والمحتوى العالي<em> في المختبر</em> البنكرياس جزيرة β خلايا النسخ المتماثل منصة ديسكفري
Summary
تحديات بالغة الأهمية للبحث ميداني مرض السكري لفهم الآليات الجزيئية التي تنظم جزيرة تكرار β خلايا وتطوير طرق لتحفيز تجديد خلايا بيتا. هنا طريقة فحص عالية المحتوى لتحديد وتقييم وقدم النشاط ودعم تكرار β-خلية من جزيئات صغيرة.
Abstract
Loss of insulin-producing β-cells is a central feature of diabetes. While a variety of potential replacement therapies are being explored, expansion of endogenous insulin-producing pancreatic islet β-cells remains an attractive strategy. β-cells have limited spontaneous regenerative activity; consequently, a crucial research effort is to develop a precise understanding of the molecular pathways that restrain β-cell growth and to identify drugs capable of overcoming these restraints. Herein an automated high-content image-based primary-cell screening method to identify β-cell replication-promoting small molecules is presented. Several, limitations of prior methodologies are surmounted. First, use of primary islet cells rather than an immortalized cell-line maximizes retention of in vivo growth restraints. Second, use of mixed-composition islet-cell cultures rather than a β-cell-line allows identification of both lineage-restricted and general growth stimulators. Third, the technique makes practical the use of primary islets, a limiting resource, through use of a 384-well format. Fourth, detrimental experimental variability associated with erratic islet culture quality is overcome through optimization of isolation, dispersion, plating and culture parameters. Fifth, the difficulties of accurately and consistently measuring the low basal replication rate of islet endocrine-cells are surmounted with optimized immunostaining parameters, automated data acquisition and data analysis; automation simultaneously enhances throughput and limits experimenter bias. Notable limitations of this assay are the use of dispersed islet cultures which disrupts islet architecture, the use of rodent rather than human islets and the inherent limitations of throughput and cost associated with the use of primary cells. Importantly, the strategy is easily adapted for human islet replication studies. This assay is well suited for investigating the mitogenic effect of substances on β-cells and the molecular mechanisms that regulate β-cell growth.
Introduction
مرض السكري يشمل مجموعة من الاضطرابات تقاسم نقطة النهاية المشتركة للتوازن الجلوكوز تعطلت. على الرغم من أن الآليات المسببة للأمراض من أنواع فرعية مرض السكري تختلف، إلا أنهما يشتركان نتيجة لانخفاض كتلة خلايا بيتا، أي فقدان القدرة على إنتاج الأنسولين 1،2. في الوقت الحاضر، واستراتيجيات علاج مرض السكري تعتمد على إدارة المزمنة من الأنسولين خارجي، وتحفيز الصيدلانية إنتاج مادة الأنسولين أو تعزيز الحساسية للانسولين، ونادرا ما، وزرع جزيرات البنكرياس أو كله البنكرياس 3،4. وللأسف، فإن نجاح هذه الاستراتيجيات قصيرة الأمد و / أو يفشل في تلخيص بما فيه الكفاية وظيفة إنتاج الأنسولين الذاتية. وعلى الرغم من فائدة من تطوير طريقة لتحفيز تجديد خلايا بيتا، لا يوجد نهج من هذا القبيل. ونتيجة لذلك، وهو هدف أبحاث مرض السكري الرئيسي هو تطوير طرق لتوليد خلايا β جديدة أو لتوسيع الذاتية β خلايا كتلة 5 </sup>. على الرغم من تجديد β خلايا من مصادر الطاقة المتجددة مثل الخلايا الجذعية الجنينية تتقدم، مخاوف تتعلق بالسلامة والكفاءة تجعل السعي الاستراتيجيات البديلة، بما في ذلك توسيع β خلايا ناضجة، أولوية 6،7. الأهم من ذلك، المصدر الغالب للخلايا β جديدة في الجسم الحي هو موجودة من قبل خلايا β بدلا من الخلايا الاصلية المتخصصة 8،9. على الرغم من أن β خلايا يبدو أن لديها قدرة محدودة النسخ، زيادة صغيرة في كتلة β خلايا (~ 30٪) قد تكون كافية لاستعادة توازن الجلوكوز في كثير من مرضى السكر. وعلاوة على ذلك، في تحفيز الصيدلانية الموقعي من كتلة β-الخلية هو استراتيجية المعاملة التي قد تكون غير مكلفة وقابلة للتطوير. وهنا يرد طريقة فحص عالية المحتوى من أجل تحديد وتوصيف جزيئات صغيرة التي تحفز نمو خلايا بيتا.
ويمكن استخدام مجموعة متنوعة من في المختبر الطرق التجريبية لتحديد المنتجات الجينات و / أو جزيئات ثار تشجيع تكرار β خلايا الأساسي. الجهود المبكرة لقياس خلايا بيتا تكرار الحث المستخدمة الجنين الثقافة القوارض بنكرياسات أو سليمة الثقافات جزيرة معزولة لقياس [3 H] التأسيس الثيميدين، BrdU التأسيس أو هيئات الإنقسامية داخل ألدهيد-thionine أو الأنسولين السكان الملون في استجابة لظروف علاج محدد 10، 11. هذه الأساليب في المختبر، والمتغيرات وثيقة يكون لها العديد من القيود. وتشمل أوجه القصور البارزة (1) استخدام الخلايا الجنينية التي، على عكس β خلايا ناضجة، عرض وارتفاع معدل تكرار β-الخلايا القاعدية وهي النمو ينظم بطريقة متميزة 12؛ (2) طبيعة الشخصية للتحكيم التي تعتمد على المجرب من أحداث النسخ المتماثل β-الخلية؛ (3) العمل وطبيعة مكثفة وقت العد التي تعتمد على المجرب من أحداث النسخ المتماثل β خلايا يؤخر الإنتاجية التجريبية. (4) استخدام النووي التأسيس / وصمة عار / مظهر لتحديد تكرار حتىالخبر وصمة عار هيولي غير متداخلة لتحديد خلايا بيتا يؤدي إلى misattribution من أحداث النسخ المتماثل غير β خلايا المباشرة لبيتا خلايا.
وفي الآونة الأخيرة تم استخدام ناضجة خلايا β الأولية لتقييم أثر التحوير الإفراط في التعبير وكذلك علاج الجين المنتج أو مركب على النسخ المتماثل β خلايا 13-16. ومع ذلك، فقد اعتمدت هذه الدراسات أيضا على العد شخصي لأحداث النسخ المتماثل، staining- حشوية أو غير محددة اساليب تحديد β خلايا و / أو خطوات كثيفة العمالة التي تحد من الإنتاجية، على سبيل المثال، الفردي الطلاء الشرائح جيدا من الخلايا أو جزيرة سليمة تضمين البارافين وتجهيز 17. والجدير بالذكر، وهو الإنسان β-خلية منهجية فرز تكرار الصورة القائمة، مماثلة لتلك الواردة في هذه الوثيقة، تم نشر 18. ومع ذلك، لم يثبت الاستخدام الناجح لهذا الاختبار واستخدام الجزر الإنسان لغربلة أولية قد لا تكون على نطاق واسع الهيئة الاتحادية للبيئةsible.
استراتيجية بديلة لتحديد المواد المعززة للتكرار هو تقييم تحريض نمو خطوط β-الخلية. الجهود الأولية المستخدمة تحولت β خلايا خطوط مثل min6 الخلايا أو INS 832/13 خلايا 14،19-21. ومع ذلك، هذه خطوط الخلايا تظهر النمو غير المقيد وتحمل شبها جيدا متباينة β خلايا 22. ونتيجة لذلك، والقدرة على النمو الاستقراء هو الحد الأدنى، من أهمية واضحة وصعبة في بعض الأحيان أن ألخص. استراتيجية محسنة لفحص المستندة إلى خط الخلية يستخدم "تحويل عكسية" الخلايا التي هي نمو اعتقل في غياب التتراسيكلين (الدوكسيسيكلين) معتمد على SV40 المستضد T التعبير 23،24. ومع ذلك، فإنه من غير الواضح ما إذا كانت هذه الخلايا تعود إلى "طبيعية" حالة شبيهة β-خلية على إزالة الدوكسيسيكلين. للأسف، واستخدام هذه الخلايا قد حقق المركبات المعززة للنمو المعممة التي لا يبدو أن لها فائدة فورية24. وعموما، قد يكون استخدام خطوط الخلايا لدراسة تنظيم نمو الخلية من نوع عرض الحد الأدنى من النشاط تكرار عفوية محدودة التطبيق.
وβ خلايا تكرار منصة فحص المقدمة هنا تستخدم الناضجة الفئران الأساسي β خلايا للاحتفاظ في تنظيم نمو الجسم الحي إلى أقصى حد ممكن والثقافات جزيرة الخلية المختلطة تكوين خلية من نوع لتمكين تحديد الأنشطة المعززة للنمو المقيدة النسب، متعددة -well تهيئة إلى تحقيق أقصى قدر من الإنتاجية وتحليل الآلي للقضاء على التحيز وتسهيل الإنتاجية. وقد مكن الاستخدام الناجح لهذه المنصة تحديد العديد من المركبات التي تعزز تكرار خلايا بيتا 25،26. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام فحص للدراسات العلاقة بين الهيكل والنشاط والتجارب قشوة الكيميائية لتقديم رؤى الآلية في تنظيم الجزيئي للتكرار β-الخلية. تم تعديل منصة عرض بنجاح FOالتحقيق استنادا رني ص lentiviral النسخ المتماثل β خلايا الممرات 25. وتشمل القيود المفروضة على فحص قابلية محجوب (استخدام الخلايا الأولية)، واستخدام القوارض بدلا من جزيرة خلايا الإنسان (على الرغم من أن الفحص يمكن تكييفها للدراسات جزيرة الإنسان)، والنفقات المرتبطة التصوير القائم على الأجسام المضادة واستخدام جزيرة الأساسي، واستخدام من الجزر المتناثرة (تعطلت العمارة جزيرة) لتسهيل الحصول على الصور الآلي والاعتماد على توافر المجهر الآلي مع الحصول على الصور والقدرة على التحليل. على الرغم من أن سطحي جدا في الجسم الحي منهجية الفرز لتحديد المنتجات الجينات أو المركبات التي تحفز تجديد الخلايا بيتا في الموقع سيكون امرا مثاليا، مثل هذا المنبر ليست متاحة بعد 27. وبالتالي، فإن منصة وصف مناسبة للباحث مهتم في التحقيق في معظم جوانب تكرار β-الخلية.
Protocol
Representative Results
Discussion
الطرق التجريبية لدراسة المسارات الجزيئية التي تتحكم في نمو الخلايا وبيتا وتجديد أدوات مهمة للباحثين مرض السكري. هنا، يتم تقديم منصة الفحص القائمة على الفئران جزيرة لتحديد وتوصيف التحفيز والتشجيع جزيء صغير من تكرار β-الخلية.
في ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by NIDDK grants DK098143 and DK101530 from the NIH (JPA), Stanford’s Spectrum Child Health Research Institute (CHRI) and SPARK (UL1 TR001085, JPA).
Materials
| 250g male Male Sprague Dawly Rat | Charles River | Stain # 400 | |
| 12 cm teeth tisuue forceps | Fine Science Tools | 11021-12 | |
| 11.5 cm fine scissors | Fine Science Tools | 14058-11 | |
| 14.5 cm surgical scissors | Fine Science Tools | 14001-14 | |
| 16 cm curved forceps | Fine Science Tools | 11003-16 | |
| 12 cm curved hepostat | Fine Science Tools | 13011-12 | |
| 12 cm scalpel handle | Fine Science Tools | 10003-12 | |
| Tissue sieve-30 mesh | Bellco Glass | 1985-85000 | |
| Cizyme RI, 375,000 CDA units | VitaCyte | 005-1030 | |
| Hanks' Balanced Salt solution (Ca++ and Mg++) | Gibco | 24020-117 | |
| Ketamine HCl (200 mg/20 ml) | JHP Pharmaceuticals | NDC# 42023-113-10 | to make anesthetic cocktail |
| Xylazine (5 g/50 ml) | LLOYD | NADA# 139-236 | to make anesthetic cocktail |
| Histopaque 1077 | Sigma | H-1077 | to make histopaque 1100 |
| Histopaque 1119 | Sigma | H-1119 | to make histopaque 1100 |
| Newborn Calf Serum 500 ml | Hyclone | SH30118.03 | |
| Hanks' Balanced Salt solution | Hyclone | SH30268.01 | |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium/Low Glucose | Hyclone | SH30021.01 | |
| Functionality/Viability Solution | Mediatech | 99-768-CV | |
| RPMI1640 media | Hyclone | SH30096.01 | to make conditioned medium |
| 804G rat bladder carcinoma cell-line | Available upon request | to make conditioned medium | |
| Fetal Bovine Serum, Qualified | Gibco | 26160 | |
| GlutaMax-I | Gibco | 35050-061 | |
| Penicillin (5,000 IU/ml/Strptomycin (5 mg/ml) | MP Biomedicals | 1670049 | |
| Formamide 500 mL | Fisher BioReagents | BP227-500 | |
| Antigen Unmasking Solution 250 mL (PH 6.0) | Vector Laboratories | H-3300 | to make 0.15 M Sodium Sitrate solution |
| Dextrose, Anhydrous | EMD Chemicals | DX0145-1 | to make 1 M glucose solution |
| Nomal Donkey Serum (Powder) | Jackson ImmunoResearch | 017-000-121 | |
| Triton X-100 | Sigma | T8787-100ML | |
| Mouse anti-human Ki67 antibody | BD Biosciences | 556003 | |
| Goat anti-human PDX-1 antibody | R&D Systems | AF2419 | |
| Polyclonal Guinea Pig anti-insulin antibody | Dako | 2016-08 | |
| Polyclonal Rabbit anti-glucagon antibody | Dako | 2014-06 | |
| Polyclonal Rabbit anti-somatostatin antibody | Dako | 2011-08 | |
| Polyclonal chicken anti-vimentin antibody | abcam | ab24525 | |
| Biotin-SP-conjugated, Donkey Anti-Mouse IgG | Jackson ImmunoResearch | 715-065-150 | |
| StreptAvidin, Alex Flour 488 conjugated | Invitrogen | S32354 | |
| Rhodamine-conjugated Donkey Anti-Goat IgG | Jackson ImmunoResearch | 705-025-147 | |
| Rhodamine-conjugated Donkey Anti-Guinea Pig IgG | Jackson ImmunoResearch | 706-025-148 | |
| Rhodamine-conjugated Donkey Anti-Rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch | 711-025-152 | |
| Cy 5-conjugated Donkey Anti-Guinea Pig IgG | Jackson ImmunoResearch | 706-175-148 | |
| Cy 5-conjugated Donkey Anti-Goat IgG | Jackson ImmunoResearch | 705-175-147 | |
| Cy 5-conjugated Donkey Anti-Rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch | 711-175-152 | |
| Cy 5-conjugated Donkey Anti-Chicken IgG | Jackson ImmunoResearch | 703-175-155 | |
| DAPI | Millipore | S7113 | |
| Disposable Reagent Reservoir 25 mL | Sorenson BioScience | 39900 | |
| 384 well, black/clear, tissue culture treated plate | BD Falcon | 353962 | |
| 96 well, black/clear, tissue culture treated plate | Costar | 3603 | |
| Multi-channel pipettor | Costar | 4880 | |
| 12-channel vaccume aspirator | Drummond | 3-000-096 | |
| Cell Scraper | Falcon | 353085 | |
| Isotemp Water Bath Model 2223 | Fisher Scientific | ||
| High-content screening instrument: ArrayScan VTI | Thermo Scientific |
Referências
- Butler, A. E., et al. Beta-cell deficit and increased beta-cell apoptosis in humans with type 2 diabetes. Diabetes. 52 (1), 102-110 (2003).
- Kloppel, G., Lohr, M., Habich, K., Oberholzer, M., Heitz, P. U. Islet pathology and the pathogenesis of type 1 and type 2 diabetes mellitus revisited. Surv Synth Pathol Res. 4 (2), 110-125 (1985).
- Harlan, D. M., Kenyon, N. S., Korsgren, O., Roep, B. O. Current advances and travails in islet transplantation. Diabetes. 58 (10), 2175-2184 (2009).
- Nath, D. S., et al. Outcomes of pancreas transplants for patients with type 2 diabetes mellitus. Clin Transplant. 19 (6), 792-797 (2005).
- Nichols, R. J., New, C., Annes, J. P. Adult tissue sources for new beta cells. Transl Res. 163 (4), 418-431 (2014).
- Pagliuca, F. W., et al. Generation of functional human pancreatic beta cells in vitro. Cell. 159 (2), 428-439 (2014).
- Kushner, J. A., MacDonald, P. E., Atkinson, M. A. Stem cells to insulin secreting cells: two steps forward and now a time to pause. Cell Stem Cell. 15 (5), 535-536 (2014).
- Dor, Y., Brown, J., Martinez, O. I., Melton, D. A. Adult pancreatic beta-cells are formed by self-duplication rather than stem-cell differentiation. Nature. 429 (6987), 41-46 (2004).
- Meier, J. J., et al. Beta-cell replication is the primary mechanism subserving the postnatal expansion of beta-cell mass in humans. Diabetes. 57 (6), 1584-1594 (2008).
- Chick, W. L., Lauris, V., Flewelling, J. H., Andrews, K. A., Woodruff, J. M. Effects of glucose on beta cells in pancreatic monolayer cultures. Endocrinology. 92 (1), 212-218 (1973).
- Brelje, T. C., Sorenson, R. L. Role of prolactin versus growth hormone on islet B-cell proliferation in vitro: implications for pregnancy. Endocrinology. 128 (1), 45-57 (1991).
- Chen, H., et al. PDGF signalling controls age-dependent proliferation in pancreatic beta-cells. Nature. 478 (7369), 349-355 (2011).
- Liu, H., et al. Glycogen synthase kinase-3 and mammalian target of rapamycin pathways contribute to DNA synthesis, cell cycle progression, and proliferation in human islets. Diabetes. 58 (3), 663-672 (2009).
- Metukuri, M. R., et al. ChREBP mediates glucose-stimulated pancreatic beta-cell proliferation. Diabetes. 61 (8), 2004-2015 (2012).
- Wang, P., et al. A high-throughput chemical screen reveals that harmine-mediated inhibition of DYRK1A increases human pancreatic beta cell replication. Nat Med. 21 (4), 383-388 (2015).
- Schisler, J. C., et al. Stimulation of human and rat islet beta-cell proliferation with retention of function by the homeodomain transcription factor Nkx6.1. Mol Cell Biol. 28 (10), 3465-3476 (2008).
- Fueger, P. T., Hernandez, A. M., Chen, Y. C., Colvin, E. S. Assessing replication and beta cell function in adenovirally-transduced isolated rodent islets. J Vis Exp. (64), (2012).
- Walpita, D., et al. A human islet cell culture system for high-throughput screening. J Biomol Screen. 17 (4), 509-518 (2012).
- Miyazaki, J., et al. Establishment of a pancreatic beta cell line that retains glucose-inducible insulin secretion: special reference to expression of glucose transporter isoforms. Endocrinology. 127 (1), 126-132 (1990).
- Song, W. J., et al. Phosphorylation and inactivation of glycogen synthase kinase 3beta (GSK3beta) by dual-specificity tyrosine phosphorylation-regulated kinase 1A (Dyrk1A). J Biol Chem. 290 (4), 2321-2333 (2015).
- Hohmeier, H. E., et al. Isolation of INS-1-derived cell lines with robust ATP-sensitive K+ channel-dependent and -independent glucose-stimulated insulin secretion. Diabetes. 49 (3), 424-430 (2000).
- Cozar-Castellano, I., et al. Lessons from the first comprehensive molecular characterization of cell cycle control in rodent insulinoma cell lines. Diabetes. 57 (11), 3056-3068 (2008).
- Efrat, S., Fusco-DeMane, D., Lemberg, H., aL Emran, O., Wang, X. Conditional transformation of a pancreatic beta-cell line derived from transgenic mice expressing a tetracycline-regulated oncogene. Proc Natl Acad Sci U S A. 92 (8), 3576-3580 (1995).
- Wang, W., et al. Identification of small-molecule inducers of pancreatic beta-cell expansion. Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (5), 1427-1432 (2009).
- Annes, J. P., et al. Adenosine kinase inhibition selectively promotes rodent and porcine islet beta-cell replication. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (10), 3915-3920 (2012).
- Zhao, Z., et al. Repurposing cAMP-modulating medications to promote beta-cell replication. Mol Endocrinol. 28 (10), 1682-1697 (2014).
- Chen, C. A., Carolan, P. J., Annes, J. P. In vivo screening for secreted proteins that modulate glucose handling identifies interleukin-6 family members as potent hypoglycemic agents. PLoS One. 7 (9), e44600 (2012).
- Izumi, K., Hirao, Y., Hopp, L., Oyasu, R. In vitro induction of ornithine decarboxylase in urinary bladder carcinoma cells. Cancer Res. 41 (2), 405-409 (1981).
- Serup, P., et al. The homeodomain protein IPF-1/STF-1 is expressed in a subset of islet cells and promotes rat insulin 1 gene expression dependent on an intact E1 helix-loop-helix factor binding site. Biochem J. 310, 997-1003 (1995).
- Szabat, M., Luciani, D. S., Piret, J. M., Johnson, J. D. Maturation of adult beta-cells revealed using a Pdx1/insulin dual-reporter lentivirus. Endocrinology. 150 (4), 1627-1635 (2009).
- Rieck, S., et al. Overexpression of hepatocyte nuclear factor-4alpha initiates cell cycle entry, but is not sufficient to promote beta-cell expansion in human islets. Mol Endocrinol. 26 (9), 1590-1602 (2012).
- Wang, P., et al. Diabetes mellitus–advances and challenges in human beta-cell proliferation. Nat Rev Endocrinol. 11 (4), 201-212 (2015).
