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Method Article
Nous présentons ici un protocole détaillé d’évaluation du potentiel immunomodulateur des surfaces d’implants in vitro, dans le but d’améliorer la fiabilité et la reproductibilité des protocoles actuels et de promouvoir la poursuite des recherches. Les profils de cytokines sécrétoires, l’expression de l’ARNm et les marqueurs de surface cellulaire ont été surveillés à l’aide de macrophages dérivés de monocytes sanguins pour étudier la polarisation des macrophages cultivés sur du titane.
La réaction à un corps étranger (FBR), un processus de cicatrisation complexe à médiation immunitaire, joue un rôle crucial dans l’intégration des implants dans le corps. Les macrophages, en tant que première ligne d’interaction du système immunitaire avec les surfaces de l’implant, jouent un rôle bidirectionnel dans la modulation de l’équilibre inflammation-régénération. Pour une compréhension approfondie et l’évaluation des réactions entre les matériaux d’implants et les réponses immunitaires, des méthodes et des protocoles in vitro fiables sont essentiels. Parmi les différents modèles in vitro , les macrophages primaires dérivés de monocytes (MDM) présentent un excellent modèle pour étudier les interactions macrophages-implants. Nous avons mis en place un protocole expérimental pour évaluer la polarisation des MDM en macrophages M1 (activés classiquement) et M2 (activés alternativement) sur les surfaces des implants. Nous avons isolé des monocytes sanguins de donneurs sains et les avons différenciés en macrophages à l’aide du facteur de stimulation des colonies de macrophages (M-CSF). Des macrophages différenciés ont été cultivés sur les surfaces de l’implant et polarisés en sous-types M1 et M2. La polarisation M1 a été obtenue en présence d’interféron (IFN)-γ et de lipopolysaccharide (LPS), tandis que la polarisation M2 a été réalisée dans un milieu contenant de l’interleukine (IL)-4 et de l’IL-13. Nous avons évalué les phénotypes des macrophages par immuno-enzymatique (ELISA), microscopie confocale à balayage laser (CLSM) et PCR quantitative en temps réel (qRT-PCR) sur la base de panels de cytokines sécrétées, de marqueurs de surface cellulaire et de gènes exprimés. L’ARN extrait a été transformé en ADN complémentaire (ADNc), et la qRT-PCR a été utilisée pour quantifier l’ARNm lié aux macrophages M1 et M2. En conséquence, les macrophages M1 ont été caractérisés par une expression plus élevée de la cytokine pro-inflammatoire du facteur de nécrose tumorale (TNF-α) et du marqueur de surface CCR7 par rapport aux macrophages M2, qui présentaient des niveaux plus élevés de CD209 et CCL13. Par conséquent, CCR7 et CD209 ont été identifiés comme des marqueurs spécifiques et fiables des sous-types de macrophages M1 et M2 par immunomarquage et visualisation par CLSM. Une confirmation supplémentaire a été obtenue par ELISA détectant un taux élevé de TNF-ɑ dans M1 et une augmentation du CCL13 dans les cellules M2. Les marqueurs proposés et le dispositif expérimental peuvent être utilisés efficacement pour évaluer le potentiel immunomodulateur des implants.
Les biomatériaux implantables sont devenus une solution conventionnelle pour diverses maladies humaines et jouent un grand rôle dans la recherche biomédicale, y compris l’ingénierie tissulaire, les systèmes d’administration de médicaments et les implants 1,2. Il existe une large gamme d’implants fabriqués à partir de divers matériaux avec différentes structures et fonctionnalités, tels que des prothèses de hanche, des stents, des mailles, des valves cardiaques ou des implants dentaires. Lors de l’implantation, le contact tissu-implant provoque une réponse immunitaire, suivie d’une résolution, d’un remodelage tissulaire et d’une homéostasie. Ces processus sont influencés par les caractéristiques physiques, chimiques et bioactives des biomatériaux utilisés. Ces caractéristiques peuvent affecter l’intensité et le spectre des réponses pro- et anti-inflammatoires, la formation de capsules fibrotiques, la dégradation des tissus et la phasede cicatrisation 3,4. Afin de soutenir et d’optimiser le processus de cicatrisation et l’intégration à long terme des implants, l’un des aspects émergents de la recherche actuelle consiste à étudier et à arbitrer l’interaction entre les surfaces des implants et les cellules immunitaires.
Parmi les autres cellules immunitaires, les macrophages, que l’on trouve dans tout le corps, sont des acteurs clés de l’inflammation et de la défense antipathogène, ainsi que des processus de guérison et du maintien de l’homéostasie tissulaire 5,6. Sur la base de leur plasticité et des stimuli microenvironnementaux tissulaires locaux, les macrophages sont capables de se polariser en phénotypes fonctionnels distincts, qui présentent de grandes différences dans le métabolisme cellulaire, les fonctions cellulaires et les profils de sécrétion de cytokines. Le phénotype M1 classiquement activé se distingue par la sécrétion de cytokines pro-inflammatoires, telles que l’IL-1β, l’IL-6 et le TNF-α, et est impliqué dans la réponse inflammatoire initiale et chronique aux traumatismes et aux biomatériaux étrangers. En revanche, les macrophages M2 activés, qui sont déclenchés par des cytokines telles que l’IL-4 et l’IL-13, présentent des caractéristiques telles que la résolution de l’inflammation et la promotion de la cicatrisation des tissus. Les macrophages polarisés M2 peuvent être identifiés par l’expression de marqueurs de surface cellulaire tels que CD206 et la production de cytokines comme IL-10 et IL-47. De même, les macrophages qui ont déjà été polarisés peuvent se reprogrammer dans un nouveau microenvironnement.
De nombreuses études sur les interactions cellule-biomatériaux ont montré l’importance des macrophages dans la cascade des réponses immunologiques envers les biomatériaux implantables et dans l’orchestration des processus impliqués dans la guérison des complications liées aux implants 8,9,10. Même si l’ingénierie biomédicale a fait des progrès significatifs ces dernières années, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre comment les implants modulent le comportement et la polarisation des macrophages 11,12,13.
En culture cellulaire, les cellules mononucléées du sang périphérique (PBMC) dérivées de monocytes peuvent être différenciées en macrophages M0 adhérents, suivies d’une polarisation induite vers les phénotypes M1 ou M2 en utilisant respectivement le LPS et l’IFN-γ ou l’IL-4. Après l’incubation in vitro avec de nouveaux échantillons de biomatériaux, il est possible d’utiliser les différents récepteurs de surface cellulaire et les profils cytokiniques des macrophages M1 et M2 pour détecter le potentiel immunomodulateur des biomatériaux in vitro14,15. Cette étude visait à développer un protocole in vitro qui peut être utilisé pour étudier la polarisation des MDM en réponse à différentes surfaces d’implants. Les analyses d’expression génique, les techniques de microscopie et l’ELISA peuvent être utilisées pour déterminer les marqueurs phénotypiques et les profils cytokiniques spécifiques des macrophages M1 et M2 modulés par le biomatériau. Par conséquent, les interactions complexes entre les macrophages et les surfaces des biomatériaux peuvent être élucidées, et des informations précieuses peuvent être obtenues pour mieux comprendre les interactions macrophages-biomatériaux. Enfin, un protocole in vitro standardisé garantit la reproductibilité, la fiabilité et la comparabilité des résultats expérimentaux en minimisant la variabilité dans le dispositif expérimental.
Le sang périphérique humain a été obtenu à partir de donneurs de sang sains conformément au protocole approuvé par le comité d’éthique de la faculté de médecine de l’Université de Tübingen (approbation éthique : 286/2021 BO). Les PBMC humains ont été isolés à l’aide de la centrifugation à gradient de densité, comme décrit précédemment16. Le protocole suivant est décrit pour les PBMC isolés à partir de 24 mL de sang. Une représentation schématique du protocole est illustrée à la figure 1.
REMARQUE : Le volume sanguin doit être ajusté en fonction du nombre de macrophages M0 utilisés.
Au total, 35,46 ± 9,1 millions de PBMC ont été obtenus à partir de 24 ml de sang, ce qui a donné 1,97 ± 0,46 million de macrophages M0 (n = 5). Tous les réactifs, consommables et appareils sont répertoriés dans la table des matériaux. Les tampons sont répertoriés dans le Tableau 1.
1. Différenciation des monocytes sanguins humains en macrophages
2. Culture et polarisation des MDM sur la surface de l’implant en titane
REMARQUE : Au 6e jour de différenciation, les macrophages M0 ont été ensemencés à la surface du biomatériau avec différents stimuli pendant 48 h pour obtenir des macrophages M1 ou M2 entièrement polarisés. Pour chaque surface examinée, trois disques ont été utilisés pour ensemencer les macrophages M0, M1 et M2. Des lamelles en plastique traitées par culture cellulaire ont été utilisées comme surfaces de contrôle.
3. Caractérisation des macrophages polarisés à l’aide de l’ELISA
REMARQUE : Au jour 2 de la polarisation, des échantillons ont été préparés pour les analyses de caractérisation. La cytokine TNF-ɑ et la chimiokine CCL13 ont été mesurées pour caractériser les macrophages polarisés M1 et M2, respectivement. La concentration des protéines sécrétées a été normalisée à la concentration totale des protéines sécrétées dans le surnageant correspondant.
4. Caractérisation des macrophages polarisés à l’aide du CLSM
REMARQUE : Les macrophages polarisés ont été caractérisés en les colorant avec des anticorps dirigés contre les marqueurs de surface cellulaire CD209 et CCR7. Les noyaux ont été contre-colorés avec DRAQ5. CD68 ou d’autres marqueurs peuvent être utilisés comme marqueurs pan-macrophages.
5. Caractérisation des macrophages polarisés par qRT-PCR
REMARQUE : Pour l’isolement de l’ARN, deux disques par échantillon ont été utilisés afin d’obtenir suffisamment d’ARN pour la synthèse de l’ADNc.
6. Analyse statistique
Les résultats de cette étude démontrent une différenciation et une polarisation réussies des MDM sur des surfaces en titane, suivies d’une caractérisation des macrophages polarisés M1 ou M2. Dans un premier temps, nous avons caractérisé les MDM polarisés à l’aide de CLSM. Sur la base de nos études préliminaires, CD209 et CCR7 ont été utilisés comme marqueurs spécifiques pour différencier les MDM polarisés M1 de M2. Comme le montrent les figures...
Une compréhension approfondie du comportement des macrophages est essentielle pour comprendre les propriétés immunomodulatrices des matériaux implantables. Plusieurs études ont rapporté des marqueurs hétérogènes, une variété de modèles cellulaires et des protocoles pour caractériser la polarisation des macrophages in vitro 17,18,19,20. Pou...
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Les disques ont été aimablement fournis par Medentis Medical, Bad-Neuenahr-Ahrweiler, Allemagne. Les auteurs remercient le service de chirurgie buccale et maxillo-faciale (hôpital universitaire de Tübingen) pour son soutien.
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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