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Method Article
Hier stellen wir ein detailliertes Protokoll zur Bewertung des immunmodulatorischen Potenzials von Implantatoberflächen in vitro vor, um die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit aktueller Protokolle zu verbessern und die weitere Forschung zu fördern. Sekretorische Zytokinprofile, mRNA-Expression und Zelloberflächenmarker wurden mit Hilfe von Blutmonozyten-abgeleiteten Makrophagen überwacht, um die Makrophagenpolarisation auf Titan zu untersuchen.
Die Fremdkörperreaktion (FBR), ein immunvermittelter komplexer Heilungsprozess, spielt eine entscheidende Rolle bei der Integration von Implantaten in den Körper. Makrophagen als erste Linie der Interaktion des Immunsystems mit den Implantatoberflächen spielen eine bidirektionale Rolle bei der Modulation des Gleichgewichts zwischen Entzündung und Regeneration. Für ein tiefes Verständnis und die Bewertung der Reaktionen zwischen Implantatmaterialien und Immunantworten sind zuverlässige in vitro Methoden und Protokolle von entscheidender Bedeutung. Unter den verschiedenen in vitro Modellen stellen primäre Monozyten-abgeleitete Makrophagen (MDMs) ein hervorragendes Modell für die Untersuchung von Makrophagen-Implantat-Interaktionen dar. Wir haben ein experimentelles Protokoll implementiert, um die Polarisation von MDMs in M1 (klassisch aktivierte) und M2 (alternativ aktivierte) Makrophagen auf Implantatoberflächen zu bewerten. Wir isolierten Blutmonozyten von gesunden Spendern und differenzierten sie mit Hilfe des Makrophagen-Kolonie-stimulierenden Faktors (M-CSF) in Makrophagen. Differenzierte Makrophagen wurden auf Implantatoberflächen kultiviert und in M1- und M2-Subtypen polarisiert. Die M1-Polarisation wurde in Gegenwart von Interferon (IFN)-γ und Lipopolysaccharid (LPS) erreicht, während die M2-Polarisation in einem Medium durchgeführt wurde, das Interleukin (IL)-4 und IL-13 enthielt. Wir untersuchten Makrophagen-Phänotypen mittels Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA), konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) und quantitativer Echtzeit-PCR (qRT-PCR) auf der Grundlage von Panels von sezernierten Zytokinen, Zelloberflächenmarkern und exprimierten Genen. Die extrahierte RNA wurde in komplementäre DNA (cDNA) umgewandelt, und die qRT-PCR wurde verwendet, um mRNA zu quantifizieren, die mit M1- und M2-Makrophagen verwandt ist. Dementsprechend wurden M1-Makrophagen durch eine höhere Expression des proinflammatorischen Tumornekrosefaktors (TNF-α)-Zytokins und des CCR7-Oberflächenmarkers im Vergleich zu M2-Makrophagen, die höhere Spiegel von CD209 und CCL13 aufwiesen, charakterisiert. Folglich wurden CCR7 und CD209 als spezifische und zuverlässige Marker für M1- und M2-Makrophagen-Subtypen durch Immunfärbung und Visualisierung mittels CLSM identifiziert. Eine weitere Bestätigung wurde durch den ELISA erreicht, der einen erhöhten TNF-ɑ-Spiegel in M1 und einen erhöhten CCL13-Spiegel in M2-Zellen nachweiste. Die vorgeschlagenen Marker und der Versuchsaufbau können effektiv genutzt werden, um das immunmodulatorische Potenzial von Implantaten zu bewerten.
Implantierbare Biomaterialien sind zu einer konventionellen Lösung für verschiedene menschliche Krankheiten geworden und spielen eine große Rolle in der biomedizinischen Forschung, einschließlich Tissue Engineering, Drug Delivery Systems und Implantaten 1,2. Es gibt eine große Auswahl an Implantaten aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Strukturen und Funktionalitäten, wie z. B. Hüftprothesen, Stents, Netze, Herzklappen oder Zahnimplantate. Bei der Implantation provoziert der Gewebe-Implantat-Kontakt eine Immunantwort, gefolgt von Auflösung, Gewebeumbau und Homöostase. Diese Prozesse werden durch die physikalischen, chemischen und bioaktiven Eigenschaften der verwendeten Biomaterialien beeinflusst. Diese Eigenschaften können die Intensität und das Spektrum der pro- und antiinflammatorischen Reaktionen, die Bildung fibrotischer Kapseln, den Gewebeabbau und die Heilungsphase beeinflussen 3,4. Um den Heilungsprozess und die langfristige Implantatintegration zu unterstützen und zu optimieren, ist ein neuer Aspekt der aktuellen Forschung die Untersuchung und Vermittlung der Interaktion zwischen Implantatoberflächen und Immunzellen.
Makrophagen, die im ganzen Körper vorkommen, spielen unter anderem eine Schlüsselrolle bei Entzündungen und antipathogener Abwehr sowie bei Heilungsprozessen und der Aufrechterhaltung der Gewebehomöostase 5,6. Aufgrund ihrer Plastizität und der lokalen Mikroumgebungsreize des Gewebes sind Makrophagen in der Lage, in unterschiedliche funktionelle Phänotypen zu polarisieren, die große Unterschiede im Zellstoffwechsel, in den zellulären Funktionen und in den Zytokinsekretionsprofilen aufweisen. Der klassisch aktivierte M1-Phänotyp kann durch die Sekretion von proinflammatorischen Zytokinen wie IL-1β, IL-6 und TNF-α unterschieden werden und ist an der anfänglichen und chronischen Entzündungsreaktion auf Traumata und fremde Biomaterialien beteiligt. Im Gegensatz dazu weisen aktivierte M2-Makrophagen, die durch Zytokine wie IL-4 und IL-13 ausgelöst werden, charakteristische Merkmale wie die Auflösung von Entzündungen und die Förderung der Gewebeheilung auf. M2-polarisierte Makrophagen können durch die Expression von Zelloberflächenmarkern wie CD206 und die Produktion von Zytokinen wie IL-10 und IL-47 identifiziert werden. In ähnlicher Weise können sich Makrophagen, die bereits polarisiert wurden, in einer neuen Mikroumgebung neu programmieren.
Viele Studien zu Zell-Biomaterial-Wechselwirkungen haben die Bedeutung von Makrophagen in der Kaskade immunologischer Reaktionen auf implantierbare Biomaterialien und bei der Orchestrierung von Prozessen bei der Heilung implantatbedingter Komplikationen gezeigt 8,9,10. Auch wenn die Biomedizintechnik in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht hat, sind weitere Forschungen erforderlich, um zu verstehen, wie Implantate das Verhalten und die Polarisation von Makrophagen modulieren 11,12,13.
In Zellkulturen können aus Monozyten stammende mononukleäre Zellen des peripheren Blutes (PBMCs) in adhärente M0-Makrophagen differenziert werden, gefolgt von einer induzierten Polarisation in Richtung M1- oder M2-Phänotypen unter Verwendung von LPS bzw. IFN-γ bzw. IL-4. Nach der Inkubation in vitro mit neuen Biomaterialproben ist es möglich, die verschiedenen Zelloberflächenrezeptoren und Zytokinprofile von M1- und M2-Makrophagen zu nutzen, um das immunmodulatorische Potenzial von Biomaterialien in vitro nachzuweisen 14,15. Ziel dieser Studie war es, ein in vitro Protokoll zu entwickeln, mit dem die Polarisation von MDMs als Reaktion auf verschiedene Implantatoberflächen untersucht werden kann. Genexpressionsanalysen, Mikroskopietechniken und ELISA können verwendet werden, um die phänotypischen Marker und spezifischen Zytokinprofile von M1- und M2-Makrophagen zu bestimmen, die durch das Biomaterial moduliert werden. So können die komplexen Wechselwirkungen zwischen Makrophagen und Biomaterialoberflächen aufgeklärt und wertvolle Informationen gewonnen werden, um Makrophagen-Biomaterial-Wechselwirkungen besser zu verstehen. Schließlich gewährleistet ein standardisiertes In-vitro-Protokoll die Reproduzierbarkeit, Zuverlässigkeit und Vergleichbarkeit der Versuchsergebnisse, indem die Variabilität im Versuchsaufbau minimiert wird.
Das humane periphere Blut wurde von gesunden Blutspendern gemäß dem von der Ethikkommission der Medizinischen Fakultät der Universität Tübingen genehmigten Protokoll gewonnen (Ethische Zulassung: 286/2021 BO). Humane PBMCs wurden mittels Dichtegradientenzentrifugation isoliert, wie zuvor beschrieben16. Das folgende Protokoll ist für PBMCs beschrieben, die aus 24 ml Blut isoliert wurden. Eine schematische Darstellung des Protokolls ist in Abbildung 1 dargestellt.
HINWEIS: Das Blutvolumen sollte in Abhängigkeit von der Anzahl der verwendeten M0-Makrophagen angepasst werden.
Aus 24 mL Blut wurden insgesamt 35,46 ± 9,1 Mio. PBMC gewonnen, was zu 1,97 ± 0,46 Mio. M0-Makrophagen (n = 5) führte. Alle Reagenzien, Verbrauchsmaterialien und Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt. Die Puffer sind in Tabelle 1 aufgeführt.
1. Differenzierung von Monozyten im menschlichen Blut zu Makrophagen
2. Kultivierung und Polarisation von MDMs auf der Titanimplantatoberfläche
HINWEIS: Am Tag 6 der Differenzierung wurden M0-Makrophagen 48 h lang mit unterschiedlichen Stimuli auf die Biomaterialoberflächen ausgesät, um vollständig polarisierte M1- oder M2-Makrophagen zu erhalten. Für jede untersuchte Oberfläche wurden drei Scheiben verwendet, um M0-, M1- und M2-Makrophagen zu säen. Als Kontrollflächen wurden mit Zellkulturen behandelte Kunststoffdeckgläser verwendet.
3. Charakterisierung polarisierter Makrophagen mittels ELISA
HINWEIS: Am Tag 2 der Polarisation wurden Proben für die Charakterisierungsanalysen vorbereitet. Das TNF-ɑ-Zytokin und das CCL13-Chemokin wurden gemessen, um M1- bzw. M2-polarisierte Makrophagen zu charakterisieren. Die Konzentration der sezernierten Proteine wurde auf die Gesamtkonzentration der sezernierten Proteine im entsprechenden Überstand normiert.
4. Charakterisierung polarisierter Makrophagen mittels CLSM
HINWEIS: Polarisierte Makrophagen wurden weiter charakterisiert, indem sie mit Antikörpern gegen CD209- und CCR7-Zelloberflächenmarker gefärbt wurden. Die Kerne wurden mit DRAQ5 gegengefärbt. CD68 oder andere Marker können als Pan-Makrophagen-Marker verwendet werden.
5. Charakterisierung polarisierter Makrophagen mittels qRT-PCR
HINWEIS: Für die RNA-Isolierung wurden zwei Scheiben pro Probe verwendet, um genügend RNA für die cDNA-Synthese zu erhalten.
6. Statistische Analyse
Die Ergebnisse dieser Studie zeigen die erfolgreiche Differenzierung und Polarisation von MDMs auf Titanoberflächen, gefolgt von der Charakterisierung von M1- oder M2-polarisierten Makrophagen. Im ersten Schritt haben wir polarisierte MDMs mittels CLSM charakterisiert. Basierend auf unseren Vorstudien wurden CD209 und CCR7 als spezifische Marker zur Unterscheidung von M1 von M2 polarisierten MDMs verwendet. Wie in Abbildung 2A,B gezeigt, polarisierten MDMs ...
Ein gründliches Verständnis des Verhaltens von Makrophagen ist unerlässlich, um die immunmodulatorischen Eigenschaften implantierbarer Materialien zu verstehen. Mehrere Studien haben über heterogene Marker, eine Vielzahl von Zellmodellen und Protokolle zur Charakterisierung der Makrophagenpolarisation in vitro berichtet 17,18,19,20. Um die Reproduz...
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Die Scheiben wurden freundlicherweise zur Verfügung gestellt von Medentis Medical, Bad-Neuenahr-Ahrweiler, Deutschland. Die Autoren danken der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie (Universitätsklinikum Tübingen) für die Unterstützung.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
24-well plate, not-treated | Corning Incorporated (Kennebunk, USA) | 144530 | |
Absorbance reader Infinite F50 | TECAN Austria GmbH (Grödig, Austria) | TCAT91000001 | |
Accutase in DPBS, 0.5 mM EDTA | EMD Millipore Corp. (Burlington, USA) | SCR005 | |
Anti-Fade Fluorescence Mounting Medium -Aqueous, Fluoroshield | abcam (Cambridge, UK) | ab104135 | |
Bio-Rad MJ Research PTC-200 Peltier Thermal Cycler | Bio-Rad / MJ Research | 7212 | |
Bovine serum albumin (BSA) | VWR International bvba (Leuven, Belgium) | 422361V | |
Centrifuge 5804 R | Eppendorf SE (Hamburg, Germany) | 5804 R | |
DC-SIGN (D7F5C) XP Rabbit mAb | Cell Signaling Technology | 13193 | |
Dimethyl sulfoxide | Sigma Aldrich Co. (St.Louis, MO, USA) | D2438-5X10ML | |
DRAQ5 Staining Solution | Milteny Biotec (Bergisch Gladbach, Germany) | 130-117-344 | |
Ethanol ≥99.8% for molecularbiology | Carl Roth GmbH + CO. KG (Karlsruhe, Germany) | 1HPH.1 | |
Goat Anti-Mouse IgG (H&L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor Plus 488 | Invitrogen | A32723TR | |
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Cyanine3 | Invitrogen | A10520 | |
GraphPad Prism | GraphPad | Version 9.4.1 | |
Human CCR7 Antibody | R&D Systems | MAB197 | |
Human IFN-gamma Recombinant | Invitrogen (Rockford, USA) | RIFNG100 | |
Human IL-13 | Milteny Biotec (Bergisch Gladbach, Germany) | 5230901032 | |
Human IL-4 | Milteny Biotec (Bergisch Gladbach, Germany) | 130-095-373 | |
Human M-CSF | Peprotech (Cranbury, USA) | 300-25 | |
Leica TCS SP5 | Leica Microsystems CMS GmbH (Mannheim, Germany) | https://www.leica-microsystems.com/products/confocal-microscopes/p/leica-tcs-sp5/ | |
Lipopolysaccharides from Escherichia | Sigma Aldrich Co. (Missouri, USA) | L4391-1MG | |
Luna Universal qPCR Master Mix | New England Biolabs | NEB #M3003 | |
LunaScript RT SuperMix Kit | New England Biolabs | E3010L | |
Lymphocyte Separation Medium 1077 | PromoCell (Heidelberg, Germany) | C-44010 | |
MCP-4/CCL13 Human ELISA Kit | Invitrogen | EHCCL13 | |
MicroAmp Fast 96-Well Reaction Plate (0.1 mL) | Applied Biosystems (Waltham, USA) | 4346907 | |
MicroAmp Optical Adhesive Film | Life Technologies Corporation (Carlsbad, USA) | 4311971 | |
MicroAmp Splash Free 96-Well Base | Applied Biosystems (Waltham, USA) | 4312063 | |
Microlitercentrifuge CD-3124R | Phoenix Instrument (Germany) | 9013111121 | |
Microscope Cover Glasses, 10 mm | Carl Roth GmbH, Karlsruhe, Germany | 4HX4.1 | |
Monocyte Attachment Medium | PromoCell (Heidelberg, Germany) | C-28051 | |
Multiply-Pro Gefäß 0.5 mL, PP | Sarstedt AG & CO (Nümbrecht, Germany) | 7,27,35,100 | |
Nanodrop One | Thermo Scientific (USA) | ND-ONE-W | |
QuantStudio 3 System | Life Technologies GmbH (St. Leon-Rot, Germany) | A28567 | |
RNeasy Micro Kit | Qiagen | 74007 | |
RPMI 1640, 1x, with L-glutamine | Mediatech, Inc. (Manassas, USA) | 10-040-CV | |
Sterile bench, LaminarAir HB 2472 | Heraeus instruments (Hanau, Germany) | 51012197 | |
Tissue Culture Coverslips 13 mm (Plastic) | Sarstedt Inc. (Newton, USA) | 83,18,40,002 | |
Titanium machinied discs 12 cm | Medentis Medical (Bad-Neuenahr-Ahrweiler, Germany) | N/A | |
TNF alpha Human ELISA Kit | Invitrogen | KHC3011 | |
Trypan blue solution 0.4% | Carl Roth GmbH + Co. KG (Karlsruhe, Germany) | 1680.1 |
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