Denne protokol illustrerer et in vitro endotelcelletranscytoseassay som en model til evaluering af indre blod-retinal barrierepermeabilitet ved at måle evnen hos humane retinale mikrovaskulære endotelceller til at transportere peberrodsperoxidase på tværs af celler i caveolae-medierede transcellulære transportprocesser.
Dysfunktion af blod-retinal barrieren (BRB) bidrager til patofysiologien af flere vaskulære øjenlidelser, hvilket ofte resulterer i retinalt ødem og efterfølgende synstab. Den indre blod-retinale barriere (iBRB) består hovedsageligt af retinal vaskulært endotel med lav permeabilitet under fysiologiske forhold. Denne funktion af lav permeabilitet er tæt reguleret og opretholdes af lave paracellulære transporthastigheder mellem tilstødende retinale mikrovaskulære endotelceller såvel som transcellulær transport (transcytose) gennem dem. Vurderingen af retinal transcellulær barrierepermeabilitet kan give grundlæggende indsigt i iBRB-integritet i sundhed og sygdom. I denne undersøgelse beskriver vi et endotelcelle (EC) transcytoseassay som en in vitro-model til evaluering af iBRB-permeabilitet ved hjælp af humane retinale mikrovaskulære endotelceller (HRMEC’er). Dette assay vurderer HRMEC’ers evne til at transportere transferrin og peberrodsperoxidase (HRP) i henholdsvis receptor- og caveolae-medierede transcellulære transportprocesser. Fuldt sammenflydende HRMEC’er dyrket på porøs membran blev inkuberet med fluorescerende mærket transferrin (clathrinafhængig transcytose) eller HRP (caveolae-medieret transcytose) for at måle niveauerne af transferrin eller HRP overført til det nederste kammer, hvilket indikerer transcytoseniveauer på tværs af EF-monolaget. Wnt-signalering, en kendt vej, der regulerer iBRB, blev moduleret for at demonstrere den caveolae-medierede HRP-baserede transcytoseanalysemetode. Det her beskrevne EC-transcytoseassay kan være et nyttigt værktøj til at undersøge de molekylære regulatorer af EC-permeabilitet og iBRB-integritet i vaskulære patologier og til screening af lægemiddelafgivelsessystemer.
Den menneskelige nethinde er et af de højeste energikrævende væv i kroppen. Korrekt funktion af den neurale nethinde kræver en effektiv tilførsel af ilt og næringsstoffer sammen med en begrænset flux af andre potentielt skadelige molekyler for at beskytte retinalmiljøet, som medieres via blod-retinal barrieren (BRB)1. I lighed med blod-hjerne-barrieren (BBB) i centralnervesystemet fungerer BRB som en selektiv barriere i øjet, der regulerer bevægelsen af ioner, vand, aminosyrer og sukker ind og ud af nethinden. BRB opretholder også retinal homeostase og dets immunprivilegium ved at forhindre eksponering for kredsløbsfaktorer såsom immunceller, antistoffer og skadelige patogener2. BRB-dysfunktion bidrager til patofysiologien af flere vaskulære øjenlidelser, såsom diabetisk retinopati, aldersrelateret makuladegeneration (AMD), præmatur retinopati (ROP), retinal veneokklusion og uveitis, hvilket resulterer i vasogent ødem og efterfølgende synstab 3,4,5.
BRB består af to separate barrierer for henholdsvis to forskellige okulære vaskulære netværk: retinal vaskulaturen og den fenestrerede choriocapillaris under nethinden. Den indre BRB (iBRB) består primært af retinale mikrovaskulære endotelceller (RMEC’er), der forer retinal mikrovaskulaturen, som nærer de indre retinale neuronale lag. På den anden side udgør retinal pigmentepitel hovedkomponenten i den ydre BRB, som ligger mellem den neurosensoriske nethinde og choriocapillaris2. For iBRB finder molekylær transport på tværs af RMEC’er sted gennem både paracellulære og transcellulære ruter (figur 1). Den høje grad af stofselektivitet på tværs af iBRB er afhængig af (i) tilstedeværelsen af junctionale proteinkomplekser, der begrænser paracellulær transport mellem tilstødende endotelceller (EC’er) og (ii) lave ekspressionsniveauer af caveolae-mediatorer, transportører og receptorer inden for endotelcellerne, der opretholder lave transcellulære transporthastigheder 1,6,7,8 . Junctional komplekser, der regulerer paracellulær flux, består af tætte kryds (claudiner, occludins), klæbende kryds (VE-cadheriner) og mellemrumskryds (forbindelsesforbindelser), der tillader passage af vand og små vandopløselige forbindelser. Mens små lipofile molekyler passivt diffunderer over det indre af RMEC’er, reguleres bevægelsen af større lipofile og hydrofile molekyler af ATP-drevne transendotelveje, herunder vesikulær transport og membrantransportører 5,9.
Vesikulær transcytose kan kategoriseres som caveolin-medieret caveolær transcytose, clathrinafhængig (og receptormedieret) transcytose og clathrin-uafhængig makropinocytose (figur 2). Disse vesikulære transportprocesser involverer blærer af forskellig størrelse, hvor makropinosomer er de største (fra 200-500 nm) og caveolae er den mindste (i gennemsnit 50-100 nm), mens clathrin-belagte vesikler spænder fra 70-150 nm10. Caveolae er kolbeformede lipidrige plasmamembraninvaginationer med en proteincoat, primært sammensat af caveolin-1, der binder lipidmembrankolesterol og andre strukturelle og signalproteiner via deres caveolin-stilladsdomæne11. Caveolins arbejder sammen med perifert fastgjort cavin for at fremme caveolae stabilisering ved plasmamembranen12. Caveolar membraner kan også bære receptorer for andre molekyler såsom insulin, albumin og cirkulerende lipoproteiner, herunder high-density lipoprotein (HDL) og low-density lipoprotein (LDL) for at hjælpe deres bevægelse på tværs af endotelceller13. Under udviklingen afhænger dannelsen af funktionel BRB af undertrykkelsen af EC transcytose8. Modent retinalt endotel har derfor relativt lave niveauer af caveolae-, caveolin-1- og albuminreceptorer i forhold til andre endotelceller under fysiologiske forhold, hvilket bidrager til dets barriereegenskaber 4,9.
Fordi iBRB-nedbrydning er et vigtigt kendetegn for mange patologiske øjenlidelser, er det vigtigt at udvikle metoder til vurdering af retinal vaskulær permeabilitet in vivo og in vitro. Disse metoder hjælper med at give sandsynlig indsigt i mekanismerne for kompromitteret BRB-integritet og vurdere effekten af potentielle terapeutiske mål. Nuværende in vivo-billeddannelse eller kvantitative vaskulære lækageassays anvender typisk fluorescerende (natriumfluorescein og dextran), kolorimetrisk (Evans Blue-farvestof og peberrodsperoxidase [HRP] substrat) eller radioaktive sporstoffer14 til påvisning af ekstravasation fra vaskulaturen til omgivende retinale væv med mikroskopbilleddannelse eller i isoleret vævslamsat. Et ideelt sporstof til kvantificering af vaskulær integritet bør være inert og stort nok til frit at gennemtrænge kompromitterede kar, mens det er begrænset i sunde og intakte kapillærer. Metoder, der anvender natriumfluorescein eller fluoresceinisothiocyanatkonjugeret dextran (FITC-dextran) i levende fundus fluorescein-angiografi (FFA) eller isolerede retinale flade monteringer, anvendes i vid udstrækning til kvantificering af retinal ekstravasation in vivo eller ex vivo. FITC-dextran har den fordel, at den er tilgængelig i forskellige molekylvægte fra 4-70 kDa til størrelsesselektive undersøgelser15,16,17. FITC-albumin (~68 kDa) er et alternativt stort proteinsporstof af biologisk relevans for vaskulære lækageundersøgelser18. Evans Blue-farvestof, injiceret intrakardialt19, retro-orbitalt eller gennem halevenen 20, er også afhængig af dets binding med endogent albumin for at danne et stort molekyle, der kan kvantificeres ved for det meste spektrofotometrisk detektion eller, mindre almindeligt, fluorescensmikroskopi i flade monteringer20,21. Disse kvantitative eller lette billeddannelsesmetoder skelner imidlertid ofte ikke paracellulær transport fra trans-endoteltransport. Til specifik analyse af transcytose med ultrastrukturel visualisering af transcytosede vesikler anvendes spormolekyler såsom HRP typisk til at lokalisere transcytosede vesikler i endotelceller, der kan observeres under et elektronmikroskop22,23,24 (figur 3A-C).
Udviklingen og anvendelsen af in vitro iBRB-modeller til evaluering af endotelcellepermeabiliteten kan give en robust vurdering med høj kapacitet som supplement til in vivo-eksperimenter og støtte undersøgelsen af molekylære regulatorer af vaskulær lækage. Almindeligt anvendte assays til vurdering af paracellulær transport og integritet af tætte kryds inkluderer trans-endotel elektrisk modstand (TEER), et mål for ionisk konduktans (figur 4) 2,25 og in vitro vaskulær lækageassay ved hjælp af små molekylvægt fluorescerende sporstoffer 26. Derudover er transferrinbaserede transcytoseassays modellering af BBB blevet brugt til at udforske clathrinafhængig transcytose27. På trods af dette er assays til evaluering af BRB og mere specifikt retinal EC caveolar transcytose in vitro begrænset.
I denne undersøgelse beskriver vi et EC-transcytoseassay ved hjælp af humane retinale mikrovaskulære endotelceller (HRMEC’er) som en in vitro-model til bestemmelse af iBRB-permeabilitet og EC-transcytose. Dette assay er baseret på HRMEC’ers evne til at transportere transferrin eller HRP via henholdsvis de receptormedierede eller caveolaeafhængige transcytoseveje (figur 2). HRMEC’er dyrket til fuld konfluens i det apikale kammer (dvs. filterindsats) blev inkuberet med fluorescerende konjugeret transferrin (Cy3-Tf) eller HRP for at måle fluorescensintensiteten svarende til niveauerne af transferrin eller HRP overført til bundkammeret udelukkende gennem EC-transcytose. Sammenløbet af cellemonolaget kan bekræftes ved at måle TEER, hvilket indikerer den stramme krydsintegritet25. For at demonstrere TEER- og transcytoseassay-teknikken blev der anvendt kendte molekylære modulatorer af vaskulær permeabilitet og EC-transcytose, herunder vaskulær endotelvækstfaktor (VEGF)28 og dem i Wnt-signalering (Wnt-ligander: Wnt3a og Norrin)29.
BRB spiller en væsentlig rolle i retinal sundhed og sygdom. In vitro-teknikker, der vurderer vaskulær permeabilitet, har vist sig at være afgørende værktøjer i undersøgelser vedrørende barriere (BRB / BBB) udvikling og funktion. Den her beskrevne procedure kan anvendes til at studere de molekylære mekanismer, der ligger til grund for EC-transcytose eller evaluere relaterede molekylære modulatorer, der påvirker BRB-permeabiliteten. In vitro EC transcytose assays har flere fordele i forhold til…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af NIH-tilskud (R01 EY028100, EY024963 og EY031765) til JC. ZW blev støttet af et Knights Templar Eye Foundation Career Starter Grant.
Biological Safety Cabinet | Thermo Electron Corporation, Thermo Fisher Scientific | 1286 | |
Cell culture petridish | Nest Biotechnology | 704001 | |
Centrifuge | Eppendorf | 5702 | |
Centrifuge tubes (15 mL) | Corning Inc. | 352097 | |
Centrifuge tubes (50 mL) | Denville Scientific Inc. | C1062-P | |
Cyanine 3-human Transferrin | Jackson ImmunoResearch | AB_2337082 | |
Endothelial Cell Basal Medium-2 (EBM-2) | Lonza Bioscience | CC-3156 | |
Endothelial Cell Growth Medium-2 (EGM-2) SingleQuots supplements | Lonza Bioscience | CC-4176 | |
EVOM Millicell Electrical Resistance System-2 (ERS-2) | Millipore | MERS00002 | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Lonza Bioscience | CC-4102B | |
Gelatin | Sigma-Aldrich | G7765 | |
Hemocytometer (2-chip) | Bulldog Bio | DHC-N002 | |
Horseradish Peroxidase (HRP) | Sigma-Aldrich | P8250 | |
Human retinal microvascular endothelial cells (HRMEC) | Cell Systems | ACBRI 181 | |
Incubator | Thermo Electron Corporation, Thermo Fisher Scientific | 3110 | |
L cells (for Control-conditioned medium) | ATCC | CRL-2648 | |
L Wnt-3A cells (for Wnt3A-conditioned medium) | ATCC | CRL-2647 | |
Light microscope | Leica | DMi1 | |
Multimode Plate Reader | EnSight, PerkinElmer | ||
Phosphate-buffered saline (PBS) buffer (1x) | GIBCO | 10010-023 | |
QuantaBlu Fluorogenic Peroxidase Substrate kit | Thermo Fisher Scientific | 15169 | |
Recombinant human Norrin (rhNorrin) | R&D Systems | 3014-NR | |
Recombinant human Vascular endothelial growth factor (rhVEGF) | R&D Systems | 293-VE | |
Syringe filter (0.22 µm) | Millipore | SLGP033RS | |
Transwell inserts (6.5 mm transwell, 0.4 µm pore polyester membrane insert) | Corning Inc. | CLS3470-48EA | |
Trypsin-EDTA (0.25%) (1x) | GIBCO | 25-200-072 | |
Water bath | Precision, Thermo Fisher Scientific | 51221060 | |
XAV939 (Wnt/β-catenin Inhibitor) | Selleckchem | S1180 |