Неинвазивная<em> In Vivo</em> Флуоресцентная оптическая визуализация воспалительной активности ММП с использованием активируемого флуоресцентного средства визуализации
Summary
В данной статье объясняется применение флуоресцентной визуализации с использованием активируемого оптического зонда для визуализации активности in vivo ключевых матричных металлопротеиназ в двух различных экспериментальных моделях воспаления.
Abstract
В настоящей статье описывается неинвазивный метод визуализации активности матриксных металлопротеиназ (MMP) с помощью активируемого флуоресцентного зонда с помощью флуоресцентной оптической визуализации in vivo (OI) в двух различных моделях воспаления мыши: ревматоидный артрит (RA) и контакт Реакции гиперчувствительности (CHR). Свет с длиной волны в окне ближней инфракрасной области (NIR) (650 – 950 нм) обеспечивает более глубокое проникновение ткани и минимальное поглощение сигнала по сравнению с длинами волн ниже 650 нм. Основные преимущества использования флуоресцентного OI в том, что он дешевый, быстрый и простой в реализации на различных моделях животных.
Активируемые флуоресцентные датчики оптически бесшумны в своих инактивированных состояниях, но становятся очень флуоресцентными при активации протеазой. Активированные MMP приводят к разрушению тканей и играют важную роль для прогрессирования болезни в реакциях гиперчувствительности замедленного типа (DTHRs), таких как RA и CHR. Кроме того, ММПосновные протеазы для хряща и деградации кости и индуцированный макрофагами, фибробластами и хондроцитов в ответ на про-воспалительных цитокинов. Здесь мы используем зонд, который активируется с помощью ключевых ММР, как ММР-2, -3, -9 и -13 и описывать протокол обработки изображений для ближней инфракрасной флуоресценции OI активности ММП в РА и контрольных мышей через 6 дней после индукции заболевания, а также а у мышей с острой (1x вызов) и хроническую (5x вызов) CHR на правом ухе по сравнению со здоровыми ушами.
Introduction
Аутоиммунные заболевания, такие как ревматоидный артрит (РА) или вульгариты псориаза, классифицируются как реакции гиперчувствительности замедленного типа (DTHR). 1 РА – распространенное аутоиммунное заболевание, характеризующееся эрозивным синовитом и разрушением суставов. 2 Воспаленные артритные суставы демонстрируют инфильтрацию и пролиферацию воспалительных клеток, повышенную экспрессию провоспалительных клеток, приводящих к образованию паннуса, разрушению хряща и кости. 3 , 4 Расщепление молекул внеклеточного матрикса, таких как коллаген матриксными металлопротеиназами (ММР), является существенным для преобразования ткани и ангиогенеза и вызывает разрушение тканей. 5 , 6 Реакции гиперчувствительности (CHR) характеризуются агрегацией нейтрофилов, приводящей к окислительному взрыву. 7 Подобно RA, MMP в CHR являются внутреннимивед в преобразовании тканей, миграции клеток и ангиогенеза, с тем чтобы установить хроническое воспаление.
Для исследования RA, была использована глюкоза-6-фосфат-изомеразы (ГПИ) мышиная модель -serum инъекции. 8 в сыворотке трансгенных мышей К / BXN , содержащих антитела против GPI, вводили в нативных Balb / C мышей , после чего ревматические воспаления начали развиваться в течение 24 ч с максимумом лодыжки набухания на 6 день после инъекции GPI-сыворотки (см 1.1). Для анализа хронического CHR, C57BL / 6 мышей сенсибилизировали trinitrochlorobenzene (TNCB) на животе. Правое ухо был брошен вызов до 5 раз, начиная с 1 неделю после сенсибилизации (смотри также 1.1 и 1.2).
Неинвазивный небольшое животное О.И. является методом , основанным на исследовании в естественных условиях fluorescent-, chemiluminescent- и биолюминесцентных-сигналов, которые в основном используются в доклинических исследованиях. Полученные полуколичественные данные дают полное представление о MolecТельных механизмов в органах и тканях здоровых, а также больных моделей экспериментальных животных, и позволяет проводить продольные наблюдения ( например, для оценки профилей терапевтического ответа in vivo ). Большим преимуществом продольных исследований является уменьшение числа животных, поскольку одни и те же животные могут быть измерены в последующих исследованиях в нескольких временных точках, вместо того чтобы использовать разных мышей в момент времени. Разрешение OI позволяет детализировать функциональное отображение органов и даже более мелких структур тканей у подопытных животных.
Использование специальных фильтров возбуждения и эмиссии с узким спектром пропускания, защита от рассеянного света светонепроницаемым «темным ящиком» и чувствительной камерой с заряженным соединением (CCD), которая охлаждается во многих устройствах до -70 ° C , Позволяет проводить высокоспецифичные и чувствительные измерения сигналов флуоресценции.
При использовании флуоресцентных агентов с возбуждением иСпектры излучения в ближнем инфракрасном диапазоне флуоресценции (650-950 нм), отношения сигнал-шум могут быть значительно улучшены. Окно флуоресценции в ближней инфракрасной области характеризуется относительно низким поглощением сигнала гемоглобином и водой, а также низкой автофлуоресценцией фона. 9 Это позволяет глубине проникновения до 2 см в ткани мелких животных. OI-зонды могут непосредственно адресовать мишень ( например , антителом, меченным флуоресценцией) или могут быть активированы в ткани-мишени ( например , протеазами). Активируемые зонды OI оптически бесшумны в своей инактивированной форме из-за резонансной передачи энергии Ферстера (FRET) в тушащуюся часть, которая передает энергию возбуждения внутри молекулы в другой домен. Если краситель расщепляется (например, протеазой), энергия больше не переносится внутри молекулы, и флуоресцентный сигнал может быть обнаружен OI. Это позволяет конструировать датчики OI с высокой специфичностьюY для различных биологических процессов и отличных отношений сигнал / шум.
Следующий протокол подробно объясняет подготовку животных, измерения OI с использованием активируемого зонда OI для изображения MMP-2, -3, -9 и -13 активности in vivo и две экспериментальные модели воспаления (RA, CHR).
Protocol
Representative Results
Discussion
OI очень полезный, быстрый и недорогой инструмент для неинвазивного в естественных условиях молекулярной визуализации в доклинических исследованиях. Особая прочность OI является возможностью контролировать высоко динамические процессы, такие как воспалительные реакции. Кроме т?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим Дэниел Бакала, Натали Алтмайер и FUNDA Cay за отличную техническую поддержку. Мы благодарим Джонатан Коттон, Грег Боуден и Пол Сауберан для редактирования рукописи. Эта работа была поддержана Вернер Сименс-фонда и медицинского факультета Эберхард Карлс университета Тюбингена ( «» Promotionskolleg «») и по ГПД через CRC 156 (проект С3).
Materials
| Cornergel | Gerhard Mann GmbH | 1224635 | ophthalmic ointment |
| Forene | Abbott GmbH | 4831850 | isoflurane |
| U40 insulin syringe | Becton Dickinson and Company | 324876 | |
| Heparin | Sintetica | 6093089 | |
| High-Med-PE 0.28×0.61mm | Reichelt Chemietechnik GmbH+Co | 28460 | polyethylene tubing, inner diameter 0.28 mm, outer diameter 0.61 mm |
| BD Regular Bevel Needles, 30 G | Becton Dickinson & Co. Ltd. | 305106 | 30 G injection cannula |
| RTA-0011 isoflurane vaporizer | Vetland Medical Sales and Services LLC | – | |
| Artagain drawing paper | Strathmore Artist Paper | 446-8 | coal black |
| IVIS Spectrum | Perkin Elmer | 124262 | Optical imaging system |
| BD Regular Bevel Needles, 25 G | Becton Dickinson and Company | 305122 | |
| 2-Chloro-1,3,5-trinitrobenzene | Sigma Aldrich GmbH | 7987456F | TNCB |
| MMPSense 680 | Perkin Elmer | NEV10126 | fluorescent imaging dye |
| Oditest | Koreplin GmbH | C1X018 | mechanical measurment |
| Miglyol 812 | SASOL | – | Oil |
| BALB/C, C57BL/6 | Charles River Laboratories | – | Mice used for experiements |
| PBS | Sigma Aldrich GmbH | For dilution of the RA serum | |
| Pipette (100µl) | Eppendorf | Used for TNCB application | |
| shaver | Wahl | 9962 | Animal hair trimmer |
| Living Image | Perkin Elmer | Imaging software to measure OI |
References
- Veale, D. J., Ritchlin, C., FitzGerald, O. Immunopathology of psoriasis and psoriatic arthritis. Ann Rheum Dis. 64, 26 (2005).
- Harris, E. D. Rheumatoid arthritis. Pathophysiology and implications for therapy. N Engl J Med. 322 (18), 1277-1289 (1990).
- Lee, D. M., Weinblatt, M. E. Rheumatoid arthritis. Lancet. 358 (9285), 903-911 (2001).
- Firestein, G. S. Immunologic mechanisms in the pathogenesis of rheumatoid arthritis. J Clin Rheumatol. 11, S39-S44 (2005).
- Pap, T., et al. Differential expression pattern of membrane-type matrix metalloproteinases in rheumatoid arthritis. Arthritis Rheum. 43 (6), 1226-1232 (2000).
- Firestein, G. S., Paine, M. M. Stromelysin and tissue inhibitor of metalloproteinases gene expression in rheumatoid arthritis synovium. Am J Pathol. 140 (6), 1309-1314 (1992).
- Schwenck, J., et al. In vivo optical imaging of matrix metalloproteinase activity detects acute and chronic contact hypersensitivity reactions and enables monitoring of the antiinflammatory effects of N-acetylcysteine. Mol Imaging. 13, (2014).
- Monach, P. A., Mathis, D., Benoist, C. The K/BxN arthritis model. Curr Protoc Immunol. 15, 22 (2008).
- Zelmer, A., Ward, T. H. Noninvasive fluorescence imaging of small animals. J Microsc. 252 (1), 8-15 (2013).
- Kouskoff, V., et al. Organ-specific disease provoked by systemic autoimmunity. Cell. 87 (5), 811-822 (1996).
- Fuchs, K., et al. In vivo imaging of cell proliferation enables the detection of the extent of experimental rheumatoid arthritis by 3′-deoxy-3′-18f-fluorothymidine and small-animal PET. J Nucl Med. 54 (1), 151-158 (2013).
- Schwenck, J., et al. Fluorescence and Cerenkov luminescence imaging. Applications in small animal research. Nuklearmedizin. 55 (2), 63-70 (2016).
- Mahling, M., et al. A Comparative pO2 Probe and [18F]-Fluoro-Azomycinarabino-Furanoside ([18F]FAZA) PET Study Reveals Anesthesia-Induced Impairment of Oxygenation and Perfusion in Tumor and Muscle. PLoS One. 10 (4), 0124665 (2015).
- Fuchs, K., et al. Oxygen breathing affects 3′-deoxy-3′-18F-fluorothymidine uptake in mouse models of arthritis and cancer. J Nucl Med. 53 (5), 823-830 (2012).
- Fuchs, K., et al. Impact of anesthetics on 3′-[18F]fluoro-3′-deoxythymidine ([18F]FLT) uptake in animal models of cancer and inflammation. Mol Imaging. 12 (5), 277-287 (2013).
- Liu, N., Shang, J., Tian, F., Nishi, H., Abe, K. In vivo optical imaging for evaluating the efficacy of edaravone after transient cerebral ischemia in mice. Brain Res. 1397, 66-75 (2011).
- Sheth, R. A., Maricevich, M., Mahmood, U. In vivo optical molecular imaging of matrix metalloproteinase activity in abdominal aortic aneurysms correlates with treatment effects on growth rate. Atherosclerosis. 212 (1), 181-187 (2010).
- Chen, J., et al. Near-infrared fluorescent imaging of matrix metalloproteinase activity after myocardial infarction. Circulation. 111 (14), 1800-1805 (2005).
- Wallis de Vries, B. M., et al. Images in cardiovascular medicine. Multispectral near-infrared fluorescence molecular imaging of matrix metalloproteinases in a human carotid plaque using a matrix-degrading metalloproteinase-sensitive activatable fluorescent probe. Circulation. 119 (20), e534-e536 (2009).
- Weissleder, R., Tung, C. H., Mahmood, U., Bogdanov, A. In vivo imaging of tumors with protease-activated near-infrared fluorescent probes. Nat Biotechnol. 17 (4), 375-378 (1999).
- Cortez-Retamozo, V., et al. Real-time assessment of inflammation and treatment response in a mouse model of allergic airway inflammation. J Clin Invest. 118 (12), 4058-4066 (2008).
- McIntyre, J. O., et al. Development of a novel fluorogenic proteolytic beacon for in vivo detection and imaging of tumour-associated matrix metalloproteinase-7 activity. Biochem J. 377, 617-628 (2004).
- Scherer, R. L., VanSaun, M. N., McIntyre, J. O., Matrisian, L. M. Optical imaging of matrix metalloproteinase-7 activity in vivo using a proteolytic nanobeacon). Mol Imaging. 7 (3), 118-131 (2008).
- Olson, E. S., et al. In vivo characterization of activatable cell penetrating peptides for targeting protease activity in cancer. Integr Biol (Camb. 1 (5-6), 382-393 (2009).
- Duijnhoven, S. M., Robillard, M. S., Nicolay, K., Grull, H. Tumor targeting of MMP-2/9 activatable cell-penetrating imaging probes is caused by tumor-independent activation). J Nucl Med. 52 (2), 279-286 (2011).
- Schafers, M., Schober, O., Hermann, S. Matrix-metalloproteinases as imaging targets for inflammatory activity in atherosclerotic plaques. J Nucl Med. 51 (5), 663-666 (2010).
- Wagner, S., et al. A new 18F-labelled derivative of the MMP inhibitor CGS 27023A for PET: radiosynthesis and initial small-animal PET studies. Appl Radiat Isot. 67 (4), 606-610 (2009).
- Waschkau, B., Faust, A., Schafers, M., Bremer, C. Performance of a new fluorescence-labeled MMP inhibitor to image tumor MMP activity in vivo in comparison to an MMP-activatable probe. Contrast Media Mol Imaging. 8 (1), 1-11 (2013).
- Vogl, T., et al. Alarmin S100A8/S100A9 as a biomarker for molecular imaging of local inflammatory activity. Nat Commun. 5, 4593 (2014).
