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Method Article
Presentato qui è un protocollo per l'induzione e l'analisi di trappole extracellulari (NET) di neutrofili in vitro . La quantificazione del DNA, della catelicidina (LL37) e dell'attività enzimatica ha prodotto dati che mostrano la variabilità nella composizione e morfologia dei NET indotta da stimoli microbici e chimici in condizioni controllate simili.
I neutrofili funzionano come la prima linea di difesa cellulare in una risposta immunitaria innata impiegando diversi meccanismi, come la formazione di trappole extracellulari per neutrofili (NET). Questo studio analizza i cambiamenti morfologici e composizionali nei NET indotti da stimoli microbici e chimici utilizzando metodologie standardizzate in vitro per l'induzione e la caratterizzazione del NET con cellule umane. Le procedure qui descritte consentono l'analisi della morfologia NET (litica o non litica) e della composizione (strutture DNA-proteina e attività enzimatica), e l'effetto di fattori solubili o di contatto cellulare su tali caratteristiche. Inoltre, le tecniche qui descritte potrebbero essere modificate per valutare l'effetto di fattori solubili esogeni o del contatto cellulare sulla composizione NET.
Le tecniche applicate includono la purificazione di cellule polimorfonucleate dal sangue periferico umano utilizzando un gradiente a doppia densità (1,079-1,098 g/ml), garantendo purezza e vitalità ottimali (≥ 95%) come dimostrato dalla colorazione di Wright, dall'esclusione del blu di tripano e dalla citometria a flusso, compresa l'analisi FSC versus SSC e la colorazione 7AAD. La formazione di NET è indotta da stimoli microbici (Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus e Candida albicans) e chimici (phorbol myristate acetate, HOCl) e i NET sono caratterizzati da colorazione DNA-DAPI, immunocolorazione per il peptide antimicrobico catelicidina (LL37) e quantificazione dell'attività enzimatica (elastasi neutrofila, catepsina G e mieloperossidasi). Le immagini vengono acquisite al microscopio a fluorescenza e analizzate con ImageJ.
I neutrofili sono i leucociti più abbondanti nel flusso sanguigno, svolgendo un ruolo essenziale durante la clearance degli agenti patogeni attraverso diversi meccanismi, tra cui il rilascio di grandi strutture cromatiniche composte da DNA e diverse proteine antibatteriche nucleari, citoplasmatiche e granulari 1,2. L'antecedente diretto che descrive questo ruolo antimicrobico dei neutrofili è stato fatto da Takei et al.3 nel 1996. Questi autori hanno riportato una nuova forma di morte diversa dall'apoptosi e dalla necroptosi nei neutrofili, hanno mostrato cambiamenti morfologici che mostrano rottura nucleare, seguita da fuoriuscita dal nucleoplasma nel citoplasma e un aumento della permeabilità della membrana da 3 ore di incubazione con forbolo miristato acetato (PMA)2,3. Tuttavia, non è stato fino al 2004 che è stato utilizzato il termine "trappole extracellulari di neutrofili (NET)"4.
La formazione di NET è stata osservata in varie condizioni, come infezioni batteriche, fungine5, virali6 e parassitarie, per neutralizzare, uccidere e prevenire la diffusione microbica7. Altri studi dimostrano che può verificarsi anche in condizioni non patogene da stimoli sterili, come citochine, acido urico monosodico o cristalli di colesterolo, autoanticorpi, immunocomplessi e piastrine attivate7. Il lipopolisaccaride (LPS), l'interleuchina-8 (IL-8) e la PMA sono stati tra i primi stimoli in vitro descritti come induttori NET e il coinvolgimento in vivo del NET nei processi patogeni è stato dimostrato in due modelli di infiammazione acuta: dissenteria sperimentale e appendicite umana spontanea4. Il DNA è un componente essenziale di NET. La sua struttura e composizione appropriate sono necessarie per il sequestro e l'uccisione dei microrganismi fornendo un'alta concentrazione locale di molecole antimicrobiche verso i microbi catturati, come dimostrato da un breve trattamento con desossiribonucleasi (DNasi) che disintegra i NET e le loro proprietà microbicide4. Oltre al DNA, i NET comprendono proteine attaccate come istoni, elastasi neutrofila (NE), catepsina G (CG), proteinasi 3, lattoferrina, gelatinasi, mieloperossidasi (MPO) e peptidi antimicrobici (AMP) come il peptide pro-infiammatorio cationico catelicidina LL-37 tra gli altri 8,9. Tali aggregati possono formare fili più grandi con diametri fino a 50 nm. Questi fattori possono interrompere i fattori di virulenza microbica o l'integrità della membrana cellulare patogena; inoltre, gli AMP possono stabilizzare il DNA derivato dal NET contro la degradazione da parte delle nucleasi batteriche10.
I meccanismi specifici che regolano la formazione di NET non sono ancora stati completamente chiariti. La via meglio caratterizzata che porta al rilascio di NET è attraverso la segnalazione ERK, che porta all'attivazione della NADPH ossidasi e alla produzione di specie reattive dell'ossigeno (ROS), nonché all'aumento del calcio intracellulare che innesca l'attivazione della via MPO. Questo a sua volta trasforma il perossido di idrogeno in acido ipocloroso, attivando NE per ossidazione11,12. NE è responsabile della degradazione dei filamenti di actina del citoscheletro per bloccare la fagocitosi e della loro traslocazione al nucleo per l'elaborazione mediante scissione proteolitica e deaminazione da parte di PAD4 che guidano la desensibilizzazione delle fibre di cromatina, che si associano a proteine granulari e citoplasmatiche, e vengono quindi rilasciate extracellulare7. Queste proteasi includono quelle rilasciate dal complesso degli azurosomi dei granuli azurofili e altre proteasi come la catepsina G13.
A seconda dei cambiamenti morfologici nei neutrofili, i NET sono classificati in due tipi: formazione di NET suicidaria o litica che porta alla morte cellulare4 e formazione di NET vitale o non litica prodotta da cellule vitali mediate da un rilascio vescicolare di DNA nucleare o mitocondriale, con un residuo di un citoplasto anucleato con capacità fagocitaria14,15. Generalmente, i NET composti da DNA mitocondriale presentano una morfologia allungata della fibra14, mentre quelli strutturati di DNA nucleare hanno un aspetto simile a una nuvola3. Tuttavia, non è noto come il neutrofilo scelga la sua origine del DNA. Contrariamente a studi precedenti che descrivevano i percorsi canonici dei NET come se richiedessero diverse ore, il percorso vitale viene rapidamente attivato in soli 5-60 minutie 15.
Nonostante questi progressi, la composizione NET varia a seconda dello stimolo; ad esempio, diversi ceppi mucoidi e non mucoidi di P. aeruginosa inducono la formazione di NET contenenti 33 proteine comuni e fino a 50 proteine variabili7. Pertanto, è necessario omogeneizzare le tecniche che consentono la generazione di conclusioni oggettive nei gruppi di ricerca. Questo articolo descrive un protocollo con varie tecniche che consentono il confronto e la valutazione della composizione, della struttura e della morfologia dei NET indotti con diversi microrganismi: Staphylococcus aureus (batterio gram-positivo), Pseudomonas aeruginosa (batterio gram-negativo) e Candida albicans (fungo), nonché stimoli chimici (PMA, HOCl) in neutrofili umani da individui sani. I risultati rappresentativi dimostrano l'eterogeneità dei NET a seconda del loro stimolo inducente in condizioni comparabili in vitro, caratterizzate da colorazione DNA-DAPI, immunocolorazione per LL37 e quantificazione dell'attività enzimatica (NE, CG e MPO).
I campioni di sangue sono stati ottenuti come donazioni da partecipanti clinicamente sani dopo il consenso informato. Tutti gli esperimenti sono stati eseguiti con il permesso del Comitato Etico di Ricerca Umana della Facoltà di Scienze Biochimiche, Universidad Autónoma 'Benito Juárez' di Oaxaca.
NOTA: I criteri di inclusione nello studio erano sesso ed età indistinti e clinicamente sani in base alle risposte dei partecipanti a un questionario prima di prelevare un campione di sangue. È stata eseguita un'analisi ematologica per determinare la conta cellulare ed escludere infezioni o anemia, nonché il test della proteina C-reattiva per escludere l'infiammazione nel donatore.
1. Raccolta del sangue periferico e ottenimento del pacchetto di eritrociti e leucociti
2. Purificazione di neutrofili polimorfonucleati (PMN) utilizzando un gradiente a doppia densità
NOTA: Eseguire la purificazione dei neutrofili immediatamente dopo la raccolta del sangue, perché hanno una durata limitata in vitro di circa 8 ore.
3. Morfologia e vitalità dei neutrofili (Figura 1B)
4. Colorazione CFSE di microrganismi
5. Induzione NET
6. Visualizzazione di NET mediante microscopia a fluorescenza
7. Quantificazione dell'attività enzimatica
8. Analisi statistica
Figura 1: Purificazione PMN e protocollo di induzione NET. (A) Il plasma è stato rimosso dal sangue periferico per ottenere il pacchetto eritrocitario e leucocitario e diluito 1:1 (v/v) con 1x DPBS. Quindi, 4 mL della diluizione sono stati aggiunti lungo la parete al tubo a gradiente a doppia densità e centrifugati a 320 x g per 20 minuti a 4 °C, ottenendo la separazione di diversi strati cellulari e recuperando quello corrispondente al PMN. (B) Le cellule purificate sono state contate e la loro morfologia è stata analizzata dalla colorazione di Wright. La vitalità è stata determinata mediante esclusione del blu di tripano e colorazione 7AAD mediante citometria a flusso. Una volta verificata la purezza e la vitalità ottimali dei neutrofili, la formazione di NET è stata indotta aggiungendo microbi (S. aureus, P. aeruginosa e C. albicans) o sostanze chimiche (PMA, HOCl) in piastre a 24 pozzetti per l'analisi mediante microscopia a fluorescenza con DAPI-DNA, anti-LL37 Alexa Fluor 594 e colorazione microorganismo-CFSE. Per la quantificazione enzimatica, i NET sono stati indotti in piastre a 96 pozzetti per 3 ore e trattati con DNasi, seguiti dall'aggiunta di substrati per ciascun enzima: NE, CG e MPO; I cambiamenti di colore sono stati quantificati mediante spettrofotometria. DPBS = soluzione salina tamponata fosfato di Dulbecco; PBMC = cellule mononucleate del sangue periferico; PMN = Neutrofili polimorfonucleati; NE = elastasi neutrofila; CG = catepsina G; MPO = Mieloperossidasi; PMA = Phorbol miristato acetato; HOCl = Acido ipocloroso. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Purezza e vitalità dei neutrofili
Le fasi cellulari dinamiche sono visualizzate nel tubo dalla purificazione a gradiente a doppia densità. All'interno di questi strati, lo strato corrispondente ai granulociti è al di sopra dello strato di densità di 1,079 g/ml, distinto dalle fasi dei mononucleociti del sangue periferico (PBMC) e degli eritrociti (Figura 1A). La morfologia delle cellule purificate è stata verificata con la colorazione di Wright osservando cellule con...
Una popolazione altamente pura di neutrofili vitali deve essere ottenuta per indurre il rilascio di NET poiché queste cellule hanno una durata ex vivo limitata di 8 ore in media, un periodo entro il quale devono essere eseguiti tutti gli esperimenti. A tal fine, la metodologia ideale è il gradiente a doppia densità per ottimizzare il tempo di purificazione isolando cellule non attivate più sensibili alla stimolazione esogena, in contrasto con le tecniche di sedimentazione del gradiente di Ficoll-Histopaque o...
Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.
Questo lavoro è stato supportato da una borsa di studio scientifica di base (# 285480) da CONACyT e dal Dipartimento di ricerca immunologica clinica della Facoltà di Scienze Biochimiche, Universidad Autónoma 'Benito Juárez' de Oaxaca. A.A.A, S.A.S.L e W.J.R.R. hanno borse di dottorato dei numeri CONACyT #799779, #660793 e #827788, rispettivamente.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
24 Well plate for cell culture | Corning | 3526 | |
7-aminoactinomycin D (7-AAD) | BD Pharmingen | 51-668981E | |
96 Well plate for cell culture | Costar | 3596 | Flat bottom |
Agitator | CRM Globe | CRM-OS1 | |
Antibody LL37 | Santa Cruz Biotechnology | sc-166770 | |
Blood collection tubes | BD VACUTAINER | 368171 | K2 EDTA 7.2 mg |
Carboxyfluorescein succinimidyl ester (CFSE) | Sigma-Aldrich | 21878 | |
Centrifuge | Hettich | 1406-01 | |
Coverslip | Madesa | M03-CUB-22X22 | 22 mm x 22 mm |
Dulbecco´s phosphate-buffered saline (DPBS) | Caisson | 1201022 | |
Falcon tubes 50 mL | CORNING | 430829 | |
Flow Cytometry Tubes | Miltenyi Biotec | 5 mL - Without caps | |
FlowJo Software | BD Biosciences | Analyze flow cytometry data | |
Fluorescence microscope | DM 2000 | LEICA | |
Fluoroshield with DAPI | Sigma-Aldrich | F6057 | |
Incubator | NUAIRE | UN-4750 | |
MACSQuant Analyzer | Miltenyi Biotec | Flow cytometer | |
Microplate reader photometer | Clarkson Laboratory - CL | ||
Microtubes 1.5 mL | Zhejiang Runlab Tech | 35200N | wire snap |
Minitab Software | Minitab | Statistical analysis | |
Needles | BD VACUTAINER | 301746 | Diameter 1.34 mm |
Optical microscope | VELAB | VE-B50 | |
Percoll | GE Healthcare | 17-0891-01 | Solution for density gradient |
Phosphate Buffered Saline (10x) | Caisson | PBL07-500ML | |
Pyrex culture tubes | CORNING | CLS982025 | N°9820 |
RPMI 1640 1x | Corning | 10-104-CV | contains Glutagro |
Slides | Madesa | PDI257550 | 22 mm x 75 mm |
Trypan Blue solution 0.4% | SIGMA | T8154-100ML |
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