Dijital Holografik Mikroskop ile multimodal Kantitatif Faz Görüntüleme Doğru Bağırsak İltihabı ve Epitel Yara Şifa Değerlendirdi
Summary
Accurate assessment of anti-inflammatory effects is of utmost importance for the evaluation of potential new drugs for the treatment of inflammatory bowel disease. Digital holographic microscopy provides assessment of inflammation in murine and human colonic tissue samples as well as automated multimodal evaluation of epithelial wound healing in vitro.
Abstract
Örneğin, iltihabik bağırsak hastalığı, sıklığı, Crohn hastalığı ve ülseratif kolit, son yıllarda önemli ölçüde artmıştır. IBD etyolojisi bilinmemektedir ve mevcut tedavi stratejileri bağışıklık sisteminin baskılanması belirsiz dayanmaktadır. Özellikle belirgin IBD yönetimini geliştirmek olabilir bağırsak iltihabı ve epitel yara iyileşmesini hedefleyen tedavilerin geliştirilmesi, ancak bu iltihabi değişikliklerin doğru bir algılama gerektirir. Şu anda, potansiyel ilaç adayları, genellikle in vivo veya in vitro hücre kültürü bazlı tekniklerle hayvan modelleri kullanılarak değerlendirildi. Histolojik muayene genellikle örnek özelliklerini değiştirebilir ve ayrıca, bulguların yorumlanması araştırmacı uzmanlığı ile değişebilir hücreleri veya ilgi dokulara lekeli olması gerektirir. Dijital holografik mikroskobu (DHM), optik yol uzunluğu gecikme tespitine dayanan sağlar,leke bırakmayan kantitatif faz kontrast görüntüleme. Bu sonuçlar, doğrudan mutlak biyofizik parametreleri ile ilişkili olduğu için izin verir. Bu kırılma endeksi ölçümü göre DHM doku yoğunluğundaki değişiklikler ölçümü, kolitli farelerin ve insanlardan elde edilen kolon doku örneklerinin farklı tabakalarda, boyama olmaksızın, iltihaplı değişiklikler ölçmek için gösterilmektedir. Ayrıca, bu tür kuru kütle ve göç hücrelerin tabaka kalınlığı gibi yaralı alan ve morfolojik parametrelerin eş zamanlı tayini basit otomatik belirlenmesi yoluyla DHM kullanılarak in vitro mümkün epitel yara iyileşmesi sürekli multimodal etiket ücretsiz izleme göstermektedir. Sonuç olarak, DHM değerli, roman ve kantitatif aracı olası parametreler için mutlak değerler ile bağırsak iltihabı değerlendirilmesi için, in vitro epitel yara iyileşmesinin basitleştirilmiş miktarının temsil ve bu nedenle öteleme tanı u için yüksek bir potansiyele sahiptirse.
Introduction
İltihaplı bağırsak yani hastalığı (IBD), ülseratif kolit (UC) ve Crohn hastalığı (CD), mide bağırsak 1 idiopatik enflamatuar hastalıklardır. IBD altta yatan patofizyoloji ve potansiyel yeni ilaçlar ya da yeni tanı yaklaşımları değerlendirmeye Araştırma özellikle önem taşımaktadır. Hem temel araştırma ve İBH hastalarının klinik yönetiminde, bağırsak mukoza dikkat 2,3 odağı haline gelmiştir. Mukoza bakterilere, epitel hücreleri, bağırsak, bağışıklık sisteminin çeşitli hücre bileşenleri arasındaki etkileşim bağırsak 4,5 homeostazı orkestra hangi anatomik sınırları temsil etmektedir. Ancak, İBH hastalarında, kontrolsüz ve kalıcı bağırsak iltihabı nihayet kendisi yerel inflamasyon 6 sinirlendiren epitel bariyer fonksiyonunun bozulması ile sonuçlanacak olabilir ülserasyonlar veya darlık gibi algılanabilir hasarı, mukozal yol açar.
<pclass = "jove_content"> epitel şifa inflamasyon aşağıdaki epitel rejenerasyonu için bu nedenle çok önemlidir ama aynı zamanda gastrointestinal cerrahi 7 sonrasında gastrointestinal ülser veya anastomoz kaçağı iyileşmesi için temel gereklilik olduğunu yara. Epitel şifa deneyleri şifa in vitro yara simüle ve bağırsak iltihabı 8,9 sıçan modellerinde olabilir yara. Hem in vitro ve in vivo yaklaşımlar deneysel değerlendirmenin doğruluğu sınırlayan sakıncaları var. In vitro deneyleri, klasik çizik deneyleri gibi, floresan kromoforlar ile uzun süren boyama yöntemleri veya transfeksiyon gerektirir. Genellikle 10 otomatik olamaz hücre proliferasyonu ve göçü devamlı olmayan izleme ile sınırlıdır. Dekstran sodyum sülfat (DSS) bağlı kolit in vivo modeller, sık olarak görülen önemli değişiklik, kısmen dayanıklı okumaları eksikliği laboratuvar belirteçleri de, mauygunsuz kral gibi belirteçler kolit şiddetini 11,12 değerlendirmek için. Iltihaplı mukozasında histolojik analiz şu anda hala kolit şiddetini belirlemek için en geçerli yöntemdir ancak bu, in vitro epitel yara iyileşme deneyleri gibi, boyama gerektirir ve araştırmacının uzmanlık 13 bağlıdır.En son dijital holografik mikroskobu (DHM), kantitatif faz mikroskobu 14 bir varyantı, in vitro ve in vivo 15 epitel yara iyileşmesinin değerlendirilmesi için yararlı bir araç olarak tespit edilmiştir. DHM (OPD) optik yol uzunluğu gecikme ölçümü doku yoğunluğunun değerlendirilmesini sağlar hangi umutları yeni kanser tanısı 16-18 ve inflamasyon ile ilgili doku değişikliklerinin 19 ölçümü. Ayrıca, DHM hücre kalınlığı, hücre kaplı yüzey alanı ve hücre içi (protein) içerik miktarının belirlenmesi ile hücre morfolojisi dinamikleri izlenmesine olanak sağlar <sup> 15,20. İn vitro tahlillerde, DHM fizyolojik süreçleri, örneğin, hücre hacmi ve kalınlık 21,22 değişimlerinin değerlendirilmesiyle hücresel su geçirgenliğinin analiz edilmesini sağlar. Ayrıca, DHM ölçümleri araştırmacı-ilişkili örnek önyargı engeller otomatik hale getirilebilir.
Burada, bağırsak iltihabı bir murin modelinde DHM kullanımını göstermek ve ayrıca bir etiket içermeyen in vitro deneyi olarak yara iyileşmesi kantitatif kontrolü için, insan doku numuneleri analizlerine dhm uygulanır. İlk olarak, IBD insanlardan, kolitli farelerin ve doku bölümleri farklı kolon duvar tabakalarının enflamatuar alterasyonların değerlendirir. DHM kantitatif faz görüntüleme işlemini anlattıktan sonra, biz edinilen sayısal faz görüntüler değerlendirilmesini tarif de mikroskop bileşenleri, doku kesitlerinin hazırlanması ve kullanımına ilişkin ayrıntılı yönergeler sağlar.
Daha sonra, DHM UTI olabileceğini göstermekin vitro epitel yara iyileşmesi sürekli multimodal izlenmesi için lized ve hücre tabakası kalınlığı, kuru kütlesinin ve hücresel hacmi gibi hücresel özelliklerinin analizini açıklar ilaca bağlı ve fizyolojik hücre değişiklikler hakkında fikir verir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu DHM murin kolit modellerinde histolojik hasar ve insan kolon doku numuneleri ex vivo doğru değerlendirilmesini sağladığını gösterir. Ayrıca, DHM sürekli olarak aynı anda, hücresel değişiklikler hakkında çok modlu bilgi temin ederken epitel yara iyileşmesi takip göstermiştir. DHM olarak, dijital yakalanan hologramların yeniden sayısal 32 gerçekleştirilir. Bu nedenle, parlak bir alan mikroskobu, Zernike faz kontrast ve diferansiyel girişim kontrast mikroskobu ile kar…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Faekah Gohar for proofreading the manuscript. We thank Sonja Dufentester and Elke Weber for expert technical assistance.
Materials
| Reagents | ||
| Azoxymethane (AOM) | Sigma – Aldrich, Deisenhofen, Germany | A5486 |
| Cell Culture Flask | Greiner Bio-One, Frickenhausen, Germany | 658170 |
| Costar Stripette | Corning Inc., New York, USA | 4488 |
| Dextran sulphate sodium (DSS) | TdB Consulatancy, Uppsala, Sweden | DB001 |
| DMEM/Ham´s F12 | PAA Laboratories – Pasching – Austria | E15-813 |
| EGF | Sigma – Aldrich, Deisenhofen, Germany | SPR3196 |
| Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma – Aldrich, Deisenhofen, Germany | E 9884 |
| Falcon Tube 50ml | BD Biosciences, Erembodegem, Belgium | 352070 |
| Isopentane (2- Methylbutane) | Sigma – Aldrich, Deisenhofen, Germany | M32631-1L |
| Methylene blue | Merck, Darmstadt, Germany | 1159430025 |
| Mitomycin C | Sigma – Aldrich, Deisenhofen, Germany | M4287 |
| Microscope Slides | G. Menzel, Braunschweig, Germany | J1800AMNZ |
| O.C.T. Tissue Tek compound | Sakura, Zoeterwonde, Netherlands | 4583 |
| Pen/Strep/Amphotericin B | Lonza, Verviers, Belgium | 1558 |
| Phosphate buffered saline, PBS | Lonza, Verviers, Belgium | 4629 |
| RPMI 1640 | Lonza, Verviers, Belgium | 3626 |
| Sodium Chloride 0,9% | Braun, Melsungen, Germany | 5/12211095/0411 |
| Standard diet | Altromin, Lage, Germany | 1320 |
| Tissue-Tek Cryomold | Sakura, Leiden, Netherlands | 4566 |
| Trypsin EDTA | Lonza, Verviers, Belgium | 7815 |
| Vitro – Clud | R. Langenbrinck, Teningen, Germany | 04-0002 |
| µ-Dish 35 mm with Culture-Insert, high | ibidi GmbH, Munich, Germany | 81176 |
| DIC Lid for µ-Dishes, with a glass insert | ibidi GmbH, Munich, Germany | 80050 |
| Equipment | ||
| MICROM HM550 | Thermo Fisher Scientific, Inc., Waltham, USA | 46320 |
| Digital holographic microscope | ||
| Component | Model | Company |
| Inverted Microscope | iMIC | Till Photonics, Graefelfing, Germany |
| Laser | Compass 315M | Coherent GmbH, Luebeck, Germany |
| Microscope lens | Zeiss EC Plan Neofluar 10x/0.3 | Zeiss, Goettingen, Germany |
| CCD camera | DMK 41BF02 | The Imaging Source, Bremen, Germany |
Riferimenti
- Baumgart, D. C., Sandborn, W. J. Inflammatory bowel disease: clinical aspects and established and evolving therapies. Lancet. 369 (9573), 1641-1657 (2007).
- Dieleman, L. A., et al. Chronic experimental colitis induced by dextran sulphate sodium (DSS) is characterized by Th1 and Th2 cytokines. Clin Exp Immunol. 114 (3), 385-391 (1998).
- Florholmen, J. Mucosal healing in the era of biologic agents in treatment of inflammatory bowel disease. Scand J Gastroenterol. 50 (1), 43-52 (2015).
- Merga, Y., Campbell, B. J., Rhodes, J. M. Mucosal barrier, bacteria and inflammatory bowel disease: possibilities for therapy. Dig Dis. 32 (4), 475-483 (2014).
- Young, V. B., Kahn, S. A., Schmidt, T. M., Chang, E. B. Studying the Enteric Microbiome in Inflammatory Bowel Diseases: Getting through the Growing Pains and Moving Forward. Front Microbiol. 2, 144 (2011).
- Atreya, R., Neurath, M. F. IBD pathogenesis in 2014: Molecular pathways controlling barrier function in IBD. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 12 (2), 67-68 (2015).
- Jones, M. K., Tomikawa, M., Mohajer, B., Tarnawski, A. S. Gastrointestinal mucosal regeneration: role of growth factors. Front Biosci. 4, 303-309 (1999).
- Burk, R. R. A factor from a transformed cell line that affects cell migration. Proc Natl Acad Sci U S A. 70 (2), 369-372 (1973).
- Singh, A., Nascimento, J. M., Kowar, S., Busch, H., Boerries, M. Boolean approach to signalling pathway modelling in HGF-induced keratinocyte migration. Bioinformatics. 28 (18), 495-501 (2012).
- Sakalar, C., et al. Pronounced transcriptional regulation of apoptotic and TNF-NF-kappa-B signaling genes during the course of thymoquinone mediated apoptosis in HeLa cells. Mol Cell Biochem. 383 (1-2), 243-251 (2013).
- Serada, S., et al. Serum leucine-rich alpha-2 glycoprotein is a disease activity biomarker in ulcerative colitis. Inflamm Bowel Dis. 18 (11), 2169-2179 (2012).
- Turovskaya, O., et al. RAGE, carboxylated glycans and S100A8/A9 play essential roles in colitis-associated carcinogenesis. Carcinogenesis. 29 (10), 2035-2043 (2008).
- Perse, M., Cerar, A. Dextran sodium sulphate colitis mouse model: traps and tricks. J Biomed Biotechnol. 2012, 718617 (2012).
- Lee, K., et al. Quantitative phase imaging techniques for the study of cell pathophysiology: from principles to applications. Sensors (Basel). 13 (4), 4170-4191 (2013).
- Bettenworth, D., et al. Quantitative stain-free and continuous multimodal monitoring of wound healing in vitro with digital holographic microscopy. PLoS One. 9 (9), 107317 (2014).
- Sridharan, S., Macias, V., Tangella, K., Kajdacsy-Balla, A., Popescu, G. Prediction of prostate cancer recurrence using quantitative phase imaging. Sci Rep. 5, 9976 (2015).
- Wang, Z., Tangella, K., Balla, A., Popescu, G. Tissue refractive index as marker of disease. J Biomed Opt. 16 (11), 116017 (2011).
- Majeed, H., et al. Breast cancer diagnosis using spatial light interference microscopy. J Biomed Opt. 20 (11), 111210 (2015).
- Lenz, P., et al. Digital holographic microscopy quantifies the degree of inflammation in experimental colitis. Integr Biol (Camb). 5 (3), 624-630 (2013).
- Popescu, G., et al. Optical imaging of cell mass and growth dynamics. Am J Physiol Cell Physiol. 295 (2), 538-544 (2008).
- Klokkers, J., et al. Atrial natriuretic peptide and nitric oxide signaling antagonizes vasopressin-mediated water permeability in inner medullary collecting duct cells. Am J Physiol Renal Physiol. 297 (3), 693-703 (2009).
- Jourdain, P., et al. Determination of transmembrane water fluxes in neurons elicited by glutamate ionotropic receptors and by the cotransporters KCC2 and NKCC1: a digital holographic microscopy study. J Neurosci. 31 (33), 11846-11854 (2011).
- Wirtz, S., Neufert, C., Weigmann, B., Neurath, M. F. Chemically induced mouse models of intestinal inflammation. Nat Protoc. 2 (3), 541-546 (2007).
- Bettenworth, D., et al. The tripeptide KdPT protects from intestinal inflammation and maintains intestinal barrier function. Am J Pathol. 179 (3), 1230-1242 (2011).
- Kemper, B., et al. Modular digital holographic microscopy system for marker free quantitative phase contrast imaging of living cells. Proc. SPIE. 6191, (2006).
- Kemper, B., von Bally, G. Digital holographic microscopy for live cell applications and technical inspection. Appl Opt. 47 (4), 52-61 (2008).
- Langehanenberg, P., von Bally, G., Kemper, B. Autofocusing in digital holographic microscopy. 3D Research. 2 (1), 1-11 (2011).
- Daimon, M., Masumura, A. Measurement of the refractive index of distilled water from the near-infrared region to the ultraviolet region. Applied optics. 46 (18), 3811-3820 (2007).
- Przibilla, S., et al. Sensing dynamic cytoplasm refractive index changes of adherent cells with quantitative phase microscopy using incorporated microspheres as optical probes. J Biomed Opt. 17 (9), 0970011-0970019 (2012).
- Kemper, B., et al. Integral refractive index determination of living suspension cells by multifocus digital holographic phase contrast microscopy. J Biomed Opt. 12 (5), 054009 (2007).
- Carpenter, A. E., et al. CellProfiler: image analysis software for identifying and quantifying cell phenotypes. Genome Biol. 7 (10), 100 (2006).
- Marquet, P., et al. Digital holographic microscopy: a noninvasive contrast imaging technique allowing quantitative visualization of living cells with subwavelength axial accuracy. Opt Lett. 30 (5), 468-470 (2005).
- Langehanenberg, P., Kemper, B., Dirksen, D., von Bally, G. Autofocusing in digital holographic phase contrast microscopy on pure phase objects for live cell imaging. Appl Opt. 47 (19), 176-182 (2008).
- Hanauer, S. B., et al. Maintenance infliximab for Crohn’s disease: the ACCENT I randomised trial. Lancet. 359 (9317), 1541-1549 (2002).
- Colombel, J. F., et al. Adalimumab for maintenance of clinical response and remission in patients with Crohn’s disease: the CHARM trial. Gastroenterology. 132 (1), 52-65 (2007).
- Feagan, B. G., et al. Vedolizumab as induction and maintenance therapy for ulcerative colitis. N Engl J Med. 369 (8), 699-710 (2013).
- Sandborn, W. J., et al. Vedolizumab as induction and maintenance therapy for Crohn’s disease. N Engl J Med. 369 (8), 711-721 (2013).
- Monteleone, G., et al. Mongersen, an oral SMAD7 antisense oligonucleotide, and Crohn’s disease. N Engl J Med. 372 (12), 1104-1113 (2015).
- Vermeire, S., et al. Etrolizumab as induction therapy for ulcerative colitis: a randomised, controlled, phase 2 trial. Lancet. 384 (9940), 309-318 (2014).
- Sandborn, W. J., et al. Ustekinumab induction and maintenance therapy in refractory Crohn’s disease. N Engl J Med. 367 (16), 1519-1528 (2012).
- Natividad, J. M., et al. Commensal and probiotic bacteria influence intestinal barrier function and susceptibility to colitis in Nod1-/-; Nod2-/- mice. Inflamm Bowel Dis. 18 (8), 1434-1446 (2012).
- Melgar, S., et al. Validation of murine dextran sulfate sodium-induced colitis using four therapeutic agents for human inflammatory bowel disease. Int Immunopharmacol. 8 (6), 836-844 (2008).
- Erben, U., et al. A guide to histomorphological evaluation of intestinal inflammation in mouse models. Int J Clin Exp Pathol. 7 (8), 4557-4576 (2014).
- Bruckner, M., et al. Murine endoscopy for in vivo multimodal imaging of carcinogenesis and assessment of intestinal wound healing and inflammation. J Vis Exp. (90), (2014).
- Zhao, K., Wang, W., Guan, C., Cai, J., Wang, P. Inhibition of gap junction channel attenuates the migration of breast cancer cells. Mol Biol Rep. 39 (3), 2607-2613 (2012).
- Pavillon, N., et al. Early cell death detection with digital holographic microscopy. PLoS One. 7 (1), 30912 (2012).
- Hindryckx, P., et al. Clinical trials in ulcerative colitis: a historical perspective. J Crohns Colitis. 9 (7), 580-588 (2015).
- Neurath, M. F., Travis, S. P. Mucosal healing in inflammatory bowel diseases: a systematic review. Gut. 61 (11), 1619-1635 (2012).
- Bryant, R. V., Winer, S., Travis, S. P., Riddell, R. H. Systematic review: histological remission in inflammatory bowel disease. Is ‘complete’ remission the new treatment paradigm? An IOIBD initiative. J Crohns Colitis. 8 (12), 1582-1597 (2014).
- Marchal Bressenot, A., et al. Review article: the histological assessment of disease activity in ulcerative colitis. Aliment Pharmacol Ther. 42 (8), 957-967 (2015).
