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Method Article
Questo protocollo descrive saggi citofluorimetrici in grado di valutare gli effetti dell'esposizione alle tossine sulle funzioni endocitiche di diverse sottopopolazioni di leucociti zebrafish. L'uso di inibitori funzionali specifici nel saggio consente la differenziazione dei meccanismi endocitici alterati.
Una varietà di tossine biologiche può essere presente a livelli dannosi nell'ambiente acquatico. I cianobatteri sono un gruppo eterogeneo di microrganismi procarioti che producono cianotossine nell'ambiente acquatico. Queste biotossine possono essere epatotossine, dermatossine o neurotossine e possono colpire pesci e mammiferi. Ad alti livelli, questi composti sono fatali. A livelli non letali, agiscono in modo insidioso e influenzano le funzioni delle cellule immunitarie. Le biotossine prodotte dalle alghe includono la microcistina e l'anatossina A. Gli animali acquatici possono anche ingerire materiale contaminato dalla neurotossina botulinica E (BoNT/E) prodotta dal Clostridium botulinum, provocando anche la morte o la diminuzione delle funzioni immunitarie. Il pesce zebra può essere utilizzato per studiare come le tossine influenzano le funzioni delle cellule immunitarie. In questi studi, l'esposizione alle tossine può essere eseguita in vivo o in vitro. Studi in vivo espongono il pesce zebra alla tossina e quindi le cellule vengono isolate. Questo metodo dimostra come l'ambiente tissutale possa influenzare la funzione dei leucociti. Gli studi in vitro isolano prima le cellule e poi le espongono alla tossina nei pozzetti di coltura. I leucociti sono ottenuti mediante estrazione del midollo renale, seguita da centrifugazione in gradiente di densità. Il modo in cui i leucociti internalizzano i patogeni è determinato da meccanismi endocitici. I saggi di fagocitosi con citometria a flusso dimostrano se i meccanismi endocitici sono stati alterati dall'esposizione alle tossine. Mancano studi che utilizzano leucociti isolati per determinare in che modo le tossine causano disfunzioni immunitarie. Le procedure descritte in questo articolo consentiranno ai laboratori di utilizzare il pesce zebra per studiare i meccanismi che vengono influenzati quando una tossina ambientale diminuisce le funzioni endocitiche delle cellule immunitarie.
Esistono molti tipi di biotossine ambientali e agenti immunosoppressori. Le fioriture di alghe che contengono tossine batteriche si verificano nelle acque interne e possono anche verificarsi come biofilm1. I cianobatteri (alghe blu-verdi) si trovano naturalmente in tutti gli ecosistemi d'acqua dolce. Le fioriture cianobatteriche sono notevolmente aumentate nei sistemi di acqua dolce2. In determinati momenti, i cianobatteri possono produrre tossine dannose per gli animali acquatici e terrestri. Queste tossine possono colpire il fegato, la pelle e le mucose e/o il sistema nervoso. Due composti prodotti dai cianobatteri sono la microcistina e l'anatossina A. La microcistina è un eptapeptide ciclico3. L'anatossina A è un alcaloide4. La neurotossina botulinica E (BoNT/E) è un'altra tossina presente nei sistemi acquatici. È prodotto dal Clostridium botulinum e può essere ingerito dagli animali acquatici5.
L'esposizione alle tossine ambientali colpisce i pesci e può anche influire sulla salute degli animali e aumentare l'insorgenza di malattie6. Capire come queste tossine influenzano le cellule immunitarie è fondamentale per determinare i rischi associati all'esposizione a queste sostanze. Il pesce zebra è un modello eccellente per studiare gli effetti delle tossine ambientali sulle cellule immunitarie7. Lo sviluppo di un metodo che utilizza la citometria a flusso e i leucociti di pesce zebra è molto vantaggioso. Il pesce zebra ha rilevanza fisiologica per l'uomo e questo metodo può essere applicato a un'ampia gamma di aree di ricerca, dalla tossicologia di base e dall'immunologia alla scoperta di farmaci e alla biologia dello sviluppo. Poiché sono organismi acquatici, i pesci zebra sono particolarmente adatti per studiare gli effetti delle tossine ambientali presenti nell'acqua7. L'uso del pesce zebra è meno costoso rispetto ad altri modelli di vertebrati e il loro uso solleva meno preoccupazioni etiche.
I globuli bianchi, o leucociti, sono la prima linea di difesa cellulare contro gli organismi che causano malattie. L'endocitosi è il processo di una cellula che assorbe o internalizza un liquido o una particella esterna alla cellula. Ciò si ottiene quando la cellula racchiude il composto in una vescicola8. I leucociti usano questo processo come primo passo per uccidere gli agenti patogeni e preparare una difesa contro le malattie. La fagocitosi è un tipo di endocitosi ed è stata uno dei primi metodi utilizzati per studiare gli effetti degli inquinanti ambientali sulla salute dei pesci9. Il laboratorio Petrie-Hanson ha sviluppato metodi che utilizzano leucociti di pesce zebra per esaminare le biotossine per la loro potenziale capacità di interferire con le funzioni endocitiche e fagocitiche dei leucociti e di influire sulle difese immunitarie. I tipi di endocitosi inclusi in questi metodi sono la pinocitosi, la fagocitosi, la fagocitosi mediata dal recettore del calcio dipendente e la fagocitosi mediata dal recettore del mannosio. L'uso di metodi di citometria a flusso con il pesce zebra è stato descritto per la prima volta nel laboratorio Petrie-Hanson9 e viene utilizzato di routine per studiare le tossine acquatiche e gli agenti patogeni. Il pesce zebra mutante Rag1-/- non ha cellule T e B10 e può essere utilizzato per studiare in modo specifico i meccanismi delle cellule immunitarie innate.
La citometria a flusso è basata su laser e può essere utilizzata per determinare le proprietà fisiche delle cellule. La dispersione diretta, o valore FSC, viene tracciata sull'asse X e rappresenta la dimensione della cella. La dispersione laterale, o SSC, è tracciata sull'asse Y e rappresenta la granularità citoplasmatica della cellula. Il grafico risultante mostra popolazioni di cellule con caratteristiche fisiche simili raggruppate insieme, con i diversi tipi di cellule che appaiono in varie posizioni su un grafico a dispersione. Queste popolazioni possono cambiare posizione sul grafico a dispersioneal variare delle caratteristiche fisiche delle cellule. L'uso di questa tecnica con leucociti zebrafish consente ai ricercatori di valutare i cambiamenti nelle popolazioni cellulari in risposta a vari stimoli, comprese le tossine ambientali.
Il citometro a flusso è multidimensionale e nella valutazione possono essere utilizzati diversi tipi di fluorofori per caratterizzare ulteriormente le cellule e la loro attività. Nei saggi descritti in questo protocollo, l'endocitosi è caratterizzata dalla misurazione della quantità di materiale fluorescente che una cellula ha internalizzato. Se e come l'esposizione alle tossine influisce sui meccanismi endocitici può essere determinato confrontando la capacità delle cellule esposte alle tossine di assorbire il materiale rispetto alla capacità delle cellule non esposte alle tossine utilizzando la citometria a flusso. I processi endocitici che possono essere valutati in questo modo includono la pinocitosi, l'endocitosi mediata dal recettore e la fagocitosi.
La pinocitosi è l'assorbimento di componenti solubili e non utilizza i recettori cellulari. L'assorbimento comporta il riarrangiamento citoplasmatico da parte di microfilamenti e microtubuli per formare piccoli vacuoli. Il giallo luciferasi (LY) è un colorante fluorescente utilizzato per misurare l'assorbimento di liquidi mediante pinocitosi non selettiva11. L'endocitosi mediata dal recettore comporta l'assorbimento selettivo di grandi molecole. Il destrano marcato con fluoresceina (FITC) (DX) 40 può essere utilizzato per valutare questo processo. La fagocitosi è una forma di endocitosi che ingerisce particelle di dimensioni superiori a 0,5 micrometri. Questo processo viene studiato mediante procedure che utilizzano FITC-DX70 e FITC-Eschericia coli. DX40 e DX70 hanno pesi molecolari rispettivamente di 40.000 e 70.000. FITC-E. coli è il ceppo standard di laboratorio di E. coli legato a un fluoro che può essere misurato dal citometro a flusso. Molte forme dell'endocitosi mediata dal recettore richiedono il calcio come molecola di segnalazione e per il riarrangiamento citoscheletrico9. Un altro tipo di endocitosi mediata dal recettore è l'endocitosi mediata dal recettore del mannosio (MR). I recettori del mannosio sono proteine transmembrana che riconoscono le forme di mannano sulle superfici cellulari microbiche9. Per ottimizzare queste procedure, è necessario creare una curva dose-risposta con ciascuna tossina per stabilire le dosi da utilizzare. È necessario eseguire una curva di saturazione per LY, FITC-DX40, FITC-DX70 e FITC-E. coli per valutare la concentrazione corretta da utilizzare.
I meccanismi utilizzati dai leucociti per internalizzare le diverse particelle possono variare. Per suggerire quale componente del processo può essere influenzato dall'esposizione alle tossine, possono essere aggiunti inibitori per bloccare i meccanismi fagocitici. La citocalasina D (CCD) inibisce il movimento dei microtubuli e quindi la pinocitosi. La CCD non influenza l'endocitosi mediata dal recettore11. L'EDTA blocca l'endocitosi mediata dal recettore del calcio (Ca2+). Il mannano è un ligando naturale per la risonanza magnetica. Il mannano è usato come inibitore del recettore del mannosio per valutare se la fagocitosi o la pinocitosi è mediata dal recettore del mannosio9.
Lo scopo di questo protocollo è dimostrare le procedure per determinare se l'esposizione alle tossine ha influenzato la capacità dei leucociti fagocitici di assorbire i patogeni. Questi protocolli possono anche discernere se uno specifico meccanismo endocitico è interessato. L'esecuzione di questi saggi sul citometro a flusso consente un'ulteriore discriminazione selezionando le popolazioni di leucociti in base alle dimensioni e alla granularità citoplasmatica per determinare se le sottopopolazioni leucocitarie sono state influenzate in modo differenziale. Questo metodo si basa sul gating elettronico delle popolazioni cellulari.
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Questo protocollo è stato approvato dal Mississippi State University Institutional Animal Care and Use Committee (MSU-IACUC). Tutti i pesci zebra utilizzati in questo studio sono stati allevati da una colonia omozigote di pesce zebra mutante rag1-/- precedentemente stabilita nell'incubatoio specifico privo di agenti patogeni del College of Veterinary Medicine, Mississippi State University (MSU)10. In questo incubatoio sono stati propagati anche pesci zebra di tipo selvatico. In questi studi, l'esposizione alle tossine può essere eseguita in vivo o in vitro. Studi in vivo espongono il pesce zebra alla tossina, dopodiché i leucociti vengono isolati, indicando come la tossina e il microambiente tissutale possano interagire e influenzare la funzione dei leucociti. Gli studi in vitro isolano i leucociti e poi espongono le cellule alla tossina in pozzetti di coltura.
1. Preparazione del reagente e della soluzione
2. Cura del pesce zebra
3. Isolamento cellulare
4. Saggio di vitalità cellulare
5. Incubazione delle tossine
6. Saggio di endocitosi
7. Citometria a flusso
8. Effetto della tossina sui meccanismi endocitici ed effetti degli inibitori CCD, EDTA e mannano sui meccanismi endocitici
NOTA: Per assorbire liquidi o particelle, il citoplasma cellulare si muove attivamente. Questo movimento richiede più elementi strutturali e percorsi di segnalazione. Le biotossine possono influenzare uno qualsiasi di questi elementi o percorsi. Il confronto degli effetti di specifici inibitori caratterizzati può essere utilizzato per aiutare a discernere come la biotossina possa agire11.
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I saggi di endocitosi utilizzano leucociti misti isolati da gradienti e controllati per fagociti e linfociti per determinare se specifici meccanismi cellulari sono stati alterati dall'esposizione alle tossine. Innanzitutto, le celle vengono controllate in base alle dimensioni e alla granularità10. Le cellule morte, frammentate o morenti vengono visualizzate nell'angolo in basso a sinistra del grafico a dispersione e vengono eliminate, non analizzate per la fagoci...
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L'utilizzo della citometria a flusso con leucociti zebrafish offre un approccio potente e versatile per studiare in dettaglio il sistema immunitario, valutare l'impatto delle tossine ambientali e facilitare la ricerca tossicologica. Fornisce un modo per valutare in modo rapido ed efficace l'impatto delle tossine sulle cellule immunitarie e sulla risposta immunitaria. I risultati rivelano i fattori umorali coinvolti e suggeriscono come la fisiologia e il metabolismo dei pesci interagiscon...
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Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.
Gli autori ringraziano Izak Hanson per la manutenzione quotidiana del pesce zebra utilizzato, e Treva Billyard e Sterling Bailey per l'assistenza nella correzione e nella formattazione di questo manoscritto.
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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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