רומן<em&gt; In vivo</em&gt; טכניקה וין העברה<em&gt; במבחנה</emמבחני תא בהתבסס&gt; לחקר אובדן עצם בפרעות השלד והשרירים

Summary

Differentiation of precursor cells into osteoclasts is regulated by cytokines and growth factors. Here, a novel gene transfer technique for differentiation of osteoclasts in vivo and cell culture protocols for differentiating precursor cells into osteoclasts in vitro as a method to study the effects of cytokines on osteoclastogenesis are described.

Abstract

Differentiation and activation of osteoclasts play a key role in the development of musculoskeletal diseases as these cells are primarily involved in bone resorption. Osteoclasts can be generated in vitro from monocyte/macrophage precursor cells in the presence of certain cytokines, which promote survival and differentiation. Here, both in vivo and in vitro techniques are demonstrated, which allow scientists to study different cytokine contributions towards osteoclast differentiation, signaling, and activation. The minicircle DNA delivery gene transfer system provides an alternative method to establish an osteoporosis-related model is particularly useful to study the efficacy of various pharmacological inhibitors in vivo. Similarly, in vitro culturing protocols for producing osteoclasts from human precursor cells in the presence of specific cytokines enables scientists to study osteoclastogenesis in human cells for translational applications. Combined, these techniques have the potential to accelerate drug discovery efforts for osteoclast-specific targeted therapeutics, which may benefit millions of osteoporosis and arthritis patients worldwide.

Introduction

מחלות השלד והשרירים משפיעות על מיליוני אנשים בארצות הברית וההשלכות חמורות בהווה למערכות בריאות מקומיות וארציות ^1. הפרעות אלו מתאפיינות באובדן העצם ותפקוד מפרקים הדורשים טיפול מקיף ותקופות של התאוששות ארוכות. בדרך כלל, גידול יחסי במספר ו / או הפעילות של osteoclasts, תאים מתמחים לנספגים שוב עצם, באוסטיאופורוזיס ובדלקת מפרקים שהוא ציין ^2. בתנאים פיסיולוגיים במספר ובפעילות של osteoclasts מוסדר על ידי מפעיל הקולטן של הגורם הגרעיני κ-B ליגנד (RANKL), אשר מופק על ידי אוסטאובלסטים. Osteoprotegerin (OPG), קולטן דמה לRANKL מיוצר גם על ידי osteoblasts ³ בvivo מודלים של בעלי חיים הכרוכים בביטוי יתר מערכתי של sRANKL, או מחיקה של OPG יקרים מאוד במחקר באוסטאופורוזיס.; עם זאת, שיטות אלו דורשות הדור של עכברים הטרנסגניים ^4,5. כאן, אלטרנטיבה רומןשיטה של ​​overexpressing sRANKL לחקר הפרעות הקשורות לשרירים ושלד מתואר. באופן ספציפי, minicircle (MC) טכנולוגיית ה-DNA ושיטות משלוח הידרודינמית שימשו כדי להשיג העברת גנים של sRANKL in vivo ו overexpress עכבר sRANKL מערכתי ^6.

שיטה זו היא גם משלימה in vivo מודלים אחרים לאוסטאופורוזיס, כגון אפנון הורמונלי של osteoclasts הבא ovariectomy ⁷ והתערבות תזונתית על ידי דיאטה דל בסידן ^8. מודלים אלה הם מאוד שימושיים כדי ללמוד היבטים שונים של הפרעות הקשורות לשלד ושרירים עם זאת הם דורשים ניתוחים ועשויים להימשך עד מספר חודשים, במחיר משמעותי ^9. מודל מכרסם ovariectomized (OVX) הוא מודל חיה ניסיוני שבו הסרת השחלות גורמת למחסור באסטרוגן ובכך מחקה אוסטאופורוזיס לאחר גיל המעבר אדם ^10. אוסטיאופורוזיס בגיל הבלות אדם, מצב שבו defici אסטרוגןency מוביל לסיכון מוגבר לשברים בעצמות ובריחת סידן משפיעה על כשמונה מיליון נשים בארצות הברית לבדה. למרות שמודל OVX שימושי לאוסטיאופורוזיס בגיל הבלות הוא מציע יתרונות מוגבלים בלימוד אוסטאופורוזיס באופן כללי. אסטרוגן מדכא את איבוד מסת עצם, על ידי גרימת osteoclast ועיכוב אפופטוזיס osteoblast, ולכן בהעדרה פעילות osteoclast המוגבר הוא ציין ^10-12. חוסר איזון יחס RANKL-OPG שמעדיף ספיגת עצם הוא ציין גם ^13. עם זאת, מחסור באסטרוגן in vivo מלווה גם בירידה ברמות של הפיכת β גורם גדילה (β TGF), גדל אינטרלויקין 7 (IL-7) וTNF, IL-1 ו-IL-6 ^14,15. כציטוקינים אלה ידועים פונקציות ויסות שיפוץ עצם בלתי תלויות במסלול RANKL, אי אפשר לייחס כל הפעלת osteoclast אך ורק על ציר RANKL-RANK. המודל המתואר במאמר זה מאפשר לחוקרים ללמוד ביוo ציר RANKL-RANK בosteoclastogenesis ואובדן עצם ללא הפרו ציטוקינים דלקתיים בהשוואה למודלים של מכרסמים OVX.

בנוסף, טכניקות osteoclastogenesis במבחנה הן כלים חיוניים ללמוד הפעלת osteoclast לטיפולי פוטנציאל טיפוליים של מחלות השלד והשרירים. גם מחקרים קודמים הראו כי culturing מקרופאגים מח עצם עכבר נגזרים (BMMs) עם גורם מקרופאג העכבר מגרה מושבה (M-CSF) והעכבר sRANKL יכול להוביל לבידול osteoclast ^3,16,17. הנה, את הפרוטוקולים כדי לייצר תאים כמו osteoclast-multinucleated ממח העצם של עכבר, כמו גם מהתאים אנושיים היקפיים mononuclear הדם (PBMCs) במבחנה ¹⁸ מתוארים. מבחני מבוססי התאים נדרשים להגדיר osteoclast הבדיל סופני ומתפקד באופן מלא בשלה גם מתוארים בקצרה. במבחנה טכניקות אלה משלימים את הרומן בגישת vivo ויחד לשמש pכלי החקירה owerful ללמוד בידול osteoclast והפעלה. שימוש במערכות אלה, מדענים מסוגלים לייצר osteoclasts in vivo ו במבחנה ולהגדיר את הגירויים ואותות הנדרשים להפצה וההפעלה שלהם, כמו גם לבחון את היעילות של מעכבים תרופתיים וביולוגיים.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. משלוח הידרודינמית של sRANKL MC-DNA

1. משלוח הידרודינמית דרך וריד זנב עכבר
   1. לשקול את העכבר לפני ההזרקה לוריד זנב. לדלל sRANKL או חלבון פלואורסצנטי ירוק (GFP) MC בפתרון של רינגר (טרום חם על 37 מעלות צלזיוס) בהיקף כולל של ~ 10% ממשקל גופו של העכבר.
   2. לחמם את העכבר בכלוב עבור 10 דקות לפני ההזרקה כדי מרחיב את כלי דם ולהפוך את הוורידים לרוחב (LVS) נראים לעין. לנטר את העכבר בזהירות כדי למנוע התייבשות והיפרתרמיה.
   3. ברגע שהם LVS מורחבים ונראה לעין, להעביר את העכבר לעוצר ולהכניס את התקע רחוק מספיק לתוך החבית לרסן את התנועה. לפקח על העכבר לפעילות רגילה כגון נשימה. התאם את התקע של עוצר במידת צורך.
   4. לחטא את אזור ההזרקה 3/4 מקצה הזנב עם אלכוהול לנגב. שימוש במחט G 27-30 להזרקה לוריד זנב עכבר. החזק את הזנב בחוזקה ביד אחת ולהכניס את המחט בלוריד הזנב. להפעיל לחץ על המזרק ולהשלים את הזריקה בתוך 5-7 שניות.
   5. הסר את המחט מוריד הזנב ולהפעיל לחץ עם כדור צמר גפן באתר ההזרקה כדי לעצור את הדימום. לפקח על העכבר ל15-30 דקות, ולאחר מכן להעביר את העכבר בחזרה לביבר פעם אחת את קצב הנשימה מצטמצם לשיעור הרגיל שלו.
2. אישור על ביטוי sRANKL המערכתי מאוס והכימות של העברת עכבר סרום TRACP5b ההודעה ג'ין
   1. לחמם את העכבר בכלוב ל5-10 דק כדי מרחיב את כלי דם ולגרום LVS גלוי. לנטר את העכבר בזהירות כדי למנוע התייבשות והיפרתרמיה.
   2. לעשות חתך קטן עם להב לזנבו של העכבר באתר אחד אחורה מקצה הזנב.
   3. לאסוף כ 100 μl דם בצינורות הפרדה בסרום.
   4. דגירה צינורות הפרדת סרום בטמפרטורת חדר למשך 30 דקות.
   5. צנטריפוגה דגימות 10,000 XG במשך 5 דקות ולאסוף בסרום. Storסרום דואר ב-80 ° C לניתוח נוסף.
   6. בצע sRANKL ELISA וassay TRACP5b סרום עכבר על דגימות סרום באמצעות ערכה זמינה מסחרית.

2. דור Osteoclast במבחנה מBMMs מאוס

1. בידוד וCulturing של BMMs
   1. בידוד של השוקה ועצמות ירך: להרדים את עכבר התורם עם CO _2, ולחטא את הרגליים עם 70% אתנול. לנתח מעצם הערווה עד עצם calcaneus, כדי להסיר את עצמות ירך ושוקה בשלמותה.
   2. הסר את העור ושרירים בזהירות מבלי לפגוע בעצמות. הנח עצם ירך ועצם שוקה מעובד בצלחת פטרי המכילה בופר פוספט (PBS).
   3. ההסרה של מח עצם: חותכים את הקצה בצד אחד של עצמות הירך ושוקה ולשטוף את מח העצם לתוך צינור 50 מיליליטר באמצעות מזרק 1ml עם מחט 25 G, עמוס α-ממ המכיל 1% פניצילין / סטרפטומיצין (Osteoclast התרבות בינונית / OCM).
   4. מח עצם תהליך: לערבב ולהעביר השעיה מח עצם לצינור מיליליטר 50 חדש על ידי העברתו דרך מסננת תא ניילון 70 מיקרומטר. צנטריפוגה התאים ב XG 300 מחדש להשעות בα-ממ המכיל 1% פניצילין / סטרפטומיצין ו10% FBS (הבינוני Osteoclast תרבות / OCM (+)).
2. תרבות של המקרופאגים
   1. ספירת תאים באמצעות hemocytometer או דלפק תא אוטומטי.
   2. צלחת 1 x 10 ⁶ תאים לכל גם לצלחת 6 היטב או 3 x 10 ⁵ תאים לcoverslips זכוכית (5 מ"מ) או פרוסות הדנטין להציב צלחת 96 היטב ולדגור על 37 ° C.
   3. לשאוב את כל אמצעי התקשורת המכילה תאים שאינם חסיד ודגירת תאים ב 37 ° C עם OCM הטרי (+) המכילה עכבר 25 ng / ml M-CSF ל48 שעות.
   4. תקשורת לשאוב את כל התקשורת ודגירת תאים ב 37 ° C עם OCM הטרי (+) המכילה M-CSF עכבר 25 ng / ml, ו30 sRANKL עכבר ng / ml ליזום osteoclastogenesis. לחדש את התקשורת בכל 3 ימים, כנדרש.
   5. לגדל תאיםכ 6-8 ימים על מנת לייצר תאים רב גרעיניים ענק מסוגלים resorbing עצם. ברגע שהתאים multinucleated מופיעים, לבצע מלכודת (phosphatase חומצה עמיד tartrate) מכתים באמצעות ערכה זמינה מסחרית, וכאשר התבגרו באופן מלא, לבצע מבחני תפקודיים. דמיינו טבעות ה-F-אקטין על coverslips באמצעות כתם phalloidin ותמונה מצורפים לתאים הדנטין פרוסות ידי מיקרוסקופיית אלקטרונים (SEM) כפי שתואר לעיל ^19.

3. דור Osteoclast במבחנה מPBMCs האדם

1. בידוד של PBMCs האדם
   1. הוסף 10 מיליליטר של Histopaque-1077 מראש חימם לתוך צינור 50 מיליליטר.
   2. מסנן ויקוציטים ריק המתקבל מבנק דם עם PBS סטרילי לתוך צינור 50 מיליליטר (1:1 יחס של דם עם PBS). שכבת הדם המדולל על פתרון Histopaque לאט מאוד, ולוודא כי הדם לא לערבב עם Histopaque.
   3. צנטריפוגה דגימות XG 1000 עבור 20 דקות ב18 ° C. לעקובing צנטריפוגה, לבודד בזהירות את שכבת מעיל באפי הלבנה המכילה את תאי דם הלבנים ולהעביר לצינור מיליליטר 50 חדש.
   4. לדלל תאים עם PBS ו צנטריפוגות שוב ב650 XG במשך 5 דקות כדי לאסוף את התאים.
   5. הסר supernatant ותאי resuspend ב OCM (-) תקשורת ולספור תאים באמצעות דלפק תא.
2. ציפוי וCulturing PBMCs
   1. תקשורת resuspend תאי OCM (+) וצלחת 8 x 10 ⁶ תאים / מיליליטר לכל טוב בצלחת או 1 6 גם x 10 ⁶ תאים / מיליליטר לכל טוב בצלחת 96 היטב. פלייט תאים על coverslips זכוכית (5 מ"מ), כנדרש להדמית immunofluorescence כמו גם על פרוסות עצם מתאימות עבור מבחני ספיגת עצם כפי שתוארו לעיל ^20.
   2. מדיה שינוי תרבות, חידוש התאים עם M-CSF האנושי כל 2-3 ימים או כפי שנדרש. לאחר מכן להמשיך לשלב בידול ביום 5 על ידי הוספת 30 / מיליליטר ng של sRANKL האנושי יחד עם 25 M-CSF ng / ml אדם בOCM (+) תקשורת ליזום osteoclastogenesהוא.
   3. לגדל תאים לכ 14-21 ימים על מנת לייצר תאים רב גרעיניים ענק. ברגע שהתאים multinucleated מופיעים, אז יכולים להיות שכותרתו תאים אלה למלכודת, וכשהתבגרו באופן מלא, ניתן לבצע מבחני תפקודיים. ניתן דמיינו טבעות ה-F-אקטין על coverslips באמצעות כתם phalloidin. המורפולוגיה של התאים ניתן לבדוק בתאים מצורפים הדנטין פרוסות ידי SEM.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

כאן, בטכניקת העברת גנים חדשים לבידול של osteoclasts in vivo ופרוטוקולי תרבית תאים להפרדת תאים מבשר לosteoclasts במבחנה, כמו שיטה כדי לחקור את ההשפעות של ציטוקינים על osteoclastogenesis מתוארות. באיור 1, תוצאות הנציג של העברת גנים המוצלחת של ה-GFP ועכבר sRANKL MC בעכברים מוצגות. ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

תנאי השלד והשרירים מובילים גורמים לתחלואה ונכות ומורכבים של מעל 150 מחלות ותסמונות; המשפיע על כ -90 מיליון אמריקאים היום. דלקת מפרקים והרס עצם הם תכונות העיקריות של תנאים שרירי שלד, הכוללים דלקת מפרקים ואוסטאופורוזיס. אוסטאופורוזיס היא מחלה שמחלישה את שלמות עצם, לעתים ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
alpha-MEM	Life Technologies	12561-056
Human M-CSF	Miltenyi Biotec	130-096-492
Mouse M-CSF	Miltenyi Biotec	130-094-643
Human RANK-Ligand - soluble	Miltenyi Biotec	130-094-631
Mouse RANK-Ligand - soluble	Miltenyi Biotec	130-094-076
Tailveiner Restrainer for mice	Braintree	TV-150 STD
Mouse TRANCE/RANK L/TNFSF11 Quantikine ELISA Kit	R&D systems	MTR00
Acid Phosphatase, Leukocyte (TRAP) Kit	Sigma	387A
MouseTRAP assay	immunodiagnostic systems	SB-TR103