Summary

Uyuyan Güzel Transposon Transposon Transfected İnsan Retina Pigment Epitel Hücrelerinde Oksidatif Stresin İndüksiyonu ve Analizi

Published: December 11, 2020
doi:

Summary

Hücre morfolojisi, canlılık, yoğunluk, glutatyon ve UCP-2 seviyesini analiz eden retina pigment epitel hücrelerini H2O2ile tedavi ederek oksidatif stres modelinin geliştirilmesi ve kullanımı için bir protokol sunuyoruz. Transposon transfected hücreler tarafından salgılanan proteinlerin nöroretinal dejenerasyonu tedavi etmek için antioksidan etkisini araştırmak için yararlı bir modeldir.

Abstract

Oksidatif stres, dünya çapında ~30 milyon hastayı etkileyen bir patoloji olan yaşa bağlı makula dejenerasyonu (AMD) da dahil olmak üzere çeşitli dejeneratif hastalıklarda kritik bir rol oynamaktadır. Retina pigment epitelinde (RPE)- sentezlenmiş nöroprotektif faktörlerde, örneğin pigment epitel türevi faktör (PEDF) ve granülosit-makrofaj koloni uyarıcı faktöründe (GM-CSF) azalmaya, ardından RPE hücrelerinin kaybına ve sonunda fotoreceptör ve retina ganglion hücre (RGC) ölümüne yol açar. PeDF ve GM-CSF’yi aşırı ifade eden transkreinal RPE hücrelerinin subretinal nakli ile nöroprotektif ve nörojenik retina ortamının yeniden kavrunun, oksidatif stresin etkilerini azaltarak, iltihabı inhibe ederek ve hücre sağkalımını destekleyerek retina dejenerasyonunu önleme potansiyeline sahip olduğunu hipotez ediyoruz. Uyuyan Güzel transposon sistemi (SB100X) insan RPE hücreleri PEDF ve GM-CSF genleri ile transfekte edilmiştir ve qPCR, batı lekesi, ELISA ve immünofluoresans kullanılarak kararlı gen entegrasyonu, uzun süreli gen ekspresyonu ve protein salgılanması gösterilmiştir. Transfected RPE hücreleri tarafından salgılanan PEDF ve GM-CSF’nin işlevselliğini ve gücünü doğrulamak için, kültürdeki RPE hücreleri üzerinde H2O2kaynaklı oksidatif stresin azaltılmasını ölçmek için bir in vitro test geliştirdik. Hücre koruması hücre morfolojisi, yoğunluğu, hücre içi glutatyon düzeyi, UCP2 gen ekspresyonu ve hücre canlılığı analiz ederek değerlendirildi. Her ikisi de, PEDF ve/veya GM-CSF’yi aşırı ifade eden transfected RPE hücreleri ve transknakte olmayan ancak PEDF ve/veya GM-CSF ile önceden tedavi edilen hücreler (ticari olarak mevcut veya transfected hücrelerden arındırılmış) tedavi edilmeyen kontrollere kıyasla önemli antioksidan hücre koruması göstermiştir. Mevcut H2O2-modeli, AMD veya benzeri nörodejeneratif hastalıkları tedavi etmek için etkili olabilecek faktörlerin antioksidan etkisini değerlendirmek için basit ve etkili bir yaklaşımdır.

Introduction

Burada açıklanan model, hücrelerdeki oksidatif stresi azaltmak içinbiyofarmasötik ajanların verimliliğini değerlendirmek için yararlı bir yaklaşım sunar. Modeli, PEDF ve GM-CSF’nin yüksek düzeyde O 2 ve görünür ışığa maruz kalan retina pigment epitel hücreleri üzerindeki H2O2aracılı oksidatif stres üzerindeki koruyucu etkilerini ve fotoreceptör dış segment membranlarının fagositozunu araştırmak için kullandık, önemli düzeyde reaktif oksijen türü (ROS)1, 2. Avasküler yaşa bağlı makula dejenerasyonu (aAMD) 3 , 4 , 5 ,6,7,8patogenezine önemli bir katkıda bulunurlar. Ayrıca, RPE sentezlenmiş nöroprotektif faktörlerde bir azalma vardır, özellikle pigment epitel türevi faktör (PEDF), insülin benzeri büyüme faktörleri (IGF’ler) ve granülosit makrofaj-koloni uyarıcı faktör (GM-CSF) RPE hücrelerinin işlev bozukluğuna ve kaybına yol yorar, ardından fotoreceptör ve retinal ganglion hücre (RGC) ölümü3,4,5 . AMD metabolik, fonksiyonel, genetik ve çevresel faktörler arasındaki etkileşimden kaynaklanan karmaşık bir hastalıktır4. AAMD için tedavi eksikliği, sanayileşmiş ülkelerde 60 yaşından büyük hastalarda körlüğün başlıca nedenidir9,10. PEDF ve GM-CSF’yi aşırı ifade eden genetiği değiştirilmiş RPE hücrelerinin subretinal nakli ile nöroprotektif ve nörojenik retina ortamının yeniden birleşmesi, oksidatif stresin etkilerini azaltarak, iltihabı inhibe ederek ve hücre sağkalımını destekleyerek retina dejenerasyonunu önleme potansiyeline sahiptir11,12,13,14,15,16 . Genleri hücrelere ulaştırmak için çeşitli metodolojiler olsa da, pedf ve GM-CSF genlerini RPE hücrelerine ulaştırmak için viral olmayan hiperaktif Uyuyan Güzel transposon sistemini seçtik, çünkü güvenlik profili, genlerin konak hücrelerin genomuna entegrasyonu ve teslim edilen genleri transkripsiyonel olmayan aktif bölgelere entegre etme eğilimi nedeniyle17. 18,19.

Hücresel oksidatif stres, hidrojen peroksit (H 2O2),4-hidroinonenal (HNE), tertbutilhidroksit (tBH), yüksek oksijen gerginlikleri ve görünür ışık (tam spektrum veya UV ışınlama)20,21dahil olmak üzere çeşitli oksidatif ajanlar tarafından in vitro kültürlenen hücrelerde indüklenebilir. Yüksek oksijen gerilimleri ve ışık, diğer sistemlere aktarilebilirliği sınırlayan özel ekipman ve koşullar gerektirir. H 2 O2,HNE ve tBH gibi ajanlar üst üste binen oksidatif stres moleküler ve hücresel değişikliklere neden olarak. PEDF ve GM-CSF’nin antioksidan aktivitesini test etmek içinH2 O2’yi seçtik, çünkü RPE hücreleri tarafından fotoreceptör dış segment fagositoz22 sırasında reaktif oksijen ara olarak üretildiği ve in vivo23oküler dokularda bulunduğu için uygun ve biyolojik olarak alakalıdır. Glutatyonun oksidasyonu gözdeki H 2 O2üretiminden kısmen sorumlu olabileceğinden, çalışmalarımızda H 2 O2 kaynaklı oksidatif stres ve 21,22hücrelerinin rejeneratifkapasitesi ile bağlantılı GSH / glutatyon seviyelerini analizettik. Glutatyon seviyelerinin analizi özellikle gözdeki anti-oksidatif koruyucu mekanizmalara katıldığı içinönemlidir 24. H 2 O2’yemaruz kalma, RPE hücrelerinin 1 , 25 ,26,27 , 28, 29,30oksidatifstres duyarlılığını ve antioksidan aktivitesini incelemek için bir model olarak sıklıkla kullanılır ve ayrıca, “fizyolojik” bir oksidatif stres kaynağı olan ışık kaynaklı oksidatif stres hasarı ile benzerlikler gösterir21.

Nöroprotektif faktörlerin işlevselliğini ve etkinliğini değerlendirmek için, analizin PEDF ve GM-CSF’yi aşırı ifade etmek için genetiği değiştirilmiş hücreler tarafından ifade edilen büyüme faktörlerinin anti-oksidatif etkisini ölçmesini sağlayan bir in vitro model geliştirdik. Burada, PEDF ve GM-CSF genleri ile transfected RPE hücrelerinin H 2 O2’ninzararlı etkilerine transfected olmayan kontrol hücrelerinden daha dirençli olduğunu gösteriyoruz, hücre morfolojisi, yoğunluğu, canlılığı, hücre içi glutatyon seviyesi ve reaktif oksijen türlerini azalttığı gösterilen mitokondriyal ayrıştırma proteini 2’yi kodlayan UCP2 geninin ekspresyonu ile kanıtlandı (ROS)31.

Protocol

İnsan gözlerinin toplanması ve kullanımına ilişkin prosedürler Kanton Etik Araştırma Komisyonu (no. 2016-01726) tarafından onaylanmıştır. 1. Hücre izolasyonu ve kültür koşulları İnsan ARPE-19 hücre hattı Kültür 5 x 105 ARPE-19 hücreleri, bir insan RPE hücre hattı, Dulbecco’nun Modifiye Kartal Orta / Besin Karışımı F-12 Jambon (DMEM / Ham’ın F-12) % 10 fetal sığır serumu (FBS), 80 U / mL penisilin ile desteklenmiş, 80 μg/mL strept…

Representative Results

İnsan Retina Pigment Epitel hücrelerinde oksidatif stresin indüksiyonuARPE-19 ve primer hRPE hücreleri24saat boyunca değişen H 2 O2 konsantrasyonları ile tedavi edildi ve antioksidan glutatyonun hücre içi seviyesi ölçüldü (Şekil 2A,B). H2O2 50 μM ve 100 μM glutatyon üretimini etkilemezken, 350 μM’de ARPE-19 ve primer hRPE hücrelerinde glutatyonda önemli bir a…

Discussion

Burada sunulan protokol, herhangi bir putatif faydalı genle transkârlaşmış hücrelere uygulanabilen transfected hücreler tarafından üretilen PEDF ve GM-CSF’nin anti-oksidatif ve koruyucu işlevini analiz etmek için bir yaklaşım sunmaktadır. Genetiği değiştirilmiş hücreleri naklederek proteinleri dokuya ulaştırma amacına sahip gen terapötik stratejilerinde, protein ekspresyon seviyesi, ifadenin uzun ömürlülüğü ve hastalığın bir modelinde ifade edilen proteinin etkinliği hakkında bilgi edinm…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar mükemmel teknik yardım için Gregg Sealy ve Alain Conti’ye ve Berlin’deki Max-Delbrück Merkezi’nden Prof. Zsuzsanna Izsvák’a pSB100X ve pT2-CAGGS-Venus plazmidlerini nazikça sağladıkları için teşekkür eder. Bu çalışma İsviçre Ulusal Bilimler Vakfı ve Avrupa Komisyonu tarafından Yedinci Çerçeve Programı kapsamında desteklendi. Z.I, Avrupa Araştırma Konseyi, ERC Advanced [ERC-2011-ADG 294742] tarafından finanse edildi.

Materials

24-well plates Corning 353047
6-well plates Greiner 7657160
96-well culture plate white with clear flat bottom  Costar 3610 Allows to check the cells before measuring the luminescence (GSH-Glo Assay)
96-well plates Corning  353072
Acrylamid 40% Biorad 161-0144
Amphotericin B AMIMED 4-05F00-H
Antibody anti-GMCSF ThermoFisher Scientific PA5-24184
Antibody anti-mouse IgG/IgA/IgM  Agilent P0260
Antibody anti-PEDF  Santa Cruz Biotechnology Inc sc-390172
Antibody anti-penta-His  Qiagen 34660
Antibody anti-phospho-Akt Cell Signaling Technology 9271
Antibody anti-rabbit IgG H&L-HRP Abcam ab6721
Antibody donkey anti-rabbit Alexa Fluor 594  ThermoFisher Scientific  A11034
Antibody goat anti-mouse Alexa 488 ThermoFisher Scientific A-11029
ARPE-19 cell line ATCC CRL-2302
BSA  Sigma-Aldrich A9418-500G
chamber culture glass slides Corning 354118
CytoTox-Glo Cytotoxicity Assay  Promega G9291
DAPI Sigma-Aldrich D9542-5MG
DMEM/Ham`s F12  Sigma-Aldrich D8062
Duo Set ELISA kit R&D Systems  DY215-05
EDTA ThermoFisher Scientific 78440
ELISAquant kit BioProducts MD PED613-10-Human
Eyes (human) Lions Gift of Sight Eye Bank (Saint Paul, MN)
FBS  Brunschwig P40-37500
Fluoromount Aqueous Mounting Medium Sigma-Aldrich F4680-25ML
FLUOstar Omega plate reader  BMG Labtech
GraphPad Prism software (version 8.0) GraphPad Software, Inc.
GSH-Glo Glutathione Assay Promega V6912
hydrogen peroxide (H2O2) Merck 107209
ImageJ software (image processing program) W.S. Rasband, NIH, Bethesda, MD, USA; https://imagej.nih.gov/ij/; 1997–2014
Imidazol  Axonlab A1378.0010
Leica DMI4000B microscope  Leica Microsystems
LightCycler 480 Instrument II  Roche Molecular Systems
LightCycler 480 SW1.5.1 software Roche Molecular Systems
NaCl Sigma-Aldrich 71376-1000
NaH2PO4 Axonlab 3468.1000
Neon Transfection System  ThermoFisher Scientific MPK5000
Neon Transfection System 10 µL Kit ThermoFisher Scientific MPK1096
Neubauer chamber Marienfeld-superior 640010
Ni-NTA superflow  Qiagen 30410
Nitrocellulose  VWR 732-3197
Omega Lum G Gel Imaging System Aplegen Life Science
PBS 1X Sigma-Aldrich D8537
Penicillin/Streptomycin Sigma-Aldrich P0781-100
PerfeCTa SYBR Green FastMix Quantabio 95072-012
PFA  Sigma-Aldrich 158127-100G
Pierce BCA Protein Assay Kit  ThermoFisher Scientific 23227
Primers  Invitrogen  See Table 1 in Supplementary Materials
pSB100X (250 ng/µL) Mátés et al., 2009. Provide by Prof. Zsuzsanna Izsvak
pT2-CMV-GMCSF-His plasmid DNA (250 ng/µL) Constructed using the existing pT2-CMV-PEDF-EGFP plasmid reported in Johnen, S. et al. (2012) IOVS, 53 (8), 4787-4796.
pT2-CMV-PEDF-His plasmid DNA (250 ng/µL) Constructed using the existing pT2-CMV-PEDF-EGFP plasmid reported in Johnen, S. et al. (2012) IOVS, 53 (8), 4787-4796.
QIAamp DNA Mini Kit QIAGEN 51304
recombinant hGM-CSF  Peprotech 100-11
recombinant hPEDF   BioProductsMD 004-096
ReliaPrep RNA Cell Miniprep System Promega Z6011
RIPA buffer ThermoFisher Scientific 89901
RNase-free DNase Set QIAGEN 79254
RNeasy Mini Kit QIAGEN 74204
SDS Applichem A2572
Semi-dry transfer system for WB  Bio-Rad
SuperMix qScript Quantabio 95048-025
Tris-buffered saline (TBS)  ThermoFisher Scientific 15504020
Triton X-100 AppliChem A4975
Trypsin/EDTA Sigma-Aldrich T4174
Tween AppliChem  A1390
Urea ThermoFisher Scientific 29700
WesternBright ECL HRP substrate Advansta K-12045-D50
Whatman nitrocellulose membrane Chemie Brunschwig MNSC04530301

References

  1. Zareba, M., Raciti, M. W., Henry, M. M., Sarna, T., Burke, J. M. Oxidative stress in ARPE-19 cultures: Do melanosomes confer cytoprotection. Free Radical Biology and Medicine. 40 (1), 87-100 (2006).
  2. Gong, X., Draper, C. S., Allison, G. S., Marisiddaiah, R., Rubin, L. P. Effects of the macular carotenoid lutein in human retinal pigment epithelial cells. Antioxidants. 6 (4), (2017).
  3. Sacconi, R., Corbelli, E., Querques, L., Bandello, F., Querques, G. A Review of current and future management of geographic atrophy. Ophthalmology and Therapy. 6, 69-77 (2017).
  4. Al-Zamil, W. M., Yassin, S. A. Recent developments in age-related macular degeneration: a review. Clinical Interventions in Aging. 12, 1313-1330 (2017).
  5. Kumar-Singh, R. The role of complement membrane attack complex in dry and wet AMD – From hypothesis to clinical trials. Experimental Eye Research. 184, 266-277 (2019).
  6. Ung, L., Pattamatta, U., Carnt, N., Wilkinson-Berka, J. L., Liew, G., White, A. J. R. Oxidative stress and reactive oxygen species. Clinical Science. 131, 2865-2883 (2017).
  7. Beatty, S., Koh, H. H., Phil, M., Henson, D., Boulton, M. The role of oxidative stress in the pathogenesis of age-related macular degeneration. Survey of Ophthalmology. 45 (2), 115-134 (2000).
  8. Alhasani, R. H., et al. Gypenosides protect retinal pigment epithelium cells from oxidative stress. Food and Chemical Toxicology. 112, 76-85 (2018).
  9. . National Institute of Health Available from: https://nei.nih.gov/learn-about-eye-health/resources-for-health-educators/eye-health-data-and-statistics/age-related-macular-degeneration-amd-data-and-statistics (2020)
  10. Mitchell, P., Liew, G., Gopinath, B., Wong, T. Y. Age-related macular degeneration. The Lancet. 392, 1147-1159 (2018).
  11. He, Y., Leung, K. W., Ren, Y., Jinzhi, P., Jian, G., Tombran-Tink, J. PEDF improves mitochondrial function in RPE cells during oxidative stress. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 55, 6742-6755 (2014).
  12. Cao, S., Walker, G. B., Wang, X., Cui, J. Z., Matsubara, J. A. Altered cytokine profiles of human retinal pigment epithelium: Oxidant injury and replicative senescence. Molecular Vision. 19, 718-728 (2013).
  13. Farnoodian, M., Sorenson, C. M., Sheibani, N. PEDF expression affects the oxidative and inflammatory state of choroidal endothelial cells. Amercian Journal of Physiology and Cell Physiology. 314 (4), 456-472 (2018).
  14. Polato, F., Becerra, S. P. Retinal Degenerative Diseases: Mechanisms and Experimental Therapies. Retinal Degenerative Diseases. , 699-706 (2016).
  15. Schallenberg, M., Charalambous, P., Thanos, S. GM-CSF regulates the ERK1/2 pathways and protects injured retinal ganglion cells from induced death. Experimental Eye Research. 89, 665-677 (2009).
  16. Schallenberg, M., Charalambous, P., Thanos, S. GM-CSF protects rat photoreceptors from death by activating the SRC-dependent signalling and elevating anti-apoptotic factors and neurotrophins. Graefes Archives for Clinical and Experimental Ophthalmology. 250, 699-712 (2012).
  17. Thumann, G., et al. Engineering of PEDF-expressing primary pigment epithelial cells by the SB transposon system delivered by pFAR4 plasmids. Molecular Therapy – Nucleic Acids. 6, 302-314 (2017).
  18. Garcia-Garcia, L., et al. Long-term PEDF release in rat iris and retinal epithelial cells after Sleeping Beauty transposon-mediated gene delivery. Molecular Therapy – Nucleic Acids. 9, 1-11 (2017).
  19. Johnen, S., et al. Antiangiogenic and neurogenic activities of Sleeping Beauty-mediated PEDF-transfected RPE cells in vitro and in vivo. BioMed Research International. 2015, (2015).
  20. Weigel, A. L., Handa, J. T., Hjelmeland, M. L. Microarray analysis of H2O2-, HNE-, or tBH-treated ARPE-19 cells. Free Radical Biology & Medicine. 33 (10), 1419-1432 (2002).
  21. Allen, R. G., Tresini, M. Oxidative stress and gene regulation. Free Radical Biology and Medicine. 28 (3), 463-499 (2000).
  22. Tate, D. J., Miceli, M. V., Newsome, D. A. Phagocytosis and H2O2 induce catalase and metallothionein gene expression in human retinal pigment epithelial cells. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 36 (7), 1271-1279 (1995).
  23. Halliwell, B., Clement, M. V., Long, L. H. Hydrogen peroxide in the human body. FEBS Letters. 486 (1), 10-13 (2000).
  24. Giblin, F. J., McCready, J. P., Kodama, T., Reddy, V. N. A direct correlation between the levels of ascorbic acid and H2O2 in aqueous humor. Experimental Eye Research. 38, 87-93 (1984).
  25. Geiger, R. C., Waters, C. M., Kamp, D. W., Glucksberg, M. R. KGF prevents oxygen-mediated damage in ARPE-19 cells. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 46, 3435-3442 (2005).
  26. Campochiaro, P. A., et al. Lentiviral vector gene transfer of endostatin/angiostatin for macular degeneration (GEM) study. Human Gene Therapy. 28, 99-111 (2017).
  27. Chen, X. -. D., Su, M. -. Y., Chen, T. -. T., Hong, H. -. Y., Han, A. -. D., Li, W. -. S. Oxidative stress affects retinal pigment epithelial cell survival through epidermal growth factor receptor/AKT signaling pathway. International Journal of Ophthalmology. 10 (4), 507-514 (2017).
  28. Tu, G., et al. Allicin attenuates H2O2 – induced cytotoxicity in retinal pigmented epithelial cells by regulating the levels of reactive oxygen species. Molecular Medicine Reports. 13, 2320-2326 (2016).
  29. Hao, Y., Liu, J., Wang, Z., Yu, L., Wang, J. Piceatannol protects human retinal pigment epithelial cells against hydrogen peroxide induced oxidative stress and apoptosis through modulating. Nutrients. 11, 1-13 (2019).
  30. Ballinger, S. W., Van Houten, B., Conklin, C. A., Jin, G. F., Godley, B. F. Hydrogen peroxide causes significant mitochondrial DNA damage in human RPE cells. Experimental Eye Research. 68 (6), 765-772 (1999).
  31. Ma, S., et al. Transgenic overexpression of uncoupling protein 2 attenuates salt-induced vascular dysfunction by inhibition of oxidative stress. American Journal of Hypertension. 27 (3), 345-354 (2014).
  32. Johnen, S., et al. Sleeping Beauty transposon-mediated transfection of retinal and iris pigment epithelial cells. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 53 (8), 4787-4796 (2012).
  33. Mátés, L., et al. Molecular evolution of a novel hyperactive Sleeping Beauty transposase enables robust stable gene transfer in vertebrates. Nature Genetics. 41 (6), 753-761 (2009).
  34. . Marienfeld Technical information Neubauer-improved Available from: https://www.marienfeld-superior.com/information-about-our-counting-chambers.html (2020)
  35. . Electron Microscopy Sciences. Neubauer Haemocytometry Available from: https://www.emsdiasum.com/microscopy/technical/datasheet/68052-14.aspx (2020)
  36. Livak, K. J., Schmittgen, T. D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2^(-ΔΔCT) method. Methods. 25 (4), 402-408 (2001).
  37. Bascuas, T., et al. Non-virally transfected primary human pigment epithelium cells overexpressing the oxidative stress reduction factors PEDF and GM-CSF to treat retinal neurodegeneration neurodegenerationl. Human Gene Therapy. 30 (11), (2019).
  38. Zhuge, C. C., et al. Fullerenol protects retinal pigment epithelial cells from oxidative stress-induced premature senescence via activating SIRT1. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 55 (7), 4628-4638 (2014).
  39. Kaczara, P., Sarna, T., Burke, M. Dynamics of H2O2 Availability to ARPE-19 cultures in models of oxidative stress. Free Radical Biology and Medicine. 48 (8), 1068-1070 (2010).
  40. Gorrini, C., Harris, I. S., Mak, T. W. Modulation of oxidative stress as an anticancer strategy. Nature Reviews Drug Discovery. 12, 931-947 (2013).
  41. Wang, X., et al. PEDF protects human retinal pigment epithelial cells against oxidative stress via upregulation of UCP2 expression. Molecular Medicine Reports. 19 (1), 59-74 (2019).
  42. Donadelli, M., Dando, I., Fiorini, C., Palmieri, M. UCP2, a mitochondrial protein regulated at multiple levels. Cellular and Molecular Life Sciences. 71, 1171-1190 (2014).
check_url/61957?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Bascuas, T., Kropp, M., Harmening, N., Asrih, M., Izsvák, Z., Thumann, G. Induction and Analysis of Oxidative Stress in Sleeping Beauty Transposon-Transfected Human Retinal Pigment Epithelial Cells. J. Vis. Exp. (166), e61957, doi:10.3791/61957 (2020).

View Video