Microglia als een surrogaat Biosensor om te bepalen nanodeeltjes Neurotoxiciteit
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
Milieuverontreinigingen, bijzonder diegenen van de nanodeeltjes (NP) range (1-20 nm diameter), zijn gekoppeld aan obesitas en andere neurodegeneratieve ziekten als gevolg van het vermogen om de bloed-hersenbarrière passeren 1-3. Verhoogde blootstelling aan verontreiniging kan ontsteking veroorzaken in het centrale zenuwstelsel waaronder de hypothalamus 1. Een mogelijk mechanisme waarop dit gebeurt kunnen plaatsvinden door middel nanodeeltjes activatie van microglia (hersenen immuuncellen) 4. Voorafgaande studies die in vivo modellen om de effecten van NPs gezondheid hersenen die tijdrovend, kostbaar zijn bestuderen, en niet direct de vraag hoe NPs beïnvloeden microglia beantwoorden. Microglia spelen een veelzijdige rol in het centrale zenuwstelsel, zoals het onderhoud van de hersenen en micro communiceren met omgeving neuronen via de afgifte van uitgescheiden factoren en cytokinen. Afhankelijk van de stimuli, kan microglia worden geactiveerd om een M1 pro-inflammatoire of een M2 anti-inflammatoire toestand. Bijvoorbeeld M1 geactiveerde microglia vrijgeven pro-inflammatoire cytokines zoals tumor necrose factor alpha (TNF-α), terwijl M2 microglia afgifte anti-inflammatoire cytokinen geactiveerd zoals interleukine-4 (IL-4). Om onze surrogaat in vitro biosensor te valideren voor het bepalen van neurotoxiciteit van luchtverontreinigende stoffen, we gemeten microglia respons op 20 nm zilver nanodeeltjes (AgNPs). Het doel van dit artikel wordt beschreven hoe een in vitro microgliacellen cellijn kan worden gebruikt als een surrogaat marker voor biosensor testen muizen microgliale reactie op NPs en hoe microgliale activering beïnvloedt hypothalamus cellen. De lange termijn beoogde toepassing van deze gevalideerd model is om de effecten van real-world stoffen op de gezondheid van de hersenen en neurodegeneratieve ziekte te testen. Wij een gedetailleerde beschrijving van een in vitro 96 putjes format assay voor het meten van microgliale activering en hypothalamus celoverleving na blootstelling van mic roglial geconditioneerde media.
Microgliale activering werd bepaald na AgNP blootstelling door TNF-α enzymgekoppelde immunosorbent assay (ELISA). Om het effect van geactiveerde microglia op hypothalamus cellen te bepalen werden de AgNPs uit microglia supernatant (geconditioneerde media) met een filtreerinrichting. De filtratie-apparaat behoudt cytokines met uitsluiting van de AgNPs op basis van grootte. In het kort supernatans van microglia behandeld met of zonder AgNPs werd verzameld, toegevoegd aan de filters en gecentrifugeerd bij 14.000 xg gedurende 15 min. We konden vervolgens de invloed van microgliale uitgescheiden cytokines op hypothalamus cellevensvatbaarheid te bepalen. Cel toxiciteit na blootstelling aan geconditioneerde media (bevattende cytokines) werd bepaald via een resazurin gebaseerde assay zoals eerder beschreven 5,6. Metabool actieve cellen reduceren resazurin en produceren een fluorescentiesignaal evenredig met het aantal levensvatbare cellen 7.
nt "> Er zijn verschillende voordelen van het gebruik van deze techniek anderen (zoals co-cultuur, trans-well opstellingen of in vivo). Ons model biedt de mogelijkheid om direct activeren microglia en bepalen of uitgescheiden factoren toxisch voor neuronen 8 . het huidige protocol gebruikt geïmmortaliseerde BV2 microglia gestimuleerd met 20 nm diameter nanodeeltjes en geïmmortaliseerde muizen hypothalamus cellen (aangeduid mHypo-A1 / 2) 9 voor het bepalen van verdere reactie. Hoewel dit protocol is geoptimaliseerd voor deze specifieke omstandigheden, de werkwijzen kunnen worden veranderd te worden gebruikt in andere modellen van microgliale geïnduceerde celdood of andere celtypen waaronder primaire microglia en neuronen.Protocol
Representative Results
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
- Block, M. L., Calderon-Garciduenas, L. Air pollution: mechanisms of neuroinflammation and CNS disease. Trends Neurosci. 32, 506-516 (2009).
- 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).
- Jerrett, M., et al. Traffic-related air pollution and obesity formation in children: a longitudinal, multilevel analysis. Environ Health. 13, 49 (2014).
- 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).
- Duffy, C. M., et al. Role of orexin A signaling in dietary palmitic acid-activated microglial cells. Neurosci Lett. 606, 140-144 (2015).
- Butterick, T. A., et al. Use of a caspase multiplexing assay to determine apoptosis in a hypothalamic cell model. J Vis Exp. , (2014).
- Xiao, J., et al. Monitoring of cell viability and proliferation in hydrogel-encapsulated system by resazurin assay. Appl Biochem Biotechnol. 162, 1996-2007 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Block, M. L., et al. The outdoor air pollution and brain health workshop. Neurotoxicology. 33, 972-984 (2012).
- 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).
- Valdearcos, M., et al. Microglia dictate the impact of saturated fat consumption on hypothalamic inflammation and neuronal function. Cell Rep. 9, 2124-2138 (2014).
- Perry, V. H., Holmes, C. Microglial priming in neurodegenerative disease. Nat Rev Neurol. 10, 217-224 (2014).
- Block, M. L., Hong, J. S. Chronic microglial activation and progressive dopaminergic neurotoxicity. Biochem Soc Trans. 35, 1127-1132 (2007).
- Vincenti, J. E., et al. Defining the Microglia Response during the Time Course of Chronic Neurodegeneration. J Virol. 90, 3003-3017 (2015).
- Grabert, K., et al. Microglial brain region-dependent diversity and selective regional sensitivities to aging. Nat Neurosci. 19, 504-516 (2016).
- Lull, M. E., Block, M. L. Microglial activation and chronic neurodegeneration. Neurotherapeutics. 7, 354-365 (2010).
- Oeckinghaus, A., Hayden, M. S., Ghosh, S. Crosstalk in NF-kappaB signaling pathways. Nat Immunol. 12, 695-708 (2011).
- Gifford, J. C., et al. Thiol-modified gold nanoparticles for the inhibition of Mycobacterium smegmatis. Chem Commun (Camb). 50, 15860-15863 (2014).
- 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).
- 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).
- . PubChem Compound Database Available from: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/104755 (2004)
- 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).
- 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).
- Schauer, J. J., et al. Source apportionment of airborne particulate matter using organic compounds as tracers. Atmos Environ. 30, 3837-3855 (1996).
- 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).
- Borm, P. J., et al. The potential risks of nanomaterials: a review carried out for ECETOC. Part Fibre Toxicol. 3, (2006).
