Summary

Hurtig og konkret vurdering af halogeneringsmidlet peroxidaseaktivitet i leukocytberigede blodprøver

Published: July 28, 2016
doi:

Summary

This protocol describes the quick enrichment of leukocytes from small blood samples for a subsequent specific determination of the halogenating peroxidase activity within the cells. The method can be applied to human and non-human material and may contribute to the evaluation of new inflammatory markers.

Abstract

I dette papir beskrives en protokol for den hurtige og standardiserede berigelse af leukocytter fra små fuldblodsprøver. Denne procedure er baseret på hypotonisk lyse af erythrocytter og kan anvendes på humane prøver samt til blod af ikke-human oprindelse. Den lille indledende prøvevolumen på omkring 50 til 100 pi gør denne metode anvendes på tilbagevendende blodprøveudtagning fra små forsøgsdyr. Desuden er leukocyt berigelse opnås inden for få minutter og med lave materielle indsats vedrørende kemikalier og instrumentering, hvilket gør denne metode anvendelig i flere laboratorie miljøer.

Standardiseret oprensning af leukocytter er kombineret med en meget selektiv farvning metode til at evaluere halogeneringsmiddel peroxidase aktivitet af hæm peroxidaser, myeloperoxidase (MPO) og (EPO), dvs. dannelsen af hypochlorsyrling og hypobromsyrling (HOCI og HOBr). Mens MPO udtrykkes kraftigt i neutrophils, den mest rigelige immun celletype i humant blod og i monocytter, det tilknyttede enzym EPO udelukkende udtrykkes i eosinofiler. Halogeneringsmidlet aktivitet af disse enzymer er rettet ved hjælp af næsten HOCl- og HOBr-specifikke farvestof aminophenyl fluorescein (APF) og den primære peroxidasesubstrat hydrogenperoxid. Ved efterfølgende flowcytometrianalyse alle peroxidase-positive celler (neutrofiler, monocytter, eosinofiler) kan skelnes og deres halogenerende peroxidase aktivitet kan kvantificeres. Da APF farvning kan kombineres med anvendelsen af ​​celleoverflademarkører, kan denne protokol udvides til specifikt leukocyt sub-fraktioner. Metoden kan anvendes til at påvise HOCI og HOBr produktion både i menneskelig og gnavere leukocytter.

I betragtning af den udbredte og forskelligt diskuteret immunologisk rolle af disse enzymatiske produkter i kroniske inflammatoriske sygdomme, kan denne protokol bidrage til en bedre forståelse afimmunologisk relevans af leukocytafledte hæm peroxidaser.

Introduction

Polymorfonukleære leukocytter (PMN'er, også kaldet granulocytter) og monocytter repræsenterer vigtige cellulære komponenter i det medfødte immunsystem i blodet 1,2. De bidrager til den primære forsvar mod patogener samt til aktivering af aktiv immunisering og påbegyndelsen af en systemisk inflammatorisk respons 2-4. Men især neutrofiler, den mest rigelige type granulocytter og monocytter også bidrage væsentligt til regulering og opsigelse af akutte inflammatoriske begivenheder 5. Derfor disse celler kan også spille en vigtig rolle i kroniske inflammatoriske sygdomme som rheumatoid arthritis 6,7. Faktisk astma, en kronisk inflammatorisk luftvejssygdom, er kendetegnet ved en svækket apoptose af eosinofiler, den anden mest granulocyt type i blodet 8. Men apoptose af granulocytter og deres hurtige fjernelse af makrofager er to væsentlige skridt i løbet af cellulære opsigelseaf inflammation 9-11.

I de nævnte immunceller to nært beslægtede enzymer, nemlig myeloperoxidase (MPO, neutrofiler og monocytter) og (EPO, eosinofiler) findes 12,13. Disse hæm peroxidaser er klassisk relateret til den humorale immunrespons, som de to-elektronisk oxidere (pseudo) halogenider til de tilsvarende hypo (pseudo) halous syrer, som er kendt for deres baktericide egenskaber 14-16. Under fysiologiske betingelser MPO hovedsagelig former hypochlorsyrling (HOCl) og hypothiocyanite (- OSCN), mens sidstnævnte og hypobromsyrling (HOBr) udgøres af EPO 17-19. Nye resultater tyder på, at dette (pseudo-) halogenerende enzymaktiviteten også kan bidrage til regulering af inflammatoriske reaktioner og til afslutning af immunreaktioner 20,21. Faktisk blev det HOCI produktion af MPO og afledte produkter vist sig at undertrykke T-celle-baserede adaptive immunresponser 22-2Fire.

For at få mere indsigt i den immunologiske rolle af leukocytter fra det medfødte immunsystem ved kroniske inflammatoriske sygdomme og til at bestemme bidraget fra MPO og EPO til denne fysiologiske funktion udviklede vi en metode til hurtigt at berige leukocytter fra små blodprøver for en efterfølgende specifik bestemmelse af halogenerende peroxidase-aktivitet i disse celler. For erythrocyt udtømning har vi valgt en standardiseret fremgangsmåde, der indbefatter to efterfølgende hypotonisk lyse trin med destilleret vand, hvilket fører til en hurtig leukocyt berigelse ved lave materialeomkostninger. For efterfølgende bestemmelse af halogeneringsmidlet MPO og EPO aktivitet HOCl- og HOBr-specifikke farvestof aminophenyl fluorescein (APF) blev anvendt 25-27. I modsætning til anvendelsen af uspecifik peroxidase farvningsmetoder 28,29, denne fremgangsmåde tillader selektiv detektion af halogenerende peroxidase aktivitet, som ofte forringet på svær inflammation 30,31.

Protocol

Alle humane blodprøver blev opnået fra raske frivillige, og den anvendte leukocyt berigelse protokol følger retningslinjerne etiske kommission af det medicinske fakultet ved universitetet i Leipzig. Forsøgene med rotte blod blev godkendt af den ansvarlige lokale etiske udvalg (Landesdirektion Sachsen, Referat 24), i henhold til de tyske retningslinjer for pasning af dyr og brug. 1. Eksperimentel opsætning BEMÆRK: Da den hypotonisk procedure lysis for udtømni…

Representative Results

Som tidligere rapporteret den ovenfor beskrevne metode viste sig at være anvendelig både til mennesker og ikke-menneskelige materiale 32. Desuden som vist for mus med astmasymptomer APF farvning kan være et egnet værktøj til at detektere forskelle i det systemiske pro-inflammatorisk status. Derfor vil der i en efterfølgende undersøgelse, vi brugte denne protokol til gentagne gange at evaluere halogenerende aktivitet MPO (og EPO) i kvindelige Mørk Agouti rotter…

Discussion

Da neutrofiler er de mest udbredte leukocytter i menneskeblod isoleringen af peroxidase-positive celler ofte kun fokuserer på disse celler og omfatter en adskillelse af neutrofiler fra andre leukocytter ved densitetsgradientcentrifugering 38. Men som neutrofiler er meget mindre rigelige i murine blodprøver 39 for sidstnævnte mere komplicerede metoder skal anvendes 40. Desuden begge metoder også føre til fjernelse af peroxidase-positive monocytter fra prøverne, og på grund af behov…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was made possible by funding from the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF, 1315883) as well as by the Sächsische Aufbaubank (SAB) project 100116526 from a funding of the European Regional Development Fund (ERDF).

Materials

materials/equipment
15 ml centrifugation tubes VWR/Corning 734-0451
1.5 ml sample tubes VWR/Eppendorf 211-2130DE
Pipettes for volumes up to 5 ml Eppendorf e.g. 3120000070 We are using Eppendorf Resarch plus pipettes with adjustable volumes in the range 1-10 µl, 10-100µl, 100-1000 µl an 500-5000µl
laminar flow bench Thermo Electron Corperation HeraSafe
Vortex mixer Bender & Hobein AG Vortex Genie 2
Tabletop centrifuge Kendro Laboratory Products Laborfuge 400R The centrifuge should be able to be used at 450x g
Small centrifuge eppendorf 5415D The centrifuge should be able to be used at 400x g
Incubator Heraeus cytoperm 2 Settings: 37 °C, 95% humidity, 5 % CO2 content
UV-Vis spectrophotometer Varian Cary 50 bio A spectrum between 200 and 300 nm has to be recorded. Thus quartz cuvettes have to be applied
Flow cytometer Becton, Dickinson BD Facs Calibur Any flow cytometer can be used which is equiped with a laser suitable for the excitation of fluorescein (e.g 488 nm argon laser)
Name Company Catalog Number Comments
Chemicals
Phosphate buffered saline (PBS) amresco K812 sterile solution, ready to use
Sigma-Aldrich P4417 tablets for solving in 200 ml millipore water
Hanks balanced salt solution (HBSS) with Ca(2+) Sigma-Aldrich H1387 970 mg/100 ml, carefully check and adjust the pH value to 7.4
Hydrochloric acid Merck Millipore 1.09057.1000 1M solution
Sodium hydroxide Riedel-deHaën 30620 Solid pellets. For a 1M solution solve 4 g/100 ml Millipore water
Aminophenyl fluorescein Cayman 10157 5 mg/ml solution (11.81 mM) in methyl acetate, aliquotes of e.g. 100 µl should be prepared and stored at -20 °C
Hydrogen peroxide Sigma-Aldrich H1009 This 30% stock solution corresponds to a concentration of about 8.8 M. Further dilutions have to be freshly prepared in distilled water immediately prior to use and quantified by absorbance measurements
4-aminobenzoic acid hydrazide (4-ABAH) Sigma-Aldrich A41909 A first stock solution of 1 M should be prepared in DMSO a second one of 100 mM by 1:10 dilution in HBSS
DMSO VWR chemicals 23500.26

Riferimenti

  1. Cline, M. J. Monocytes, macrophages, and their diseases in man. J Invest Dermatol. 71 (1), 56-58 (1978).
  2. Wright, H. L., Moots, R. J., Bucknall, R. C., Edwards, S. W. Neutrophil function in inflammation and inflammatory diseases. Rheumatology. 49, 1618-1631 (2010).
  3. Brinkmann, V., et al. Neutrophil extracellular traps kill bacteria. Science. 303 (5663), 1532-1535 (2004).
  4. Ishihara, K., Yamaguchi, Y., Okabe, K., Ogawa, M. Neutrophil elastase enhances macrophage production of chemokines in receptor-mediated reaction. Res Commun Mol Pathol Pharmacol. 103 (2), 139-147 (1999).
  5. Henson, P. M. Resolution of inflammation. A perspective. Chest. 99 (3 Suppl), 2S-6S (1991).
  6. Lefkowitz, D. L., Lefkowitz, S. S. Macrophage-neutrophil interaction: a paradigm for chronic inflammation revisited. Immunol Cell Biol. 79 (5), 502-506 (2001).
  7. Wright, H. L., Moots, R. J., Edwards, S. W. The multifactorial role of neutrophils in rheumatoid arthritis. Nat Rev Rheumatol. 10 (10), 593-601 (2014).
  8. Kankaanranta, H., et al. Delayed eosinophil apoptosis in asthma. J Allergy Clin Immunol. 106 (1 Pt 1), 77-83 (2000).
  9. Peng, S. L. Neutrophil apoptosis in autoimmunity. J Mol Med. 84 (2), 122-125 (2006).
  10. Simon, H. U. Neutrophil apoptosis pathways and their modifications in inflammation. Immunol Rev. 193, 101-110 (2003).
  11. Vandivier, R. W., Henson, P. M., Douglas, I. S. Burying the dead: the impact of failed apoptotic cell removal (efferocytosis) on chronic inflammatory lung disease. Chest. 129 (6), 1673-1682 (2006).
  12. Loughran, N. B., O’Connor, B., O’Fagain, C., O’Connell, M. J. The phylogeny of the mammalian heme peroxidases and the evolution of their diverse functions. BMC Evol Biol. 8, 101-115 (2008).
  13. Zámocký, M., Obinger, C., Torres, E., Ayala, E. M. Ch. 2. Biocatalysis based on heme peroxidases. , 7-35 (2010).
  14. Klebanoff, S. J. Myeloperoxidase-halide-hydrogen peroxide antibacterial system. J Bacteriol. 95 (6), 2131-2138 (1968).
  15. Klebanoff, S. J. Myeloperoxidase: friend and foe. J Leukoc Biol. 77 (5), 598-625 (2005).
  16. Wang, J., Slungaard, A. Role of eosinophil peroxidase in host defense and disease pathology. Arch Biochem Biophys. 445 (2), 256-260 (2006).
  17. Arnhold, J., Furtmuller, P. G., Regelsberger, G., Obinger, C. Redox properties of the couple compound I/native enzyme of myeloperoxidase and eosinophil peroxidase. Eur J Biochem. 268 (19), 5142-5148 (2001).
  18. Bafort, F., Parisi, O., Perraudin, J. P., Jijakli, M. H. Mode of action of lactoperoxidase as related to its antimicrobial activity: a review. Enzyme Res. , 1-13 (2014).
  19. van Dalen, C. J., Whitehouse, M. W., Winterbourn, C. C., Kettle, A. J. Thiocyanate and chloride as competing substrates for myeloperoxidase. Biochem J. 327 (Pt 2), 487-492 (1997).
  20. Arnhold, J., Flemmig, J. Human myeloperoxidase in innate and acquired immunity. Arch Biochem Biophys. 500 (1), 92-106 (2010).
  21. Flemmig, J., Lessig, J., Reibetanz, U., Dautel, P., Arnhold, J. Non-vital polymorphonuclear leukocytes express myeloperoxidase on their surface. Cell Physiol Biochem. 21 (4), 287-296 (2008).
  22. Odobasic, D., Kitching, A. R., Semple, T. J., Holdsworth, S. R. Endogenous myeloperoxidase promotes neutrophil-mediated renal injury, but attenuates T cell immunity inducing crescentic glomerulonephritis. J Am Soc Nephrol. 18 (3), 760-770 (2007).
  23. Odobasic, D., et al. Neutrophil myeloperoxidase regulates T-cell-driven tissue inflammation in mice by inhibiting dendritic cell function. Blood. 121 (20), 4195-4204 (2013).
  24. Ogino, T., et al. Oxidative modification of IkappaB by monochloramine inhibits tumor necrosis factor alpha-induced NF-kappaB activation. Biochim Biophys Acta. 1746 (2), 135-142 (2005).
  25. Flemmig, J., Remmler, J., Zschaler, J., Arnhold, J. Detection of the halogenating activity of heme peroxidases in leukocytes by aminophenyl fluorescein. Free Radic Res. 49 (6), 768-776 (2015).
  26. Flemmig, J., Zschaler, J., Remmler, J., Arnhold, J. The fluorescein-derived dye aminophenyl fluorescein is a suitable tool to detect hypobromous acid (HOBr)-producing activity in eosinophils. J Biol Chem. 287 (33), 27913-27923 (2012).
  27. Setsukinai, K., Urano, Y., Kakinuma, K., Majima, H. J., Nagano, T. Development of novel fluorescence probes that can reliably detect reactive oxygen species and distinguish specific species. J Biol Chem. 278 (5), 3170-3175 (2003).
  28. Presentey, B., Szapiro, L. Heriditary deficiency of peroxidase and phospholipids in eosinophil granulocytes. Acta Haematol. 41, 359-362 (1969).
  29. Undritz, E. The Alius-Grignaschi anomaly: the hereditary constitutional peroxidase defect of the neutrophils and monocytes. Blut. 14 (3), 129-136 (1966).
  30. Kutter, D. Prevalence of myeloperoxidase deficiency: population studies using Bayer-Technicon automated hematology. J Mol Med.(Berl). 76 (10), 669-675 (1998).
  31. Lanza, F. Clinical manifestation of myeloperoxidase deficiency. J Mol Med. 76 (10), 676-681 (1998).
  32. Flemmig, J., et al. Rapid and reliable determination of the halogenating peroxidase activity in blood samples. J Immunol Methods. 415, 46-56 (2014).
  33. Flemmig, J., Remmler, J., Rohring, F., Arnhold, J. (-)-Epicatechin regenerates the chlorinating activity of myeloperoxidase in vitro and in neutrophil granulocytes. J Inorg Biochem. 130, 84-91 (2014).
  34. Beers, R. F., Sizer, I. W. A spectrophotometric method for measuring the breakdown of hydrogen peroxide by catalase. J Biol Chem. 195 (1), 133-140 (1952).
  35. Kettle, A. J., Gedye, C. A., Winterbourn, C. C. Mechanism of inactivation of myeloperoxidase by 4-aminobenzoic acid hydrazide. Biochem J. 321 (2), 503-508 (1997).
  36. Nakazato, T., et al. Myeloperoxidase is a key regulator of oxidative stress mediated apoptosis in myeloid leukemic cells. Clin Cancer Res. 13 (18), 5436-5445 (2007).
  37. Machwe, M. K. Effect of concentration on fluorescence spectrum of fluorescein. Curr Sci. 39 (18), 412-413 (1970).
  38. Hu, Y., Ashman, R. B. Ch. 7. Leucocytes: Methods and Protocols. , 101-113 (2012).
  39. Zschaler, J., Schlorke, D., Arnhold, J. Differences in innate immune response between man and mouse. Crit Rev Immunol. 34 (5), 433-454 (2014).
  40. Hasenberg, M., et al. Rapid immunomagnetic negative enrichment of neutrophil granulocytes from murine bone marrow for functional studies in vitro and in vivo. PLoS One. 6 (2), e17314 (2011).
  41. Mendez-David, I., et al. A method for biomarker measurements in peripheral blood mononuclear cells isolated from anxious and depressed mice: beta-arrestin 1 protein levels in depression and treatment. Front Pharmacol. 4 (124), 1-8 (2013).
  42. Cotter, M. J., Norman, K. E., Hellewell, P. G., Ridger, V. C. A novel method for isolation of neutrophils from murine blood using negative immunomagnetic separation. Am J Pathol. 159 (2), 473-481 (2001).
  43. Dorward, D. A., et al. Technical advance: autofluorescence-based sorting: rapid and nonperturbing isolation of ultrapure neutrophils to determine cytokine production. J Leukoc Biol. 94 (1), 193-202 (2013).
  44. Freitas, M., Lima, J. L., Fernandes, E. Optical probes for detection and quantification of neutrophils’ oxidative burst. A review. Anal Chim Acta. 649 (1), 8-23 (2009).
  45. Winterbourn, C. C. The challenges of using fluorescent probes to detect and quantify specific reactive oxygen species in living cells. Biochim Biophys Acta. 1840 (2), 730-738 (2014).
  46. Kusenbach, G., Rister, M. Myeloperoxidase deficiency as a cause of recurrent infections. Klin Padiatr. 197 (5), 443-445 (1985).
  47. Zipfel, M., Carmine, T. C., Gerber, C., Niethammer, D., Bruchelt, G. Evidence for the activation of myeloperoxidase by f-Meth-Leu-Phe prior to its release from neutrophil granulocytes. Biochem Biophys Res Commun. 232 (1), 209-212 (1997).
  48. Whiteman, M., Spencer, J. P. Loss of 3-chlorotyrosine by inflammatory oxidants: implications for the use of 3-chlorotyrosine as a bio-marker in vivo. Biochem Biophys Res Commun. 371 (1), 50-53 (2008).
  49. Gerber, C. E., Kuci, S., Zipfel, M., Niethammer, D., Bruchelt, G. Phagocytic activity and oxidative burst of granulocytes in persons with myeloperoxidase deficiency. Eur J Clin Chem Clin Biochem. 34 (11), 901-908 (1996).
  50. Maghzal, G. J., et al. Assessment of myeloperoxidase activity by the conversion of hydroethidine to 2-chloroethidium. J Biol Chem. 289 (9), 5580-5595 (2014).
  51. Shepherd, J., et al. A fluorescent probe for the detection of myeloperoxidase activity in atherosclerosis-associated macrophages. Chem Biol. 14 (11), 1221-1231 (2007).
  52. Sun, Z. -. N., Liu, F. -. Q., Chen, Y., Tam, P. K. H., Yang, D. A highly specific BODIPY-based fluorescent probe for the detection of hypochlorous acid. J Am Chem Soc. 10 (11), 2171-2174 (2008).
  53. Kirchner, T., Flemmig, J., Furtmuller, P. G., Obinger, C., Arnhold, J. (-)Epicatechin enhances the chlorinating activity of human myeloperoxidase. Arch Biochem Biophys. 495 (1), 21-27 (2010).
check_url/it/54484?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Flemmig, J., Schwarz, P., Bäcker, I., Leichsenring, A., Lange, F., Arnhold, J. Fast and Specific Assessment of the Halogenating Peroxidase Activity in Leukocyte-enriched Blood Samples. J. Vis. Exp. (113), e54484, doi:10.3791/54484 (2016).

View Video