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ここでは、インピーダンスベースのバイオセンサーであるECISとcellZscopeを使用して、脳内皮バリア強度を測定する手法を示します。脳内皮の in vitro モデルにさまざまな刺激を追加する準備と技術について詳しく説明します。私たちは、調査結果を測定し、記録し、代表的な分析を行います。
血液脳関門(BBB)は、血液中の有害な病原体から脳実質を保護します。BBBは、周皮細胞、星状細胞性足突起、および密接に付着した内皮細胞からなる神経血管ユニットで構成されています。ここでは、脳内皮細胞が血液媒介性病原体に対する最初のバリアラインを形成しています。がんや神経炎症などの状態では、血液中の循環因子がこのバリアを破壊する可能性があります。疾患の進行は、バリアの破壊後に著しく悪化し、脳の領域へのアクセスまたは障害を可能にします。これは、特に脳のレベルで利用可能な治療オプションが限られているため、予後を著しく悪化させます。したがって、新たな研究は、血液中のこれらの有害な因子が脳内皮細胞と相互作用するのを防ぐことができる潜在的な治療法を調査することを目的としています。
市販のElectric Cell-Substrate Impedance Sensing(ECIS)およびcellZscope機器は、BBB内皮などの細胞単層全体のインピーダンスを測定して、それらのバリア強度を決定します。ここでは、さまざまな刺激が加えられたときの脳内皮バリアの完全性を評価するための両方のバイオセンサーの使用について詳しく説明します。重要なのは、複数の変数と生物学的処理の同時研究のためのハイスループット能力の重要性を強調することです。
この記事では、微小血管細胞の評価における現在の傾向について説明します。具体的には、脳微小血管内皮細胞のバリア特性を測定するための2つの市販のプラットフォームの使用について詳しく説明します。内皮細胞は血液に面した細胞で、血管壁の内側を覆っています。しかし、脳微小血管は、保護血液脳関門(BBB)1,2,3の形成を助けるという点で独特です。BBBは、血液から脳への分子の輸送を調節する働きをします。中枢神経系 (CNS) に影響を与える末梢疾患は、一般的に BBB の機能不全に関連しています 4,5。BBBを形成する解剖学的構造は、体の他の場所にある血液-組織界面には存在しません6。これらの解剖学的構造は、脳内皮細胞の近くに位置する周皮細胞を含み、それらの増殖と透過性を調節します。星状細胞の足のプロセスは、栄養素のシャッフルと解剖学的サポートに関与しています7,8;脳内に常在するマクロファージであるミクログリアは、神経炎症や虚血に関与することが多い9,10,11,12、および開窓なしで密に接着した細胞の単層を形成する脳内皮13,14に関与しています。.脳内皮は通常、「脳内皮バリア」として知られており、5つの異なる方法で構造的および機能的バリアを形成します。まず、傍細胞バリアコンポーネントは、細胞間外側の接合部での接着によって形成されます。第二に、細胞内バリアコンポーネントは、エンドサイトーシスを調節することによって維持されます。第三に、特殊な基底膜が、主にコラーゲン15,16で構成される豊富な細胞外マトリックスを介して内皮を固定し、支持します。最後の2つのメカニズムは、それぞれ薬物の代謝と高分子の取り込みを調節するのに役立つ酵素とトランスポーターによるものです17。
傍細胞相互作用は、脳内皮バリアの主要な構成要素を形成し、膜タンパク質のクローディン、オクルージン、および接合接着分子(JAM)を含むタイトジャンクション(TJ)によって促進されます18。膜タンパク質の強力なホモタイプ結合が最初の構造的障壁を形成するが、JAMは付属タンパク質の閉塞性帯にも結合し、したがってTJをアクチン細胞骨格に結合させる19,20。アクチン結合は、TJを内皮21の頂端領域に配置し、内皮細胞を機能的に分極させて、この頂端側または「血液に面する」側に構造的障壁を形成する。内皮の基底外側領域では、高度に特殊化された接着結合(AJ)が細胞形態の維持に調節役割を果たしています。AJはカルシウム依存性カドヘリンを含み、カテニンファミリー複合体20,22を介して隣接する内皮細胞の細胞骨格をリンクします。血管内皮カドヘリン(VE-Cadherin)は、そのようなカドヘリンの1つであり、TJタンパク質の発現および全体的な内皮バリア機能を調節して、内皮単層の完全性を維持します23,24,25,26,27。腫瘍壊死因子アルファ(TNFα)などの炎症性モジュレーターは、細胞結合部から離れてVEカドヘリンの内在化をシグナルで送り、内皮バリアの不安定化をもたらす28,29,30。血小板内皮細胞接着分子(PECAM)31は、内皮接合部32,33を安定化およびリモデリングする別のAJカドヘリンである。これらの接合タンパク質の密度は、内皮細胞間の傍細胞空間を通る電子の流れを制限します。この属性は、脳内皮のようなコンフルエントセル単層全体の内皮バリア強度または経内皮電気抵抗(TER)を測定するために使用されます。
治療研究は、血液と脳のインターフェースでの重要な役割のために、脳内皮に焦点を当てています。多発性硬化症、脳卒中、神経変性疾患、癌などの神経炎症状態を含むいくつかの疾患が脳内皮に悪影響を及ぼします34,35,36,37。脳内皮バリアが破壊されると、脳は血液中の有害な刺激に効果的にさらされるため、疾患の進行は著しく悪化する38。炎症性メディエーターと転移性黒色腫細胞が脳内皮バリアを破壊することを以前に示しました 内皮バリア強度39,40,41を測定する2つの技術を使用して。
Electric cell-substrate impedance Sensing(ECIS)は、内皮細胞バリアの完全性をラベルフリーで リアルタイム に評価できるインピーダンスベースのバイオセンサーです。ここでは、アッセイウェルは金メッキ電極で裏打ちされており、これによりアッセイシステムに交流(AC)が導入されます。これらのウェルには脳内皮細胞が播種されるため、細胞を通じてACを印加することができます。(図1A-ウェル;側面図)。これにより、インピーダンスの計算に使用される電気回路が確立されます(図1A-回路図)。インピーダンスは、脳内皮細胞がプレートに付着し、傍細胞接合部を形成し始めると増加します。インピーダンスは、内皮細胞がコンフルエントになり、単層を形成し、電流の流れを制限すると横ばいになります。異なる周波数でのACの印加は、内皮細胞を通る電流の流れ経路に影響を与えます。より高い周波数(>104 Hz)で印加すると、電流は内皮細胞体を流れます。これにより、細胞の付着と拡散を評価するために使用される細胞単分子膜の静電容量に関する情報が得られます。低周波数(10、2-10、4 Hz)では、膜インピーダンスが高くなり、セル を流れる 電流が制限されます。この場合、電流の大部分はセル 間 を移動します。約4,000Hzでは、電流の流れに対する抵抗は、主に 細胞間 空間を介した内皮細胞間接合に起因します。したがって、この周波数での抵抗の変化は、内皮バリアの完全性に関する情報を提供します。
生のインピーダンス測定ではバリア特性に関する洞察を得ることができますが、ECISソフトウェアは、複数のAC周波数で測定された総抵抗を数学的にモデル化し、より正確には、バリアインテグリティの2つの主要なパラメータに分離することができます。これらのパラメータは、隣接する細胞の側方膜間の傍細胞抵抗性(抵抗β-Rb;傍細胞バリア; 図1A-緑の矢印)、および基底細胞層と電極との間の基底側抵抗(抵抗α-アルファ;基底側バリア; 図1A-青い矢印)。3 番目にモデル化されるパラメーターは、細胞膜の静電容量 (Cm; 図1A-赤い矢印)。Cm は、細胞膜組成を示す、細胞を通る電流の容量性の流れを示します。本明細書では、Rbまたは傍細胞バリアの変化は、内皮バリアの完全性を維持する上で重要なTJおよびAJの変化を示しています。Rbを確実に解釈するために、GiaeverとKeese42 によって開発され、Stolwijkらによって批判的に議論された43つの重要な仮定がなされます。これらの仮定は、ECISモデリングの有効性を確保するために重要ですが、コンフルエントな内皮単分子膜によって容易に満たされます。
ECISと同様に、cellZscopeは内皮バリア抵抗の変化の測定を可能にします。ただし、細胞は多孔質のメンブレンインサートで培養されます。このシステムでは、電気回路はメンブレンインサートの両側にある2つの電極の間にあります。内皮単層は、この膜インサートの上で培養され、経内皮電気抵抗(TER)の測定が可能になります(図1B-ウェル;側面図)。ECISと同様に、このシステムでは、総インピーダンスは、印加される電流の周波数44に応じて、いくつかのバリア成分に起因することができる。低周波数では、電極容量(C El)がシステムの総インピーダンスを支配します。あるいは、高周波では、媒体(R媒体)の抵抗が全インピーダンスを支配します。したがって、最も有用な測定値は中周波範囲(102-10 4 Hz)内にあり、内皮バリアの2つの主要コンポーネントに関する情報を提供します(図1B回路図)。まず、103-10 4 Hzでは、膜抵抗(R膜)が無視できるほど高く、電流が主にコンデンサを流れるため、セル層の静電容量(CCl)が全体のインピーダンスを支配します。したがって、CClは細胞膜を通る抵抗の変化を示します。あるいは、TERは主に102-10 3 Hzで全体のインピーダンスを付与し、電流の流れは隣接する細胞間の接合部空間を通って流され、接合タンパク質によって一緒に保持されます。したがって、これは、以前にECISのRbで見られたように、内皮バリアの傍細胞成分に関する情報を提供します。
図1Cは、黒色腫細胞による治療によって脳内皮の特定の領域がどのように破壊されるかを詳述しています。この混乱は、細胞傍空間を通る電流の流れの変化によってバイオセンサーによって検出されます(RbまたはTERとして測定)。基底外側空間(アルファとして測定);細胞膜(CMまたはCClとして測定)。この紹介で詳述した両方のバイオセンサーを使用して、サイトカインや浸潤性黒色腫細胞などのさまざまな刺激による治療後の脳内皮バリアの変化を測定しました。特定の刺激が内皮バリアを破壊すると、測定された抵抗は減少し、電流が流れるのを許す抵抗が最も少ない経路が作成されます。したがって、「バリア抵抗性」の低下は、バリアの完全性の喪失または脳内皮バリアの破壊を示唆しています。これらのアッセイでは、耐性とモデル化されたパラメーターをリアルタイムで解釈することにより、この混乱を研究しました。このような研究課題に対処するためのECISとcellZscopeの適用については、他の場所で詳しく説明しています39,41,45,46。
インビトロ 研究は、疾患を進行させる分子と機能経路を明らかにすることにより、重要な疾患メカニズムの発見を可能にします。しかし、そのためには、 in vitroでの疾患の信頼性の高い再現が必要であり、これは機能している体とは大きく異なります。理想的なシナリオでは、 in vitro 研究は、再現性があり、非侵襲的、ラベルフリー、定量的、 およびin vivoで見られる構造的影響を模倣する必要があります。この記事では、これら2つの競合する技術を使用して、治療によって誘発される脳内皮バリアの完全性の変化を測定するための方法論について詳しく説明します。その結果を組み合わせて、障壁の混乱をより包括的に把握し、克服すべき限界を共有することの利点について説明します。
1. ECIS を使用して、さまざまな治療に応じた脳内皮バリアの完全性の変化を監視する
2. cellZscopeを使用して、さまざまな治療に応答した脳内皮バリアの完全性の変化をモニタリングする
ECIS インピーダンス データの解釈
最適な実験条件の理解
ここでは、データをソフトウェアを使用して直接表示したり(図2A)、分析やグラフプロットのためにエクスポートしたりできます(図2B)。 図2A は、実際のソフトウェアインターフェースに表示されるデータの例を示?...
BBBに影響を与える疾患の治療研究では、脳内皮バリアの完全性と調節の重要性を考慮する必要があります。例えば、脳内皮関門の破壊は、他の解剖学的部位から脳へのがんの転移において批判的に研究されています。これは、脳内皮が循環腫瘍細胞に対する最初のバリアを形成するためです。冒頭で述べたように、内皮バリアの完全性に関する in vitro 研究は、再現性があり、非侵襲的...
著者は、宣言する利益相反を持っていません。
Akshata Anchanは、Gillespie Scholarship(助成金参照:1628-GS)およびFirst Fellowship(助成金参照:2021 FFE)のために、ニュージーランド神経学財団から資金提供を受けました。研究費の一部は、Neurological Foundation Fellowship-2021 FFEとオークランド大学教員研究開発基金によっても資金提供されました。ジェームズ・ハックルズビーは、オークランド医学研究財団からの奨学金によって資金提供されました。BaguleyチームとAuckland Cancer Society Research Centreの患者由来のニュージーランドメラノーマNZM細胞株に感謝します。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
aMEM | Gibco | 12561072 | Melanoma cell base media |
cellZscope array | nanoAnalytics | cellZscope2; software v4.3.1 | TER measuring biosensor array |
Collagen I—rat tail | Gibco | A1048301 | ECM substrate for coating |
dibutyryl-cAMP | Sigma-Aldrich | D0627 | Brain endothelial media supplement |
ECIS array | Applied Biophysics | ECIS ZΘ; software v1.2.163.0 | Rb/Alpha measuring biosensor array |
ECIS plate | Applied Biophysics | 96W20idf | 96-well biosensor plate |
FBS | Sigma-Aldrich | 12203C-500ML | |
GlutaMAX | Gibco | 305050-061 | Brain endothelial media supplement |
hCMVEC | Applied Biological Materials | T0259 | Brain endothelial cell line |
hEGF | PeproTech | PTAF10015100 | Brain endothelial media supplement |
Heparin | Sigma-Aldrich | H-3393 | Brain endothelial media supplement |
hFGF | PeproTech | PTAF10018B50 | Brain endothelial media supplement |
Hydrocortison | Sigma-Aldrich | H0888 | Brain endothelial media supplement |
IL-1β | PeproTech | 200-01B | Cytokine |
Insulin-Transferrin-Sodium Selenite | Sigma-Aldrich | 11074547001 | Melanoma cell media supplement |
M199 | Gibco | 11150-067 | Brain endothelial cell base media |
MilliQ water | Deionized water | ||
PBS 1x | Gibco | 10010-023 | |
TNFα | PeproTech | 300-01A | Cytokine |
Transwell insert | Corning | CLS3464 | Porous membrane insert |
TrypLE Express Enzyme | Gibco | 12604021 | Dissociation reagent |
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