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Method Article
이 프로토콜은 제브라피시 백혈구의 다양한 하위 집단의 내세포 기능에 대한 독소 노출의 영향을 평가할 수 있는 유세포 분석 분석에 대해 설명합니다. 분석에서 특정 기능 억제제를 사용하면 변경된 내포세포 메커니즘을 구별할 수 있습니다.
다양한 생물학적 독소가 수생 환경에서 유해한 수준으로 존재할 수 있습니다. 시아노박테리아(Cyanobacteria)는 수생 환경에서 시아노톡신을 생산하는 다양한 원핵 미생물 그룹입니다. 이러한 생물독소는 간독소, 피부독소 또는 신경독소일 수 있으며 어류와 포유류에 영향을 미칠 수 있습니다. 높은 수준에서 이러한 화합물은 치명적입니다. 치명적이지 않은 수준에서는 은밀하게 행동하고 면역 세포 기능에 영향을 미칩니다. 조류에서 생성되는 생물독소에는 마이크로시스틴과 아나톡신 A가 있으며, 수생 동물도 클로스트리디움 보툴리눔에서 생성된 보툴리눔 신경독소 E(BoNT/E)에 오염된 물질을 섭취하여 사망에 이르거나 면역 기능을 저하시킬 수 있습니다. 제브라피시는 독소가 면역 세포 기능에 미치는 영향을 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 연구에서 독소 노출은 생체 내 또는 체외에서 수행될 수 있습니다. 생체 내 연구는 제브라피시를 독소에 노출시킨 다음 세포를 분리합니다. 이 방법은 조직 환경이 백혈구 기능에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 보여줍니다. 시험관 내 연구는 먼저 세포를 분리한 다음 배양 웰의 독소에 노출시킵니다. 백혈구는 신장 골수 추출에 의해 얻어진 후 밀도 구배 원심분리가 이루어집니다. 백혈구가 병원체를 내재화하는 방법은 내포세포 메커니즘에 의해 결정됩니다. 유세포 분석 phagocytosis assay는 독소 노출에 의해 내포세포 메커니즘이 변경되었는지 여부를 보여줍니다. 독소가 어떻게 면역 기능 장애를 일으키는지 확인하기 위해 분리된 백혈구를 사용하는 연구는 부족합니다. 이 기사에 설명된 절차를 통해 실험실에서는 제브라피시를 사용하여 환경 독소가 면역 세포의 내포세포 기능을 감소시킬 때 영향을 받는 메커니즘을 연구할 수 있습니다.
환경적 생물독소와 면역억제제에는 많은 종류가 있습니다. 박테리아 독소를 포함하는 조류 대발생은 내륙 해역에서 발생하며 생물막으로 발생할 수도 있습니다1. 시아노박테리아(남조류)는 모든 담수 생태계에서 자연적으로 발생합니다. 시아노박테리아 번식은 담수 시스템에서 상당히 증가했습니다2. 특정 시기에 시아노박테리아는 수생 및 육상 동물에 해로운 독소를 생성할 수 있습니다. 이러한 독소는 간, 피부, 점막 및/또는 신경계에 영향을 미칠 수 있습니다. 시아노박테리아에 의해 생성되는 두 가지 화합물은 마이크로시스틴(microcystin)과 아나톡신(anatoxin)입니다. 마이크로시스틴(Microcystin)은 고리형 헵타펩타이드(cyclic heptapeptide)입니다3. 아나톡신 A는 알칼로이드4입니다. 보툴리눔 신경독소 E(BoNT/E)는 수생계에서 발생하는 또 다른 독소입니다. 클로스트리디움 보툴리눔(Clostridium botulinum )에 의해 생산되며 수생 동물이 섭취할 수 있습니다5.
환경 독소에 대한 노출은 물고기에 영향을 미치고 동물의 건강에도 영향을 미치고 질병 발생을 증가시킬 수 있습니다6. 이러한 독소가 면역 세포에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것은 이러한 물질에 대한 노출과 관련된 위험을 결정하는 데 필수적입니다. 제브라피시는 환경 독소가 면역 세포에 미치는 영향을 연구하는 데 탁월한 모델입니다7. 유세포 분석법과 제브라피시 백혈구를 활용하는 방법을 개발하는 것은 매우 유익합니다. 제브라피쉬는 인간과 생리학적으로 관련성이 있으며, 이 방법은 기초 독성학 및 면역학에서 약물 발견 및 발달 생물학에 이르기까지 광범위한 연구 분야에 적용할 수 있습니다. 제브라피쉬는 수생 생물이기 때문에 수인성 환경 독소의 영향을 연구하는 데 특히 적합합니다7. 제브라피쉬의 사용은 다른 척추동물 모델보다 저렴하며 윤리적 우려가 적습니다.
백혈구 또는 백혈구는 질병을 일으키는 유기체에 대한 세포 방어의 첫 번째 라인입니다. 세포내이입(Endocytosis)은 세포가 세포 외부에 있는 액체나 입자를 흡수하거나 내재화하는 과정입니다. 이것은 세포가 화합물을 소포(8)로 둘러싸고 있음에 의해 달성된다. 백혈구는 이 과정을 병원체를 죽이고 질병에 대한 방어를 준비하는 첫 번째 단계로 사용합니다. 식세포작용(phagocytosis)은 세포내이입(endocytosis)의 일종으로, 환경 오염 물질이 어류의 건강에 미치는 영향을 조사하는 데 사용된 최초의 방법 중 하나였다9. Petrie-Hanson 실험실은 제브라피시 백혈구를 사용하여 백혈구 내포세포 및 식세포 기능을 방해하고 면역 방어에 영향을 미칠 수 있는 잠재적인 능력에 대해 생물독소를 스크리닝하는 방법을 개발했습니다. 이러한 방법에 포함된 세포내이입의 유형은 pinocytosis, phagocytosis, calcium dependent receptor-mediated phagocytosis 및 mannose receptor mediated phagocytosis입니다. 제브라피시에 유세포 분석 방법을 사용하는 것은 Petrie-Hanson lab9 에서 처음 설명되었으며 수생 독소 및 병원체를 조사하는 데 일상적으로 사용됩니다. Rag1-/- 돌연변이 제브라피쉬는 T 및 B 세포10 을 가지고 있지 않으며 선천성 면역 세포 메커니즘을 특이적으로 조사하는 데 사용할 수 있습니다.
유세포 분석은 레이저 기반이며 세포의 물리적 특성을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 전방 산점도 또는 FSC 값은 X축에 표시되며 셀의 크기를 나타냅니다. 측면 산란 또는 SSC는 Y축에 표시되며 세포의 세포질 입도를 나타냅니다. 결과 플롯은 유사한 물리적 특성을 가진 세포 집단이 함께 그룹화되어 있으며, 서로 다른 세포 유형이 산점도의 다양한 위치에 나타납니다. 이러한 집단은 세포의 물리적 특성이 변화함에 따라 산점도의 위치를 변경할 수 있습니다9. 제브라피시 백혈구에 이 기술을 사용하면 연구자들은 환경 독소를 포함한 다양한 자극에 대한 반응으로 세포 집단의 변화를 평가할 수 있습니다.
유세포 분석기는 다차원이며, 여러 유형의 형광단을 평가에 사용하여 세포와 세포의 활성을 추가로 특성화할 수 있습니다. 이 프로토콜에 설명된 분석에서 세포내이입은 세포가 내재화한 형광 물질의 양을 측정하는 것이 특징입니다. 독소 노출이 내세포 메커니즘에 영향을 미치는지 여부와 방법은 유세포 분석을 사용하여 독소에 노출된 세포의 물질에 흡수하는 능력과 비독성 노출 세포의 능력을 비교하여 결정할 수 있습니다. 이러한 방식으로 평가할 수 있는 세포내이작용(endocytic process)은 pinocytosis, receptor mediated endocytosis, phagocytosis를 포함한다.
Pinocytosis는 용해성 성분을 흡수하는 것으로, 세포 수용체를 활용하지 않습니다. 흡수는 작은 액포를 형성하기 위해 미세필라멘트와 미세소관에 의한 세포질 재배열을 포함합니다. Luciferase Yellow(LY)는 비선택적 병세포작용11에 의한 액체 흡수를 측정하는 데 사용되는 형광 염료입니다. 수용체 매개 세포내이입은 큰 분자의 선택적 흡수를 포함합니다. 플루오레세인(FITC) 표지 덱스트란(DX) 40을 사용하여 이 프로세스를 평가할 수 있습니다. 식세포작용(phagocytosis)은 0.5마이크로미터보다 큰 입자를 섭취하는 세포내이입(endocytosis)의 한 형태입니다. 이 과정은 FITC-DX70 및 FITC-Eschericia coli를 사용하는 절차로 조사됩니다. DX40과 DX70의 분자량은 각각 40,000과 70,000입니다. FITC-E. coli 는 유세포 분석기로 측정할 수 있는 형감에 결합된 E. coli 의 표준 실험실 균주입니다. 많은 형태의 수용체 매개 세포내이입(receptor mediated endocytosis)은 신호 분자로서 칼슘을 필요로 하며, 세포골격 재배열(cytoskeletal rearrangement)을 위해 칼슘을 필요로 한다9. 수용체 매개 세포내이입의 또 다른 유형은 만노스 수용체(mannose receptor, MR) 매개 세포내이입입니다. 만노스 수용체(Mannose receptor)는 미생물 세포 표면에 있는 만난의 형태를 인식하는 막관통 단백질(transmembrane protein)이다9. 이러한 절차를 최적화하려면 사용할 용량을 설정하기 위해 각 독소에 대해 용량 반응 곡선을 만들어야 합니다. 사용할 정확한 농도를 평가하기 위해 LY, FITC-DX40, FITC-DX70 및 FITC-E. 대장균 에 대해 포화 곡선을 수행해야 합니다.
백혈구가 다른 입자를 내재화하는 데 사용하는 메커니즘은 다양할 수 있습니다. 과정의 어떤 구성 요소가 독소 노출에 의해 영향을 받을 수 있는지 제안하기 위해 억제제를 추가하여 식세포 메커니즘을 차단할 수 있습니다. 사이토칼라신 D(CCD)는 미세소관의 움직임을 억제하여 병세포작용(pinocytosis)을 유발합니다. CCD는 수용체 매개 세포내이입에 영향을 미치지 않는다11. EDTA는 칼슘(Ca2+) 의존성 수용체 매개 세포내이입(endocytosis)을 차단합니다. 만난(Mannan)은 MR을 위한 천연 리간드(ligand)이며, 만난(Mannan)은 식세포작용(phagocytosis) 또는 피노사이토시스(pinocytosis)가 만노스 수용체(mannose receptor)를 매개하는지 평가하기 위한 만노스 수용체 억제제로 사용된다9.
이 프로토콜의 목적은 독소 노출이 식세포 백혈구가 병원체를 흡수하는 능력에 영향을 미쳤는지 여부를 결정하는 절차를 입증하는 것입니다. 이러한 프로토콜은 또한 특정 내포세포 메커니즘이 영향을 받는지 여부를 식별할 수 있습니다. 유세포분석기에서 이러한 분석을 수행하면 크기와 세포질 입도에 따라 백혈구 집단을 선택하여 백혈구 하위 집단이 차별적으로 영향을 받았는지 여부를 확인함으로써 추가적인 구별이 가능합니다. 이 방법은 세포 집단의 전자 게이팅에 의존합니다.
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이 프로토콜은 미시시피 주립 대학 기관 동물 관리 및 사용 위원회(MSU-IACUC)의 승인을 받았습니다. 이 연구에 사용된 모든 제브라피쉬는 미시시피 주립 대학(MSU)의 수의과 대학의 특정 병원체가 없는 부화장에서 이전에 확립된 rag1-/- 돌연변이 제브라피쉬의 동형접합 군체에서 사육되었습니다10. 야생형 제브라피쉬도 이 부화장에서 번식했습니다. 이러한 연구에서 독소 노출은 생체 내 또는 체외에서 수행될 수 있습니다. 생체 내 연구는 제브라피시를 독소에 노출시킨 후 백혈구를 분리하여 독소와 조직 미세환경이 어떻게 상호 작용하고 백혈구 기능에 영향을 미칠 수 있는지 나타냅니다. 시험관 내 연구는 백혈구를 분리한 다음 세포를 배양 웰의 독소에 노출시킵니다.
1. 시약 및 용액 준비
2. 제브라피시 관리
3. 세포 격리
4. 세포 생존율 분석
5. 독소 배양
6. 세포내이입 분석실험
7. 유세포 분석
8. 독소가 세포세포기전에 미치는 영향 및 억제제인 CCD, EDTA 및 만나가 세포기전에 미치는 영향
참고: 액체나 입자를 흡수하기 위해 세포 세포질은 활발하게 움직입니다. 이러한 이동에는 여러 가지 구조적 요소와 신호 경로가 필요합니다. 생물 독소는 이러한 요소 또는 경로에 영향을 미칠 수 있습니다. 특이적 특성화 억제제의 효과를 비교하는 것은 생물독소가 어떻게 작용할 수 있는지 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다11.
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세포내이입 분석법은 구배에서 분리되고 식세포와 림프구에 대해 게이트된 혼합 백혈구를 사용하여 특정 세포 메커니즘이 독소 노출에 의해 변경되었는지 여부를 확인합니다. 첫째, 셀은 크기와 세분성10에 따라 게이트됩니다. 사멸 세포, 단편화 세포 또는 죽어가는 세포는 산점도의 왼쪽 하단 모서리에 시각화되며 식세포작용에 대해 분석되지 않고 제...
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제브라피시 백혈구를 이용한 유세포 분석법을 활용하면 면역 체계를 자세히 연구하고, 환경 독소의 영향을 평가하고, 독성학 연구를 촉진할 수 있는 강력하고 다재다능한 접근 방식을 제공할 수 있습니다. 이는 독소가 면역 세포와 면역 반응에 미치는 영향을 빠르고 효과적으로 평가할 수 있는 방법을 제공합니다. 그 결과 관련된 체액성 요인이 드러나고 물고기의 생리?...
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저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.
저자들은 사용된 제브라피시를 매일 관리해 준 아이작 핸슨(Izak Hanson)과 이 원고를 교정하고 서식을 지정하는 데 도움을 준 트레바 빌야드(Treva Billyard)와 스털링 베일리(Sterling Bailey)에게 감사를 표했다.
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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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