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Method Article
Este protocolo descreve ensaios de citometria de fluxo que podem avaliar os efeitos da exposição a toxinas nas funções endocíticas de diferentes subpopulações de leucócitos de peixe-zebra. O uso de inibidores funcionais específicos no ensaio permite a diferenciação dos mecanismos endocíticos alterados.
Uma variedade de toxinas biológicas pode estar presente em níveis prejudiciais no ambiente aquático. As cianobactérias são um grupo diversificado de microrganismos procarióticos que produzem cianotoxinas no ambiente aquático. Essas biotoxinas podem ser hepatotoxinas, dermatoxinas ou neurotoxinas e podem afetar peixes e mamíferos. Em níveis elevados, esses compostos são fatais. Em níveis não letais, eles agem de forma insidiosa e afetam as funções das células imunológicas. As biotoxinas produzidas por algas incluem microcistina e anatoxina A. Animais aquáticos também podem ingerir material contaminado com neurotoxina botulínica E (BoNT / E) produzida por Clostridium botulinum, resultando também em morte ou diminuição das funções imunológicas. O peixe-zebra pode ser usado para estudar como as toxinas afetam as funções das células imunológicas. Nesses estudos, as exposições a toxinas podem ser realizadas in vivo ou in vitro. Estudos in vivo expõem o peixe-zebra à toxina e, em seguida, as células são isoladas. Este método demonstra como o ambiente do tecido pode influenciar a função dos leucócitos. Os estudos in vitro isolam as células primeiro e depois as expõem à toxina em poços de cultura. Os leucócitos são obtidos por extração de medula renal, seguida de centrifugação com gradiente de densidade. Como os leucócitos internalizam os patógenos é determinado por mecanismos endocíticos. Os ensaios de fagocitose por citometria de fluxo demonstram se os mecanismos endocíticos foram alterados pela exposição à toxina. Faltam estudos usando leucócitos isolados para determinar como as toxinas causam disfunção imunológica. Os procedimentos descritos neste artigo permitirão que os laboratórios usem o peixe-zebra para estudar os mecanismos que são afetados quando uma toxina ambiental diminui as funções endocíticas das células imunológicas.
Existem muitos tipos de biotoxinas ambientais e agentes imunossupressores. A proliferação de algas que contêm toxinas bacterianas ocorre em águas interiores e também pode ocorrer como biofilmes1. As cianobactérias (algas verde-azuladas) ocorrem naturalmente em todos os ecossistemas de água doce. As florações de cianobactérias aumentaram substancialmente em sistemas de água doce2. Em certos momentos, as cianobactérias podem produzir toxinas prejudiciais aos animais aquáticos e terrestres. Essas toxinas podem afetar o fígado, a pele e as membranas mucosas e/ou o sistema nervoso. Dois compostos produzidos por cianobactérias são a microcistina e a anatoxina A. A microcistina é um heptapeptídeo cíclico3. A anatoxina A é um alcalóide4. A neurotoxina botulínica E (BoNT/E) é outra toxina que ocorre em sistemas aquáticos. É produzido por Clostridium botulinum e pode ser ingerido por animais aquáticos5.
A exposição a toxinas ambientais afeta os peixes e também pode afetar a saúde animal e aumentar a ocorrência de doenças6. Compreender como essas toxinas afetam as células imunológicas é fundamental para determinar os riscos associados à exposição a essas substâncias. O peixe-zebra é um excelente modelo para estudar os efeitos das toxinas ambientais nas células imunológicas7. O desenvolvimento de um método que utiliza citometria de fluxo e leucócitos de peixe-zebra é altamente benéfico. O peixe-zebra tem relevância fisiológica para os seres humanos, e esse método pode ser aplicado a uma ampla gama de áreas de pesquisa, desde toxicologia básica e imunologia até descoberta de medicamentos e biologia do desenvolvimento. Por serem organismos aquáticos, os peixes-zebra são particularmente adequados para estudar os efeitos das toxinas ambientais transmitidas pela água7. O uso de peixe-zebra é mais barato do que outros modelos de vertebrados e seu uso levanta menos preocupações éticas.
Os glóbulos brancos, ou leucócitos, são a primeira linha de defesa celular contra organismos causadores de doenças. A endocitose é o processo de uma célula absorver ou internalizar um líquido ou partícula externa à célula. Isso é realizado pela célula que envolve o composto em uma vesícula8. Os leucócitos usam esse processo como o primeiro passo para matar patógenos e preparar uma defesa contra doenças. A fagocitose é um tipo de endocitose e foi um dos primeiros métodos utilizados para investigar os efeitos de poluentes ambientais na saúde dos peixes9. O laboratório Petrie-Hanson desenvolveu métodos usando leucócitos de peixe-zebra para rastrear biotoxinas quanto à sua capacidade potencial de interferir nas funções endocíticas e fagocíticas dos leucócitos e afetar as defesas imunológicas. Os tipos de endocitose incluídos nesses métodos são pinocitose, fagocitose, fagocitose mediada por receptor dependente de cálcio e fagocitose mediada por receptor de manose. O uso de métodos de citometria de fluxo com peixe-zebra foi descrito pela primeira vez no laboratório de Petrie-Hanson9 e é usado rotineiramente para investigar toxinas e patógenos aquáticos. O peixe-zebra mutante Rag1-/- não possui células T e B10 e pode ser usado para investigar especificamente os mecanismos das células imunes inatas.
A citometria de fluxo é baseada em laser e pode ser usada para determinar as propriedades físicas das células. A dispersão direta ou valor FSC é plotado no eixo X e representa o tamanho da célula. A dispersão lateral, ou SSC, é plotada no eixo Y e representa a granularidade citoplasmática da célula. O gráfico resultante demonstra populações de células com características físicas semelhantes agrupadas, com os diferentes tipos de células aparecendo em vários locais em um gráfico de dispersão. Essas populações podem mudar de localização no gráfico de dispersão à medida que as características físicas das células mudam9. O uso dessa técnica com leucócitos de peixe-zebra permite que os pesquisadores avaliem as mudanças nas populações de células em resposta a vários estímulos, incluindo toxinas ambientais.
O citômetro de fluxo é multidimensional e vários tipos de fluoróforos podem ser usados na avaliação para caracterizar ainda mais as células e sua atividade. Nos ensaios descritos neste protocolo, a endocitose é caracterizada pela medição da quantidade de material fluorescente que uma célula internalizou. Se e como a exposição à toxina afeta os mecanismos endocíticos pode ser determinado comparando a capacidade das células expostas à toxina de absorver o material em comparação com a capacidade das células não expostas à toxina usando citometria de fluxo. Os processos endocíticos que podem ser avaliados dessa forma incluem pinocitose, endocitose mediada por receptor e fagocitose.
A pinocitose é a captação de componentes solúveis e não utiliza receptores celulares. A captação envolve o rearranjo citoplasmático por microfilamentos e microtúbulos para formar pequenos vacúolos. O amarelo de luciferase (LY) é um corante fluorescente usado para medir a absorção de líquido por pinocitose não seletiva11. A endocitose mediada por receptor envolve a captação seletiva de moléculas grandes. A dextrana marcada com fluoresceína (FITC) (DX) 40 pode ser usada para avaliar esse processo. A fagocitose é uma forma de endocitose que ingere partículas maiores que 0,5 micrômetros. Este processo é investigado por procedimentos utilizando FITC-DX70 e FITC-Eschericia coli. DX40 e DX70 têm pesos moleculares de 40.000 e 70.000, respectivamente. FITC-E. coli é a cepa padrão de laboratório de E. coli ligada a um flúor que pode ser medido pelo citômetro de fluxo. Muitas formas de endocitose mediada por receptores requerem cálcio como molécula de sinalização e para rearranjo do citoesqueleto9. Outro tipo de endocitose mediada por receptor é a endocitose mediada pelo receptor de manose (MR). Os receptores de manose são proteínas transmembranares que reconhecem formas de manana nas superfícies das células microbianas9. Para otimizar esses procedimentos, uma curva de resposta à dose deve ser criada com cada toxina para estabelecer as doses a serem utilizadas. Deve ser realizada uma curva de saturação para LY, FITC-DX40, FITC-DX70 e FITC-E. coli para avaliar a concentração correta a utilizar.
Os mecanismos usados pelos leucócitos para internalizar diferentes partículas podem variar. Para sugerir qual componente do processo pode ser afetado pela exposição à toxina, inibidores podem ser adicionados para bloquear os mecanismos fagocíticos. A citocalasina D (CCD) inibirá o movimento dos microtúbulos e, portanto, a pinocitose. A DCC não influencia a endocitose mediada por receptor11. O EDTA bloqueia a endocitose mediada por receptor dependente de cálcio (Ca2+). O manano é um ligante natural para o MR. O manano é usado como inibidor do receptor de manose para avaliar se a fagocitose ou pinocitose é mediada pelo receptor de manose9.
O objetivo deste protocolo é demonstrar os procedimentos para determinar se a exposição à toxina afetou a capacidade dos leucócitos fagocíticos de captar patógenos. Esses protocolos também podem discernir se um mecanismo endocítico específico é afetado. A realização desses ensaios no citômetro de fluxo permite uma discriminação adicional, selecionando populações de leucócitos com base no tamanho e na granularidade citoplasmática para determinar se as subpopulações de leucócitos foram afetadas diferencialmente. Este método depende do gating eletrônico de populações de células.
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Este protocolo foi aprovado pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais da Universidade Estadual do Mississippi (MSU-IACUC). Todos os peixes-zebra usados neste estudo foram criados a partir de uma colônia homozigótica de peixe-zebra mutante rag1-/- previamente estabelecido no incubatório específico livre de patógenos na Faculdade de Medicina Veterinária da Universidade Estadual do Mississippi (MSU) 10 . O peixe-zebra do tipo selvagem também foi propagado neste incubatório. Nesses estudos, as exposições a toxinas podem ser realizadas in vivo ou in vitro. Estudos in vivo expõem o peixe-zebra à toxina, após o que os leucócitos são isolados, indicando como a toxina e o microambiente tecidual podem interagir e influenciar a função leucocitária. Os estudos in vitro isolam os leucócitos e depois expõem as células à toxina em poços de cultura.
1. Preparação de reagentes e soluções
2. Cuidados com o peixe-zebra
3. Isolamento celular
4. Ensaio de viabilidade celular
5. Incubação de toxinas
6. Ensaio de endocitose
7. Citometria de fluxo
8. Efeito da toxina nos mecanismos endocíticos e efeitos dos inibidores CCD, EDTA e manano nos mecanismos endocíticos
NOTA: Para absorver líquidos ou partículas, o citoplasma da célula se move ativamente. Esse movimento requer múltiplos elementos estruturais e vias de sinalização. As biotoxinas podem afetar qualquer um desses elementos ou vias. A comparação dos efeitos de inibidores específicos caracterizados pode ser usada para auxiliar no discernimento de como a biotoxina pode estar agindo11.
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Os ensaios de endocitose usam leucócitos mistos isolados de gradientes e fechados para fagócitos e linfócitos para determinar se mecanismos celulares específicos foram alterados pela exposição a toxinas. Primeiro, as células são fechadas com base no tamanho e na granularidade10. Células mortas, fragmentadas ou moribundas são visualizadas no canto inferior esquerdo do gráfico de dispersão e são eliminadas, não analisadas quanto à fagocitose. A porta ...
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A utilização de citometria de fluxo com leucócitos de peixe-zebra oferece uma abordagem poderosa e versátil para estudar o sistema imunológico em detalhes, avaliar o impacto de toxinas ambientais e facilitar a pesquisa toxicológica. Ele fornece uma maneira de avaliar de forma rápida e eficaz o impacto das toxinas nas células imunológicas e na resposta imune. Os resultados revelam fatores humorais envolvidos e sugerem como a fisiologia e o metabolismo do peixe interagem com as bi...
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Os autores não têm conflitos de interesse a divulgar.
Os autores agradecem a Izak Hanson pela manutenção diária do peixe-zebra usado, e a Treva Billyard e Sterling Bailey pela assistência na revisão e formatação deste manuscrito.
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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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