Un haut contenu<em> In vitro</em> Pancreatic Islet β-cellulaire Plateforme de découverte de la réplication
Summary
défis critiques pour le domaine de la recherche sur le diabète sont de comprendre les mécanismes moléculaires qui régulent la réplication β-cellules d'îlots et de développer des méthodes pour stimuler la régénération β-cellulaire. Ici une méthode de criblage à haut contenu pour identifier et évaluer l'activité de réplication favorisant β-cellulaire de petites molécules est présenté.
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
Le diabète englobe un ensemble de troubles qui partagent le point final de la perturbation de l'homéostasie du glucose commun. Bien que les mécanismes pathogènes de sous – types de diabète sont distincts, ils partagent la conséquence de la masse β-cellulaire a diminué, soit la perte de la capacité de production d'insuline 1,2. À l' heure actuelle, les stratégies de traitement du diabète reposent sur l' administration chronique de l' insuline exogène, une stimulation pharmacologique de la production d'insuline ou à l' amélioration de la sensibilité à l'insuline, et plus rarement, la transplantation d'îlots pancréatiques ou 3,4 du pancréas entier. Malheureusement, le succès de ces stratégies est de courte durée et / ou ne parvient pas à récapituler suffisamment la fonction de production d'insuline endogène. Malgré l'utilité de développer une méthode pour stimuler la régénération β-cellulaire, une telle approche existe. Par conséquent, un objectif majeur de la recherche sur le diabète est de développer des méthodes pour générer des cellules ß nouvelles ou pour développer la masse β-cellulaire endogène 5 </sup>. Bien que la régénération β-cellule à partir de sources renouvelables telles que les cellules souches embryonnaires progresse, la sécurité et l' efficacité des préoccupations rendent la poursuite de stratégies alternatives, y compris l' expansion des cellules bêta matures, une priorité 6,7. Surtout, la principale source des cellules ß nouvelles in vivo les cellules ß pré-existantes plutôt que des cellules souches spécialisées 8,9. Bien que les cellules ß semblent avoir une capacité de replication limitée, une faible augmentation de la masse des cellules β (~ 30%) peut être suffisante pour rétablir l'homéostasie du glucose, dans de nombreux diabétiques. En outre, dans la stimulation pharmacologique in situ de la masse β-cellulaire est une stratégie de traitement potentiellement peu coûteux et évolutive. Ici un procédé de criblage à haut contenu pour identifier et caractériser les petites molécules qui stimulent la croissance des cellules β est présenté.
Une variété de méthodes expérimentales in vitro peuvent être utilisées pour identifier des produits et / ou des molécules tha gènest promouvoir la réplication β-cellule primaire. Les premiers efforts pour mesurer la β-cellulaire réplication induction utilisés culture rongeur pancreata foetal ou de cultures d'îlots isolés intacts pour mesurer [3 H] thymidine, l' incorporation de BrdU ou organismes mitotique au sein de l'aldéhyde-thionine ou de l' insuline population tachée en réponse à des conditions de traitement spécifiques 10, 11. Ces approches in vitro et variantes proches de celui – ci ont plusieurs limites. Déficiences notables figurent (1) l'utilisation de cellules fœtales qui, contrairement à cellules bêta matures, affichent un taux de réplication β-cellule basale élevée et sont la croissance régulée d'une manière distincte 12; (2) la nature subjective de expérimentateur dépendant arbitrage des événements de réplication β-cellulaire; (3) le travail et la nature intensive de temps de expérimentateur dépendant comptage des événements de réplication β-cellulaire retarde le débit expérimental; (4) l'utilisation de l'énergie nucléaire incorporation / tache / apparence pour identifier la réplication mêmets et une tache cytoplasmique non-chevauchement pour identifier les cellules ß conduit à mésattribution des événements de réplication non-β-cellulaire à proximité de ß-cellules.
Plus récemment , les cellules ß-primaires matures ont été utilisées pour évaluer l'impact du transgène sur-expression ainsi que le traitement du produit du gène ou d'un composé sur la réplication β-cellulaire 13-16. Cependant, ces études ont également compté sur le comptage subjective des événements de réplication, les méthodes de staining- cytoplasmique ou non spécifiques pour l' identification β-cellulaire et / ou étapes de main-d'œuvre qui limitent le débit, par exemple, individuelle plaquage slide-puits de cellules ou îlots intacts inclusion dans la paraffine et le traitement 17. En particulier, une méthode de criblage de réplication β-cellule humaine basée sur l' image, similaire à celui présenté ici, a été publiée 18; cependant, l'utilisation réussie de cet essai n'a pas été démontrée et l'utilisation d'îlots humains pour le dépistage primaire ne peut pas être largement feasible.
Une stratégie alternative pour l'identification des substances de réplication de promotion est d'évaluer l'induction de lignes β-cellulaires croissance. Les efforts initiaux utilisés ß-lignées cellulaires transformées telles que MIN6 cellules ou INS 832/13-cellules 14,19-21. Cependant, ces lignées cellulaires montrent une croissance effrénée et portent peu de ressemblance avec les cellules ß bien différenciées 22. Par conséquent, la capacité de croissance induction est minime, de la pertinence claire et parfois difficiles à récapituler. Une stratégie améliorée pour le criblage à base de cellules en ligne utilise des "réversiblement transformé" cellules qui sont la croissance arrêtée en l'absence de tétracycline (doxycycline) SV40 dépendante T expression de l' antigène 23,24. Cependant, il est difficile de savoir si ces cellules reviennent à un état β-cell-like "normal" lors du retrait de la doxycycline. Malheureusement, l'utilisation de ces cellules a donné des composés favorisant la croissance généralisée qui ne semblent pas avoir une utilité immédiate24. Dans l' ensemble, l'utilisation de lignées cellulaires pour étudier la régulation de la croissance d'un type de cellule présentant une activité de réplication spontanée minimale peut avoir une applicabilité limitée.
La plate – forme de criblage réplication β-cellule présentée ici utilise les cellules ß primaires de rat matures pour maintenir la régulation de la croissance in vivo dans la mesure du possible, les cultures d' îlots de cellules de composition de type mixte de cellules pour permettre l' identification des activités favorisant la croissance de la lignée restreinte, multi -Bien mise en forme afin de maximiser le débit et l'analyse automatisée afin d'éliminer les préjugés et faciliter le débit. L' utilisation réussie de cette plate – forme a permis l' identification de plusieurs composés qui favorisent la réplication β-cell 25,26. En outre, l'essai a été utilisé pour des études de structure-activité des relations et des expériences épistasie chimiques pour fournir des indications mécanistiques dans la régulation moléculaire de la réplication des cellules β. La plate-forme a été présentée adapté avec succès foenquête sur la réplication β-cellulaire à base d'ARNi r lentiviral pathways 25. Limites de l'essai comprennent l'évolutivité limitée (utilisation de cellules primaires), l'utilisation de rongeurs plutôt que des cellules d'îlots humains (bien que le dosage peut être adapté pour des études d'îlots humains), les frais associés à l'imagerie à base d'anticorps et l'utilisation des îlots primaire, l'utilisation des îlots dispersés (architecture des îlots perturbés) afin de faciliter l'acquisition d'image automatique et fonction de la disponibilité d'un microscope automatisé avec l'acquisition de l'image et la capacité d'analyse. Bien que facile in vivo méthode de criblage pour identifier des produits géniques ou des composés qui stimulent la régénération β-cellulaire in situ serait idéal, une telle plate – forme est pas encore disponible 27. Par conséquent, la plate-forme décrite est appropriée pour chercheur intéressé à enquêter sur la plupart des aspects de la réplication β-cellulaire.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les méthodes expérimentales pour étudier les voies moléculaires qui contrôlent la croissance β-cellulaire et la régénération sont des outils importants pour les chercheurs sur le diabète. Ici, une plate-forme de criblage à base de rat-îlot pour identifier et caractériser les stimulateurs de petites molécules de réplication β-cellulaire est présenté.
Alors que la plupart des aspects de ce protocole sont facilement réalisées par des chercheurs expérimentés, quelques étap…
Disclosures
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 |
References
- 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).
