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In diesem Artikel

  • Erratum Notice
  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Erratum
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Erratum Notice

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Zusammenfassung

Eine Flow Cytometry basierende Methode quantitativ bestimmen die zytotoxische Aktivität des menschlichen natürliche Killerzellen wird hier angezeigt.

Zusammenfassung

Innerhalb des angeborenen Immunsystems spielen Effektor-Lymphozyten, die sogenannten natürlichen killer (NK)-Zellen eine wesentliche Rolle in der Wirt Verteidigung gegen anomale Zellen, insbesondere Beseitigung Tumor und viral infizierte Zellen. Ca. 30 bekannten monogenen Defekte, zusammen mit einer Vielzahl von anderen pathologischen Zuständen verursachen entweder funktionelle oder klassische NK Zelle Mangel, manifestiert sich in reduziert oder fehlend zytotoxische Aktivität. In der Vergangenheit wurde Zytotoxizität mit radioaktiven Methoden untersucht die mühsam, teuer und potenziell gefährlich sind. Dieser Artikel beschreibt eine optimierte, klinisch einsetzbaren Flow Cytometry basierende Methode um zytotoxische NK-Zell-Aktivität zu quantifizieren. In diesem Test sind peripheren mononukleären Zellen (PBMCs) oder gereinigte NK Zelle Vorbereitungen Co inkubierten bei unterschiedlichen Verhältnissen eine Ziel-Tumor-Zell-Linie bekannt, empfindlich gegen NK zellvermittelte Zytotoxizität (NKCC) sein. Die Zielzellen sind bereits beschriftet mit einem Fluoreszenzfarbstoff ermöglicht ihre Diskriminierung aus den Effektorzellen (NK-Zellen). Nach der Inkubationszeit sind getöteten Zielzellen durch eine Nukleinsäure-Fleck, identifiziert, die speziell die abgestorbenen Zellen durchdringt. Diese Methode ist geeignet, um sowohl Diagnose- und Anwendungen in der Forschung und, Dank an die Multiparameter-Fähigkeiten der Durchflusszytometrie, hat den zusätzlichen Vorteil der potenziell ermöglicht eine tiefere Analyse der NK Zelle Phänotyp und Funktion.

Einleitung

Natürliche killer (NK)-Zellen sind eine anspruchsvolle Teilmenge der menschlichen angeborenen Lymphozyten kritisch beteiligt bei der Beseitigung von viral infizierte Zellen, transformierten Zellen und anderen pathogenen Bedrohungen 1,2. NK-Zellen lytische Granulat Haus zytotoxische Proteine, wie Perforin und Granzyme. Nach der Aktivierung NK-Zellen bilden ein komplexes Zusammenspiel mit ihren Zielen bekannt als immunologische Synapse, wobei diese Zytolyse Moleküle lokal freigesetzt werden, was direkte Ziel Zelle Lysis und Apoptose, zusammen mit Freisetzung von Zytokinen und Chemokin und letztlich in der Induktion von einem entzündlichen Zustand 1,3,4.

NK-Zell-Aktivierung beinhaltet eine komplexe Reihe von Aktivierung und hemmende Interaktionen zwischen NK Zell-Rezeptoren und Liganden auf der Oberfläche der Zielzellen, bilden ein streng regulierte System ausgedrückt. Einer der am besten untersuchten Mechanismen der NK-Zell-Aktivierung ist das "fehlende selbst". In der Tat, fehlende Erkennung der Klasse, die ich major Histocompatibility complex (MHC) oder human Leukocyte Antigen (HLA) Moleküle auf infiziert oder Zellen Trigger NK Zelle Zytotoxizität umgewandelt. Tumor und Virus-infizierten Zellen in der Regel Downregulate diese Antigene T zellvermittelte Immunität, so zum primären NK entkommen Zelle Ziele 1,3,4.

Bewertung der NK-Zell-Funktion ist in erster Linie in Degranulation oder Zytotoxizität kategorisiert Assays. Degranulation Assays, wie die Strömung durchflusszytometrischen Erkennung des Degranulation-assoziierten Markers CD107a, sind jedoch nur Richtwerte der NK-Zell-Aktivierung und nicht ihre ultimative Funktion, die direkte Tötung von Ziel Zellen 5,6,7,8. Daher hat diese Einschränkung Ermittler Zytotoxizität Assays als mehr erzählen und direktere Alternative geschenkt.

Die langjährigen "Goldstandard" für die Beurteilung der zellvermittelten zytotoxische Aktivität von T- und NK-Zellen ist die Chrom-Release-Assay (CRA). CRA beinhaltet radioaktiv Kennzeichnung von Zielzellen mit 51Cr und Bebrüten sie gemeinsam mit Effektorzellen. Dieser Assay ist durchdrungen von dem Grundsatz, dass diese Zelle lyse in der Version des proteingebundenen 51Cr in der Überstand ergibt sich die durch Gamma zählen gemessen werden kann. Dieser Assay, während wirksam, ist für eine Vielzahl von Gründen problematisch: hohe Materialkosten, Handhabung und Entsorgung von radioaktiven 51Cr, spontane Freisetzung von 51Cr und schwierigen Standardisierung - so dass es insgesamt unpraktisch 9,10.

Eine Reihe von nicht-radioaktiven Assays mit fluoreszierenden Kennzeichnung, Enzymfreisetzung und sogar Biolumineszenz, wurden seitdem als Alternativen zum CRA 11,12,13,14entwickelt. Wir beschreiben hier eine Flow Cytometry basierende Methode zur Messung der NK Zelle zytotoxische Aktivität auf K562 Zielzellen, einfache, sensitive und reproduzierbar ist. K562-Zellen sind eine menschliche Erythroleukemic Zelle Linie mit reduzierten Expression von HLA Klasse I und erhöhten Ausdruck von Liganden für activatory NK-Rezeptoren, wodurch sie besonders anfällig für NK zellvermittelte Zytotoxizität 15. In diesem Assay K562 Zellen vorab mit Carboxyfluorescein Diacetat Succinimidyl Ester (CFSE-) gekennzeichnet sind und Co kultiviert in verschiedenen Verhältnissen mit entweder peripheren mononukleären Blutzellen (PBMCs) oder NK-Zellen 1gereinigt. CFSE ist eine stabile, Proteinbindung Fluoreszenzfarbstoff, der Diskriminierung von Zielzellen von Effektor NK Zellen 16,17erlaubt. Nach der Co Inkubation dient ein Nukleinsäure-Fleck, speziell durchdringt die Membran von abgestorbenen Zellen, getöteten Zielzellen identifizieren (siehe Tabelle der Materialien). Die Proben werden dann auf einem Durchflusszytometer zu bestimmen, den Anteil der Toten (d. h. Fleck +) erworben CFSE-+ Zielzellen.

Dieser Test kann verwendet werden als diagnostische Reihenuntersuchung für monogene Mängel beeinträchtigen die NK Zellkompartiment, davon gibt es etwa 30 bekannte Mängel verursacht entweder funktionelle oder klassische NK-Zelle-Mangel, und bei primären oder sekundären Hemophagocytic Lymphohistiocytosis. Es ist auch sinnvoll, NK-Zell-Aktivität bei Patienten mit wiederkehrenden, schweren viralen Herpesinfektionen, Immunrekonstitution nach hämatopoetischer Stammzelltransplantation oder Post immunmodulatorische Therapie 18,19,20, bewerten und für eine Vielzahl von Anwendungen in der grundlegenden Forschung zu untersuchen.

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Protokoll

Samples were collected according to the ethical guidelines established by the UCLA Human Research Protection Program and IRB approved.

1. Preparation of reagents

NOTE: Unless otherwise stated, all reagents should be allowed to equilibrate at room temperature prior to use. All reagents must remain sterile.

  1. Prepare a 2x working solution of Tween-20 (i.e., 0.2%) by adding 10 µL of Tween-20 solution to 5 mL of phosphate-buffered saline (PBS) without calcium and magnesium with a p20 pipette.
    1. Given the high viscosity of Tween-20, take the following steps to ensure accuracy: collect slowly to avoid bubble formation, do not submerge the entire tip to avoid carry-over, and pipette up and down several times in PBS to wash out all Tween-20 from the tip.
  2. Add 2 µL of IL-2 stock solution (2.1E6 IU/mL) to 198 µL of complete media (i.e., 1:100 dilution), which is RPMI with 1% penicillin-streptomycin and 10% fetal bovine serum (FBS), then proceed to an additional 1:100 dilution by adding 2 µL of IL-2 intermediate solution to 198 µL of complete media to prepare a 7x working solution (210 IU/mL).
  3. Add 2 µL of CFSE stock solution (5 mM) to 500 µL of plain media (RPMI). Vortex, spin down to remove drops from the cap, then proceed with an additional 1:20 dilution by adding 50 µL of the CFSE intermediate solution to 950 µL of plain RPMI to obtain a 2x working solution of 1 µM. Vortex well and keep protected from light.

2. Isolation of PBMCs as effector cells

NOTE: This assay has been validated for effective use with total PBMCs from healthy controls. However, it is recommended that NK cell content be verified with each PBMC preparation (Figure 1). Also, the volume of whole blood for collection is based on the frequency of NK cells in peripheral whole blood and this may vary from person to person, particularly between healthy donors and patients.

  1. Collect a minimum of 4 mL of human whole blood in sodium or lithium heparinized blood collection tubes. Store blood samples at room temperature upon collection and use within 30 h of collection.
  2. Dilute whole blood with 4 mL of PBS (i.e. equal volume of PBS to whole blood).
  3. Add 4 mL of density gradient solution (see table of materials) to a 15-mL conical tube. Carefully overlay diluted whole blood over the density gradient solution by tilting the tube.
  4. Centrifuge at 650 x g for 24 min with the brake off.
  5. Carefully collect the layer of mononuclear cells, which is the thin white layer below the top layer of plasma and platelets, into a new 15-mL conical tube. Bring the volume to 15 mL with PBS.
  6. Centrifuge at 450 x g for 10 min with the brake on. Aspirate the supernatant and resuspend cells in 0.5 mL of complete media.
  7. Use an automated cell counter or hemocytometer to count the cells, and adjust the PBMC concentration to 5x106 cells/mL with complete media.
  8. Check the NK cell content by flow cytometry (see step 4).
  9. Start the assay within 30 min. Keep cells at room temperature for up to 10 min, or place in a humidified 5% CO2 incubator at 37 °C until ready for use.

3. Isolation of NK cells as effector cells

NOTE: This portion of the protocol is an alternative to using total PBMCs as effector cells. The typical yield from 4 mL of whole blood from a healthy individual is approximately 4x105 NK cells, or approximately 5-15% of PBMCs, though this frequency varies between donors 21. It is recommended that a purity check be performed after the isolation.

  1. Collect a minimum of 4 mL of human whole blood in sodium or lithium heparinized blood collection tubes. Take 50 µL of whole blood to stain as a pre-enrichment sample.
  2. Add the enrichment cocktail to blood samples at 50 µL/mL (see table of materials). Mix well and incubate for 10 min at room temperature.
  3. Add an equal volume of PBS + 2% FBS to dilute the sample and gently mix well.
  4. Add 4 mL of density gradient solution to a 15-mL conical tube. Carefully overlay the diluted sample on top of the density gradient medium.
  5. Centrifuge at 1,200 x g for 10 min with the brake off.
  6. Carefully collect the layer of enriched cells into a new 15-mL conical tube. Wash the cells by bringing the volume up to 50 mL with PBS + 2% FBS.
  7. Centrifuge at 300 x g for 10 min. Discard the supernatant and repeat the wash.
  8. Aspirate the supernatant and resuspend cells in 0.5 mL of complete media.
  9. Using an automated cell counter or hemocytometer, count the cells and adjust the concentration to 5x105 cells/mL. Take 50 µL of purified cell suspension to stain as a post-enrichment sample.
  10. Keep cells at room temperature for up to 10 min, or place in a humidified 5% CO2 incubator at 37 °C until ready for use.

4. Immunophenotyping for assessment of NK cell content

  1. Using 50 µL total isolated PBMCs, pre-enrichment whole blood, or purified NK cells, stain with anti-CD56 fluorochrome-conjugated antibody as an NK cell marker. Markers for other cell types and lineages (i.e. CD3+ T cells, CD19+ B cells) may also be included to assess the origin of contamination, if any.
  2. Incubate for 20 min at 4 °C, and wash by adding 2 mL of PBS + 2% FBS.
  3. Centrifuge at 450 x g for 5 min.
  4. For PBMCs or NK cells, aspirate supernatant and resuspend cells in 100 µL of PBS + 2% FBS.
  5. For whole blood samples, perform red blood cell (RBC) lysis:
    1. After centrifugation, aspirate the supernatant and resuspend in 2 mL red blood cell lysis buffer (31.75 g of ammonium chloride + 4.16 g of Tris base + 6.65 g of EDTA, dissolved in 5000 mL of deionized water).
    2. Incubate for 10 min at room temperature.
    3. Repeat wash twice, aspirate the supernatant, and resuspend lysed sample in 100 µL of PBS + 2% FBS.
      NOTE: RBC lysis may also be performed prior to staining.
    4. Proceed with flow cytometric analysis.

5. Thawing, culturing, and harvesting of K562 target cells

  1. Aliquot 10 mL of complete media into a 15-mL conical tube and allow to warm in a 37 °C water bath. For the thawing and culturing of K562 cells, use only media pre-warmed to 37 °C for all steps.
  2. Place one vial of frozen K562 cells in the 37 °C water bath until most of it is thawed.
  3. Transfer the semi-thawed K562 cells to the complete media, pre-warmed to 37 °C, in the 15-mL conical tube. Wash the inside of the cryogenic vial with some pre-warmed media, and add the wash to the 15-mL tube.
  4. Centrifuge at 140 x g for 7 min with the brake on. Remove the supernatant and resuspend the pellet in 1 mL of complete media.
  5. Aliquot an appropriate amount of cell suspension to count cells using an automated cell counter or hemocytometer.
  6. Adjust the concentration to 1x105-2x105 cells/mL and culture in a humidified 5% CO2 incubator at 37 °C for at least 2 days before use. Maintain the culture at this density range for no longer than 3 months, then thaw a new aliquot. Never exceed a cell concentration of 1x106 cells/mL in culture.
  7. For use in the assay, mix the K562 cell culture well with a 10-mL serological pipette and remove an aliquot to count and assess cell viability using an automated cell counter or hemocytometer and Trypan Blue staining.
    1. If the viability is less than 85%, proceed with the following dead cell removal steps.
      1. Add 15 mL of density gradient solution to 50-mL conical tubes, as needed. Collect all cells from culture and slowly overlay the cell suspension over the density gradient solution by tilting the tube.
      2. Centrifuge at 650 x gfor 24 min with brake off. Carefully collect the layer of live cells into a new 15-mL conical tube. Bring the volume to 50 mL with PBS.
      3. Centrifuge at 450 x g for 10 min with the brake on. Remove the supernatant and resuspend the pellet in 1 mL of complete media. Count the cells and check cell viability (as in 5.7).
      4. Culture in a humidified 5% CO2 incubator at 37 °C for at least 2 days before use.
  8. Collect 5x105 K562 target cells and centrifuge at 140 x g for 7 min. Aspirate the supernatant and resuspend the cell pellet in 500 µL in media with 1% FBS.

6. Labeling of K562 target cells

NOTE: Make sure the K562 cells are well resuspended before adding the CFSE working solution.

  1. Pipette 500 µL of the CFSE working solution to the 500 µL of K562 cells for a final concentration of 0.5 µM. Using the same 1000-1250 µL tip, mix immediately by gently pipetting up and down 3-5 times.
  2. Incubate in the 37 °C water bath or in a humidified 5% CO2 incubator at 37 °C for 10 min in the dark.
    NOTE: Since the temperature equilibration lag time is longer in the incubator compared to the water bath, incubation time might need to be adjusted especially for volumes > 1 mL.
  3. Quench the labeling reaction with 10 mL of complete media for 10 min in the dark at room temperature.
  4. Centrifuge the labeled K562 cells at 140 x g for 7 min. Remove the supernatant and resuspend in 1 mL of complete media.
  5. Count the cells using an automated cell counter or hemocytometer and bring the concentration to 1x105 cells/mL in complete media.
  6. Place cells in a humidified 5% CO2 incubator at 37 °C until ready for use. Cells can be kept at room temperature for up to 10 min, or in in a humidified CO2 incubator at 37 °C until ready for use. Do not refrigerate.

7. Plating

NOTE: If NK cells are limiting, the concentration of both K562 and NK cells can be halved, so that half of the cells are plated in the assay. The assay yields comparable results with half the amount of cells (as long as the ratios are kept consistent).

  1. If using total PBMCs, label a 96-well, U-bottom, tissue culture-treated plate for the following conditions per well: (1) Effector (E) : Target (T) = 50 : 1 + IL-2 - positive control for NK cell cytotoxicity; (2) E : T = 50 : 1; (3) E : T = 25 : 1; (4) E : T = 12.5 : 1; (5) E : T = 6.25 : 1; (6) T - target cells only - negative control for K562 death; (7) E - effector cells only; (8) T + Tween - Positive control for K562 death
  2. If using purified NK cells, label a 96-well, U-bottom, tissue culture treated plate for the following conditions per well: (1) Effector (E) : Target (T) = 5: 1 + IL-2 - positive control for NK cell cytotoxicity; (2) E : T = 5 : 1; (3) E : T = 2.5 : 1; (4) E : T = 1.25 : 1; (5) E : T = 0.625: 1; (6) T - target cells only - negative control for K562 death; (7) E - effector cells only; (8) T + Tween - positive control for K562 death
  3. Add 100 µL of complete media to conditions 3, 4, 5, 6, 7. For this and all subsequent steps, (recommended) use a multichannel pipette.
  4. Add 100 µL of effector cells (PBMCs at 5x106 cells/mL or purified NK cells at 5x105 cells/mL) to conditions 1, 2, 3. Add effector cells for conditions 4-7 by serial dilution. Do not change tips from condition to condition.
    1. Mix condition 3, take 100 µL, and transfer to condition 4.
    2. Mix condition 4, take 100 µL, and transfer to condition 5.
    3. Mix condition 5, take 100 µL, and transfer to condition 7; Condition 6 does not have effector cells.
  5. Add 100 µL of prepared 2x 0.2% Tween working solution to condition 8 (final concentration: 0.1% Tween-20); condition 8 does not have effector cells.
  6. Add 30 µL of IL-2 working solution to condition 1. IL-2 should be added to the effector cell suspension prior to the addition of target cell suspension (final concentration: 27 IU/mL).
  7. Add 100 µL of target cells (labeled K562 cells at 1x105 cells/mL) to conditions 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8. Condition 7 does not have target cells.
  8. Mix all wells with a multichannel pipette and centrifuge the plate at 120 x g for 2 min.
  9. Incubate in a humidified CO2 incubator at 37 °C for 4 h. At the end of the incubation, place the plate on ice and proceed to viability staining within 30 min.

8. Staining for viability and acquisition

  1. Prepare dead cell stain (see table of materials) by adding 3 µL of the 5 µM stock solution to 600 µL of PBS.
  2. Add 50 µL of diluted dead cell stain to each well for a final volume of 250 µL and a final concentration of 0.005 µM. Mix well with a multichannel pipette.
  3. Proceed with flow cytometric analysis. Using a flow cytometer, collect at least 1,000 events in the target cell gate (Figure 2) for statistically meaningful results.

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Ergebnisse

Vor der Inbetriebnahme der Assay empfiehlt es sehr, dass NK Zellinhalt in der Effektor Bevölkerung Wahl beurteilt werden. Abbildung 1 zeigt eine typische CD56 Färbung vor (hellblau) und nach (rot) NK Zelle Bereicherung. NK-Zellen sollte bestehen aus bis zu 15 % der PBMCs und mindestens 80 % rein nach der Bereicherung.

Durchflusszytometrischen Analyse in diesem Assay umfasst Erkennung von zwei Para...

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Diskussion

Die hier beschriebene Methode bietet eine einfache und kostengünstige Alternative zu den traditionellen 51Cr Release Assay zytotoxische NK-Zell-Aktivität zu bewerten. Diese Methode ist empfindlich, reproduzierbare und weniger zeitaufwändig als die bisherigen Standardmethoden wie CRA, und eignet sich für beide klinischen und Forschung Anwendungen.

Während des Tests mit insgesamt PBMCs und angereicherte NK-Zellen arbeitet, ist die Option PBMCs Zellpopulationen zu reinigen ohne di...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären keine finanziellen Interessenkonflikte.

Danksagungen

Wir möchten Jill Narciso, UCLA Immungenetik Center, danke für ihre Unterstützung bei der Vorbereitung der Handschrift.

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Materialien

NameCompanyCatalog NumberComments
Phosphate-buffered Saline (1x, w/o Ca2+ and Mg2+)Corning (Cellgro)21-040-CM
Ficoll-Paque PLUSGE Healthcare17-1440-02
Tween-20SigmaBP337-100
RPMI 1640 MediaCorning (Cellgro)10-040-CV
Heat-inactivated Fetal Bovine SerumOmega ScientificFB-02
Penicillin StreptomycinLife Technologies15140-163Stock solution at 10,000 U/mL
IL-2R&D Systems202-IL-050Lyophilized from a 0.2 μm filtered solution in Acetonitrile and TFA with BSA as a carrier protein. Reconstitute with 500 ul at 100 μg/mL in sterile 100 mM Acetic Acid containing at least 0.1% bovine serum albumin (2.1x10E6 IU/ml)
K562 CellsATCCCCL-243Cancer cell line 
T-75 cell culture flasksCorning431464
CFSE cell proliferation kitLife Technologies (CellTrace)C34554Reconstitute I vial with 18 ul DMSO to prepare a 5mM stock solution. Do not freeze/thaw.
Sytox RedLife TechnologiesS34859Stock solution is provided at 5 μM in 1 mL DMSO. The DMSO solution may be subjected to multiple freeze-thaw cycles without reagent degradation.
Sodium/lithium heparin blood collection tubesBD02-687-95
U-bottom 96-well plateCorningCLS3897
Serological pipettesBD Falcon
Polystyrene round-bottom tubes (5mL)BD Falcon14959-5
50 mL polypropylene conical tubeBD Falcon352070
15 mL polypropylene conical tubeBD Falcon352097
Reagent reservoirUSA Scientific2321-2230
Human NK cell enrichment cocktailStemCell Technologies (RosetteSep)15065

Referenzen

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Erratum


Formal Correction: Erratum: A Flow Cytometry-Based Cytotoxicity Assay for the Assessment of Human NK Cell Activity
Posted by JoVE Editors on 9/10/2017. Citeable Link.

An erratum was issued for: A Flow Cytometry-Based Cytotoxicity Assay for the Assessment of Human NK Cell Activity. Figure 4 has been corrected to show background-corrected data.

Figure 4 was updated from:

Figure 4

to:

Figure 4

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