Bir Yüksek içerik<em> İn Vitro</em> Pankreas Adacık β-hücre çoğaltma Keşif Platformu
Summary
diyabet araştırma alanı için kritik zorluklar adacık β-hücre çoğalmasını düzenleyen ve β-hücre yenilenmesini teşvik etmek için yöntemler geliştirmek moleküler mekanizmalarını anlamak için vardır. Burada yüksek içeriği tarama yöntemi belirlemek ve küçük moleküllerin β-hücresi replikasyon teşvik aktivitesi sunulmuştur değerlendirmek.
Abstract
Loss of insulin-producing β-cells is a central feature of diabetes. While a variety of potential replacement therapies are being explored, expansion of endogenous insulin-producing pancreatic islet β-cells remains an attractive strategy. β-cells have limited spontaneous regenerative activity; consequently, a crucial research effort is to develop a precise understanding of the molecular pathways that restrain β-cell growth and to identify drugs capable of overcoming these restraints. Herein an automated high-content image-based primary-cell screening method to identify β-cell replication-promoting small molecules is presented. Several, limitations of prior methodologies are surmounted. First, use of primary islet cells rather than an immortalized cell-line maximizes retention of in vivo growth restraints. Second, use of mixed-composition islet-cell cultures rather than a β-cell-line allows identification of both lineage-restricted and general growth stimulators. Third, the technique makes practical the use of primary islets, a limiting resource, through use of a 384-well format. Fourth, detrimental experimental variability associated with erratic islet culture quality is overcome through optimization of isolation, dispersion, plating and culture parameters. Fifth, the difficulties of accurately and consistently measuring the low basal replication rate of islet endocrine-cells are surmounted with optimized immunostaining parameters, automated data acquisition and data analysis; automation simultaneously enhances throughput and limits experimenter bias. Notable limitations of this assay are the use of dispersed islet cultures which disrupts islet architecture, the use of rodent rather than human islets and the inherent limitations of throughput and cost associated with the use of primary cells. Importantly, the strategy is easily adapted for human islet replication studies. This assay is well suited for investigating the mitogenic effect of substances on β-cells and the molecular mechanisms that regulate β-cell growth.
Introduction
Diyabet bozulmuş glikoz dengesinin ortak uç noktasını paylaşan bozuklukların bir koleksiyon kapsar. Diyabet alt tiplerinin patojenik mekanizma belirgin olmasına rağmen, azalmış β-hücresi kütlesi, yani insülin üretim kapasitesi 1,2 kaybı sonucu paylaşır. Halen, diyabet tedavi stratejileri eksojen insülin, insülin üretimi veya insülin duyarlılığı geliştirme farmakolojik stimülasyon kronik idaresi itimat ve nadiren, pankreas adacık ya da tüm pankreas 3,4 nakli. Ne yazık ki, bu stratejilerin başarısı kısa sürelidir ve / veya yeterince endojen insülin üretiminin işlevini özetlemek için başarısız olur. β-hücre yenilenmesini teşvik etmek için bir yöntem geliştirme programı olmasına rağmen, böyle bir yaklaşım var. Sonuç olarak, büyük bir şeker araştırma hedefi, yeni bir β-hücrelerinin üretilmesi için ya da endojen β-hücresi kütlesi 5 genişletmek için yöntemler geliştirmektir </sup>. Bu embriyonik kök hücreleri gibi yenilenebilir kaynaklardan β-hücresi rejenerasyonu ilerlemektedir, ancak, güvenlik ve etkinlik ilgilidir olgun β-hücrelerinin genişlemesi, bir öncelik 6,7 dahil olmak üzere alternatif stratejileri, takip edin. Önemli olarak, in vivo olarak, yeni β-hücrelerinin baskın kaynağı önceden var olan β-hücrelerinin yerine özel bir progenitör hücreler 8,9 olan. β-hücrelerinin, sınırlı çoğaltma kapasitesine, β-hücresi kütlesindeki küçük bir artış sahip gibi görünmektedir, ancak (~% 30) pek çok diyabet hastası glukoz homeostazisin yeniden için yeterli olabilir. Ayrıca, β-hücresi kütlesi yerinde farmakolojik stimülasyon potansiyel olarak pahalı olmayan ve ölçeklenebilir bir tedavi stratejisidir. Burada β-hücresi büyümesini teşvik küçük molekülleri tanımlamak ve ayırt etmek için yüksek içerik tarama yöntemi sunulmaktadır.
In vitro deney yöntemleri çeşitli gen ürünlerini ve / veya molekülleri tha tanımlamak için kullanılabilirt birincil β-hücre çoğalmasını teşvik. Β-hücre replikasyonu indüksiyonunu ölçen ilk çabalar, belirli bir tedavi koşullarında 10 yanıt olarak aldehit tiyonin veya insülin lekeli nüfus içinde [3H] timidin eklenmesini, BrdU dahil ve mitotik organları ölçmek için, fetal kemirgen pankreası kültürü ya da dokunulmamış izole adacığı kültürleri kullanılan 11. Bunlar in vitro yaklaşımlar ve yakın varyantları birkaç sınırlamaları vardır. Tanınmış eksiklikler olgun β-hücrelerinin aksine, yüksek bazal β-hücre çoğaltma oranı görüntüleyebilir ve farklı bir şekilde 12 düzenlenen büyümesi, fetal hücrelerin (1) kullanımını içerir; (2) β-hücre çoğaltma olaylarının deneyci bağımlı yargı öznel doğası; (3) β-hücre çoğaltma olaylarının deneyci bağımlı sayım emek ve zaman yoğun doğa deneysel verim geciktirir; Nükleer kuruluş / leke / görünüm (4) kullanımı bile çoğaltma tanımlamak içints ve β-hücreleri belirlemek için bir üst üste binmeyen sitoplazmik leke hücreleri olan B için yakın olmayan β-hücre replikasyonu etkinlikleri yanlış atıf yol açar.
Daha yakın zamanda, olgun primer β-hücrelerinin β-hücresi çoğaltma 13-16 aşırı ifade transgenin etkisini hem de gen ürünü ya da bileşim tedavisi değerlendirmek için kullanılmıştır. Bununla birlikte, bu çalışmalar, çoğaltma etkinlikleri, β-hücresi tanımlama ve / veya hacmini sınırlayan bağımlı adımlar, örneğin, hücre ya da sağlam adacık bir kayma oyuklu kaplama için sitoplazmik staining- veya spesifik olmayan yöntemlerin ilgili sayımı dayanmıştır parafin gömme ve işleme 17. Özellikle, burada sunulan birine benzer bir görüntü tabanlı insan β-hücre çoğaltma tarama yöntemi, 18 yayımlanmıştır; FEA Ancak, bu testin başarılı bir kullanımı ortaya konmamıştır ve birinci tarama için insan adacık kullanımı genel olarak olmayabilirsible.
replikasyon teşvik maddelerin belirlenmesi için alternatif bir strateji, β-hücresi çizgilerinin büyümesi indüksiyonunu değerlendirmek için. İlk çabaları dönüştürülmüş β-hücre hatları gibi min6 hücreleri ya da INS 832/13 hücreleri 14,19-21 kullanılır. Ancak, bu hücre hatları kontrolsüz büyüme gösteren ve iyi diferansiye β-hücreleri 22 az benzerlik taşımaktadır. Sonuç olarak, büyüme-indüksiyon kapasitesi, en az belirsiz alaka ve recapitulate bazen zordur. Hücre satırı tabanlı tarama için geliştirilmiş bir strateji tetrasiklin (doksisiklin) yokluğunda tutuklanan büyüme bağımlı SV40 T antijeni ifade 23,24 olan hücreler "geri dönülebilir dönüştürülmüş" kullanmaktadır. Ancak, bu hücrelerin doksisiklin kaldırılması üzerine "normal" bir β-hücre benzeri duruma dönmek belirsizdir. Ne yazık ki, bu hücrelerin kullanımı derhal kullanıma sahip görünmüyor genelleştirilmiş büyüme destekleyici bileşikler vermiştir24. Genel olarak, en az spontan replikasyon aktivitesi gösteren bir hücre tipi büyüme düzenleme çalışma hücre çizgilerinin kullanımı kısıtlı kullanımı olabilir.
Burada sunulan β-hücre çoğaltma tarama platformu mümkün olduğu ölçüde, soy-kısıtlı büyüme destekleyici faaliyetlerin tanımlanmasını sağlamak için karma hücre tipi bileşiminin adacık hücre kültürleri, multi canlılarda büyüme yönetmelikte korumak için olgun birincil sıçan β-hücreleri kullanır eh verimlilik ve otomatik analiz maksimize etmek biçimlendirme önyargı ortadan kaldırmak ve verimi kolaylaştırmak için. Bu platformun başarılı kullanımı β-hücre çoğaltma 25,26 teşvik birkaç bileşiklerin belirlenmesini sağladı. Ayrıca, tahlil β-hücre çoğaltma moleküler regülasyonu içine mekanistik anlayış sağlamak için yapı-aktivite ilişkisi çalışmaları ve kimyasal epistasi deneyleri için kullanılır olmuştur. sunulan platformu başarıyla fo uyarlanmıştırβ-hücre çoğalmasının r lentiviral RNAi tabanlı soruşturma 25 yolaklarıyla. tahlilinde sınırlamaları (birincil hücre kullanımının) ölçeklenebilirlik Kısıtlı'dır yerine antikor bazlı görüntüleme ve primer adacık kullanım, kullanım ile bağlantılı (deney insan doku adacığı çalışmaları için adapte edebilir) insan doku adacığı hücrelerinden, giderleri daha kemirgen kullanımı görüntü elde etme ve analiz yeteneği ile otomatik mikroskop doluluk durumuna bağlı olarak otomatik görüntü toplama ve bağımlılığını kolaylaştırmak için dağınık adacıklar (bozulmuş adacık mimarisi). Gen ürünlerinin ya da in situ β-hücresi rejenerasyonunu teşvik eden bileşiklerin belirlenmesi için basit, in vivo bir tarama yöntemi ideal olacaktır, ancak bu platform yapılmamış 27 kullanılamaz. Sonuç olarak, açıklanan platformu β-hücre çoğalmasının en yönlerini araştıran ilgilenen araştırmacı için uygundur.
Protocol
Representative Results
Discussion
β-hücre büyümesini ve yenilenmesini kontrol moleküler yollarını inceleyerek için deneysel yöntemler diyabet araştırmacılar için önemli araçlardır. Burada, bir fare-adacık bazlı tarama platformu sunulmuştur β-hücresi çoğalmasının küçük moleküllü uyarıcıları belirlemek ve karakterize etmek.
Bu protokolün en yönlerini kolaylıkla deneyimli araştırmacılar tarafından yerine getirirken, bir kaç adım belirli teknik gerektirir. İlk olarak, adacık izolasyonu…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by NIDDK grants DK098143 and DK101530 from the NIH (JPA), Stanford’s Spectrum Child Health Research Institute (CHRI) and SPARK (UL1 TR001085, JPA).
Materials
| 250g male Male Sprague Dawly Rat | Charles River | Stain # 400 | |
| 12 cm teeth tisuue forceps | Fine Science Tools | 11021-12 | |
| 11.5 cm fine scissors | Fine Science Tools | 14058-11 | |
| 14.5 cm surgical scissors | Fine Science Tools | 14001-14 | |
| 16 cm curved forceps | Fine Science Tools | 11003-16 | |
| 12 cm curved hepostat | Fine Science Tools | 13011-12 | |
| 12 cm scalpel handle | Fine Science Tools | 10003-12 | |
| Tissue sieve-30 mesh | Bellco Glass | 1985-85000 | |
| Cizyme RI, 375,000 CDA units | VitaCyte | 005-1030 | |
| Hanks' Balanced Salt solution (Ca++ and Mg++) | Gibco | 24020-117 | |
| Ketamine HCl (200 mg/20 ml) | JHP Pharmaceuticals | NDC# 42023-113-10 | to make anesthetic cocktail |
| Xylazine (5 g/50 ml) | LLOYD | NADA# 139-236 | to make anesthetic cocktail |
| Histopaque 1077 | Sigma | H-1077 | to make histopaque 1100 |
| Histopaque 1119 | Sigma | H-1119 | to make histopaque 1100 |
| Newborn Calf Serum 500 ml | Hyclone | SH30118.03 | |
| Hanks' Balanced Salt solution | Hyclone | SH30268.01 | |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium/Low Glucose | Hyclone | SH30021.01 | |
| Functionality/Viability Solution | Mediatech | 99-768-CV | |
| RPMI1640 media | Hyclone | SH30096.01 | to make conditioned medium |
| 804G rat bladder carcinoma cell-line | Available upon request | to make conditioned medium | |
| Fetal Bovine Serum, Qualified | Gibco | 26160 | |
| GlutaMax-I | Gibco | 35050-061 | |
| Penicillin (5,000 IU/ml/Strptomycin (5 mg/ml) | MP Biomedicals | 1670049 | |
| Formamide 500 mL | Fisher BioReagents | BP227-500 | |
| Antigen Unmasking Solution 250 mL (PH 6.0) | Vector Laboratories | H-3300 | to make 0.15 M Sodium Sitrate solution |
| Dextrose, Anhydrous | EMD Chemicals | DX0145-1 | to make 1 M glucose solution |
| Nomal Donkey Serum (Powder) | Jackson ImmunoResearch | 017-000-121 | |
| Triton X-100 | Sigma | T8787-100ML | |
| Mouse anti-human Ki67 antibody | BD Biosciences | 556003 | |
| Goat anti-human PDX-1 antibody | R&D Systems | AF2419 | |
| Polyclonal Guinea Pig anti-insulin antibody | Dako | 2016-08 | |
| Polyclonal Rabbit anti-glucagon antibody | Dako | 2014-06 | |
| Polyclonal Rabbit anti-somatostatin antibody | Dako | 2011-08 | |
| Polyclonal chicken anti-vimentin antibody | abcam | ab24525 | |
| Biotin-SP-conjugated, Donkey Anti-Mouse IgG | Jackson ImmunoResearch | 715-065-150 | |
| StreptAvidin, Alex Flour 488 conjugated | Invitrogen | S32354 | |
| Rhodamine-conjugated Donkey Anti-Goat IgG | Jackson ImmunoResearch | 705-025-147 | |
| Rhodamine-conjugated Donkey Anti-Guinea Pig IgG | Jackson ImmunoResearch | 706-025-148 | |
| Rhodamine-conjugated Donkey Anti-Rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch | 711-025-152 | |
| Cy 5-conjugated Donkey Anti-Guinea Pig IgG | Jackson ImmunoResearch | 706-175-148 | |
| Cy 5-conjugated Donkey Anti-Goat IgG | Jackson ImmunoResearch | 705-175-147 | |
| Cy 5-conjugated Donkey Anti-Rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch | 711-175-152 | |
| Cy 5-conjugated Donkey Anti-Chicken IgG | Jackson ImmunoResearch | 703-175-155 | |
| DAPI | Millipore | S7113 | |
| Disposable Reagent Reservoir 25 mL | Sorenson BioScience | 39900 | |
| 384 well, black/clear, tissue culture treated plate | BD Falcon | 353962 | |
| 96 well, black/clear, tissue culture treated plate | Costar | 3603 | |
| Multi-channel pipettor | Costar | 4880 | |
| 12-channel vaccume aspirator | Drummond | 3-000-096 | |
| Cell Scraper | Falcon | 353085 | |
| Isotemp Water Bath Model 2223 | Fisher Scientific | ||
| High-content screening instrument: ArrayScan VTI | Thermo Scientific |
Riferimenti
- Butler, A. E., et al. Beta-cell deficit and increased beta-cell apoptosis in humans with type 2 diabetes. Diabetes. 52 (1), 102-110 (2003).
- Kloppel, G., Lohr, M., Habich, K., Oberholzer, M., Heitz, P. U. Islet pathology and the pathogenesis of type 1 and type 2 diabetes mellitus revisited. Surv Synth Pathol Res. 4 (2), 110-125 (1985).
- Harlan, D. M., Kenyon, N. S., Korsgren, O., Roep, B. O. Current advances and travails in islet transplantation. Diabetes. 58 (10), 2175-2184 (2009).
- Nath, D. S., et al. Outcomes of pancreas transplants for patients with type 2 diabetes mellitus. Clin Transplant. 19 (6), 792-797 (2005).
- Nichols, R. J., New, C., Annes, J. P. Adult tissue sources for new beta cells. Transl Res. 163 (4), 418-431 (2014).
- Pagliuca, F. W., et al. Generation of functional human pancreatic beta cells in vitro. Cell. 159 (2), 428-439 (2014).
- Kushner, J. A., MacDonald, P. E., Atkinson, M. A. Stem cells to insulin secreting cells: two steps forward and now a time to pause. Cell Stem Cell. 15 (5), 535-536 (2014).
- Dor, Y., Brown, J., Martinez, O. I., Melton, D. A. Adult pancreatic beta-cells are formed by self-duplication rather than stem-cell differentiation. Nature. 429 (6987), 41-46 (2004).
- Meier, J. J., et al. Beta-cell replication is the primary mechanism subserving the postnatal expansion of beta-cell mass in humans. Diabetes. 57 (6), 1584-1594 (2008).
- Chick, W. L., Lauris, V., Flewelling, J. H., Andrews, K. A., Woodruff, J. M. Effects of glucose on beta cells in pancreatic monolayer cultures. Endocrinology. 92 (1), 212-218 (1973).
- Brelje, T. C., Sorenson, R. L. Role of prolactin versus growth hormone on islet B-cell proliferation in vitro: implications for pregnancy. Endocrinology. 128 (1), 45-57 (1991).
- Chen, H., et al. PDGF signalling controls age-dependent proliferation in pancreatic beta-cells. Nature. 478 (7369), 349-355 (2011).
- Liu, H., et al. Glycogen synthase kinase-3 and mammalian target of rapamycin pathways contribute to DNA synthesis, cell cycle progression, and proliferation in human islets. Diabetes. 58 (3), 663-672 (2009).
- Metukuri, M. R., et al. ChREBP mediates glucose-stimulated pancreatic beta-cell proliferation. Diabetes. 61 (8), 2004-2015 (2012).
- Wang, P., et al. A high-throughput chemical screen reveals that harmine-mediated inhibition of DYRK1A increases human pancreatic beta cell replication. Nat Med. 21 (4), 383-388 (2015).
- Schisler, J. C., et al. Stimulation of human and rat islet beta-cell proliferation with retention of function by the homeodomain transcription factor Nkx6.1. Mol Cell Biol. 28 (10), 3465-3476 (2008).
- Fueger, P. T., Hernandez, A. M., Chen, Y. C., Colvin, E. S. Assessing replication and beta cell function in adenovirally-transduced isolated rodent islets. J Vis Exp. (64), (2012).
- Walpita, D., et al. A human islet cell culture system for high-throughput screening. J Biomol Screen. 17 (4), 509-518 (2012).
- Miyazaki, J., et al. Establishment of a pancreatic beta cell line that retains glucose-inducible insulin secretion: special reference to expression of glucose transporter isoforms. Endocrinology. 127 (1), 126-132 (1990).
- Song, W. J., et al. Phosphorylation and inactivation of glycogen synthase kinase 3beta (GSK3beta) by dual-specificity tyrosine phosphorylation-regulated kinase 1A (Dyrk1A). J Biol Chem. 290 (4), 2321-2333 (2015).
- Hohmeier, H. E., et al. Isolation of INS-1-derived cell lines with robust ATP-sensitive K+ channel-dependent and -independent glucose-stimulated insulin secretion. Diabetes. 49 (3), 424-430 (2000).
- Cozar-Castellano, I., et al. Lessons from the first comprehensive molecular characterization of cell cycle control in rodent insulinoma cell lines. Diabetes. 57 (11), 3056-3068 (2008).
- Efrat, S., Fusco-DeMane, D., Lemberg, H., aL Emran, O., Wang, X. Conditional transformation of a pancreatic beta-cell line derived from transgenic mice expressing a tetracycline-regulated oncogene. Proc Natl Acad Sci U S A. 92 (8), 3576-3580 (1995).
- Wang, W., et al. Identification of small-molecule inducers of pancreatic beta-cell expansion. Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (5), 1427-1432 (2009).
- Annes, J. P., et al. Adenosine kinase inhibition selectively promotes rodent and porcine islet beta-cell replication. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (10), 3915-3920 (2012).
- Zhao, Z., et al. Repurposing cAMP-modulating medications to promote beta-cell replication. Mol Endocrinol. 28 (10), 1682-1697 (2014).
- Chen, C. A., Carolan, P. J., Annes, J. P. In vivo screening for secreted proteins that modulate glucose handling identifies interleukin-6 family members as potent hypoglycemic agents. PLoS One. 7 (9), e44600 (2012).
- Izumi, K., Hirao, Y., Hopp, L., Oyasu, R. In vitro induction of ornithine decarboxylase in urinary bladder carcinoma cells. Cancer Res. 41 (2), 405-409 (1981).
- Serup, P., et al. The homeodomain protein IPF-1/STF-1 is expressed in a subset of islet cells and promotes rat insulin 1 gene expression dependent on an intact E1 helix-loop-helix factor binding site. Biochem J. 310, 997-1003 (1995).
- Szabat, M., Luciani, D. S., Piret, J. M., Johnson, J. D. Maturation of adult beta-cells revealed using a Pdx1/insulin dual-reporter lentivirus. Endocrinology. 150 (4), 1627-1635 (2009).
- Rieck, S., et al. Overexpression of hepatocyte nuclear factor-4alpha initiates cell cycle entry, but is not sufficient to promote beta-cell expansion in human islets. Mol Endocrinol. 26 (9), 1590-1602 (2012).
- Wang, P., et al. Diabetes mellitus–advances and challenges in human beta-cell proliferation. Nat Rev Endocrinol. 11 (4), 201-212 (2015).
