Diese Arbeit wurde von NIH (1 R01 AI095338-01A1) finanziell unterstützt.

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Neutrophile Migration über Schleimhautepitheloberflächen ist ein häufiges Merkmal in der Krankheitspathologie nach einer Infektion mit bakteriellen Krankheitserregern3. Die hier beschriebene Methode bietet einen schnellen, einfachen Ansatz, um dieses diskrete Ereignis experimentell zu isolieren, indem ein menschliches In-vitro-Kokultur-Assay-System verwendet wird, das ein Merkmal des entzündlichen Prozesses modelliert, der durch bakterielle Infektionen ausgelöst wird. Dieses System wurde ursprü...

Schleimhautoberflächen dienen als physikalische und immunologische Barrieren, die Schutz vor äußeren Bedrohungen bieten, die in der Umwelt allgegenwärtig sind1,2. Diese schützende Epithelbarriere kann beeinträchtigt werden, wenn pathogene Organismen in2eindringen. Im Falle eines bakteriellen Erregers löst diese Begegnung oft einen entzündlichen Prozess aus, indem sie das angeborene Immunsystem aktiviert und eine schnelle Mobilisierung von First Responder-Granulozyten, bekannt als Neutrophile2-4,auslöst. Chemotaktische Wirkstoffe, die die Neutrophilenrekrutierung erleichtern, werden zum Teil von den Mukosalepithelzellen produziert, die versuchen, den Wirt von dem beleidigenden Erreger2-4zu befreien. Übermäßige oder ungelöste neutrophile Infiltration der Schleimhautepitheloberfläche kann eine signifikante Pathologie verursachen1,5. Dies ist eine Folge von unspezifischen Gewebeschäden, die durch das antibakterielle Neutrophilenarsenal5-7verursacht werden. In solchen Fällen wird die bakterielle Clearance-Kapazität von Neutrophilen durch die Zerstörung des Wirtsgewebes während einer infektiösen Beleidigung überschattet.  Eine Störung der funktionalen Epithelbarriere kann zu einer verstärkten Exposition des darunter liegenden Gewebes gegenüber Mikroorganismen und/oder Toxinen führen und die Krankheitspathologie weiter verschlimmeren8,9. Diese Folgen können in mehreren Organsystemen einschließlich der Lunge und des Verdauungstraktes beobachtet werden1,5. Darüber hinaus sind nichtinfektiöse entzündliche Erkrankungen wie schwere Asthmaanfälle, chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD), akutes Atemnotsyndrom (ARDS) und entzündliche Darmerkrankungen (IBD) durch den pathologischen Bruch der Schleimhautepithelbarriere durch eine übermäßige neutrophile Reaktion4,5,10-12gekennzeichnet.
Der komplexe Prozess der Neutrophilenrekrutierung nach einer Schleimhautinfektion umfasst mehrere abgeschottete Schritte1,5,13,14. Zunächst müssen Neutrophile über eine Reihe von Zell-zu-Zell-Wechselwirkungen, die die transendotheliale Migration erleichtern, aus dem Kreislauf abweichen1,13. Neutrophile navigieren als nächstes durch den vorhandenen interstitiellen Raum, der die extrazelluläre Matrix1,14enthält. Um das Lumen der infizierten Schleimhaut zu erreichen, müssen Neutrophile dann über die Epithelbarriere1,4,5wandern. Dieses komplizierte multistep Phänomen wird oft aggregiert mit in vivo Tiermodelle der Infektion15untersucht. Solche Modelle sind nützlich, um die Notwendigkeit spezifischer Faktoren wie Chemokine, Adhäsionsmoleküle oder Signalwege zu ermitteln, die am Gesamtprozess beteiligt sind, aber weitgehend unzureichend sind, um molekulare Beiträge zu lösen, die für jeden einzelnen unterteilten Schritt kritisch sind16. Cokultivierte In-vitro-Systeme, die trans-endotheliale, transmatrix- oder transepitheliale Migration von Neutrophilen modellieren, waren in dieser Hinsicht besonders nützlich1,14,16,17.
Ein robustes Cokultur-Assay-System wurde entwickelt, um Mechanismen zu entschlüsseln, die für die neutrophile transepitheliale Migration als Reaktion auf pathogene Infektionen verantwortlich sind18-22. Dieses Modell beinhaltet die Infektion der apikalen Oberfläche polarisierter menschlicher Epithelzellschichten mit einem bakteriellen Erreger, gefolgt von der Anwendung frisch isolierter menschlicher Neutrophile auf die basolaterale Oberfläche18-22. Neutrophile wandern über die Epithelbarriere als Reaktion auf epitheliale chemotaktische Produkte, die nach pathogener Infektion18,21-23sezerniert wurden. Dieses Modellsystem wurde mit Darm- und Lungenepithelkulturen eingesetzt, die geeigneten gewebespezifischen bakteriellen Krankheitserregern ausgesetzt sind, und hat neuartige molekulare Mechanismen enthüllt, die für den Neutrophilenrekrutierungsprozess während einer Schleimhautinfektion wichtig sind3,8,19,24-28. Die Stärke dieses In-vitro-Kokulturmodells besteht darin, dass ein reduktionistischer Ansatz es dem Forscher ermöglicht, den Erreger, die Epithelbarriere und/oder neutrophile in einem gut kontrollierten, hochreproduzierbaren, ziemlich preiswerten System experimentell zu manipulieren. Die aus diesem Ansatz gewonnenen Erkenntnisse können effektiv genutzt werden, um eine fokussierte Analyse von kompartumlierten Ereignissen während der Neutrophilenrekrutierung mit In-vivo-Infektionsmodellen 22,29,30durchzuführen.
Dieser Artikel zeigt die verschiedenen Schritte, die für die erfolgreiche Etablierung dieses reproduzierbaren Modells erforderlich sind, um pathogene induzierte neutrophile transepitheliale Migration zu erforschen. Lungenepithelbarrieren, die mit dem Erreger Pseudomonas aeruginosa infiziert sind, sind in diesem Artikel enthalten; andere Gewebeepithelien und Krankheitserreger können jedoch durch geringfügige Modifikationen ersetzt werden. Die Aussaat und Kultivierung polarisierter Lungenepithelzellschichten auf invertierten kollagenbeschichteten durchlässigen Transwellfiltern wird hierin detailliert beschrieben, ebenso wie das Wachstum der pathogenen P. aeruginosa und die Isolierung von Neutrophilen aus Vollblut. Wie diese Komponenten kombiniert werden, um pathogeninduzierte neutrophile transepitheliale Migration zu beobachten, wird zusammen mit geeigneten positiven und negativen Kontrollen vorgestellt, um einen reproduzierbaren Assay zu etablieren. Die Vielseitigkeit dieses Ansatzes zur Untersuchung verschiedener Aspekte der pathogenen induzierten neutrophilen transepitheliale Migration wird unter Bezugnahme auf spezifische Studien in der Literatur diskutiert.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1470">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">NCl-H292 cells</td>
			<td style="width:147px;">ATCC</td>
			<td style="width:137px;">CRL-1848</td>
			<td style="width:667px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">RPMI-1640 medium</td>
			<td style="width:147px;">ATCC</td>
			<td style="width:137px;">30-2001</td>
			<td style="width:667px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Pseudomonas aeruginosa PAO1</td>
			<td style="width:147px;">ATCC</td>
			<td style="width:137px;">#47085</td>
			<td style="width:667px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Escherichia coli MC1000</td>
			<td style="width:147px;">ATCC</td>
			<td style="width:137px;">#39531</td>
			<td style="width:667px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">D-PBS (1x) liquid</td>
			<td style="width:147px;">Invitrogen</td>
			<td style="width:137px;">14190-144</td>
			<td style="width:667px;">without calcium and magnesium</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Heat Inactivated Fetal bovine serum</td>
			<td style="width:147px;">Invitrogen</td>
			<td style="width:137px;">10082-147</td>
			<td style="width:667px;">10% added to culture medium</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Penicillin-Streptomycin</td>
			<td style="width:147px;">Invitrogen</td>
			<td style="width:137px;">15140-122</td>
			<td style="width:667px;">100x: 10,000 units of penicillin and 10,000 &#181;g of streptomycin per ml.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Trypsin-EDTA (0.05%)</td>
			<td style="width:147px;">Invitrogen</td>
			<td style="width:137px;">25300-062</td>
			<td style="width:667px;">50 ml aliquots are stored frozen at -20 &#186;C.&#160; Aliquot in use can be stored at 4 &#186;C short-term.&#160;&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Hank&#39;s Balanced Salt Solution - HBSS(-)</td>
			<td style="width:147px;">Invitrogen</td>
			<td style="width:137px;">14175-079</td>
			<td style="width:667px;">Sterile, without calcium and magnesium</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Trypan Blue Solution</td>
			<td style="width:147px;">Invitrogen</td>
			<td style="width:137px;">15250-061.</td>
			<td style="width:667px;">Stock = 0.4%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Collagen, Rat Tail</td>
			<td style="width:147px;">Invitrogen</td>
			<td style="width:137px;">A10483-01</td>
			<td style="width:667px;">Can also be isolated in the laboratory directly from the tails of rats using standard protocols</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Citric acid</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td style="width:137px;">C1909-500G</td>
			<td style="width:667px;">Component of 1 M citrate buffer and acid citrate dextrose (ACD) solution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Sodium Citrate</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td style="width:137px;">S4641-500G</td>
			<td style="width:667px;">Component of 1 M citrate buffer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Dextrose anhydrous</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td style="width:137px;">D8066-250G</td>
			<td style="width:667px;">Component of acid citrate dextrose (ACD) solution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Ammonium Chloride</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td style="width:137px;">213330-500G</td>
			<td style="width:667px;">Component of red blood cell (RBC) lysis buffer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Sodium bicarbonate</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td style="width:137px;">S6014-500G</td>
			<td style="width:667px;">Component of red blood cell (RBC) lysis buffer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">EDTA</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td style="width:137px;">ED-100G</td>
			<td style="width:667px;">Component of red blood cell (RBC) lysis buffer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">HBSS(+) powder</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td style="width:137px;">H1387-10L</td>
			<td style="width:667px;">Key component of HBSS+</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">HEPES</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td style="width:137px;">H3375-500G</td>
			<td style="width:667px;">Component of HBSS+</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Sigmacote</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td style="width:137px;">SL2-25ML</td>
			<td style="width:667px;">Follow vendor instructions to coat glass pipette tips</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Triton X-100</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td style="width:137px;">T-9284</td>
			<td style="width:667px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">2,2&#39;-Azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt (ABTS)</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td style="width:137px;">A9941-50TAB</td>
			<td style="width:667px;">Key component of ABTS substrate solution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">30% Hydrogen Peroxide Solution</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td style="width:137px;">H1009-100ML</td>
			<td style="width:667px;">Component of ABTS substrate solution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">N-Formyl-Met-Leu-Phe (fMLP or fMLF)</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td style="width:137px;">F-3506</td>
			<td style="width:667px;">A Stock solution of 10 mM in DMSO should be prepared and aliquots stored at -20 &#186;C.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Gelatin Type B</td>
			<td style="width:147px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:137px;">M-12026</td>
			<td style="width:667px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Pseudomonas isolation agar&#160;</td>
			<td style="width:147px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:137px;">DF0927-17-1</td>
			<td style="width:667px;">Follow manufacturer&#8217;s instructions to make PIA plates</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Ficoll-Paque PLUS&#160;</td>
			<td style="width:147px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:137px;">45-001-749</td>
			<td style="width:667px;">Optional, can improve neutrophil purity</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;"></td>
			<td style="width:147px;"></td>
			<td style="width:137px;"></td>
			<td style="width:667px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;"></td>
			<td style="width:147px;"></td>
			<td style="width:137px;"></td>
			<td style="width:667px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;"></td>
			<td style="width:147px;"></td>
			<td style="width:137px;"></td>
			<td style="width:667px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;"></td>
			<td style="width:147px;"></td>
			<td style="width:137px;"></td>
			<td style="width:667px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;"></td>
			<td style="width:147px;"></td>
			<td style="width:137px;"></td>
			<td style="width:667px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Name of Material / Equipment</td>
			<td style="width:147px;">Company</td>
			<td style="width:137px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:667px;">Comments</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">24-well migration plate</td>
			<td style="width:147px;">Corning Incorporated</td>
			<td style="width:137px;">#3524</td>
			<td style="width:667px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">24-well wash plate</td>
			<td style="width:147px;">Falcon</td>
			<td style="width:137px;">35-1147</td>
			<td style="width:667px;">Can be reused if soaked in 70% ethanol and washed thoroughly prior to reuse</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">96-well plate</td>
			<td style="width:147px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:137px;">#12565501</td>
			<td style="width:667px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:520px;">Transwell Permeable Supports&#160;</td>
			<td style="width:147px;">Corning Incorporated</td>
			<td style="width:137px;">#3415</td>
			<td style="width:667px;">Polycarbonate; Diameter: 6.5 mm; Growth area: 0.33 cm2; Dish style: 24-well plate; Pore size: 3.0 &#181;m</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Petri dish</td>
			<td style="width:147px;">Falcon</td>
			<td style="width:137px;">35-1013</td>
			<td style="width:667px;">Each Petri dish holds 24 inverted 0.33 cm2 Transwells.&#160;&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">500 ml 0.2 &#956;m filter / flask</td>
			<td style="width:147px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:137px;">09-740-25A</td>
			<td style="width:667px;">To sterilize acid citrate dextrose (ACD) solution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">5-3/4 in glass Pasteur pipette</td>
			<td style="width:147px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:137px;">13-678-20A</td>
			<td style="width:667px;">Coat tips with Sigmacote prior to use</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Hemostat</td>
			<td style="width:147px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:137px;">13-812-14</td>
			<td style="width:667px;">Curved, Serrated</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Invertoskop Inverted Microscope</td>
			<td style="width:147px;">Zeiss</td>
			<td style="width:137px;">#342222</td>
			<td style="width:667px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:520px;">Versa-Max Microplate Reader</td>
			<td style="width:147px;">Molecular Devices</td>
			<td style="width:137px;">#432789</td>
			<td style="width:667px;"></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in vitro coculture assay to assess pathogen induced neutrophil trans-epithelial migration

Schleimhautoberflächen dienen als Schutzbarrieren gegen pathogene Organismen. Angeborene Immunantworten werden bei der Erfassung von Krankheitserregern aktiviert, die zur Infiltration von Geweben mit wandernden Entzündungszellen führen, in erster Linie Neutrophilen. Dieser Prozess hat das Potenzial, gewebezerstörend zu sein, wenn er übermäßig ist oder in einem ungelösten Zustand gehalten wird.  Cokultivierte In-vitro-Modelle können verwendet werden, um die einzigartigen molekularen Mechanismen zu untersuchen, die an pathogenerinduzierter neutrophiler transepitheliale Migration beteiligt sind. Diese Art von Modell bietet Vielseitigkeit im experimentellen Design mit der Möglichkeit für die kontrollierte Manipulation des Erregers, Epithelbarriere, oder Neutrophil. Die pathogene Infektion der apikalen Oberfläche polarisierter Epithelmonolayer, die auf durchlässigen Transwellfiltern angebaut werden, löst physiologisch relevante basolaterale zu apikale transepitheliale Migration von Neutrophilen aus, die auf die basolaterale Oberfläche aufgetragen werden. Das hier beschriebene In-vitro-Modell zeigt die verschiedenen Schritte, die zum Nachweis der neutrophilen Migration über eine polarisierte Lungenepithelmonoschicht erforderlich sind, die mit der pathogenen P. aeruginosa (PAO1) infiziert ist. Die Aussaat und Kultivierung durchlässiger Transwells mit menschlichen Lungenepithelzellen wird beschrieben, zusammen mit der Isolierung von Neutrophilen aus ganzem menschlichen Blut und der Kultivierung von PAO1 und nichtpathogenem K12 E. coli (MC1000).  Der Emigrationsprozess und die quantitative Analyse erfolgreich migrierter Neutrophilen, die als Reaktion auf pathogene Infektionen mobilisiert wurden, werden mit repräsentativen Daten, einschließlich positiver und negativer Kontrollen, dargestellt. Dieses In-vitro-Modellsystem kann manipuliert und auf andere Schleimhautoberflächen aufgebracht werden. Entzündungsreaktionen, die eine übermäßige neutrophile Infiltration beinhalten, können zerstörerisch für Wirtsgewebe sein und können ohne pathogene Infektionen auftreten. Ein besseres Verständnis der molekularen Mechanismen, die die neutrophile transepitheliale Migration durch experimentelle Manipulation des hier beschriebenen In-vitro-Kokultur-Assay-Systems fördern, hat ein erhebliches Potenzial, neue therapeutische Ziele für eine Reihe von mukosalen infektiösen sowie entzündlichen Erkrankungen zu identifizieren.

Mehrere Studien haben gezeigt, dass pathogeninfizierte Epithelschichten die neutrophile transepitheliale Migration erleichtern3,8,19,24-28,31,32. Dies geschieht über eine pathogen-spezifische Induktion eines epitheliaalzellabgeleiteten neutrophilen chemotaktischen Gradienten3,23. Zum Beispiel bewirkt die pathogene P. aeruginosa, die mit der apikalen Oberfläche von Lungenepithelzellen interagiert, dass eine beträchtliche Anzahl von Neutrophilen über die Epithelschicht18,22,25,26,33,...

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In vitro Coculture Assay to Assess Pathogen Induced Neutrophil Trans-epithelial Migration

Neutrophile transepitheliale Migration als Reaktion auf eine mukosasale bakterielle Infektion trägt zu Epithelverletzungen und klinischen Erkrankungen bei. Es wurde ein In-vitro-Modell entwickelt, das Erreger, menschliche Neutrophile und polarisierte menschliche Epithelzellschichten kombiniert, die auf Transwell-Filtern angebaut werden, um Untersuchungen zur Entwirrung der molekularen Mechanismen zu erleichtern, die dieses Phänomen orchestrieren.

In vitro Coculture Assay zur Bewertung pathogeninduzierter Neutrophiler Transepithelmigration

Mucosal surfaces serve as protective barriers against pathogenic organisms.&#160;Innate immune responses are activated upon sensing pathogen leading to ...

in-vitro-coculture-assay-to-assess-pathogen-induced-neutrophil-trans

Research

JoVE Journal

Immunology and Infection

In vitro Coculture Assay to Assess Pathogen Induced Neutrophil Trans-epithelial Migration

17.3K Aufrufe.  Harvard Medical School. Neutrophile transepitheliale Migration als Reaktion auf eine mukosasale bakterielle Infektion trägt zu Epithelverletzungen und klinischen Erkrankungen bei. Es wurde ein In-vitro-Modell entwickelt, das Erreger, menschliche Neutrophile und polarisierte menschliche Epithelzellschichten kombiniert, die auf Transwell-Filtern angebaut werden, um Untersuchungen zur Entwirrung der molekularen Mechanismen zu erleichtern, die dieses Phänomen orchestrieren.