Summary

Microglia som et surrogat Biosensor fastslår partikler Nevro

Published: October 25, 2016
doi:

Summary

Microglia (immune cells of the brain), are used as a surrogate biosensor to determine how nanoparticles influence neurotoxicity. We describe a series of experiments designed to assay microglial response to nanoparticles and exposure of hypothalamic neurons to supernatant from activated microglia to determine neurotoxicity.

Abstract

Nanoparticles found in air pollutants can alter neurotransmitter profiles, increase neuroinflammation, and alter brain function. Therefore, the assay described here will aid in elucidating the role of microglia in neuroinflammation and neurodegenerative diseases. The use of microglia, resident immune cells of the brain, as a surrogate biosensor provides novel insight into how inflammatory responses mediate neuronal insults. Here, we utilize an immortalized murine microglial cell line, designated BV2, and describe a method for nanoparticle exposure using silver nanoparticles (AgNPs) as a standard. We describe how to expose microglia to nanoparticles, how to remove nanoparticles from supernatant, and how to use supernatant from activated microglia to determine toxicity, using hypothalamic cell survival as a measure. Following AgNP exposure, BV2 microglial activation was validated using a tumor necrosis factor alpha (TNF-α) enzyme linked immunosorbent assay (ELISA). The supernatant was filtered to remove the AgNP and to allow cytokines and other secreted factors to remain in the conditioned media. Hypothalamic cells were then exposed to supernatant from AgNP activated microglia and survival of neurons was determined using a resazurin-based fluorescent assay. This technique is useful for utilizing microglia as a surrogate biomarker of neuroinflammation and determining the effect of neuroinflammation on other cell types.

Introduction

Miljømessige forurensninger, spesielt de av nanopartikkel (NP) område (1 – 20 nm i diameter), har vært knyttet til fedme og andre nevrodegenerative sykdommer som skyldes evnen til å krysse blod-hjerne barrieren 1-3. Forhøyet eksponering for forurensning kan indusere inflammasjon i sentralnervesystemet, inkludert hypothalamus 1. En mulig mekanisme hvor dette skjer kan være gjennom nanopartikkel indusert aktivering av microglia (hjerneimmunceller) 4. Tidligere studier har brukt in vivo modeller for å studere effekter av NPs på hjernen helse som er tidkrevende, dyrt og ikke direkte svar på spørsmålet om hvordan NPs påvirke microglia. Mikroglia spille en mangesidig rolle i sentralnervesystemet, blant annet vedlikehold av hjerne mikromiljøet og kommuniserer med omgivende neuroner via frigjøring av utskilte faktorer og cytokiner. Avhengig av stimuli, kan mikroglia aktiveres til en M1 pro-inflammatorisk eller en M2 anti-inflammatorisk tilstand. For eksempel, M1 aktiverte mikroglia frigi pro-inflammatoriske cytokiner slik som tumornekrosefaktor alfa (TNF-α), mens M2 aktiverte mikroglia frigivelse anti-inflammatoriske cytokiner, inkludert interleukin-4 (IL-4). For å validere vår surrogat in vitro biosensor for å bestemme nevro av luftforurensning, vi målte microglial respons på 20 nm sølv nanopartikler (AgNPs). Målet med denne artikkelen er å beskrive hvordan en in vitro microglial cellelinje kan brukes som et surrogat biosensor markør for testing muse microglial respons på NPs og hvordan microglial aktivisering påvirker hypothalamus celler. Den langsiktige tiltenkt anvendelse av denne validert modellen er å teste effekten av virkelige forurensninger på hjernen helse og nevrodegenerativ sykdom. Vi gir en detaljert beskrivelse av en in vitro 96-brønners format undersøkelse for å måle microglial aktivering og hypotalamus celleoverlevelse etter eksponering av mikrofonen roglial klimaanlegg medier.

Microglial aktivering ble bestemt etter AgNP eksponering ved hjelp av en TNF-α enzymbundet immunosorbent analyse (ELISA). For å bestemme virkningen av aktiverte mikroglia på hypotalamus-celler, ble AgNPs fjernet fra microglial supernatant (kondisjonert medium) ved hjelp av en filtreringsanordning. Den filtrering enhet beholder cytokiner mens utelukke AgNPs basert på størrelse. I korthet supernatant fra mikroglia behandlet med eller uten AgNPs ble oppsamlet, tilsatt til filtrene, og sentrifugert ved 14 000 xg i 15 min. Vi var da i stand til å bestemme påvirkning av mikrogliaceller utskilt cytokiner på hypothalamus celle levedyktighet. Celle toksisitet etter eksponering til kondisjonert medium (inneholdende cytokiner) ble bestemt ved hjelp av en resazurin-basert assay som tidligere beskrevet 5,6. Metabolsk aktive celler redusere resazurin og frembringe et fluorescerende signal proporsjonal med antallet levedyktige celler 7.

nt "> Det er flere fordeler med å bruke denne teknikken fremfor andre (slik som ko-kultur, trans-brønners oppsett, eller in vivo-forsøk). Vår modell gjør det mulig å direkte aktivere mikroglia og bestemme om utskilt faktorer er toksisk for nevroner 8 . Den nåværende protokollen bruker udødelig BV2 microglia stimulert med 20 nm diameter nanopartikler, og udødelig murine hypothalamus celler (betegnet mHypo-A1 / 2) 9 for bestemmelse av påfølgende reaksjon. Selv om denne protokollen er optimalisert for disse konkrete forholdene, metodene kan være endret for å bli brukt i andre modeller av microglial-indusert celledød, eller med andre celletyper, inkludert primære mikroglia og nerveceller.

Protocol

1. microglial Cell Culture Vedlikehold Varm cellekulturmedium (Dulbeccos modifiserte Eagle-medium, DMEM) supplert med 10% føtalt bovint serum (FBS) og 1% penicillin / streptomycin / neomycin (PSN) til 37 ° C. Skaff frossen lager av BV2 mikrogliaceller celler ved passering 18 – 25 fra lagring ved -80 ° C. Hurtig tines celler i 37 ° C vannbad. Forsiktig overføre celler til en 75 cm2 kolbe luftes inneholdende 10 ml cellekulturmedier. Inkuber kolbe i 5% CO2…

Representative Results

Vi viser at mikroglia funksjon som et surrogat biosensor for hjernen svar på nanopartikler ved anvendelse av protokollen ovenfor. Våre resultater omfatte måling av de toksiske virkninger av microglial aktivering på nedstrøms neuronal celledød. Figur 1 viser en arbeidsflyt av protokollen for å aktivere mikroglia og avgjøre om utskilte cytokiner reduserer levedyktigheten til hypothalamus neuroner. TNF-α sekresjon ble signifikant øket følgende AgNP eksponering <s…

Discussion

Recent studies support that environmental exposure contributes to obesity and other neurodegenerative diseases 11,12. However, techniques used in previous studies are time consuming and expensive. Economic considerations, physiologically relevant delivery systems, ethical issues with extensive use of in vivo animal models, and difficulty translating findings into meaningful health advisories are a few of the major challenges that have impeded advancements in studying NP-induced neurotoxicity 13</…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was funded by the US Department of Veterans Affairs BLR&D IK2 BX001686 (to TAB), and grants from the University of Minnesota Healthy Foods, Healthy Lives Institute (to CMD, JPN, and TAB) and the Minnesota Veterans Medical Research & Education Foundation (to TAB). We thank Drs. Philippe Marambaud (Feinstein Institute for Medical Research, Manhasset, NY) and Weihua Zhao (Methodist Hospital, Houston, TX) for providing the BV2 cell line.

Materials

Cells/Reagents
Mouse microglial cell line (BV2) Interlab Cell Line Collection (Genoa, Italy) ATL03001
Adult Mouse Hypothalamus Cell Line mHypoA-1/2  Cellutions Biosystems Inc. CLU172
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium Invitrogen 10313-039
Fetal bovine serum  PAA Labs A15-751
Penicillin/Streptomycin/Neomycin Thermo Fisher Scientific 15640-055
Trypsin-EDTA Thermo Fisher Scientific 25200056
Silver nanoparticles (20nm) Sigma-Aldrich 730793

PrestoBlue Cell Viability Reagent
Invitrogen A13262
Mouse TNF-α ELISA Max Delux Biolegend 430904
Lipopolysaccharide Sigma-Aldrich L4391
Sodium Citrate Sigma-Aldrich S4641
Equipment
96W Optical Bottom Plate, Black Polystyrene, Cell Culture Treated, with lid, Sterile Thermo Fisher Scientific 165305
Amicon Ultra-0.5 Centrifugal Filter Unit with Ultracel-10 membrane EMD Millipore UFC501008
SpectraMax M5 Multi-Mode Microplate Molecular Devices M5
Falcon 50mL Conical Centrifuge Tubes Corning, Inc
14-432-22
Falcon Cell Strainers 70 μm Corning, Inc 08-771-2
Tabletop centrifuge 5430 Eppendorf 22620560

Riferimenti

  1. Block, M. L., Calderon-Garciduenas, L. Air pollution: mechanisms of neuroinflammation and CNS disease. Trends Neurosci. 32, 506-516 (2009).
  2. Brochu, P., Bouchard, M., Haddad, S. Physiological daily inhalation rates for health risk assessment in overweight/obese children, adults, and elderly. Risk Anal. 34, 567-582 (2014).
  3. Jerrett, M., et al. Traffic-related air pollution and obesity formation in children: a longitudinal, multilevel analysis. Environ Health. 13, 49 (2014).
  4. Kraft, A. D., Harry, G. J. Features of microglia and neuroinflammation relevant to environmental exposure and neurotoxicity. Int J Environ Res Public Health. 8, 2980-3018 (2011).
  5. Duffy, C. M., et al. Role of orexin A signaling in dietary palmitic acid-activated microglial cells. Neurosci Lett. 606, 140-144 (2015).
  6. Butterick, T. A., et al. Use of a caspase multiplexing assay to determine apoptosis in a hypothalamic cell model. J Vis Exp. , (2014).
  7. Xiao, J., et al. Monitoring of cell viability and proliferation in hydrogel-encapsulated system by resazurin assay. Appl Biochem Biotechnol. 162, 1996-2007 (2010).
  8. Blasi, E., Barluzzi, R., Bocchini, V., Mazzolla, R., Bistoni, F. Immortalization of murine microglial cells by a v-raf/v-myc carrying retrovirus. J Neuroimmunol. 27, 229-237 (1990).
  9. Belsham, D. D., et al. Ciliary neurotrophic factor recruitment of glucagon-like peptide-1 mediates neurogenesis, allowing immortalization of adult murine hypothalamic neurons. FASEB J. 23, 4256-4265 (2009).
  10. Paramelle, D., et al. A rapid method to estimate the concentration of citrate capped silver nanoparticles from UV-visible light spectra. Analyst. 139, 4855-4861 (2014).
  11. Wei, Y., et al. Chronic exposure to air pollution particles increases the risk of obesity and metabolic syndrome: findings from a natural experiment in Beijing. FASEB J. , (2016).
  12. Levesque, S., Surace, M. J., McDonald, J., Block, M. L. Air pollution & the brain: Subchronic diesel exhaust exposure causes neuroinflammation and elevates early markers of neurodegenerative disease. J Neuroinflammation. 8, 105 (2011).
  13. Block, M. L., et al. The outdoor air pollution and brain health workshop. Neurotoxicology. 33, 972-984 (2012).
  14. Carson, M. J., Crane, J., Xie, A. X. Modeling CNS microglia: the quest to identify predictive models. Drug Discov Today Dis Models. 5, 19-25 (2008).
  15. Valdearcos, M., et al. Microglia dictate the impact of saturated fat consumption on hypothalamic inflammation and neuronal function. Cell Rep. 9, 2124-2138 (2014).
  16. Perry, V. H., Holmes, C. Microglial priming in neurodegenerative disease. Nat Rev Neurol. 10, 217-224 (2014).
  17. Block, M. L., Hong, J. S. Chronic microglial activation and progressive dopaminergic neurotoxicity. Biochem Soc Trans. 35, 1127-1132 (2007).
  18. Vincenti, J. E., et al. Defining the Microglia Response during the Time Course of Chronic Neurodegeneration. J Virol. 90, 3003-3017 (2015).
  19. Grabert, K., et al. Microglial brain region-dependent diversity and selective regional sensitivities to aging. Nat Neurosci. 19, 504-516 (2016).
  20. Lull, M. E., Block, M. L. Microglial activation and chronic neurodegeneration. Neurotherapeutics. 7, 354-365 (2010).
  21. Oeckinghaus, A., Hayden, M. S., Ghosh, S. Crosstalk in NF-kappaB signaling pathways. Nat Immunol. 12, 695-708 (2011).
  22. Gifford, J. C., et al. Thiol-modified gold nanoparticles for the inhibition of Mycobacterium smegmatis. Chem Commun (Camb). 50, 15860-15863 (2014).
  23. Colella, M., Lobasso, S., Babudri, F., Corcelli, A. Palmitic acid is associated with halorhodopsin as a free fatty acid. Radiolabeling of halorhodopsin with 3H-palmitic acid and chemical analysis of the reaction products of purified halorhodopsin with thiols and NaBH4. Biochim Biophys Acta. 1370, 273-279 (1998).
  24. Sherry, B., Jue, D. M., Zentella, A., Cerami, A. Characterization of high molecular weight glycosylated forms of murine tumor necrosis factor. Biochem Biophys Res Commun. 173, 1072-1078 (1990).
  25. . PubChem Compound Database Available from: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/104755 (2004)
  26. Koenigsknecht-Talboo, J., Landreth, G. E. Microglial phagocytosis induced by fibrillar beta-amyloid and IgGs are differentially regulated by proinflammatory cytokines. J Neurosci. 25, 8240-8249 (2005).
  27. McCarthy, R. C., et al. Characterization of a novel adult murine immortalized microglial cell line and its activation by amyloid-beta. J Neuroinflammation. 13, (2016).
  28. Schauer, J. J., et al. Source apportionment of airborne particulate matter using organic compounds as tracers. Atmos Environ. 30, 3837-3855 (1996).
  29. Kleeman, M. J., et al. Source apportionment of fine (PM1.8) and ultrafine (PM0.1) airborne particulate matter during a severe winter pollution episode. Environ Sci Technol. 43, 272-279 (2009).
  30. Borm, P. J., et al. The potential risks of nanomaterials: a review carried out for ECETOC. Part Fibre Toxicol. 3, (2006).
check_url/it/54662?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Duffy, C. M., Ahmed, S., Yuan, C., Mavanji, V., Nixon, J. P., Butterick, T. Microglia as a Surrogate Biosensor to Determine Nanoparticle Neurotoxicity. J. Vis. Exp. (116), e54662, doi:10.3791/54662 (2016).

View Video