JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengineering

Макрофаг Репортер Ячейка Анализ для изучения Toll-как Рецептор-опосредованный NF-kB/AP-1 Сигнализация на Adsorbed белковых слоев на полимерных поверхностях

Published: January 07, 2020
doi:
10.3791/60317
, ,
1Department of Chemical Engineering,Queen’s University

Summary

Этот протокол предоставляет исследователям быстрый, косвенный метод измерения TLR-зависимых NF-Ap-1 транскрипционный фактор активности в линии макрофаговой линии murine макрофагов в ответ на различные полимерные поверхности и адсорированные белковые слои, которые моделируют микросреду биоматериального имплантата.

Abstract

Стойкий воспалительный ответ хозяина на имплантированный биоматериал, известный как реакция инородного тела, является серьезной проблемой в разработке и внедрении биомедицинских устройств и конструкций тканевой инженерии. Макрофаги, врожденная иммунная клетка, являются ключевыми игроками в реакции инородного тела, потому что они остаются на месте имплантата в течение всего срока службы устройства, и обычно изучаются, чтобы получить понимание этого вредного ответа хозяина. Многие исследователи биоматериалов показали, что адсорбированные белковые слои на имплантированных материалах влияют на поведение макрофагов, а затем влияют на реакцию хозяина. Методы в этой работе описывают модель in vitro с использованием адсорбовых белковых слоев, содержащих молекулы клеточного повреждения на полимерных биоматериальных поверхностях для оценки реакций макрофагов. Репортер NF/AP-1 репортер макрофаг-клеток линии и связанных с ним колориметрической щелочной фосфатазы анализа были использованы в качестве быстрого метода для косвенного изучения NF-ЗБ /AP-1 транскрипции фактор активности в ответ на сложные адсорbed белковых слоев, содержащих белки крови и повреждения связанных молекулярных моделей, как модель комплексного адсора белка.

Introduction

Реакция инородного тела (FBR) является хронической реакцией хозяина, которая может негативно повлиять на производительность имплантированного материала или устройства (например, устройства доставки лекарств, биосенсоров), через постоянное высвобождение воспалительных посредников и препятствуя интеграции между имплантированным материалом и окружающим веществом1. Этот врожденный иммунный ответ инициируется процедурой имплантации и характеризуется долгосрочным наличием врожденных иммунных клеток и образованием волокнистой капсулы вокруг имплантата1. В контексте ответов на материалы хоста взаимодействия макрофагов-материалов оказывают значительное влияние на прогрессирование реакции хозяина и развитие FBR1. Макрофаги представляют собой разнообразную популяцию врожденных иммунных клеток, набираемую в место имплантации либо из популяций макрофагов, проживающих в тканях, либо из крови в качестве макрофагов, полученных из моноцитов. Они начинают накапливаться в месте имплантации вскоре после имплантации, и в течение нескольких дней становятся преобладающей популяцией клеток в микросреде имплантата. Макрофаги, придерживающиеся материалов, наряду с инородными клетками-гигантами тела (FBGC), образующиеся в результате синтеза макрофагов, могут сохраняться на поверхности материка в течение всего срока службы имплантата2,3. Следовательно, макрофаги считаются ключевыми игроками в ответ ениму теле из-за их роли оркестровки характерные шаги FBR: острый воспалительный ответ, ремоделирование тканей, и формирование фиброзной ткани1.

Платные рецепторы (TLRs) являются семейством рецепторов распознавания образов, которые выражаются многими иммунными клетками, включая макрофаги, и, как было показано, играют значительную роль в воспалении и заживлении ран. В дополнение к патогенных лигандов, TLRs способны связывать эндогенные молекулы, известные как повреждения связанных молекулярных моделей (DAMPs), которые высвобождаются во время некроза клеток и активировать воспалительные сигнальные пути в результате производства провоспалительных цитокинов4. Мы и другие предложили, что ущерб, понесенный во время процедур биоматерии мягких тканей релиз DAMPs, которые затем адсорб на биоматериальные поверхности в дополнение к белкам крови и модулировать последующие клеточные материалы взаимодействия5,6. Когда макрофаги взаимодействуют с адсорбированным слоем белка на имплантате, их поверхность TLRs может распознавать адсорбированные DAMPs и активировать провоспалительные сигнальные каскады, что приводит к активации фактора транскрипции NF-З и AP-1 и выработке провоспалительных цитокинов. Ранее мы показали, что макрофаги минина значительно увеличили активность NF-QB/AP-1 и фактор некроза опухоли (TNF-з, провоспалительных цитокинов) секреции в ответ на DAMP-содержащих адсорбированных белков ы слоев на различных полимерных поверхностей по сравнению с поверхностями с адсорбированных сыворотки или плазмы только (т.е., нет DAMPs настоящее время), и что этот ответ в значительной степени опосредовано TLR2, в то время как TLR4 играет меньшую роль5.

NF-ЗБ / AP-1 репортер макрофаг клеточной линии(Таблица материалов), используемый в этом протоколе является удобным методом для измерения относительной активности NF-ЗБ и AP-1 в макрофагах5,7,8. В сочетании с ингибиторами Пути TLR, эта клеточная линия является полезным инструментом для исследования активации TLR и его роль в воспалении в ответ на различные стимулы5,7,8. Клетки репортера являются модифицированной мышью макрофагов-подобной клеточной линии, которая может застойно производить секретную эмбриональную щелочнуюфосфатазу (SEAP) на NF-ЗБ и AP-1 активации транскрипционного фактора 9. Анализ колориметрической эзамиатической щелочной фосфатазы(Таблица материалов)может быть использован для количественной оценки относительных количеств экспрессии SEAP в качестве косвенного измерения активности NF–ЗБ/AP-1. Поскольку NF-КВ и AP-1 находятся ниже по течению многих клеточных сигнальных путей, нейтрализация антител и ингибиторов, нацеленных на конкретные TLRs (например, TLR2) или молекулы адаптера TLR (например, MyD88), могут быть использованы для проверки роли конкретного пути. Методология, описанная в этой статье, обеспечивает простой и быстрый подход для оценки вклада TLR сигнализации в реакции murine macrophage на различные полимерные поверхности с адсорбированными слоями белка, содержащими как белки крови, так и DAMPs в качестве модели в ипруто имплантированных биоматериалов.

Protocol

1. Подготовка сми и реагентов Подготовка фибробластных носителей. Смешайте 450 мл модифицированной среды Орла Dulbecco (DMEM), 50 мл сыворотки крупного рогатого скота плода (FBS) и 5 мл пенициллина/стрептомицина. Хранить при 4 градусах по Цельсию до 3 месяцев. Подготовьте репортер макрофа?…

Representative Results

Методы очистки поверхностей с полимерным покрытием были протестированы, чтобы убедиться, что не было нарушения покрытия, которое будет рассматриваться как изменение угла контакта с водой на непокрытом стеклянном покрывале(рисунок 2). Замачивание PMMA покрытием микроско?…

Discussion

Основным направлением нашей лаборатории является реакция хозяина на имплантаты твердых биоматериалов мягких тканей, и, в частности, как повреждение клеток, понесенное во время процедуры имплантации, влияет на реакцию хозяина. Представленная здесь работа описывает предварительные эк?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы с благодарностью признают оперативное финансирование со стороны Канадских институтов здравоохранения исследовательский проект (PTJ 162251), Королевский университет Сената Консультативный комитет по исследованиям и инфраструктурной поддержки со стороны Канадского фонда инноваций Джон Эван лидерство фонда (проект 34137) и Министерство исследований и инноваций Онтарио научно-исследовательский фонд (проект 34137). L.A.M. была поддержана Королевским университетом Р. Сэмюэлем Маклафлином, Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канадской премии канадской стипендии и стипендией Онтарио. Авторы хотели бы поблагодарить д-ра Мирона Шевчука за его щедрый дар репортера NF-ЗБ/AP-1, а также докторов Майкла Бленнерхассетта и Сандры Лоуренссен за использование их системы гельной визуализации и считывателя пластин.

Materials

Cell culture reagents
anti-mouse/human CD282 (TLR2) Biolegend 121802
CLI-095 (TLR4 inhibitor) Invivogen TLRL-CLI95
C57 complement plasma K2 EDTA 10ml, innovative grade US origin InnovativeResearch IGMSC57-K2 EDTA-Compl-10ml Mouse plasma
Dulbecco's modified eagle medium (DMEM) Sigma Aldrich D6429-500ML
Dulbecco's phosphate buffered saline (DPBS) Fisher Scientific 14190250 No calcium, no magnesium
Fetal bovine serum (FBS), research grade Wisent 98150
LPS-EK Invivogen TLRL-EKLPS Lipopolysaccharide from Escherichia coli K12
NIH/3T3 fibroblasts ATCC CRL-1658
Pam3CSK4 Invivogen tlrl-pms Synthetic triacylated lipopeptide – TLR1/2 ligand
Penicillin/streptomycin Sigma Aldrich P4333-100ML
Plasmocin Invivogen ANT-MPP Mycoplasma elimination reagent
RAW-Blue cells Invivogen raw-sp NF-κB/AP-1 reporter macrophage cell line
Trypan blue solution, 0.4% Fisher Scientific 15250061
TrypLE express enzyme (1X) Fisher Scientific 12604021 animal origin-free recombinant cell dissociation enzyme
Zeocin Invivogen ANT-ZN-1
Kits and assays
ELISA precoated plates, mouse IL-6 Biolegend B213022
ELISA precoated plates, mouse TNF-α Biolegend B220233
Endotoxin (Escherichia coli) – Control standard endotoxin (CSE) Associates of Cape Cope Inc. E0005-5 Endotoxin for standard curve in chromogenic endotoxin assay
LAL water, 100 mL Associates of Cape Cope Inc. WP1001 Used with chromogenic endotoxin assay
Micro BCA protein assay Fisher Scientific PI23235
Limulus amebocyte lysate (LAL) Pyrochrome endotoxin test kit Associates of Cape Cope Inc. C1500-5 Chromogenic endotoxin assay reagent
QUANTI-Blue alkaline phosphatase detection medium Invivogen rep-qb2 Alkaline phosphatase assay to indirectly measure NF-κB/AP-1 activity
Polymeric coating reagents
Chloroform, anhydrous Sigma Aldrich 288306-1L
Ethyl alcohol anhydrous Commercial Alcohols P006EAAN Sigma: Reagent alcohol, anhydrous, 676829-1L
Straight tapered fine tip forceps Fisher Scientific 16-100-113
Fluorinert FC-40 solvent Sigma Aldrich F9755-100ML Fluorinated solvent for fPTFE
Cell culture grade water (endotoxin-free) Fisher Scientific SH30529LS
Poly(methyl methacrylate) (PMMA) Sigma Aldrich 182230-25G
Sylgard 184 elastomer kit Fisher Scientific 50822180
Teflon-AF (fPTFE) Sigma Aldrich 469610-1G Poly[4,5-difluoro-2,2-bis(trifluoromethyl)-1,3-dioxole-co-tetrafluoroethylene]
Consumables
Adhesive plate seals Fisher Scientific AB-0580
Axygen microtubes, 1.5 mL Fisher Scientific 14-222-155
Borosilicate glass scintillation vials, with white polypropylene caps Fisher Scientific 03-337-4
Clear PS 48-well plate Fisher Scientific 08-772-52
Clear TCPS 96-well plate Fisher Scientific 08-772-2C
Clear TCPS 48-well plate Fisher Scientific 08-772-1C
Cover glasses, circles Fisher Scientific 12-545-81
Falcon tissue culture treated flasks, T25 Fisher Scientific 10-126-10
sticky-Slide 8 Well Ibidi 80828
Superfrost microscope slides Fisher Scientific 12-550-15
Tissue culture treated flasks, T150 Fisher Scientific 08-772-48
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Anderson, J. M., Rodriguez, A., Chang, D. T. Foreign body reaction to biomaterials. Seminars in Immunology. 20 (2), 86-100 (2008).
  2. Anderson, J. M., Miller, K. M. Biomaterial biocompatibility and the macrophage. Biomaterials. 5 (1), 5-10 (1984).
  3. Collier, T. O., Anderson, J. M. Protein and surface effects on monocyte and macrophage adhesion, maturation, and survival. Journal of Biomedical Materials Research. 60 (3), 487-496 (2002).
  4. Bianchi, M. E. DAMPs, PAMPs and alarmins: all we need to know about danger. Journal of Leukocyte Biology. 81 (1), 1-5 (2007).
  5. McKiel, L. A., Fitzpatrick, L. E. Toll-like Receptor 2-Dependent NF-κB/AP-1 Activation by Damage-Associated Molecular Patterns Adsorbed on Polymeric Surfaces. ACS Biomaterials Science & Engineering. 4 (11), 3792-3801 (2018).
  6. Babensee, J. E. Interaction of dendritic cells with biomaterials. Seminars in Immunology. 20 (2), 101-108 (2008).
  7. Sintes, J., Romero, X., de Salort, J., Terhorst, C., Engel, P. Mouse CD84 is a pan-leukocyte cell-surface molecule that modulates LPS-induced cytokine secretion by macrophages. Journal of Leukocyte Biology. 88 (4), 687-697 (2010).
  8. Tom, J. K., Mancini, R. J., Esser-Kahn, A. P. Covalent modification of cell surfaces with TLR agonists improves and directs immune stimulation. Chemical Communications. 49 (83), 9618-9620 (2013).
  9. Abdulkhalek, S., et al. Neu1 sialidase and matrix metalloproteinase-9 cross-talk is essential for toll-like receptor activation and cellular signaling. Journal of Biological Chemistry. 286 (42), 36532-36549 (2011).
  10. Gorbet, M. B., Sefton, M. V. Endotoxin: The uninvited guest. Biomaterials. 26 (34), 6811-6817 (2005).
  11. Xing, Z., Pabst, M. J., Hasty, K. A., Smith, R. A. Accumulation of LPS by polyethylene particles decreases bone attachment to implants. Journal of Orthopaedic Research. 24 (5), 959-966 (2006).
  12. Ding, H., et al. Comparison of the cytotoxic and inflammatory responses of titanium particles with different methods for endotoxin removal in RAW264.7 macrophages. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 23 (4), 1055-1062 (2012).
  13. Hoogenboom, R., Becer, C. R., Guerrero-Sanchez, C., Hoeppener, S., Schubert, U. S. Solubility and thermoresponsiveness of PMMA in alcohol-water solvent mixtures. Australian Journal of Chemistry. 63 (8), 1173-1178 (2010).
  14. Efimenko, K., Wallace, W. E., Genzer, J. Surface modification of Sylgard-184 poly(dimethyl siloxane) networks by ultraviolet and ultraviolet/ozone treatment. Journal of Colloid and Interface Science. 254 (2), 306-315 (2002).
  15. Godek, M. L., Sampson, J. A., Duchsherer, N. L., McElwee, Q., Grainger, D. W. Rho GTPase protein expression and activation in murine monocytes/macrophages is not modulated by model biomaterial surfaces in serum-containing in vitro cultures. Journal of Biomaterials Science. Polymer Edition. 17 (10), 1141-1158 (2006).
  16. Park, J. S., et al. Involvement of Toll-like Receptors 2 and 4 in Cellular Activation by High Mobility Group Box 1 Protein. Journal of Biological Chemistry. 279 (9), 7370-7377 (2004).
  17. Ohashi, K., Burkart, V., Flohé, S., Kolb, H. Cutting Edge: Heat Shock Protein 60 Is a Putative Endogenous Ligand of the Toll-Like Receptor-4 Complex. The Journal of Immunology. 164 (2), 558-561 (2000).
  18. Wong, T., McGrath, J. A., Navsaria, H. The role of fibroblasts in tissue engineering and regeneration. British Journal of Dermatology. 156 (6), 1149-1155 (2007).
  19. van Wachem, P. B., et al. The influence of protein adsorption on interactions of cultured human endothelial cells with polymers. Journal of Biomedical Materials Research. 21 (6), 701-718 (1987).
  20. Miller, K. M., Anderson, J. M. Human monocyte/macrophage activation and interleukin 1 generation by biomedical polymers. Journal of Biomedical Materials Research. 22 (8), 713-731 (1988).
  21. Bonfield, T. L., Colton, E., Anderson, J. M. Plasma protein adsorbed biomedical polymers: Activation of human monocytes and induction of interleukin 1. Journal of Biomedical Materials Research. 23 (6), 535-548 (1989).
  22. González, O., Smith, R. L., Goodman, S. B. Effect of size, concentration, surface area, and volume of polymethylmethacrylate particles on human macrophages in vitro. Journal of Biomedical Materials Research. 30 (4), 463-473 (1996).
  23. Anderson, J. M., et al. Protein adsorption and macrophage activation on polydimethylsiloxane and silicone rubber. Journal of Biomaterials Science. Polymer Edition. 7 (2), 159-169 (1995).
  24. Lord, M. S., Foss, M., Besenbacher, F. Influence of nanoscale surface topography on protein adsorption and cellular response. Nano Today. 5 (1), 66-78 (2010).
  25. Chen, S., et al. Characterization of topographical effects on macrophage behavior in a foreign body response model. Biomaterials. 31 (13), 3479-3491 (2010).
  26. Shen, M., Horbett, T. A. The effects of surface chemistry and adsorbed proteins on monocyte/macrophage adhesion to chemically modified polystyrene surfaces. Journal of Biomedical Materials Research. 57 (3), 336-345 (2001).
  27. Love, R. J., Jones, K. S. The recognition of biomaterials: Pattern recognition of medical polymers and their adsorbed biomolecules. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 101 (9), 2740-2752 (2013).
  28. McNally, A. K., Anderson, J. M. Phenotypic expression in human monocyte-derived interleukin-4-induced foreign body giant cells and macrophages in vitro: Dependence on material surface properties. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 103 (4), 1380-1390 (2015).
  29. Gambhir, V., et al. The TLR2 agonists lipoteichoic acid and Pam3CSK4 induce greater pro-inflammatory responses than inactivated Mycobacterium butyricum. Cellular Immunology. 280 (1), 101-107 (2012).
  30. Suzuki, O., Yagishita, H., Yamazaki, M., Aoba, T. Adsorption of Bovine Serum Albumin onto Octacalcium Phosphate and its Hydrolyzates. Cells and Materials. 5 (1), 45-54 (1995).
  31. Johnston, R. L., Spalton, D. J., Hussain, A., Marshall, J. In vitro protein adsorption to 2 intraocular lens materials. Journal of Cataract and Refractive Surgery. 25 (8), 1109-1115 (1999).
  32. Jin, J., Jiang, W., Yin, J., Ji, X., Stagnaro, P. Plasma proteins adsorption mechanism on polyethylene-grafted poly(ethylene glycol) surface by quartz crystal microbalance with dissipation. Langmuir. 29 (22), 6624-6633 (2013).
  33. Swartzlander, M. D., et al. Linking the foreign body response and protein adsorption to PEG-based hydrogels using proteomics. Biomaterials. 41, 26-36 (2015).
  34. Chamberlain, M. D., et al. Unbiased phosphoproteomic method identifies the initial effects of a methacrylic acid copolymer on macrophages. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (34), 10673-10678 (2015).
  35. Dillman, W. J., Miller, I. F. On the adsorption of serum proteins on polymer membrane surfaces. Journal of Colloid And Interface Science. 44 (2), 221-241 (1973).
  36. Ishihara, K., Ziats, N. P., Tierney, B. P., Nakabayashi, N., Anderson, J. M. Protein adsorption from human plasma is reduced on phospholipid polymers. Journal of Biomedical Materials Research. 25 (11), 1397-1407 (1991).
  37. Warkentin, P., Wälivaara, B., Lundström, I., Tengvall, P. Differential surface binding of albumin, immunoglobulin G and fibrinogen. Biomaterials. 15 (10), 786-795 (1994).
  38. Berghaus, L. J., et al. Innate immune responses of primary murine macrophage-lineage cells and RAW 264.7 cells to ligands of Toll-like receptors 2, 3, and 4. Comparative Immunology, Microbiology and Infectious Diseases. 33 (5), 443-454 (2010).
  39. Zhang, Y., Karki, R., Igwe, O. J. Toll-like receptor 4 signaling: A common pathway for interactions between prooxidants and extracellular disulfide high mobility group box 1 (HMGB1) protein-coupled activation. Biochemical Pharmacology. 98 (1), 132-143 (2015).
  40. Mizel, S. B., Honko, A. N., Moors, M. A., Smith, P. S., West, A. P. Induction of macrophage nitric oxide production by Gram-negative flagellin involves signaling via heteromeric Toll-like receptor 5/Toll-like receptor 4 complexes. Journal of Immunology. 170 (12), 6217-6223 (2003).
  41. Das, N., et al. HMGB1 Activates Proinflammatory Signaling via TLR5 Leading to Allodynia. Cell Reports. 17 (4), 1128-1140 (2016).
  42. Pelegrin, P., Barroso-Gutierrez, C., Surprenant, A. P2X7 Receptor Differentially Couples to Distinct Release Pathways for IL-1β in Mouse Macrophage. The Journal of Immunology. 180 (11), 7147-7157 (2008).
  43. Tak, P. P., Firestein, G. S. NF-κB: A key role in inflammatory diseases. Journal of Clinical Investigation. 107 (1), 7-11 (2001).
  44. Ashkenazi, A., Dixit, V. M. Death receptors: signaling and modulation. Science. 281 (5381), 1305-1308 (1998).
  45. Erridge, C. Endogenous ligands of TLR2 and TLR4: agonists or assistants. Journal of Leukocyte Biology. 87 (6), 989-999 (2010).
  46. Feng, Y., et al. A macrophage-activating, injectable hydrogel to sequester endogenous growth factors for in situ angiogenesis. Biomaterials. 134, 128-142 (2017).
  47. Lonez, C., et al. Cationic lipid nanocarriers activate Toll-like receptor 2 and NLRP3 inflammasome pathways. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine. 10 (4), 775-782 (2014).

Tags

Keywords: Macrophage Reporter Cell AssayToll-like ReceptorNF-kBAP-1SignalingAdsorbed Protein LayersPolymeric SurfacesPMMASpin Coating3T3 Cell LysatesCell CultureCell Dissociation
check_url/60317?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
McKiel, L. A., Woodhouse, K. A., Fitzpatrick, L. E. A Macrophage Reporter Cell Assay to Examine Toll-Like Receptor-Mediated NF-kB/AP-1 Signaling on Adsorbed Protein Layers on Polymeric Surfaces. J. Vis. Exp. (155), e60317, doi:10.3791/60317 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image