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Method Article
Ce protocole décrit des tests de cytométrie en flux qui permettent d’évaluer les effets de l’exposition aux toxines sur les fonctions endocytaires de différentes sous-populations de leucocytes de poisson-zèbre. L’utilisation d’inhibiteurs fonctionnels spécifiques dans le test permet de différencier les mécanismes endocytaires altérés.
Diverses toxines biologiques peuvent être présentes à des niveaux nocifs dans l’environnement aquatique. Les cyanobactéries sont un groupe diversifié de micro-organismes procaryotes qui produisent des cyanotoxines dans le milieu aquatique. Ces biotoxines peuvent être des hépatotoxines, des dermatoxines ou des neurotoxines et peuvent affecter les poissons et les mammifères. À des niveaux élevés, ces composés sont mortels. À des niveaux non létaux, ils agissent insidieusement et affectent les fonctions des cellules immunitaires. Les biotoxines produites par les algues comprennent la microcystine et l’anatoxine A. Les animaux aquatiques peuvent également ingérer des matières contaminées par la neurotoxine botulique E (BoNT/E) produite par Clostridium botulinum, entraînant également la mort ou une diminution des fonctions immunitaires. Le poisson-zèbre peut être utilisé pour étudier comment les toxines affectent les fonctions des cellules immunitaires. Dans ces études, l’exposition aux toxines peut être effectuée in vivo ou in vitro. Des études in vivo exposent le poisson-zèbre à la toxine, puis les cellules sont isolées. Cette méthode démontre comment l’environnement tissulaire peut influencer la fonction leucocytaire. Les études in vitro isolent d’abord les cellules, puis les exposent à la toxine dans des puits de culture. Les leucocytes sont obtenus par extraction de moelle rénale, suivie d’une centrifugation à gradient de densité. La façon dont les leucocytes internalisent les agents pathogènes est déterminée par les mécanismes endocytaires. Les tests de phagocytose par cytométrie en flux montrent si les mécanismes endocytaires ont été altérés par l’exposition aux toxines. Il n’existe pas d’études utilisant des leucocytes isolés pour déterminer comment les toxines causent un dysfonctionnement immunitaire. Les procédures décrites dans cet article permettront aux laboratoires d’utiliser le poisson-zèbre pour étudier les mécanismes qui sont affectés lorsqu’une toxine environnementale diminue les fonctions endocytaires des cellules immunitaires.
Il existe de nombreux types de biotoxines environnementales et d’agents immunosuppresseurs. Les proliférations d’algues contenant des toxines bactériennes se produisent dans les eaux intérieures et peuvent également se présenter sous forme de biofilms1. Les cyanobactéries (algues bleu-vert) sont naturellement présentes dans tous les écosystèmes d’eau douce. Les proliférations de cyanobactéries ont considérablement augmenté dans les systèmes d’eau douce2. À certains moments, les cyanobactéries peuvent produire des toxines nocives pour les animaux aquatiques et terrestres. Ces toxines peuvent affecter le foie, la peau et les muqueuses, et/ou le système nerveux. Deux composés produits par les cyanobactéries sont la microcystine et l’anatoxine A. La microcystine est un heptapeptide3 cyclique. L’anatoxine A est un alcaloïde4. La neurotoxine botulique E (BoNT/E) est une autre toxine présente dans les systèmes aquatiques. Il est produit par Clostridium botulinum et peut être ingéré par les animaux aquatiques5.
L’exposition aux toxines environnementales affecte les poissons et peut également affecter la santé animale et augmenter l’apparition de maladies6. Comprendre comment ces toxines affectent les cellules immunitaires est fondamental pour déterminer les risques associés à l’exposition à ces substances. Le poisson-zèbre est un excellent modèle pour étudier les effets des toxines environnementales sur les cellules immunitaires7. Le développement d’une méthode qui utilise la cytométrie en flux et les leucocytes du poisson-zèbre est très bénéfique. Les poissons-zèbres ont une pertinence physiologique pour les humains, et cette méthode peut être appliquée à un large éventail de domaines de recherche, de la toxicologie et de l’immunologie fondamentales à la découverte de médicaments et à la biologie du développement. Parce qu’il s’agit d’organismes aquatiques, le poisson-zèbre est particulièrement adapté à l’étude des effets des toxines environnementales d’origine hydrique7. L’utilisation du poisson-zèbre est moins coûteuse que celle d’autres modèles de vertébrés, et leur utilisation soulève moins de problèmes éthiques.
Les globules blancs, ou leucocytes, sont la première ligne de défense cellulaire contre les organismes pathogènes. L’endocytose est le processus par lequel une cellule absorbe ou internalise un liquide ou une particule externe à la cellule. Ceci est accompli par la cellule enfermant le composé dans une vésicule8. Les leucocytes utilisent ce processus comme première étape pour tuer les agents pathogènes et préparer une défense contre les maladies. La phagocytose est un type d’endocytose et a été l’une des premières méthodes utilisées pour étudier les effets des polluants environnementaux sur la santé des poissons9. Le laboratoire Petrie-Hanson a mis au point des méthodes utilisant les leucocytes du poisson-zèbre pour dépister les biotoxines afin de déterminer leur capacité potentielle à interférer avec les fonctions endocytaires et phagocytaires des leucocytes et à avoir un impact sur les défenses immunitaires. Les types d’endocytose inclus dans ces méthodes sont la pinocytose, la phagocytose, la phagocytose médiée par les récepteurs du calcium et la phagocytose médiée par les récepteurs du mannose. L’utilisation de méthodes de cytométrie en flux avec le poisson-zèbre a été décrite pour la première fois dans le laboratoire Petrie-Hanson9 et est couramment utilisée pour étudier les toxines et les agents pathogènes aquatiques. Le poisson-zèbre mutant Rag1-/- n’a pas de cellules T et B10 et peut être utilisé pour étudier spécifiquement les mécanismes des cellules immunitaires innées.
La cytométrie en flux est basée sur le laser et peut être utilisée pour déterminer les propriétés physiques des cellules. La valeur de diffusion vers l’avant, ou FSC, est tracée sur l’axe des X et représente la taille de la cellule. La diffusion latérale, ou SSC, est tracée sur l’axe Y et représente la granularité cytoplasmique de la cellule. Le graphique résultant montre des populations de cellules ayant des caractéristiques physiques similaires regroupées, les différents types de cellules apparaissant à divers endroits sur un graphique de dispersion. Ces populations peuvent changer d’emplacement sur le nuage de points à mesure que les caractéristiques physiques des cellules changent9. L’utilisation de cette technique avec des leucocytes de poisson-zèbre permet aux chercheurs d’évaluer les changements dans les populations cellulaires en réponse à divers stimuli, y compris les toxines environnementales.
Le cytomètre en flux est multidimensionnel, et plusieurs types de fluorophores peuvent être utilisés dans l’évaluation pour caractériser davantage les cellules et leur activité. Dans les tests décrits dans ce protocole, l’endocytose est caractérisée par la mesure de la quantité de matière fluorescente qu’une cellule a internalisée. Il est possible de déterminer si et comment l’exposition aux toxines affecte les mécanismes endocytaires en comparant la capacité des cellules exposées aux toxines à absorber le matériau par rapport à la capacité des cellules non exposées aux toxines à l’aide de la cytométrie en flux. Les processus endocytaires qui peuvent être évalués de cette manière comprennent la pinocytose, l’endocytose médiée par les récepteurs et la phagocytose.
La pinocytose est l’absorption de composants solubles, et elle n’utilise pas de récepteurs cellulaires. L’absorption implique un réarrangement cytoplasmique par des microfilaments et des microtubules pour former de petites vacuoles. Le jaune de luciférase (LY) est un colorant fluorescent utilisé pour mesurer l’absorption de liquide par pinocytose non sélective11. L’endocytose médiée par le récepteur implique l’absorption sélective de grosses molécules. Le dextran (DX) 40 marqué à la fluorescéine (FITC) peut être utilisé pour évaluer ce processus. La phagocytose est une forme d’endocytose qui consiste à ingérer des particules de plus de 0,5 micromètre. Ce processus est étudié par des procédures utilisant FITC-DX70 et FITC-Eschericia coli. Les DX40 et DX70 ont des poids moléculaires de 40 000 et 70 000, respectivement. FITC-E. coli est la souche de laboratoire standard d’E. coli liée à un fluor qui peut être mesurée par le cytomètre en flux. De nombreuses formes d’endocytose médiée par le récepteur nécessitent du calcium comme molécule de signalisation et pour le réarrangement cytosquelettique9. Un autre type d’endocytose médiée par les récepteurs est l’endocytose médiée par les récepteurs du mannose (MR). Les récepteurs du mannose sont des protéines transmembranaires qui reconnaissent les formes de mannane à la surface des cellules microbiennes9. Pour optimiser ces procédures, une courbe dose-réponse doit être créée avec chaque toxine afin d’établir les doses à utiliser. Une courbe de saturation doit être effectuée pour LY, FITC-DX40, FITC-DX70 et FITC-E. coli afin d’évaluer la concentration correcte à utiliser.
Les mécanismes utilisés par les leucocytes pour internaliser différentes particules peuvent varier. Pour suggérer quel composant du processus peut être affecté par l’exposition aux toxines, des inhibiteurs peuvent être ajoutés pour bloquer les mécanismes phagocytaires. La cytochalasine D (CCD) inhibera le mouvement des microtubules et donc la pinocytose. Le CCD n’influence pas l’endocytose médiée par le récepteur11. L’EDTA bloque l’endocytose médiée par les récepteurs dépendants du calcium (Ca2+). Mannan est un ligand naturel pour le MR. Mannan est utilisé comme inhibiteur du récepteur du mannose pour évaluer si la phagocytose ou la pinocytose est médiée par le récepteur du mannose9.
Le but de ce protocole est de démontrer les procédures permettant de déterminer si l’exposition aux toxines a affecté la capacité des leucocytes phagocytaires à absorber les agents pathogènes. Ces protocoles peuvent également discerner si un mécanisme endocytaire spécifique est affecté. La réalisation de ces tests sur le cytomètre en flux permet une discrimination plus poussée en sélectionnant les populations de leucocytes en fonction de leur taille et de leur granularité cytoplasmique afin de déterminer si les sous-populations de leucocytes ont été affectées de manière différentielle. Cette méthode repose sur le gating électronique des populations cellulaires.
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Ce protocole a été approuvé par le Comité institutionnel de protection et d’utilisation des animaux de l’Université d’État du Mississippi (MSU-IACUC). Tous les poissons-zèbres utilisés dans cette étude ont été élevés à partir d’une colonie homozygote de poissons-zèbres mutants rag1-/- précédemment établie dans l’écloserie exempte d’agents pathogènes spécifiques du College of Veterinary Medicine de l’Université d’État du Mississippi (MSU)10. Des poissons-zèbres de type sauvage ont également été multipliés dans cette écloserie. Dans ces études, l’exposition aux toxines peut être effectuée in vivo ou in vitro. Des études in vivo exposent le poisson-zèbre à la toxine, après quoi les leucocytes sont isolés, indiquant comment la toxine et le microenvironnement tissulaire peuvent interagir et influencer la fonction leucocytaire. Les études in vitro isolent les leucocytes, puis exposent les cellules à la toxine dans des puits de culture.
1. Préparation des réactifs et des solutions
2. Soins du poisson-zèbre
3. Isolement cellulaire
4. Essai de viabilité cellulaire
5. Incubation de toxines
6. Test d’endocytose
7. Cytométrie en flux
8. Effet de la toxine sur les mécanismes endocytaires et effets des inhibiteurs CCD, EDTA et mannane sur les mécanismes endocytaires
REMARQUE : Pour absorber des liquides ou des particules, le cytoplasme cellulaire se déplace activement. Ce mouvement nécessite de multiples éléments structurels et voies de signalisation. Les biotoxines peuvent affecter n’importe lequel de ces éléments ou voies. La comparaison des effets d’inhibiteurs caractérisés spécifiques peut être utilisée pour aider à discerner comment la biotoxine peut agir11.
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Les tests d’endocytose utilisent des leucocytes mixtes isolés à partir de gradients et contrôlés pour les phagocytes et les lymphocytes afin de déterminer si des mécanismes cellulaires spécifiques ont été modifiés par l’exposition à des toxines. Tout d’abord, les cellules sont contrôlées en fonction de leur taille et de leur granularité10. Les cellules mortes, fragmentées ou mourantes sont visualisées dans le coin inférieur gauche du nuage d...
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L’utilisation de la cytométrie en flux avec des leucocytes de poisson-zèbre offre une approche puissante et polyvalente pour étudier en détail le système immunitaire, évaluer l’impact des toxines environnementales et faciliter la recherche toxicologique. Il fournit un moyen d’évaluer rapidement et efficacement l’impact des toxines sur les cellules immunitaires et la réponse immunitaire. Les résultats révèlent des facteurs humoraux impliqués et suggèrent comment la ph...
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Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Les auteurs remercient Izak Hanson pour l’entretien quotidien du poisson-zèbre utilisé, ainsi que Treva Billyard et Sterling Bailey pour leur aide dans la révision et la mise en forme de ce manuscrit.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
10% fetal bovine serum | Gibco | A3160501 | |
14 mL round bottom centrifuge tubes | BD Biosciences | 352059 | |
40 µm cell straininer | Corning | 07-201-430 | |
5 mL flow cytometry tubes | BD Biosciences | 352235 | |
50 mL conical centrifuge tube | Corning | 14-959-49A | |
Absolute ethanol | Fisher | BP2818-500 | |
Automated cell counter | Life Technologies Countess II FL | for studying cell viability | |
Bovine serum albumin (BSA) | Sigma | A3059 | |
cytochalasin D (CCD) | Sigma | C8273-5MG | |
Dextran 40 | Sigma | FD40-100MG | |
Dextran 70 | Sigma | 46945-100MG-F | |
Escherichia coli DH5α (or other lab bacterial strain) | New England Biolabs | C29871 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma | ED4SS | |
Flow analysis software | Novoacea software | ||
Flow cytometer | Novocyte 3000 | ||
Fluorescein | Fluka BioChemica | 46950 | |
hanks balanced salt solution without calcium or magnesium | Sigma | H4891 | |
Histopaque 1077 | Sigma | 10771-100ML | |
Lucifer Yellow | Sigma | L0259-25MG | |
Mannan | Sigma | M7504-250MG | |
Phosphate buffered saline | Sigma | P3813 | |
RPMI-1640 with GlutaMax | Gibco | 61870036 | |
Statistical software | SPSS | ||
Toxin | |||
Tricaine | Western Chemical Inc | NC0342409 |
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