Snelle en specifieke beoordeling van de halogenerend Peroxidase activiteit in leukocyten verrijkte bloedmonsters
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
In dit artikel een protocol voor de snelle en gestandaardiseerde verrijking van leukocyten uit kleine hele bloedmonsters wordt beschreven. Deze procedure is gebaseerd op de hypotonische lysis van erytrocyten en kan worden toegepast op menselijke monsters en bloed van niet-menselijke oorsprong. De aanvankelijke kleine monstervolume van ongeveer 50 tot 100 gl maakt deze methode van toepassing op periodieke bloedmonsters van kleine proefdieren. Bovendien is leukocyten verrijking bereikt binnen enkele minuten en met een laag materiaal inspanningen ten aanzien van chemische stoffen en instrumentatie, het maken van deze methode niet van toepassing in meerdere laboratorium omgevingen.
Gestandaardiseerde zuivering van leukocyten wordt gecombineerd met een zeer selectieve kleuring methode halogeneringsmiddel peroxidase activiteit van het heem peroxidasen evalueren, myeloperoxidase (MPO) en eosinofiel peroxidase (EPO), dat wil zeggen de vorming van hypochloorzuur en onderbromig zuur (HOCl en HOBr). Terwijl MPO is sterk uitgedrukt in neutrophils, het meest voorkomende celtype immuunsysteem in menselijk bloed als in monocyten, de bijbehorende enzym EPO uitsluitend tot expressie gebracht in eosinofielen. Halogeneringsmiddel activiteit van deze enzymen wordt behandeld met het bijna HOCl- en HOBr specifieke kleurstof aminofenyl fluoresceïne (APF) en de primaire peroxidase substraat waterstofperoxide. Bij daaropvolgende flowcytometrieanalyse alle peroxidase-positieve cellen (neutrofielen, monocyten, eosinofielen) zijn onderscheiden en hun halogenerend peroxidase activiteit kan worden gekwantificeerd. Aangezien APF kleuring kan worden gecombineerd met de toepassing van celoppervlak markers, kan dit protocol worden uitgebreid om meer bepaald leukocyt subfracties. De methode is toepasbaar op te sporen HOCl en HOBr productie zowel in de mens en in knaagdieren leukocyten.
Gezien het wijd en divers besproken immunologische rol van deze enzymatische produkten chronische ontstekingsziekten kan dit protocol bijdragen aan een beter begrip van deimmunologische relevantie van leukocyt afgeleide heem peroxidasen.
Introduction
Polymorfonucleaire leukocyten (PMN's, ook wel granulocyten) en monocyten vormen belangrijke cellulaire componenten van het aangeboren immuunsysteem in het bloed 1,2. Zij bijdragen aan de primaire afweer tegen ziekteverwekkers alsook de activering van het verworven immuunsysteem en het initiëren van een systemische ontstekingsreactie 2-4. Maar vooral neutrofielen, de meest voorkomende vorm van granulocyten en monocyten ook aanzienlijk bijdragen tot de regulering en de beëindiging van acute ontstekingen gebeurtenissen 5. Daarom zijn deze cellen kunnen ook een belangrijke rol bij chronische ontstekingsziekten zoals reumatoïde artritis 6,7 spelen. In feite, astma, een pathologie wordt gekenmerkt door een verminderde apoptose van eosinofielen, de tweede soort granulocyten in het bloed 8. Toch is de apoptose van granulocyten en hun snelle verwijdering door macrofagen zijn twee essentiële stappen tijdens de cellulaire beëindiging9-11 van ontsteking.
In de genoemde immuuncellen twee nauw verwante enzymen, namelijk myeloperoxidase (MPO, neutrofielen en monocyten) en eosinofiel peroxidase (EPO, eosinofielen) kan worden gevonden 12,13. Deze heem peroxidasen zijn klassiek gerelateerd aan de humorale immuunrespons mocht twee elektronisch oxideren (pseudo-) halogeniden in de overeenkomstige hypo (pseudo) halous zuren die bekend staan om hun bactericide 14-16. Onder fysiologische omstandigheden MPO voornamelijk vormen hypochloorzuur (HOCl) en hypothiocyaniet (- OSCN) terwijl de laatste en onderbromig acid (HOBr) gevormd door EPO 17-19. Nieuwe resultaten suggereren dat de (pseudo-) halogeneringsmiddel enzymactiviteit kan bijdragen aan de regulering van ontstekingsreacties en de beëindiging van immuunreacties 20,21. In feite is de productie van HOCl MPO en afgeleide producten werden naar T-cellen gebaseerde adaptieve immuunreacties onderdrukken 22-24.
Om meer inzicht in de immunologische rol leukocyten profiteren van het aangeboren immuunsysteem bij chronische ontstekingsziekten en het bepalen van de bijdrage van MPO en EPO deze fysiologische functie hebben we een methode om snel te verrijken leukocyten uit kleine bloedmonsters voor een volgende specifieke bepaling van het halogeneringsmiddel peroxidase activiteit in deze cellen. Voor erytrocyt depletie kozen we een gestandaardiseerde werkwijze omvattende twee opeenvolgende hypotone lysis stappen met gedestilleerd water, wat leidt tot een snelle leukocyten verrijking tegen lage materiaalkosten. Voor de volgende bepaling van de halogenerend MPO en EPO activiteit van de HOCl- en HOBr specifieke kleurstof aminofenyl fluoresceïne (APF) werd gebruikt 25-27. In tegenstelling tot de toepassing van niet-specifieke peroxidase kleuringen 28,29, deze benadering de selectieve detectie van het halogeneringsmiddel peroxidase activiteit, die vaak ernstig is aangetast inflammation 30,31.
Protocol
Representative Results
Discussion
Als neutrofielen zijn de meest voorkomende leukocyten in menselijk bloed de isolatie van peroxidase-positieve cellen vaak alleen gericht op deze cellen en omvat een scheiding van neutrofielen uit andere leukocyten door dichtheidsgradiënt centrifugatie 38. Nog neutrofielen veel minder overvloedig in muizen 39 bloedmonsters voor deze ingewikkelder methoden worden gebruikt 40. Bovendien beide methoden leiden tot de verwijdering van peroxidase-positieve monocyten uit de monsters en vanwege …
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
- Cline, M. J. Monocytes, macrophages, and their diseases in man. J Invest Dermatol. 71 (1), 56-58 (1978).
- Wright, H. L., Moots, R. J., Bucknall, R. C., Edwards, S. W. Neutrophil function in inflammation and inflammatory diseases. Rheumatology. 49, 1618-1631 (2010).
- Brinkmann, V., et al. Neutrophil extracellular traps kill bacteria. Science. 303 (5663), 1532-1535 (2004).
- 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).
- Henson, P. M. Resolution of inflammation. A perspective. Chest. 99 (3 Suppl), 2S-6S (1991).
- Lefkowitz, D. L., Lefkowitz, S. S. Macrophage-neutrophil interaction: a paradigm for chronic inflammation revisited. Immunol Cell Biol. 79 (5), 502-506 (2001).
- 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).
- Kankaanranta, H., et al. Delayed eosinophil apoptosis in asthma. J Allergy Clin Immunol. 106 (1 Pt 1), 77-83 (2000).
- Peng, S. L. Neutrophil apoptosis in autoimmunity. J Mol Med. 84 (2), 122-125 (2006).
- Simon, H. U. Neutrophil apoptosis pathways and their modifications in inflammation. Immunol Rev. 193, 101-110 (2003).
- 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).
- 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).
- Zámocký, M., Obinger, C., Torres, E., Ayala, E. M. Ch. 2. Biocatalysis based on heme peroxidases. , 7-35 (2010).
- Klebanoff, S. J. Myeloperoxidase-halide-hydrogen peroxide antibacterial system. J Bacteriol. 95 (6), 2131-2138 (1968).
- Klebanoff, S. J. Myeloperoxidase: friend and foe. J Leukoc Biol. 77 (5), 598-625 (2005).
- Wang, J., Slungaard, A. Role of eosinophil peroxidase in host defense and disease pathology. Arch Biochem Biophys. 445 (2), 256-260 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- Arnhold, J., Flemmig, J. Human myeloperoxidase in innate and acquired immunity. Arch Biochem Biophys. 500 (1), 92-106 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Presentey, B., Szapiro, L. Heriditary deficiency of peroxidase and phospholipids in eosinophil granulocytes. Acta Haematol. 41, 359-362 (1969).
- Undritz, E. The Alius-Grignaschi anomaly: the hereditary constitutional peroxidase defect of the neutrophils and monocytes. Blut. 14 (3), 129-136 (1966).
- Kutter, D. Prevalence of myeloperoxidase deficiency: population studies using Bayer-Technicon automated hematology. J Mol Med.(Berl). 76 (10), 669-675 (1998).
- Lanza, F. Clinical manifestation of myeloperoxidase deficiency. J Mol Med. 76 (10), 676-681 (1998).
- Flemmig, J., et al. Rapid and reliable determination of the halogenating peroxidase activity in blood samples. J Immunol Methods. 415, 46-56 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Machwe, M. K. Effect of concentration on fluorescence spectrum of fluorescein. Curr Sci. 39 (18), 412-413 (1970).
- Hu, Y., Ashman, R. B. Ch. 7. Leucocytes: Methods and Protocols. , 101-113 (2012).
- Zschaler, J., Schlorke, D., Arnhold, J. Differences in innate immune response between man and mouse. Crit Rev Immunol. 34 (5), 433-454 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kusenbach, G., Rister, M. Myeloperoxidase deficiency as a cause of recurrent infections. Klin Padiatr. 197 (5), 443-445 (1985).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Shepherd, J., et al. A fluorescent probe for the detection of myeloperoxidase activity in atherosclerosis-associated macrophages. Chem Biol. 14 (11), 1221-1231 (2007).
- 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).
- 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).
