehyde, 4% (10% Neutral buffered Formalin) | TRAJAN | NBF-500 | Kidney is put into a 5ml tube containing 3ml of formalin for 16 hours at RT, formalin should be used in a fume hood |
| Glass histology slides- Ultra Super Frost, Menzel Glaze, 25×75 x1.0mm | TRAJAN | J3800AM4 | Using positive charged coated slides is essential. We do not recommend using poly-L-lysine for coating slides as tissue dislodges from slides during the antigen retrieval step |
| Goat anti human/mouse MPO antibody | R&D | AF3667 | Aliquot and freeze at minus 80 degrees upon arrival |
| Histosol | Clini Pure | CPL HISTOSOL 08 | Used neat, in 200ml staining rack containers, use in a fume hood |
| Hydrophobic pen | VECTOR Labs | H-400 | Use to draw circle around kidney tissue |
| Mouse anti human/mouse Peptidyl arginase 4 (PAD4) | ABCAM | ab128086 | Aliquot and freeze at minus 80 degrees upon arrival |
| Nikon C1 confocal scanning laser head attached to Nikon Ti-E inverted Microscope | Coherent Scientific | Aliquot and freeze at minus 80 degrees upon arrival | |
| Phosphate Buffered Saline | SIGMA | P38135 | 0.01M PB/0.09% NaCl Make up 5L at a time |
| Pressure Cooker 6L Tefal secure 5 Neo stainless | Tefal | GSA-P2530738 | Purchased at local homeware store |
| Prolong Gold DAPI | Life Technologies | P36962 | Apply drops directly to coverslip |
| Rabbit anti human/mouse Beta Actin antibody | ABCAM | ab8227 | Aliquot and freeze at minus 80 degrees upon arrival |
| Rabbit anti human/mouse H3Cit antibody | ABCAM | ab5103 | Aliquot and freeze at minus 80 degrees upon arrival |
| Staining rack 24 slides | ProScitech | H4465 | Staining rack chosen has to be able to withstand boiling under pressure and incubation in 60 degree oven |
| Sudan Black B | SIGMA | 199664 | 0.3% Add 3g to a 1L bottle in 70% Ethanol, filter and protect from the light- stable for 6 months at room temperature |
| Tris 10mM | SIGMA | T4661 | Add TRIS and EDTA together in distilled water and pH to 9, for antigen retrieval, can be made up in a 10x solution |
| Xylene | Trajan | XL005/20 | Must be use used in a fume hood |
References
- O’Sullivan, K. M., et al. Renal participation of myeloperoxidase in antineutrophil cytoplasmic antibody (ANCA)-associated glomerulonephritis. Kidney International. 88 (5), 1030-1046 (2015).
- Jennette, J. C., Falk, R. J., Hu, P., Xiao, H. Pathogenesis of antineutrophil cytoplasmic autoantibody-associated small-vessel vasculitis. Annual Review of Pathology. 8, 139-160 (2013).
- Jorgensen, I., Rayamajhi, M., Miao, E. A. Programmed cell death as a defence against infection. Nat Rev Immunol. 17 (3), 151-164 (2017).
- Brinkmann, V., et al. Neutrophil extracellular traps kill bacteria. Science. 303 (5663), 1532-1535 (2004).
- Wyllie, A. H., Kerr, J. F., Currie, A. R. Cell death: the significance of apoptosis. International Review of Cytology. 68, 251-306 (1980).
- Fiers, W., Beyaert, R., Declercq, W., Vandenabeele, P. More than one way to die: apoptosis, necrosis and reactive oxygen damage. Oncogene. 18 (54), 7719-7730 (1999).
- Pasparakis, M., Vandenabeele, P. Necroptosis and its role in inflammation. Nature. 517 (7534), 311-320 (2015).
- Fink, S. L., Cookson, B. T. Caspase-1-dependent pore formation during pyroptosis leads to osmotic lysis of infected host macrophages. Cellular Microbiology. 8 (11), 1812-1825 (2006).
- Ooi, J. D., Gan, P. Y., Odobasic, D., Holdsworth, S. R., Kitching, A. R. T cell mediated autoimmune glomerular disease in mice. Current Protocols in Immunology. 107, 15.27.11-15.27.19 (2014).
- Ruth, A. J., et al. Anti-neutrophil cytoplasmic antibodies and effector CD4+ cells play nonredundant roles in anti-myeloperoxidase crescentic glomerulonephritis. Journal of the American Society of Nephrology. 17 (7), 1940-1949 (2006).
- Nagler, M., Insam, H., Pietramellara, G., Ascher-Jenull, J. Extracellular DNA in natural environments: features, relevance and applications. Applied Microbiology and Biotechnology. 102 (15), 6343-6356 (2018).
- Burnham, P., et al. Urinary cell-free DNA is a versatile analyte for monitoring infections of the urinary tract. Nature Communications. 9 (1), 2412 (2018).
- Gobe, G. Identification of apoptosis in kidney tissue sections. Methods in Molecular Biology. 466, 175-192 (2009).
- Olander, M., Handin, N., Artursson, P. Image-Based Quantification of Cell Debris as a Measure of Apoptosis. Analytical Chemistry. 91 (9), 5548-5552 (2019).
- Arganda-Carreras, I., et al. Trainable Weka Segmentation: a machine learning tool for microscopy pixel classification. Bioinformatics. 33 (15), 2424-2426 (2017).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- Apel, F., Zychlinsky, A., Kenny, E. F. The role of neutrophil extracellular traps in rheumatic diseases. Nature Reviews Rheumatology. 14 (8), 467-475 (2018).
- Chapman, E. A., et al. Caught in a Trap? Proteomic Analysis of Neutrophil Extracellular Traps in Rheumatoid Arthritis and Systemic Lupus Erythematosus. Frontiers in Immunology. 10, 423 (2019).
- Oliveira, V. C., et al. Sudan Black B treatment reduces autofluorescence and improves resolution of in situ hybridization specific fluorescent signals of brain sections. Histology & Histopathology. 25 (8), 1017-1024 (2010).
- Kessenbrock, K., et al. Netting neutrophils in autoimmune small-vessel vasculitis. Nature Medicine. 15 (6), 623-625 (2009).
- Schreiber, A., et al. Necroptosis controls NET generation and mediates complement activation, endothelial damage, and autoimmune vasculitis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (45), E9618-E9625 (2017).
- Antonelou, M., Perea Ortega, L., Harvey, J., Salama, A. D. Anti-myeloperoxidase antibody positivity in patients without primary systemic vasculitis. Clinical and Experimental Rheumatology. 37 (2), 86-89 (2019).
