A-alta conteúdo<em> In Vitro</em> Replicação plataforma de descoberta de células-β das ilhotas pancreáticas
Summary
desafios críticos para o campo de pesquisa do diabetes estão a compreender os mecanismos moleculares que regulam a replicação de células β dos ilhéus e desenvolver métodos para estimular a regeneração de células-β. Aqui um método de alto teor de rastreio para identificar e avaliar a actividade de promoção da replicação de células β de moléculas pequenas é apresentada.
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
Diabetes engloba um conjunto de distúrbios que compartilham o ponto final comum de homeostase da glicose interrompido. Embora os mecanismos patogênicos dos subtipos de diabetes são distintos, eles compartilham a conseqüência da massa de células β diminuiu, ou seja, a perda de capacidade de produção de insulina 1,2. Atualmente, as estratégias de tratamento diabetes dependem de administração crônica de insulina exógena, a estimulação farmacológica da produção de insulina ou aumento da sensibilidade à insulina, e, raramente, o transplante de ilhotas pancreáticas ou toda 3,4 pâncreas. Infelizmente, o sucesso dessas estratégias é de curta duração e / ou falha de recapitular suficientemente a função da produção endógena de insulina. Apesar da utilidade de desenvolver um método para estimular a regeneração de células β, não existe tal abordagem. Por conseguinte, um dos principais objetivos diabetes pesquisa é desenvolver métodos para gerar novas células beta ou para expandir a massa de células β endógena 5 </sup>. Embora a regeneração de células-β a partir de fontes renováveis, tais como as células estaminais embrionárias está avançando, segurança e eficiência preocupações fazer a busca de estratégias alternativas, incluindo a expansão das células beta maduras, uma prioridade 6,7. Importante, a fonte predominante de células beta novas in vivo é pré-existentes células beta, em vez de células progenitoras especializados 8,9. Embora células beta parecem ter capacidade limitada de replicação, um pequeno aumento na quantidade de células β (~ 30%) pode ser suficiente para restaurar a homeostase de glucose em muitos diabéticos. Além disso, na estimulação farmacológica in situ da massa de células β é uma estratégia de tratamento potencialmente barato e escalável. Aqui um método de rastreio de alto conteúdo para identificação e caracterização de moléculas pequenas que estimulam o crescimento de células β é apresentada.
Uma variedade de métodos experimentais in vitro pode ser utilizado para identificar produtos de genes e / ou moléculas de that promover a replicação de células-β primário. Os esforços iniciais para medir a indução da replicação em células β usado cultura roedor pancreata fetal ou intactos culturas isolado das ilhotas para medir a [3 H] timidina, a incorporação de BrdU ou corpos mitóticos dentro do aldeído-tionina ou insulina população corada em resposta às condições específicas de tratamento 10, 11. Estas abordagens in vitro e variantes próximas da mesma têm várias limitações. Deficiências proeminentes incluem (1) a utilização de células fetais, que, ao contrário de culas maduras, exibem uma elevada taxa de replicação de células basais e são β crescimento regulada de forma distinta 12; (2) a natureza subjetiva da adjudicação dependente do experimentador de eventos de replicação de células-β; (3) o trabalho e tempo natureza intensiva da contagem dependente do experimentador de eventos de replicação de células-β retarda o rendimento experimental; (4) o uso de armas nucleares incorporação / Mancha / aparência para identificar replicação mesmoTS e um corante citoplasmático não sobrepostos para identificar culas leva a misattribution de eventos de replicação de células não-β aproximadas a p-células.
Mais recentemente culas maduras primários têm sido usados para avaliar o impacto da sobre-expressão do transgene, bem como o tratamento do produto do gene ou do composto na replicação de células β 13-16. No entanto, estes estudos também têm invocado contagem subjetiva de eventos de replicação, métodos staining- citoplasmática ou não-específicos para a identificação de células β e / ou etapas de trabalho intensivo que limitam o rendimento, por exemplo, cada slide-bem chapeamento de células ou ilhotas intactas inclusão em parafina e processamento 17. Notavelmente, uma célula-β humano metodologia de rastreio replicação baseada em imagem, semelhante ao aqui apresentada, foi publicado em 18 de; No entanto, a utilização bem sucedida deste ensaio não foi demonstrada e a utilização de ilhéus humanos para o rastreio primário pode não ser amplamente feasível.
Uma estratégia alternativa para a identificação de substâncias promotoras de replicação é para avaliar a indução do crescimento de linhas de células β. Os esforços iniciais usadas transformadas beta-linhas celulares tais como MIN6 células ou INS 832/13 células-14,19-21. No entanto, estas linhas celulares demonstram crescimento desenfreado e têm pouca semelhança com células beta bem diferenciados 22. Consequentemente, a capacidade de crescimento de indução é mínima, de relevância pouco clara e às vezes difícil de recapitular. Uma estratégia melhorado para o rastreio baseado em linha de célula utiliza "reversivelmente transformada" células que são presos de crescimento na ausência de tetraciclina (doxiciclina) de SV40 dependente de T a expressão de antigénio 23,24. No entanto, não é claro se estas células reverter para um estado de células-β como "normal", após a remoção de doxiciclina. Infelizmente, o uso dessas células produziu compostos que promovem o crescimento generalizadas que não parecem ter utilidade imediata24. Em geral, a utilização de linhas celulares para estudar a regulação do crescimento de um tipo celular exibindo actividade espontânea replicação mínima pode ter aplicabilidade limitada.
A replicação plataforma de triagem de células β aqui apresentada utiliza células p de rato primária maduros para reter na regulação do crescimento in vivo na medida do possível, as culturas de células das ilhotas de composição de tipo celular mista para permitir a identificação de actividades promotoras de crescimento de restrição de linhagem, multi -bem formatação para maximizar o rendimento e análise automatizada para eliminar o preconceito e facilitar a transferência. O sucesso no uso desta plataforma permitiu a identificação de vários compostos que promovem a replicação de células-β 25,26. Além disso, o ensaio foi usado para estudos de relação estrutura-actividade e experiências de epistasia químicos para fornecer informações mecanísticos para a regulação molecular da replicação de células β. A plataforma apresentada foi adaptado com sucesso foinvestigação baseada em RNAi r lentiviral da replicação de células-β vias 25. Limitações do ensaio compreendem uma restrição escalabilidade (uso de pilhas), uso de roedor, em vez de células das ilhotas humanos (embora o ensaio pode ser adaptados para estudos de ilhotas humanas), despesas associadas com a imagem baseada em anticorpos e à utilização de ilhotas primária, a utilização de ilhotas dispersas (interrompido arquitetura da ilhota) para facilitar a aquisição de imagem automatizada e dependência da disponibilidade de um microscópio automatizado, com aquisição de imagem e capacidade de análise. Embora uma fácil in vivo metodologia de rastreio para identificar produtos de genes ou compostos que estimulam a regeneração de células β in situ seria o ideal, uma tal plataforma ainda não está disponível 27. Consequentemente, a plataforma descrito é apropriado para pesquisador interessado em investigar maioria dos aspectos da replicação de células-β.
Protocol
Representative Results
Discussion
métodos experimentais para estudar as vias moleculares que controlam o crescimento de células β e regeneração são ferramentas importantes para pesquisadores diabetes. Nisto, uma plataforma de rastreio baseado-rato-ilhota para identificar e caracterizar estimuladores de pequenas moléculas de replicação de células β é apresentada.
Enquanto a maioria dos aspectos deste protocolo são facilmente realizados por pesquisadores experientes, a poucos passos requerem técnica particular. E…
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
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