Injektioner af LPS ind i musene at efterligne indgangen af mikrobielle-afledte produkter efter tarm barriere brud
Summary
Her præsenteres en protokol til at efterligne indgangen af bakteriel-afledte forbindelser efter tarm barriere brud. En lav subletale dosis af LPS blev sprøjtet systemisk ind i musene, som blev overvåget for 24 timer efter injektion. Udtryk af pro-inflammatoriske cytokiner var fast besluttet på flere tidspunkter i milten, leveren og kolon.
Abstract
Den intestinale epitel barriere adskiller vært fra den mikrobiota, der er normalt tolereres eller ignoreret. Overtrædelse af denne barriere resulterer i indgangen af bakterier eller bakterier-afledte produkter i host, host omsætning og indre organer fører til ukontrolleret betændelse som observeret hos patienter med inflammatorisk tarmsygdom (IBD), der er karakteriseret ved en øget intestinal epitelial permeabilitet.
For at efterligne indgangen af bakteriel-afledte forbindelser til værten, en endotoxemia model er blevet vedtaget i som LPS (LPS), en del af den ydre cellevæg af Gram-negative bakterier, blev sprøjtet ind i musene. I denne undersøgelse, en subletale dosis af LP’ER var intraperitoneal injiceres og musene blev efterfølgende overvåges for 8 h ved hjælp af en sygdom score. Derudover udtrykket niveauer af den inflammatoriske cytokiner Il6, Il1b, og Tnfa blev analyseret i milten, leveren og kolon af qPCR på forskellige tidspunkter post LP’ER injektion. Denne model kan være nyttigt for de undersøgelser, der indebærer undersøgelse af immunrespons efter invasionen af mikroorganismer eller bakteriel-afledte produkter forårsaget af en barriere brud på kroppen overflader.
Introduction
Human tarmen er koloniseret med et stort konsortium af mikroorganismer, der danner den mikrobiota, der har udviklet et gensidigt gavnlige forhold med værten under udviklingen. I dette forhold giver værten en sikker niche for mikrobiota, mens mikrobiota giver vitaminer, næringsstoffer fordøjelse og beskyttelse mod patogener til værten, hvor mikrobiota findes1. Når denne gavnlige forholdet mellem værten og mikrobiota forstyrres, kan sygdomme udvikle, såsom inflammatorisk tarmsygdom (IBD). IBD er en multifaktoriel Kronisk inflammatorisk sygdom i tarmen forårsaget af genetiske og miljømæssige faktorer, der forekommer i to hovedgrupper, Crohns sygdom (CD) og colitis ulcerosa (UC). Trods ligheder mellem de to IBD former, er de kendetegnet ved visse forskelle i placering og karakter af inflammatoriske ændringer. CD er en recidiverende transmural inflammatorisk sygdom, der potentielt kan udvides til nogen del af mave-tarmkanalen, mens UC er ikke-transmural og er begrænset til tyktarmen. Desuden mutationer i nukleotid-bindende oligomerisering domæne indeholdende protein 2 (NOD2), et mønster anerkendelse receptor (PRR), genkender muramyl dipeptid (MDP), en komponent af cellevæggen mest grampositive og -negative bakterier, er forbundet med CD2. Derudover blev Escherichia coli (E. coli), Listeria og streptokokker og deres produkter alle fundet i makrofager i CD patienter, der har indtastet værten efter en barriere brud på3. Når bakterier eller deres produkter ind værten under udviklingen af CD, udvikler immunsystemet en reaktion, der fører til produktion af cirkulerende anti-bakteriel antistoffer4. Måske, de mest overbevisende beviser for rollen som mikrobiota i patogenesen af IBD stammer fra musemodeller. Når dyrene behandles med antibiotika, eller når mus holdes i Kim-fri (GF) betingelser, er sværhedsgraden af sygdommen reduceret i de fleste colitis modeller, såsom i IL-10-/-mus, der ikke udvikler colitis i GF faciliteter5,6. Desuden forstyrrer colitis også sammensætningen af mikrobiota, som er karakteriseret ved en skæv sammensætning og reduceret rigdom kaldet dysbiosis7. Konsekvensen af IBD kan være en øget intestinal permeabilitet, der kan føre til indgangen af mikroorganismer og mikrobielle-afledte produkter i værten.
I dyr inducerer anvendelse af Dextran natriumsulfat (DSS) en tarm epitel overtrædelse fører til en øget gennemtrængelighed af epitel barriere8. Portalen LP’ER koncentrationer er forhøjet i dyr med DSS colitis9. Interessant, er dyr mangler C type lektin receptor specifikke intracellulære vedhæftning molekyle-3 snuppe nonintegrin homolog-relaterede 1 (tegn-R1) beskyttet fra DSS colitis og LPS-induceret endotoxemia10. For at videre formidle til værten, skal bakterier eller bakterier afledte produkter passere de vaskulære barriere11, bughulen, hvor små og store tarmen er beliggende, mesenteriallymfeknuderne lymfeknuder og/eller de lever12. For at reducere kompleksiteten af dette system, blev et defineret bakteriel-afledt stof brugt. LP’ER, som forårsager endotoxemia efter intraperitoneal (i.p.) eller intravenøs (IV) injektion13 blev sprøjtet ind i musene, at studere udtryk af interleukiner Il6 og Ilb og cytokin Tnfa svar på LPS.
LPS er en patogen-associeret molekylære mønster (PAMP) udtrykt som en cellevæg komponent af Gram-negative bakterier, der består af lipid A (den vigtigste PAMP i strukturen af LP’ER), en core oligosaccharid og en O side kæde14. Toll-lignende receptor 4 (TLR4) udtrykt ved dendritiske celler, makrofager og epitelceller genkender LP’ER15, der kræver samarbejde receptorer for relevante bindende. Den akutte fase protein LPS-bindende protein (LBP) binder LP’ER til at danne et kompleks, der overfører LP’ER til klynge af differentiering 14 (CD14), en glycosylphosphatidylinositol-forankrede membran protein. CD14 yderligere pendulfart LP’ER til lymfocytter antigen 96 eller også kendt som MD-2, som er forbundet med det ekstracellulære domæne af TLR4. Bindingen af LP’ER til MD-2 letter dimerization af TLR4/MD-2 til at fremkalde konformationelle ændringer at rekruttere intracellulære adapter molekyler for at aktivere den downstream signaling vej14, som omfatter den myeloide differentiering primære svar gen 88 (MyD88) – afhængige pathway og den TIR-domæne-holdige adapter-inducerende interferon-β (TRIF) – afhængige pathway16. Anerkendelse af LP’ER af TLR4 derefter aktiverer NF-κB pathway og inducerer udtryk af proinflammatoriske cytokiner, såsom TNFα, IL-6 og IL-1β17.
Især når LP’ER sprøjtes ind dyr, koncentrationen af LP’ER gives til dyr, har den genetiske baggrund for dyret og kost betragtes. Høje koncentrationer af LP’ER fører til en septisk shock, karakteriseret ved hypotension og flere orgel fejl, og endelig død18. Mus er mindre følsomme over for LP’ER i forhold til mennesker, hvor LP’ER koncentrationerne mellem 2-4 ng/kg legemsvægt (BW) er i stand til at fremkalde en cytokin storm19. For mus, den dødelige dosis (LD50), som inducerer død i halvdelen af musene spænder fra 10-25 mg/kg BW20 afhængigt af mus stamme anvendes. For almindeligt anvendte mus stammer, C57Bl/6 og BALB/c, er den dødelige dosis 50% (LD50) 10 mg/kg BW. I modsætning hertil er stammer C3H/HeJ og C57BL/10ScCr beskyttet fra LPS induceret endotoxemia, som skyldes mutationer i Tlr421. Tlr4-mangelfuld mus er derfor hyporesponsive til injektioner med LP’ER22. Andre genmodificerede mus linjer, som PARP1/mus23 er resistente over for LPS-induceret giftig shock.
Musen modellen beskrevet bruger her en subletale dosis af LP’ER administreres systemisk hen til efterligner følgerne af LP’ER udbredelse efter en barriere tilsidesættelse af kroppens overflader. Den valgte LP’ER koncentration (2 mg/kg BW) ikke fremkalde dødelighed i C56Bl/6 mus, men den inducerede udgivelsen af pro-inflammatoriske cytokiner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol efterligner immunologiske processer, der forekommer efter invasionen af mikrobielle-afledte produkter. Kritiske trin i protokollen er udvælgelsen af linjen mus, hygiejne status af mus, dosis af LP’ER, overvågning af dyrene til forekomsten af endotoxemia og tidspunkt for eksperiment ophør. Vigtigst, har den genetiske baggrund for musen stamme betragtes. Forskellige mus stammer har forskellig følsomhed over for LP’ER. For eksempel induceret C3H/HeJ og C57BL/10ScCr mus er resistente over for LPS endotoxem…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
JHN understøttes af den schweiziske National Foundation (SNSF 310030_146290).
Materials
| DreamTaq Green PCR Master Mix (2x) | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | K1081 | |
| High Capacity cDNA Reverse Transcription Kit, | Applied Biosystems, Foster City, CA, USA | 4368813 | |
| RNase-Free DNase Set, | Qiagen, Hilden, Germany | 79254 | |
| LPS Escherichia coli O111:B4 | Invivogen, San Diego, CA, USA. | tlrl-eblps | |
| Omnican 50 Single-use insulin syringe | B. Braun Melsungen, Melsungen, Germany | 9151125 | |
| Bioanalyzer 2100 | Agilent Technologie, Santa Clara, USA | not applicable | |
| Centrifuge 5430 | Eppendorf, Hamburg, Germany | not applicable | |
| Centrifuge Mikro 220R | Hettich, Kirchlengern, Germany | not applicable | |
| Dissection tools | Aesculap, Tuttlingen, Germany | not applicable | |
| Fast-Prep-24 5G Sample Preparation System | M.P. Biomedicals, Santa Ana, CA, USA | not applicable | |
| NanoDrop ND-1000 | NanoDrop Products, Wilmington, DE, USA | not applicable | |
| TRI Reagent | Zymo Research, Irvine, CA, USA | R2050-1 |
References
- Backhed, F., Ley, R. E., Sonnenburg, J. L., Peterson, D. A., Gordon, J. I. Host-bacterial mutualism in the human intestine. Science. 307, 1915-1920 (2005).
- Abreu, M. T., et al. Mutations in NOD2 are associated with fibrostenosing disease in patients with Crohn’s disease. Gastroenterology. 123, 679-688 (2002).
- Liu, Y., et al. Immunocytochemical evidence of Listeria, Escherichia coli, and Streptococcus antigens in Crohn’s disease. Gastroenterology. 108, 1396-1404 (1995).
- Schaffer, T., et al. Anti-Saccharomyces cerevisiae mannan antibodies (ASCA) of Crohn’s patients crossreact with mannan from other yeast strains, and murine ASCA IgM can be experimentally induced with Candida albicans. Inflamm Bowel Dis. 13, 1339-1346 (2007).
- Sellon, R. K., et al. Resident enteric bacteria are necessary for development of spontaneous colitis and immune system activation in interleukin-10-deficient mice. Infect Immun. 66, 5224-5231 (1998).
- Gkouskou, K. K., Deligianni, C., Tsatsanis, C., Eliopoulos, A. G. The gut microbiota in mouse models of inflammatory bowel disease. Front Cell Infect Microbiol. 4, 28 (2014).
- Schaubeck, M., et al. Dysbiotic gut microbiota causes transmissible Crohn’s disease-like ileitis independent of failure in antimicrobial defence. Gut. 65, 225-237 (2016).
- Steinert, A., et al. The Stimulation of Macrophages with TLR Ligands Supports Increased IL-19 Expression in Inflammatory Bowel Disease Patients and in Colitis Models. J Immunol. 199, 2570-2584 (2017).
- Gabele, E., et al. DSS induced colitis increases portal LPS levels and enhances hepatic inflammation and fibrogenesis in experimental NASH. J Hepatol. 55, 1391-1399 (2011).
- Saunders, S. P., et al. C-type lectin SIGN-R1 has a role in experimental colitis and responsiveness to lipopolysaccharide. J Immunol. 184, 2627-2637 (2010).
- Spadoni, I., et al. A gut-vascular barrier controls the systemic dissemination of bacteria. Science. 350, 830-834 (2015).
- Balmer, M. L., et al. The liver may act as a firewall mediating mutualism between the host and its gut commensal microbiota. Sci Transl Med. 6, 237ra266 (2014).
- Maier, R. V., Mathison, J. C., Ulevitch, R. J. Interactions of bacterial lipopolysaccharides with tissue macrophages and plasma lipoproteins. Prog Clin Biol Res. 62, 133-155 (1981).
- Lu, Y. C., Yeh, W. C., Ohashi, P. S. LPS/TLR4 signal transduction pathway. Cytokine. 42, 145-151 (2008).
- Deng, M., et al. Lipopolysaccharide clearance, bacterial clearance, and systemic inflammatory responses are regulated by cell type-specific functions of TLR4 during sepsis. J Immunol. 190, 5152-5160 (2013).
- Kagan, J. C., et al. TRAM couples endocytosis of Toll-like receptor 4 to the induction of interferon-beta. Nat Immunol. 9, 361-368 (2008).
- Akira, S., Uematsu, S., Takeuchi, O. Pathogen recognition and innate immunity. Cell. 124, 783-801 (2006).
- Cohen, J. The immunopathogenesis of sepsis. Nature. 420, 885-891 (2002).
- Suffredini, A. F., et al. Effects of recombinant dimeric TNF receptor on human inflammatory responses following intravenous endotoxin administration. J Immunol. 155, 5038-5045 (1995).
- Fink, M. P. Animal models of sepsis. Virulence. 5, 143-153 (2014).
- Poltorak, A., et al. Defective LPS signaling in C3H/HeJ and C57BL/10ScCr mice: mutations in Tlr4 gene. Science. 282, 2085-2088 (1998).
- Hoshino, K., et al. Cutting edge: Toll-like receptor 4 (TLR4)-deficient mice are hyporesponsive to lipopolysaccharide: evidence for TLR4 as the Lps gene product. J Immunol. 162, 3749-3752 (1999).
- Corral, J., et al. Role of lipopolysaccharide and cecal ligation and puncture on blood coagulation and inflammation in sensitive and resistant mice models. Am J Pathol. 166, 1089-1098 (2005).
- Shrum, B., et al. A robust scoring system to evaluate sepsis severity in an animal model. BMC Res Notes. 7, 233 (2014).
- Brandwein, S. L., et al. Spontaneously colitic C3H/HeJBir mice demonstrate selective antibody reactivity to antigens of the enteric bacterial flora. J Immunol. 159, 44-52 (1997).
- Macpherson, A. J., McCoy, K. D. Standardised animal models of host microbial mutualism. Mucosal Immunol. 8, 476-486 (2015).
- Masopust, D., Sivula, C. P., Jameson, S. C. Of Mice, Dirty Mice, and Men: Using Mice To Understand Human Immunology. J Immunol. 199, 383-388 (2017).
- Wirtz, S., et al. Protection from lethal septic peritonitis by neutralizing the biological function of interleukin 27. J Exp Med. 203, 1875-1881 (2006).
