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Immunology and Infection

インビトロ 病原体誘導性好中球トランス上皮移動を評価するコーカルチャーアッセイ

Published: January 06, 2014
doi:
10.3791/50823
, , ,
1Department of Pediatrics,Harvard Medical School, 2Department of Pediatric Gastroenterology,MGH for Children, 3Mucosal Immunology and Biology Research Center,Massachusetts General Hospital

Summary

粘膜細菌感染に応答して好中球トランス上皮移動は、上皮損傷および臨床疾患に寄与する。この現象を調整する分子機構の解明に向けた研究を容易にするために、トランスウェルフィルター上で成長した病原体、ヒト好中球、偏光ヒト上皮細胞層を組み合わせた in vitro モデルが開発されました。

Abstract

粘膜表面は、病原性生物に対する保護障壁として機能します。自然免疫応答は、主に好中球の炎症性細胞を移行させる組織の浸潤につながる病原体を感知すると活性化される。このプロセスは、過剰な場合や未解決の状態で保持されている場合、組織に破壊的になる可能性があります。 培養イン ビトロ モデルは、病原体誘導性好中球トランス上皮移動に関与する独自の分子機構を研究するために利用することができる。このタイプのモデルは、実験設計において、病原体、上皮バリア、または好中球の制御された操作の機会を持つ汎用性を提供します。透過性トランスウェルフィルター上で成長した偏光上皮単層の有端表面の病原性感染は、バソラテラル表面に適用される好中球の有端な経上皮移動に生理学的に関連するバソラターレを扇動する。本明細書に記載の in vitro モデルは、病原性 P.緑素吸 虫(PAO1)に感染した偏光肺上皮単層を横切って好中球の移動を実証するために必要な複数のステップを示す。ヒト由来肺上皮細胞による透過性トランスウェルの播種および培養は、全ヒト血液からの好中球の単離およびPAO1および非病原性K12 大腸菌 (MC1000)の培養と共に記載されている。 病原性感染に応答して動員された好中球の移行過程および定量分析は、陽性および陰性対照を含む代表的なデータで示されている。この インビトロ モデルシステムは、他の粘膜表面に操作し、適用することができます。過剰好中球浸潤を伴う炎症反応は、宿主組織に破壊的であり、病原性感染がない場合に起こり得る。本明細書に記載の インビトロ 共培養アッセイシステムの実験的操作を通じて好中球トランス上皮移動を促進する分子機構をよりよく理解することは、炎症性疾患と同様に感染性の様々な粘膜の範囲に対する新しい治療標的を同定する重要な可能性を有する。

Introduction

粘膜表面は、環境1,2に広がった外部の脅威に対する保護を提供する物理的および免疫学的障壁として機能する。この保護上皮障壁は、病原性生物が2に侵入すると損なわれる可能性がある。細菌病原体の場合、この遭遇はしばしば自然免疫系を活性化し、好中球2-4として知られている最初の応答者顆粒球の急速な動員を引き起こすことによって炎症過程を誘発する。好中球の採用を促進する化学戦術剤は、問題の病原体2-4の宿主を取り除こうとする粘膜上皮細胞によって部分的に産生される。粘膜上皮表面の過剰または未解決の好中球浸潤は、重大な病理1,5を引き起こす可能性がある。これは、抗細菌性好中球兵器5-7によって引き起こされる非特異的組織損傷の結果である。このような場合、好中球の細菌クリアランス能力は、感染性の侮辱の間に宿主組織の破壊によって影を落とす。 保護上皮バリア機能の破壊は、微生物および/または毒素への基礎組織の暴露の増強をもたらし、病態8,9をさらに悪化させる。これらの結果は、肺および消化管1,5を含む多臓器系で観察することができる。さらに、喘息の重篤な発作、慢性閉塞性肺疾患(COPD)、急性呼吸窮迫症候群(ARDS)、および炎症性腸疾患(IBD)などの非感染性炎症性疾患は、過剰好中球応答4,5,10-12による粘膜上皮バリアの病理学的違反によって特徴付けられます。

粘膜感染後の好中球の採用の複雑なプロセスは、いくつかの区画化ステップ1,5,13,14を伴う。第一に、好中球は、経内皮移動を促進する一連の細胞間相互作用を介して循環から逸脱しなければならない1,13。好中球は次に細胞外マトリックス1,14を含む既存の間質空間をナビゲートする。感染した粘膜の内腔に到達するには、好中球は上皮バリア1,4,5を越えて移動しなければならない。この複雑な多段階現象は、多くの場合、生体 内 感染の動物モデル15を用いて集合的に調査される。このようなモデルは、ケモカイン、接着分子、または全体的なプロセスに関与するシグナル伝達経路などの特定の因子の必要性を確立するのに有用であるが、各区分化ステップ16に対して重要な分子寄与を解決するのには大きく不十分である。好中球のトランス内皮、トランスマトリックス、またはトランス上皮移動をモデル化したイン ビトロ 系の共培養は、この点1,14、16、17において特に有用であった。

病原性感染に応答して好中球トランス上皮移動を担う機構を解読することを目的とした強固な共培養アッセイシステムが開発された。このモデルは、分極化したヒト上皮細胞層の有端表面を細菌病原体に感染させ、続いて新たに単離されたヒト好中球をバソラショナル表面18〜22に適用することを含む。好中球は、病原性感染後に分泌される上皮由来の化学戦術産物に応答して上皮バリアを越えて移動する18,21-23.このモデルシステムは、適切な組織特異的細菌病原体に曝露された腸及び肺上皮培養物を用いて採用されており、粘膜感染時の好中球の採用過程において重要である可能性が高い新しい分子機構を明らかにした3,8,19,24-28。この in vitro の共培養モデルの強みは、還元的アプローチにより、研究者が十分に制御され、高度に再現性の高い、かなり安価なシステムで病原体、上皮バリア、および/または好中球を実験的に操作することを可能にすることです。このアプローチから収集された洞察は、 生体内 感染モデル22,29,30を用いた好中球募集中の区分化事象の集中分析を効果的に行うために活用することができる。

本稿では、病原体誘導性好中球越上皮移動を探求するために、この再現可能なモデルを確立するために必要な複数のステップを示す。病原体 シュードモナス・エルギノーザ に感染した肺上皮障壁はこの記事で紹介されています。しかし、他の組織上皮および病原体は、軽微な修飾で置換することができる。逆コラーゲン被覆透過性トランスウェルフィルター上の偏光性肺上皮細胞層の播種および培養は、病原性 P.緑素吸除の 成長および全血からの好中球の単離と同様に、本明細書で詳述される。これらの成分を組み合わせて病原体誘導性好中球トランス上皮移動を観察する方法は、適切な陽性および陰性制御と共に提示され、再現可能なアッセイを確立する。このアプローチの多様性は、病原体誘導性好中球トランス上皮移動の様々な側面を調べるための、文献における特定の研究を参照して議論される。

Protocol

ステップ(1-3)は、層流フードの下で滅菌環境で行われるべきである。 1. コラーゲンコーティングトランスウェル 30 μg/ml のコラーゲン溶液を作ります。0.2 μmフィルター単位を通過した60%エタノールで3mg/mlコラーゲンストック1:100を希釈します。 ボルテックス希釈30 μg/ml溶液。注:この溶液は非常に粘性であり、気泡が導入され、ピペット時の精度が?…

Representative Results

いくつかの研究は、病原体感染上皮層が好中球トランス上皮移動を促進することを実証している3,8,19,24-28,31,32.これは、上皮細胞由来好中球化学修飾勾配3,23の病原体特異的誘導を介して起こる。例えば、肺上皮細胞の有端表面と相互作用する病原性 P.緑素球 は、上皮層18,22,25,26,33,34に渡ってかなりの数の好中球を移動させる。この臨床的に関連するアッセイシ?…

Discussion

粘膜上皮表面を越えて好中球の移動は、細菌病原体3に感染した後の疾患病理における共通の特徴である。本明細書に記載された方法論は、細菌感染によって引き起こされる炎症過程の特徴をモデル化するヒト細胞由来 のインビトロ 共培養アッセイシステムを用いて、この離散事象を実験的に分離するための迅速で簡単なアプローチを提供する。このシステムは、もともと …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この作業は、NIH(1 R01 AI095338-01A1)によって財政的にサポートされました。

Materials

NCl-H292 cells ATCC CRL-1848
RPMI-1640 medium ATCC 30-2001
Pseudomonas aeruginosa PAO1 ATCC #47085
Escherichia coli MC1000 ATCC #39531
D-PBS (1x) liquid Invitrogen 14190-144 without calcium and magnesium
Heat Inactivated Fetal bovine serum Invitrogen 10082-147 10% added to culture medium
Penicillin-Streptomycin Invitrogen 15140-122 100x: 10,000 units of penicillin and 10,000 µg of streptomycin per ml.
Trypsin-EDTA (0.05%) Invitrogen 25300-062 50 ml aliquots are stored frozen at -20 ºC.  Aliquot in use can be stored at 4 ºC short-term.  
Hank's Balanced Salt Solution – HBSS(-) Invitrogen 14175-079 Sterile, without calcium and magnesium
Trypan Blue Solution Invitrogen 15250-061. Stock = 0.4%
Collagen, Rat Tail Invitrogen A10483-01 Can also be isolated in the laboratory directly from the tails of rats using standard protocols
Citric acid Sigma-Aldrich  C1909-500G Component of 1 M citrate buffer and acid citrate dextrose (ACD) solution
Sodium Citrate Sigma-Aldrich  S4641-500G Component of 1 M citrate buffer
Dextrose anhydrous Sigma-Aldrich  D8066-250G Component of acid citrate dextrose (ACD) solution
Ammonium Chloride Sigma-Aldrich  213330-500G Component of red blood cell (RBC) lysis buffer
Sodium bicarbonate Sigma-Aldrich  S6014-500G Component of red blood cell (RBC) lysis buffer
EDTA Sigma-Aldrich  ED-100G Component of red blood cell (RBC) lysis buffer
HBSS(+) powder Sigma-Aldrich  H1387-10L Key component of HBSS+
HEPES Sigma-Aldrich  H3375-500G Component of HBSS+
Sigmacote Sigma-Aldrich  SL2-25ML Follow vendor instructions to coat glass pipette tips
Triton X-100 Sigma-Aldrich  T-9284
2,2'-Azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt (ABTS) Sigma-Aldrich  A9941-50TAB Key component of ABTS substrate solution
30% Hydrogen Peroxide Solution Sigma-Aldrich  H1009-100ML Component of ABTS substrate solution
N-Formyl-Met-Leu-Phe (fMLP or fMLF) Sigma-Aldrich  F-3506 A Stock solution of 10 mM in DMSO should be prepared and aliquots stored at -20 ºC.
Gelatin Type B Fisher Scientific M-12026
Pseudomonas isolation agar  Fisher Scientific DF0927-17-1 Follow manufacturer’s instructions to make PIA plates
Ficoll-Paque PLUS  Fisher Scientific 45-001-749 Optional, can improve neutrophil purity
Name of Material / Equipment Company Catalog Number Comments
24-well migration plate Corning Incorporated #3524
24-well wash plate Falcon 35-1147 Can be reused if soaked in 70% ethanol and washed thoroughly prior to reuse
96-well plate Fisher Scientific #12565501
Transwell Permeable Supports  Corning Incorporated #3415 Polycarbonate; Diameter: 6.5 mm; Growth area: 0.33 cm2; Dish style: 24-well plate; Pore size: 3.0 µm
Petri dish Falcon 35-1013 Each Petri dish holds 24 inverted 0.33 cm2 Transwells.  
500 ml 0.2 μm filter / flask Fisher Scientific 09-740-25A To sterilize acid citrate dextrose (ACD) solution
5-3/4 in glass Pasteur pipette Fisher Scientific 13-678-20A Coat tips with Sigmacote prior to use
Hemostat Fisher Scientific 13-812-14 Curved, Serrated
Invertoskop Inverted Microscope Zeiss #342222
Versa-Max Microplate Reader Molecular Devices #432789
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References

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Keywords: In Vitro CocultureNeutrophil Trans-epithelial MigrationMucosal ImmunityPathogenic InfectionPolarized Epithelial MonolayerNeutrophil InfiltrationInflammatory ResponseTherapeutic Targets
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Kusek, M. E., Pazos, M. A., Pirzai, W., Hurley, B. P. In vitro Coculture Assay to Assess Pathogen Induced Neutrophil Trans-epithelial Migration. J. Vis. Exp. (83), e50823, doi:10.3791/50823 (2014).
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