Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Этот протокол иллюстрирует анализ трансцитоза эндотелиальных клеток in vitro в качестве модели для оценки проницаемости внутреннего барьера крови и сетчатки путем измерения способности микрососудистых эндотелиальных клеток сетчатки человека транспортировать пероксидазу хрена через клетки в трансклеточных процессах трансклеточного транспорта, опосредованных кавеолами.
Дисфункция гемато-сетчаточного барьера (БРБ) способствует патофизиологии ряда сосудистых заболеваний глаз, нередко приводящих к отеку сетчатки и последующей потере зрения. Внутренний гемато-ретинальный барьер (iBRB) в основном состоит из эндотелия сосудов сетчатки с низкой проницаемостью в физиологических условиях. Эта особенность низкой проницаемости жестко регулируется и поддерживается низкими темпами параклеточного транспорта между соседними микрососудистыми эндотелиальными клетками сетчатки, а также трансклеточным транспортом (трансцитозом) через них. Оценка проницаемости трансклеточного барьера сетчатки может дать фундаментальное представление о целостности iBRB в здоровье и болезни. В этом исследовании мы описываем анализ трансцитоза эндотелиальных клеток (EC) в качестве модели in vitro для оценки проницаемости iBRB с использованием микрососудистых эндотелиальных клеток сетчатки человека (HRMECs). Этот анализ оценивает способность HRMECs транспортировать трансферрин и пероксидазу хрена (HRP) в рецептор- и кавеолах-опосредованных трансклеточных транспортных процессах соответственно. Полностью сливающиеся HRMECs, культивируемые на пористой мембране, инкубировали с флуоресцентно-меченым трансферрином (клатринозависимый трансцитоз) или HRP (кавеол-опосредованный трансцитоз) для измерения уровней трансферрина или HRP, перенесенных в нижнюю камеру, что свидетельствует об уровнях трансцитоза в монослое ЕС. Передача сигналов Wnt, известный путь, регулирующий iBRB, модулировали для демонстрации метода анализа трансцитоза на основе HRP, опосредованного кавеолами. Анализ трансцитоза EC, описанный здесь, может обеспечить полезный инструмент для исследования молекулярных регуляторов проницаемости EC и целостности iBRB при сосудистых патологиях и для скрининга систем доставки лекарств.
Человеческая сетчатка является одной из самых энергоемких тканей в организме. Правильное функционирование нервной сетчатки требует эффективного снабжения кислородом и питательными веществами наряду с ограниченным потоком других потенциально вредных молекул для защиты среды сетчатки, которая опосредована через гемато-ретинальный барьер (BRB)1. Подобно гематоэнцефалическому барьеру (ГЭБ) в центральной нервной системе, БРБ действует как селективный барьер в глазу, регулируя движение ионов, воды, аминокислот и сахара в сетчатке и из нее. BRB также поддерживает гомеостаз сетчатки и его иммунную привилегию, предотвращая воздействие факторов кровообращения, таких как иммунные клетки, антитела и вредные патогены2. Дисфункция BRB способствует патофизиологии некоторых сосудистых заболеваний глаз, таких как диабетическая ретинопатия, возрастная макулярная дегенерация (ВМД), ретинопатия недоношенных (РН), окклюзия вен сетчатки и увеит, что приводит к вазогенному отеку и последующей потере зрения 3,4,5.
BRB состоит из двух отдельных барьеров для двух различных глазных сосудистых сетей, соответственно: сосудистой сетчатки и фенестрированного хориокапилляриса под сетчаткой. Внутренний BRB (iBRB) в основном состоит из микрососудистых эндотелиальных клеток сетчатки (RMECs), выстилающих микроциркулятор сетчатки, который питает внутренние нейронные слои сетчатки. С другой стороны, пигментный эпителий сетчатки образует основной компонент наружного BRB, который находится между нейросенсорной сетчаткой и хориокапиллярием2. Для iBRB молекулярный транспорт через RMECs происходит как по параклеточным, так и по трансклеточным путям (рисунок 1). Высокая степень селективности вещества в iBRB зависит от (i) наличия соединительных белковых комплексов, которые ограничивают параклеточный транспорт между соседними эндотелиальными клетками (EC), и (ii) низких уровней экспрессии медиаторов, транспортеров и рецепторов caveolae в эндотелиальных клетках, которые поддерживают низкие скорости трансклеточного транспорта 1,6,7,8 . Соединительные комплексы, регулирующие параклеточный поток, состоят из плотных соединений (клаудины, окклюдины), адгезивных соединений (VE cadherins) и щелевых соединений (коннексины), что позволяет проходить воде и мелким водорастворимым соединениям. В то время как небольшие липофильные молекулы пассивно диффундируют через внутреннюю часть RMECs, движение более крупных липофильных и гидрофильных молекул регулируется АТФ-управляемыми трансэндотелиальными путями, включая везикулярный транспорт и мембранные транспортеры 5,9.
Везикулярный трансцитоз может быть классифицирован как кавеолин-опосредованный кавеолярный трансцитоз, клатринозависимый (и рецептор-опосредованный) трансцитоз и клатрино-независимый макропиноцитоз (рисунок 2). Эти везикулярные транспортные процессы включают везикулы разного размера, причем макропиносомы являются самыми большими (в диапазоне от 200-500 нм), а кавеолы - самыми маленькими (в среднем 50-100 нм), в то время как везикулы, покрытые клатрином, варьируются от 70-150 нм10. Кавеолы представляют собой колбовидные липидные инвагинации плазматической мембраны с белковой оболочкой, в основном состоящей из кавеолина-1, который связывает холестерин липидной мембраны и другие структурные и сигнальные белки через их кавеолин-каркасный домен11. Кавеолины работают вместе с периферически прикрепленным кавином, способствуя стабилизации кавеол на плазматической мембране12. Кавеолярные мембраны также могут нести рецепторы для других молекул, таких как инсулин, альбумин и циркулирующие липопротеины, включая липопротеины высокой плотности (ЛПВП) и липопротеины низкой плотности (ЛПНП), чтобы помочь их движению через эндотелиальные клетки13. В процессе развития формирование функционального БРБ зависит от подавления ЭК трансцитоза8. Зрелый эндотелий сетчатки, следовательно, имеет относительно низкие уровни кавеол, кавеолин-1 и альбуминовых рецепторов по отношению к другим эндотелиальным клеткам в физиологических условиях, что способствует его барьерным свойствам 4,9.
Поскольку разрушение iBRB является основным признаком многих патологических заболеваний глаз, важно разработать методы оценки проницаемости сосудов сетчатки in vivo и in vitro. Эти методы помогают обеспечить вероятное понимание механизмов нарушения целостности BRB и оценить эффективность потенциальных терапевтических мишеней. Текущая визуализация in vivo или количественные анализы сосудистой утечки обычно используют флуоресцентные (флуоресцеин натрия и декстран), колориметрические (краситель Evans Blue и субстрат пероксидазы хрена [HRP]) или радиоактивные индикаторы14 для обнаружения экстравазации из сосудистой системы в окружающие ткани сетчатки с помощью микроскопической визуализации или в изолированном тканевом лизате. Идеальный индикатор для количественной оценки сосудистой целостности должен быть инертным и достаточно большим, чтобы свободно проникать в скомпрометированные сосуды, находясь в пределах здоровых и неповрежденных капилляров. Методы, использующие флуоресцеин натрия или флуоресцеин изотиоцианат-конъюгированный декстран (FITC-декстран) в флуоресцеиновой ангиографии живого глазного дна (FFA) или изолированных плоских креплениях сетчатки, широко используются для количественной экстравазации сетчатки in vivo или ex vivo. FITC-декстран имеет то преимущество, что он доступен в различных молекулярных массах в диапазоне от 4 до 70 кДа для исследований с выбором размера 15,16,17. FITC-альбумин (~68 кДа) является альтернативным крупногабаритным белковым индикатором, имеющим биологическое значение для исследований сосудистой утечки18. Краситель Evans Blue, вводимый внутрисердечно19, ретроорбитально или через хвостовую вену20, также полагается на его связывание с эндогенным альбумином с образованием большой молекулы, которая может быть количественно определена в основном спектрофотометрическим обнаружением или, реже, флуоресцентной микроскопией в плоских маунтах20,21. Однако эти количественные или световые методологии визуализации часто не отличают параклеточный транспорт от трансэндотелиального транспорта. Для специфического анализа трансцитоза с ультраструктурной визуализацией трансцитозированных везикул индикаторные молекулы, такие как HRP, обычно используются для определения местоположения трансцитозированных везикул в эндотелиальных клетках, которые можно наблюдать под электронным микроскопом 22,23,24 (рисунок 3A-C).
Разработка и использование моделей in vitro iBRB для оценки проницаемости эндотелиальных клеток может обеспечить надежную и высокую оценку пропускной способности, чтобы дополнить эксперименты in vivo и помочь в исследовании молекулярных регуляторов сосудистой утечки. Обычно используемые анализы для оценки параклеточного транспорта и целостности плотных соединений включают трансэндотелиальное электрическое сопротивление (TEER), меру ионной проводимости (Фиг.4)2,25, и анализ сосудистой утечки in vitro с использованием флуоресцентных индикаторов26 с малой молекулярной массой. Кроме того, анализы трансцитоза на основе трансферрина, моделирующие ГЭБ, были использованы для изучения клатрино-зависимого трансцитоза27. Несмотря на это, анализы для оценки BRB и, более конкретно, кавеолярного трансцитоза EC сетчатки in vitro ограничены.
В этом исследовании мы описываем анализ трансцитоза EC с использованием микрососудистых эндотелиальных клеток сетчатки человека (HRMECs) в качестве модели in vitro для определения проницаемости iBRB и трансцитоза EC. Этот анализ опирается на способность HRMECs транспортировать трансферрин или HRP через рецептор-опосредованные или кавеолы-зависимые пути трансцитоза, соответственно (рисунок 2). HRMECs, культивируемые до полного слияния в апикальной камере (т.е. фильтрующей вставке), инкубировали с флуоресцентно-конъюгированным трансферрином (Cy3-Tf) или HRP для измерения интенсивности флуоресценции, соответствующей уровням трансферрина или HRP, перенесенных в нижнюю камеру исключительно посредством трансцитоза EC. Слияние монослоя ячейки может быть подтверждено измерением TEER, указывающим на целостность плотного соединения25. Для демонстрации метода анализа TEER и трансцитоза использовались известные молекулярные модуляторы проницаемости сосудов и трансцитоза EC, включая фактор роста эндотелия сосудов (VEGF)28 и те, которые находятся в передаче сигналов Wnt (лиганды Wnt: Wnt3a и Norrin)29.
Все эксперименты на животных были одобрены Институциональным комитетом по уходу за животными и их использованию (IACUC) в Бостонской детской больнице для создания световой микроскопии и электромагнитных изображений (рисунок 3). Протоколы исследований in vivo можно получить из Wang et al.24. Все эксперименты с участием микрососудистых эндотелиальных клеток сетчатки человека (HRMECs) были одобрены Институциональным комитетом по биобезопасности (IBC) в Бостонской детской больнице.
1. Подготовка реагентов
2. Культивирование HRMC
3. Измерения TEER (рисунок 4)
4. Анализ трансцитоза
ЭМ-изображения эндотелия сосудов сетчатки показывают трансцитотический везикулярный транспорт и кавеолярные везикулы в эндотелиальных клетках in vivo.
EC трансцитоз может быть визуализирован in vivo в поперечных сечениях сетчатки с темно-коричневым о...
BRB играет важную роль в здоровье и заболеваниях сетчатки. Методы in vitro , оценивающие проницаемость сосудов, оказались важнейшими инструментами в исследованиях, касающихся развития и функции барьеров (BRB / BBB). Процедура, описанная здесь, может быть использована для изучения молекуляр...
Авторы не имеют конфликта интересов или финансовой заинтересованности для раскрытия.
Эта работа была поддержана грантами NIH (R01 EY028100, EY024963 и EY031765) для JC. ZW был поддержан грантом Knights Templar Eye Foundation Career Starter Grant.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Biological Safety Cabinet | Thermo Electron Corporation, Thermo Fisher Scientific | 1286 | |
Cell culture petridish | Nest Biotechnology | 704001 | |
Centrifuge | Eppendorf | 5702 | |
Centrifuge tubes (15 mL) | Corning Inc. | 352097 | |
Centrifuge tubes (50 mL) | Denville Scientific Inc. | C1062-P | |
Cyanine 3-human Transferrin | Jackson ImmunoResearch | AB_2337082 | |
Endothelial Cell Basal Medium-2 (EBM-2) | Lonza Bioscience | CC-3156 | |
Endothelial Cell Growth Medium-2 (EGM-2) SingleQuots supplements | Lonza Bioscience | CC-4176 | |
EVOM Millicell Electrical Resistance System-2 (ERS-2) | Millipore | MERS00002 | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Lonza Bioscience | CC-4102B | |
Gelatin | Sigma-Aldrich | G7765 | |
Hemocytometer (2-chip) | Bulldog Bio | DHC-N002 | |
Horseradish Peroxidase (HRP) | Sigma-Aldrich | P8250 | |
Human retinal microvascular endothelial cells (HRMEC) | Cell Systems | ACBRI 181 | |
Incubator | Thermo Electron Corporation, Thermo Fisher Scientific | 3110 | |
L cells (for Control-conditioned medium) | ATCC | CRL-2648 | |
L Wnt-3A cells (for Wnt3A-conditioned medium) | ATCC | CRL-2647 | |
Light microscope | Leica | DMi1 | |
Multimode Plate Reader | EnSight, PerkinElmer | ||
Phosphate-buffered saline (PBS) buffer (1x) | GIBCO | 10010-023 | |
QuantaBlu Fluorogenic Peroxidase Substrate kit | Thermo Fisher Scientific | 15169 | |
Recombinant human Norrin (rhNorrin) | R&D Systems | 3014-NR | |
Recombinant human Vascular endothelial growth factor (rhVEGF) | R&D Systems | 293-VE | |
Syringe filter (0.22 µm) | Millipore | SLGP033RS | |
Transwell inserts (6.5 mm transwell, 0.4 µm pore polyester membrane insert) | Corning Inc. | CLS3470-48EA | |
Trypsin-EDTA (0.25%) (1x) | GIBCO | 25-200-072 | |
Water bath | Precision, Thermo Fisher Scientific | 51221060 | |
XAV939 (Wnt/β-catenin Inhibitor) | Selleckchem | S1180 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены