Il lavaggio broncoalveolare esosomi in lesioni polmonari settici Lipopolysaccharide indotta
Summary
Topi esposti a LPS intraperitoneali secernono esosomi nel fluido di lavaggio (BAL) bronco-alveolare che sono confezionati con Mirna. Utilizzando un sistema di co-coltura, indichiamo che esosomi rilasciati nel liquido di BAL perturbare l’espressione delle proteine di giunzione stretta in cellule epiteliali bronchiali ed aumentano l’espressione delle citochine pro-infiammatorie che accentuano la ferita di polmone.
Abstract
Lesioni polmonari acute (ALI) e sindrome da distress respiratorio (ARDS) rappresentano un gruppo eterogeneo di malattie polmonari che continua ad avere un’alta morbosità e mortalità. Patogenesi molecolare delle ALI è essere meglio definiti; Tuttavia, a causa della natura complessa della malattia terapie molecolari devono ancora essere sviluppato. Qui usiamo un modello di topo indotta lipopolysaccharide (LPS) di danno polmonare acuto settica di delineare il ruolo degli esosomi nella risposta infiammatoria. Utilizzando questo modello, siamo stati in grado di dimostrare che i topi che sono esposti a LPS intraperitoneali secernono esosomi nel fluido di lavaggio (BAL) di bronco-alveolare dai polmoni che sono confezionati con miRNA e citochine che regolano la risposta infiammatoria. Ulteriormente utilizzando un sistema di modello di co-coltura, mostriamo che gli esosomi rilasciati dai macrofagi interrompono espressione delle proteine di giunzione stretta in cellule epiteliali bronchiali. Questi risultati indicano che 1) cross-talk tra cellule innate immune e strutturali attraverso la marcia exosomal contribuiscono alla risposta infiammatoria e rottura della barriera strutturale e 2) targeting questi miRNA può fornire una nuova piattaforma per trattare ALI e ARDS.
Introduction
ALI e ARDS sono le forme pericolose di insufficienza respiratoria con ipossiemia severa causata da edema polmonare non cardiogeno che colpisce circa 1 milione di persone nel mondo ogni anno1. L’eziologia di ARDS include ferita diretta ai polmoni da infezioni o aspirazione e una varietà di insulti indiretti. Nell’ultimo decennio c’è stata una maggiore comprensione della patogenesi molecolare di ARDS, tuttavia, trattamenti specifici mirati per ARDS sono ancora essere sviluppato2,3.
Sono stati sviluppati diversi modelli animali di danno polmonare acuto che forniscono un ponte per la traduzione di terapie sperimentali per studi umani4,5. I modelli comunemente usati includono installazione locale di acido oleico, batteri, LPS e bleomicina. Altri approcci includono ischemia-riperfusione, puntura cecal legatura, lesione elasticizzato indotta da ventilazione meccanica, l’iperossia o somministrazione sistemica di batteri e LPS5. Questi modelli forniscono un sistema biologico utile per testare le ipotesi cliniche e per lo sviluppo di potenziali terapie. Per simulare umano ARDS, modelli animali dovrebbero riprodurre l’infiammazione e lesione acuta alle cellule epiteliali ed endoteliali con difetti nella funzione di barriera nei polmoni.
Gli esosomi sono vescicole di membrana con 20-200 nanometro di diametro, il cui contenuto molecolare contiene proteine, DNA, RNA e lipidi, e facilitano la comunicazione intercellulare nel microambiente del tessuto tramite trasferimento composizione molecolare. Gli esosomi sono secreti da più tipi di cellule, quali cellule endoteliali, cellule epiteliali, cellule muscolari lisce e cellule del tumore e presenti nel fluido del corpo umano. Studi indicano che gli esosomi regolano cross-talk tra le cellule immunitarie e le cellule stromali durante malattie infiammatorie, infettive e sterile, e loro rilascio anormale sembra essere regolata da vari stimoli naturali e sperimentali durante fisiologico e processi patologici6. Tale rete di comunicazione può svolgere un ruolo importante nella patogenesi di malattie polmonari e può influenzare la progressione fisiopatologico7,8. Come 18-22 nucleotidi RNA non codificanti, Mirna esiste nel siero sia dei tessuti e fluidi corporei, al plasma e modula l’espressione di mRNA a livello post-traduzionale9,10.
Mirna confezionati in esosomi influenzano la differenziazione e la funzione di più tipi di cellule, e livelli eccessivi sono associati con una varietà di malattie, compreso il cancro, malattie polmonari, obesità, diabete e malattia cardiovascolare11, 12,13,14,15,16. Entrata in cellule del destinatario e la spola di Mirna exosomal facilitare comunicazioni intercellulari modificando l’emostasi del microambiente17,18. Ferita di polmone acuta è un processo complesso, che prevedono più tipi di cellule con vasta comunicazione intercellulare attraverso esosomi8. miR-155 e miR-146a condividere il comune meccanismo di regolazione trascrizionale e contribuire alla risposta infiammatoria e la tolleranza immunitaria19,20. Gli studi recenti indicano che entrambi modulano la risposta infiammatoria via exosomal Mirna spola tra cellule immunitarie21. Tuttavia, i meccanismi molecolari sottostanti effetti modulatory di Mirna exosomal alveolare risposta all’endotossina rimangono poco chiari, senza dubbio la potenziale rilevanza clinica e traslazionale implicazione merito ulteriore indagine.
Modelli di co-coltura sono impiegati per definire l’interazione dei tipi cellulari specifici nell’ambiente complesso, quali l’infiammazione e cancro22,23. Queste piattaforme forniscono una strategia alternativa per interrogare i cross-talk tra tipi cellulari in particolare per le cellule immuni e strutturali.
Endotracheale, amministrazione aerosolizzato, intraperitoneale o sistemica di LPS sono ampiamente usati per indurre sperimentale del polmone lesioni24,25,26e hanno dimostrato di indurre permeabilità epiteliale ed endoteliale difetti. Qui usiamo LPS intraperitoneale per indurre un modello settico della ferita acuta del polmone in topi. Entro 24 h dalla somministrazione intraperitoneale di LPS, difetti di permeabilità sono indotte nei polmoni con il reclutamento di cellule infiammatorie. Inoltre, mostriamo che esosomi da BAL contengono miRNA-155 e miR-146a, ed esosomi da liquido di BAL inducono l’espressione di citochine pro-infiammatorie in cellule epiteliali destinatario, compreso IL-6 e TNF-α. Questi dati sono il primo a mostrare che i miRNA exosomal vengono secreti nel BAL in questo modello di danno polmonare acuto settico.
Protocol
Representative Results
Discussion
Modelli murini di malattie sono comunemente utilizzati per valutare la funzione fisiologica dei geni specifici e per ridurre il costo della sperimentazione2. La ferita di polmone acuta settica descritta qui imita risposta infiammatoria visto in esseri umani con ARDS. Questo modello è rilevante per studiare la patogenesi molecolare, sviluppo di biomarcatori e per testare potenziali nuove terapie5.
Sistemi di co-coltura sono rilevanti per gli stud…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori non hanno dichiarato alcun conflitto di interessi.
Materials
| lipopolysaccharide | Sigma-Aldrich | Escherichia coli 055:B5 | |
| PBS pH7.2(1X) | Life technologies | 20012-027 | |
| mirVana miRNA isolation kit | Thermo Fisher | 449774 | |
| TaqMan Gene Expression Master Mix | Thermo Fisher | 4369016 | |
| mmu-miR-155 (002571) primer | Thermo Fisher | 4427975 | |
| has-miR-146a (000468) primer | Thermo Fisher | 4427975 | |
| U6snRNA primer | Thermo Fisher | 4427975 | |
| TNF-α(Mm00443258_m1 ) primer | Thermo Fisher | 4331182 | |
| IL-6 (Mm00446190_m1 )primer | Thermo Fisher | 4331182 | |
| ZO-1 (Mm00493699_m1 )primer | Thermo Fisher | 4331182 | |
| minimal essential medium (MEM) | Thermo Fisher | 11095-072 | |
| Trysin-EDTA solution(0.05%) | Thermo Fisher | 25300054 | |
| Exosomes were labeled with PKH67 through PKH67 Green Fluorescent Cell linker Mini Kit | Sigma-Aldrich | MINI67-1KT | |
| Exosome Spin Columns (MW3000) | Thermo Fisher | 4484449 | |
| Beckman Coulter Optima L-100XP ultracentrifuge | Beckman Coulter | L-100XP | |
| Ultra-clear centrifuge tubes | Beckman Coulter | 344058 | |
| Applied Biosystems 7500 Fast Real-Time PCR System | Thermo Fisher | ||
| transmission electron microscopes (TEM) | JEOL Ltd | 120 kV TEM | |
| Olympus BX41 microscope | Olympus | BX41 |
Riferimenti
- Rubenfeld, G. D., Herridge, M. S. Epidemiology and outcomes of acute lung injury. Chest. 131, 554-562 (2007).
- Baron, R. M., Choi, A. J., Owen, C. A., Choi, A. M. Genetically manipulated mouse models of lung disease: potential and pitfalls. American journal of physiology. Lung cellular and molecular physiology. , L485-L497 (2012).
- Han, S., Mallampalli, R. K. The acute respiratory distress syndrome: from mechanism to translation. Journal of immunology. , 855-860 (1950).
- Aeffner, F., Bolon, B., Davis, I. C. Mouse Models of Acute Respiratory Distress Syndrome: A Review of Analytical Approaches, Pathologic Features, and Common Measurements. Toxicologic pathology. 43, 1074-1092 (2015).
- Matute-Bello, G., Frevert, C. W., Martin, T. R. Animal models of acute lung injury. American journal of physiology. Lung cellular and molecular physiology. , L379-L399 (2008).
- Terrasini, N., Lionetti, V. Exosomes in Critical Illness. Critical care medicine. , (2017).
- Fujita, Y., Kadota, T., Araya, J., Ochiya, T., Kuwano, K. Extracellular Vesicles: New Players in Lung Immunity. American journal of respiratory cell and molecular biology. , (2017).
- Kubo, H. Extracellular Vesicles in Lung Disease. Chest. 153, 210-216 (2018).
- Krol, J., Loedige, I., Filipowicz, W. The widespread regulation of microRNA biogenesis, function and decay. Nature reviews. Genetics. 11, 597-610 (2010).
- Bartel, D. P. MicroRNAs: target recognition and regulatory functions. Cell. 136, 215-233 (2009).
- Fanini, F., Fabbri, M. CANCER-DERIVED EXOSOMIC microRNAs SHAPE THE IMMUNE SYSTEM WITHIN THE TUMOR MICROENVIRONMENT: STATE OF THE ART. Seminars in cell & developmental biology. , (2016).
- Agarwal, U., et al. Experimental, Systems, and Computational Approaches to Understanding the MicroRNA-Mediated Reparative Potential of Cardiac Progenitor Cell-Derived Exosomes From Pediatric Patients. Circulation research. 120, 701-712 (2017).
- Prattichizzo, F., et al. Extracellular microRNAs and endothelial hyperglycaemic memory: a therapeutic opportunity?. Diabetes, obesity & metabolism. 18, 855-867 (2016).
- Huang-Doran, I., Zhang, C. Y., Vidal-Puig, A. Extracellular Vesicles: Novel Mediators of Cell Communication In Metabolic Disease. Trends in endocrinology and metabolism: TEM. 28, 3-18 (2017).
- Khalyfa, A., et al. Circulating Plasma Extracellular Microvesicle MicroRNA Cargo and Endothelial Dysfunction in Children with Obstructive Sleep Apnea. American journal of respiratory and critical care medicine. 194, 1116-1126 (2016).
- Thomou, T., et al. Adipose-derived circulating miRNAs regulate gene expression in other tissues. Nature. 542, 450-455 (2017).
- Gregson, A. L., et al. Altered Exosomal RNA Profiles in Bronchoalveolar Lavage from Lung Transplants with Acute Rejection. American journal of respiratory and critical care medicine. 192, 1490-1503 (2015).
- Valadi, H., et al. Exosome-mediated transfer of mRNAs and microRNAs is a novel mechanism of genetic exchange between cells. Nature cell biology. 9, 654-659 (2007).
- Doxaki, C., Kampranis, S. C., Eliopoulos, A. G., Spilianakis, C., Tsatsanis, C. Coordinated Regulation of miR-155 and miR-146a Genes during Induction of Endotoxin Tolerance in Macrophages. Journal of immunology. , 5750-5761 (2015).
- Schulte, L. N., Westermann, A. J., Vogel, J. Differential activation and functional specialization of miR-146 and miR-155 in innate immune sensing. Nucleic acids research. 41, 542-553 (2013).
- Alexander, M., et al. Exosome-delivered microRNAs modulate the inflammatory response to endotoxin. Nature communications. 6, 7321 (2015).
- Yuan, Z., et al. TREM-1 is induced in tumor associated macrophages by cyclo-oxygenase pathway in human non-small cell lung cancer. PloS one. 9, e94241 (2014).
- Xu, R., Richards, F. M. Development of In Vitro Co-Culture Model in Anti-Cancer Drug Development Cascade. Combinatorial chemistry & high throughput screening. 20, 451-457 (2017).
- Yuan, Z., et al. TREM-1-accentuated lung injury via miR-155 is inhibited by LP17 nanomedicine. American journal of physiology. Lung cellular and molecular physiology. , L426-L438 (2016).
- Sadikot, R. T., et al. High-dose dexamethasone accentuates nuclear factor-kappa b activation in endotoxin-treated mice. American journal of respiratory and critical care medicine. 164, 873-878 (2001).
- Yuan, Z., et al. Curcumin mediated epigenetic modulation inhibits TREM-1 expression in response to lipopolysaccharide. The international journal of biochemistry & cell biology. 44, 2032-2043 (2012).
- Chauret, C. P., et al. Chlorine dioxide inactivation of Cryptosporidium parvum oocysts and bacterial spore indicators. Applied and environmental microbiology. 67, 2993-3001 (2001).
- Cizmar, P., Yuana, Y. Detection and Characterization of Extracellular Vesicles by Transmission and Cryo-Transmission Electron Microscopy. Methods in molecular biology. , 221-232 (2017).
- Yuan, Z., et al. HIV-related proteins prolong macrophage survival through induction of Triggering receptor expressed on myeloid cells-1. Scientific reports. 7, 42028 (2017).
- Jackson, M. V., et al. Analysis of Mitochondrial Transfer in Direct Co-cultures of Human Monocyte-derived Macrophages (MDM) and Mesenchymal Stem Cells (MSC). Bio-protocol. 7, (2017).
- Fujita, Y., et al. Extracellular Vesicles: New Players in Lung Immunity. American journal of respiratory cell and molecular biology. 17, 474-484 (2017).
- Gunasekaran, M., et al. Donor-Derived Exosomes With Lung Self-Antigens in Human Lung Allograft Rejection. American journal of transplantation : official journal of the American Society of Transplantation and the American Society of Transplant Surgeons. 17, 474-484 (2017).
- Kalra, H., et al. Comparative proteomics evaluation of plasma exosome isolation techniques and assessment of the stability of exosomes in normal human blood plasma. Proteomics. 13, 3354-3364 (2013).
- Baranyai, T., et al. Isolation of Exosomes from Blood Plasma: Qualitative and Quantitative Comparison of Ultracentrifugation and Size Exclusion Chromatography Methods. PloS one. 10, e0145686 (2015).
- Nordin, J. Z., et al. Ultrafiltration with size-exclusion liquid chromatography for high yield isolation of extracellular vesicles preserving intact biophysical and functional properties. Nanomedicine : nanotechnology, biology, and medicine. 11, 879-883 (2015).
