이 논문은 phagosomal의 pH 및 영역뿐만 아니라 비율 적 지표 seminaphthorhodafluor (SNARF) -1, 또는 S-1을 사용하여 인간 및 마우스 호중구의 세포 내 pH를 측정하는 간단한 방법을 설명한다. 이 라이브 셀 공 초점 형광 현미경 및 이미지 분석을 사용하여 얻을 수있다.
호중구는 타고난 방어를 개최하는 것이 중요하며, 결과적으로 의학 연구의 중요한 영역을 구성한다. phagosome, 침몰 입자의 살인과 소화가 일어나는 세포 내 구획은 꽉 규제가 필요 호중구 병원균을 죽이는위한 주요 경기장입니다. Phagosomal pH는 조심스럽게 항균 단백질 분해 효소의 활동을 조절 차례로, 제어 한 측면이다. 많은 형광의 pH에 민감한 염료는 phagosomal 환경을 시각화하는 데 사용되었다. S-1은 듀얼 발광 스펙트럼 사진 표백에 대한 저항성, 및 높은 pKa를 포함한 다른 pH 민감성 염료에 비해 여러 가지 장점을 갖는다. 이 방법을 사용하여, 우리는 호중구 phagosome 다른 식세포에 비해 비정상적으로 알칼리성 것을 증명하고있다. phagosome의 크기와 형상의 변화가 평가 될 수 있도록 염료의 다른 생화학 활용형을 사용함으로써, phagosome은 세포질에서 묘사 될 수있다. 이것은 F를 할 수 있습니다이온의 이동 또는 추가 모니터링.
호중구은 신체에서 가장 풍부한 타고난 면역 세포이다. 그 주요 기능은 혈류 순찰 덮어하고 식세포 (1, 2)로 알려진 과정에서 발생할 수있는 이물질 소화 구성된다. 입자는 phagosome 불리는 세포 내 구획에서 분해된다. 호중구 NADPH 옥시 다제의 이성체 Nox2를, 상기 활성은 병원체의 죽음 절정 생화학 반응 캐스케이드를 개시한다. Nox2를 단백질 소단위는 phagosomal 막 (3)의 전자 전달계 복합체 형성을 진행. 일단은 슈퍼 옥사이드 음이온 및 상기 활성 산소 종 생산의 phagosome 내부에 산소 분자를 막을 통해 NADPH에서 전자를 수송 활성화. 이 작업은 호흡 버스트로 알려져 있으며,이를 효율적으로 미생물을 죽이는 소화 2 필수적인 것으로 생각된다 </suP>. 이 양전하로의 이동 및 / 또는 음의 전하가 phagosome 밖으로 이동 보상을하지 않은 경우에는, 막에 걸쳐 네가티브 전하의 이동이 배타적 곧 Nox2를 불 활성화한다. 이곳은 호중구에 전하 보상의 대부분 양성자 HVCN1 채널 (4, 5)에 의해 수행되는 것이 확립되었다. 이 채널은 phagosome로 세포질에서 그들의 전기 화학적 구배 아래 양자의 수동 이동을 허용한다. 프로톤 농도는 pH가 반사되므로, 옥시 다제 활성의 소정 레벨의 phagosome에서 pH를 측정하면 전하 보상에 프로톤 비 프로톤 경로의 상대적 참가에 관한 정보를 제공 할 수있다.
인간의 호중구는 식균 5 phagosome 후 약 20-30 분 동안 8.5의 pH를 알칼리 갖는다. 이 NOX의 추가 비 양성자 이온 채널의 존재를 의미한다관찰 된 것과 달리, 산성 환경을 유지하는 것 인 융합 HVCN1하여 산성 과립 단독 보상의 내용을 떼면, 전하 보상 2 유도. 이온의 이동은 또한 삼투 통해 phagosome 크기 변화를 가할 수도 음전하를 보상한다. 생리 높은 농도로 존재 이러한 호중구 수있다 이온 : 칼륨 이온이 phagosome 6으로 이동 도시되어 있고, 염화물 이온 이동은 호중구 함수 7 다른 중요한 후보자이다.
phagosome에서의 pH의 조절은 항균 단백질 분해 효소 활동 5에 매우 중요합니다. 마이 엘 로퍼 옥시 다제 (MPO)은 카 텝신 G 및 엘라 스타 제에 대해, 최적의 수준이 5는 각각 pH를 7-9 및 8-10의 pH 반면, pH가 6에서 최적 활성을 갖는 것으로 보인다. 따라서, phagosomal의 pH의 일시적인 변화는 재미에 다른 효소 활동의 틈새 시장을 제공 할 수있다ction. pH를 호중구 미생물을 죽이는에 참여하는 방법을 이해하는 것은 새로운 호중구 보강 미생물 에이전트의 디자인에 대한 유용한 정보를 제공 할 수 있습니다.
호중구 phagosome는 반응성이 매우 높은 환경입니다. 염료가 쉽게 산화 될 수 있기 때문 기술적 인공물로 이어지는, 정확하게 pH를 평가하기가 어렵습니다. 역사적으로, 형광 염료 (FITC)가 세포 내 pH를 8, 9를 측정하기 원하는 염색되었다. 단, 호중구 phagosomal 산도 측정에서의 사용에 대한 몇 가지 단점이있다. 그것은 산도 <8 11 포화으로 만 정확하게 7.5 5 내지 8의 pH 레벨을 평가하기 위해 이용 될 수 있다는 것을 의미 6.4 10의 pKa를 갖는다. 호중구 phagosomal의 pH가 훨씬 더 알칼리성 5가 될 수 있듯이, FITC는 잠재적 인 pH 변화의 전체 범위를 캡처 할 수 없습니다. 또 signifi호중구의 맥락에서 FITC와 질수 문제는이 MPO (12)에 의해 광 퇴색 될 것으로 생각된다는 것이다. MPO 형 억제제, 아 지드 화 나트륨은 13 photobleaching에 제한 할 수 있지만, 아 지드 화 나트륨이 직접 MPO 독립적 인 방식으로 phagosomal 산도를 저하 등 세이 5에 사용하기에 따라서 부적절한 것으로 밝혀졌다.
다른 세포 성 염료에 비해 S-1 7.5 (10)의 비교적 높은 pKa가있다. 산성 조건에서, 분자는 양성자이고, 488 nm의 여기 이상일 때, 560 및 600 nm의 사이에 발광 신호를 생성한다. 분자는 알칼리성 조건에 탈 때, 발광 파장이 600 nm를 초과한다. 이 형광 물질의 농도 및 셀 구조에 의해 영향을받지 않는 이러한 2 개 개의 파장에서의 형광 강도의 비는,보다 단일 형광 측정보다 신뢰성있는 발광 시프트를 나타낸다. 열이 사망 (HK) 칸디다 알비 칸스 (Candida albicans)가 바람직하지만, 더 큰 표면적보다 일관된 형광 판독을주기 때문에 S-1, 예컨대 14 모산, 항원 성 물질에 접합 될 수있다.
우리는 또한 (그림 3) 5 pH의 시간적 변화를 연구하기 위해이 방법의 수정을 사용했다. 알칼리성 phagosomes 14 곳 (15) (16), 및 세포 세포질 바와 같이 pH를 측정하는이 방법은 용이하게 다른 세포 유형에 적용될 수있다.
적절한 시약, 현미경 설정 및 교정 실험이 설정되면,이 방법을 수행하기가 비교적 간단하다. 결정적인 단계를 포함한다 : S-1 칸디다 레이블링 보정 및 이미지 분석 염료에는 과부하가되지 않도록.
S-1 (21)은 호중구에서 특히 중요하지만, 특정 세포 유형에서의 사용을 제한하고 더 알칼리성의 pH 환경에 적합한 시약이다. 예컨대 대식 phagosomes, SNARF-4, S-4 같은 더 산성 환경 들어 pKa가 낮기 때문에 (22)의 더 적합하다. 또한,보다 정확한 판독 세포질 들어, 형광 비는 pH가 6 이하 고원 (도 3)을 시작하는 것을 보여준다 S-1을위한 표준 곡선으로, S-4를 사용하는 것이 좋다. 다른 염료 등의 2 ', 7'- 비스 – (2- 카복시 에틸) -5- (및 -6) -Carboxyfluorescein (BCECF) 또는 pHrodo 레드도 계속 더 적합 할 수있다산성 될 것으로 예상된다 내선. 그러나 세포질 염색은 여전히 칸디다 균을 포함하는 phagosomes의 정확한 식별을 위해 필요하다.
phagosomal 산도 지표의 중요한 특징은이 비가 역적 반응 phagosomal 환경에 의해 변경되지 않는 것입니다. S-1은 호중구 환경에 강한 것 같다. 이것은 레빈 동부 등에 의해 도시된다. – / – 호중구 5 Hvcn1 의한 식균 작용 및 S-1 표지 칸디다 입자의 후속 버전을 보여 (문헌 5의 보조 비디오 4 참조). 포식 때, 입자 (알칼리 pH를 중성) 적색 황색 / 오렌지색에서 켜졌지만 입자 호중구에 의해 해제 될 때, 원래의 색으로 복귀.
이 S-1 사용과 관련된 몇 가지 제한 사항을 언급하는 것이 중요하다. 이 염료는 비율 적 신체의 체중 측정을 가능하게이 방출 스펙트럼을 가지고 있다는 사실urement은 장점이지만, 전문 장비는 이미지를 수집 할 필요가; 실험에 사용되는 현미경은 두 개의 이미지를 동시에 또는 무의미한 시간 지연을 기록 할 수 있어야합니다. 저자는이 프로토콜을 시도하는 연구자가 공 초점 현미경을 사용하여 경험을 가지고, 또는 훈련 된 전문가에 액세스 할 수 있다고 가정합니다. 그들은 각각의 현미경 다릅니다 및 연구자에 의해 최적화해야하므로 우리는 특정 현미경 매개 변수를 나열 할 수 없습니다. 염료의 세포질 내로 확산 할 수 있도록 S-1에 컨쥬 게이트 아세 톡시 메틸 에스테르 형광 분자를 형성하는 세포의 세포질에서 비 특이성 에스 테라 제에 의해 분해된다. 알칼리 포스파타제 등의 에스 테라 제는 세포 배양 배지를 보충하기 위해 사용되는 인간 혈청 및 소 태아 혈청에 존재한다. 따라서, 셀은 S-1-AM (4.5 절)와 함께로드되는 배지는 혈청을 포함해서는 안된다. 더 영양 RIC을 필요로 세포를 사용하는 경우이 도전 증명할 수 있습니다H 매체는이 프로토콜에서 사용되는 평형 염 용액보다 그것들을 유지한다. 마찬가지로, 페놀 레드 등의 다른 매체 형광 성분은, S-1의 측정을 방해 할 수있다.
도 3의 오차 막대는 각 pH에서 비 측정에 약간의 변화가 있음을 나타낸다. 각 실험의 반복 적절한 수 (적어도 N = 3)마다 하나의 실험에서 많은 개별 측정 간 액포 변동을 극복하기 위해 필요하다. 적어도 100 phagosomes 각 조건에 대해 단 하나를 포함하는 칸디다 나타만큼 phagosomal 영역의 pH를 측정하는 것이 바람직하다. phagosomes 완전히 (즉, 그것들이 완전히 세포질에 의해 둘러싸인) 칸디다 입자를 채우고있는 것들이어야 정량 측정한다. 정량 세포 / phagosomes의 선택에 의도하지 않은 편향을 완화하기 위해, 모든 분석이 동시에 수행되어야실험 조건에 장님.
여기서, 우리는 밀도 구배를 통해 플라즈마 층의 원심 분리 전혈 덱스 트란 침강 호중구의 분리를 설명한다. 신속하고 효율적으로 호중구의 순수한 (> 95 %) 인구를 생산하는 기타 밀도 구배 수식이나 항체 또는 자기와 전문 장비를 사용하여 호중구의 부정적인 선택을 통해 전혈을 원심 분리로 사용할 수있는 다른 방법이 있기는하지만 우리는이 기술을 사용 염주. 그러나, 후자는 정기적으로 중성 백혈구를 분리 대부분의 그룹에 대한 엄청나게 비용이 많이들 수 있습니다. 다른 연구자는 에틸렌 디아민 테트라 아세트산 (EDTA) 또는 산, 시트르산 나트륨 (ACD)를 사용하여 더 익숙 할 수있는 반면 또, 상기 혈액 수집 튜브 내에 항응고제 헤파린을 사용한다. 선택할 수있는 여러 가지 방법이 있습니다, 그것은 연구자의 개인적인 취향에 달려있다.
더욱이,호중구를 분리하고 조작 할 때 과도한 활성화를 피하기 위해 몇 가지주의하여 취급해야합니다. 예방 조치 단계는 다음과 같습니다에만 플라스틱 구조물을 사용하여, 유리; 필터링 소독 어떤 독소 오염을 제거하는 모든 버퍼; 때 회전 호중구는 원심 분리기가 과도한 진동을 피하기 위해 균형이 잘되어 있는지 확인; 시간 호중구는 원심 분리 후 펠렛에 남아 가능한 한 많이 제한; 이상 5 × 106 / ㎖의 용액의 호중구를 유지하지 않는다; 및 차단 후 가능한 한 빨리 실험을 수행합니다.
교정 단계에서 기술 한 바와 같이이 방법은, 현미경에서 37 ° C로 가열 한 스테이지 세트를 사용하여 동일한 위치에서 한번 30-60의 스냅 샷을 시간이 지남에 따라 pH 및 phagosomal 면적 변화를 측정하도록 구성 될 수있다. 또한 이론적으로 이러한 96- 웰 플레이트와 같은 높은 처리량 실험을 위해 적응 될 수 있으며, 유동 세포 계측법 실험을 위해, 여기서 S-1은 수pH는 인디케이터 (23)로서 이용 될 수있다. 그러나 이러한 설정에서, 개별 셀 활동에 대한 강조는 세포 인구에 더 글로벌 효과로 대체됩니다.
이 방법은 개별 연구자가 자신의 관심 분야에 맞게 적응할 수에 따라 비교적 간단한 실험 장치를 제공하는 것을 목표로하고있다. 연구자들은 예컨대, 세포 내 칼슘 농도에 대한 다른 이온의 이동을 측정하는 동안 호중구 phagosomal의 pH 및 영역을 탐색 할 수도있다. 예컨대 인도 1,도 400 및 475 내지 24, 듀얼 발광 스펙트럼을 갖는 한 공 초점 현미경 용이하게 사용할 수있는 여러 형광 칼슘 지표가있다. 이러한 발광 파장은 S-1 발광 스펙트럼과 중첩되지 않지만, 여기 파장이 세포에 손상 될 수있는 스펙트럼의 자외선 (UV) 단부이며, UV 레이저 모든 현미경에 평범하지 않다. 다른 지표의 종합적인 검토측정 세포 내 칼슘 플럭스는 다카하시 등의 알에 의해 덮여있다. 25 Hillson 등 알. (26).
결론적 눈즈 동부 등 같은 다른 형광 염료를 사용 phagosomal 산도를 측정하는 다른 가능한 방법이있다. (13)뿐만 아니라 다른 그룹 (27), (28)을 증명하고있다. 다른 연구자들은 세포질 산도 phagosomal 29 또는 14의 pH를 측정하는 S-1을 사용 하였다. – / – 그러나,이 프로토콜은 동시에 phagosomal 단면적의 변화를 관찰하고 야생형 및 Hvcn1 구별하는 기회를 제공 세포질 및 phagosome 모두의 pH 측정의 고유 마우스 호중구와 함께 그리고없이 인간 호중구 NADPH 산화 효소 작업.
The authors have nothing to disclose.
이 작품은 친절 웰컴 트러스트 (Wellcome Trust), 생명 공학 및 생물 과학 연구 협의회, 그리고 어윈 조페 기념 원정대에 의해 투자되었다.
Candida albicans ATCC 10231 Vitroids 80 CFU | Sigma-Aldrich | RQC14003-10EA | Place directly on a spread agar plate according to the manufacturer's instructions |
YPD broth | Sigma-Aldrich | Y1375 | Follow manufacturer's instructions, various providers exist |
Dextran Clinical grade MW = 200,000-300,000 | MP Biomedicals | 2101514 | Use gloves |
Heparin Sodium solution for infusion (preservative free), 1,000IU/ml | Fannin, Wockhardt UK Ltd | FP1077 | We purchased from UCH inpatient pharmacy |
SNARF-1 Carboxylic Acid, Acetate, Succinimidyl Ester – Special Packaging | Thermo Scientific/Invitrogen | SS22801 | Use gloves |
5-(and-6)-Carboxy SNARF-1, Acetoxymethyl Ester, Acetate | Thermo Scientific/Invitrogen | C1272 | Use gloves |
Vivaglobin human IgG 160mg/ml solution | CSL Behring | received as a gift | Various providers exist |
Normal mouse serum | Abcam | ab7486 | Various providers exist |
Lymphoprep (density gradient medium) | Alere Ltd | 1114547 | Keep sterile and away from direct sunlight, can be substituted by Ficoll-Paque |
Nigericin | Sigma-Aldrich | N7143 | Toxic, use gloves, various providers exist |
Saponin | Sigma-Aldrich | 47036 | Toxic, use gloves, various providers exist |
Dimethyl sulphoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D8418 | Toxic, use gloves, various providers exist |
4-(2-Hydroxyethyl)piperazine-1-ethanesulfonic acid (HEPES) | Sigma-Aldrich | H3375 | Various providers exist |
Tris(hydroxymethyl)aminomethane (Tris) | Sigma-Aldrich | T1503 | Various providers exist |
Potassium chloride (KCl) | Sigma-Aldrich | P9333 | Various providers exist |
Sodium chloride (NaCl) | Sigma-Aldrich | S7653 | Various providers exist |
Magnesium chloride (MgCl2) | Sigma-Aldrich | M8266 | Various providers exist |
Magnesium sulphate (MgSO4) | Sigma-Aldrich | M7506 | Various providers exist |
Potassium dihydrogen phosphate (KH2PO4) | Sigma-Aldrich | P9791 | Various providers exist |
Calcium chloride (CaCl2) | Sigma-Aldrich | C1016 | Various providers exist |
Glucose | Sigma-Aldrich | D9434 | Various providers exist |
Absolute Ethanol | Sigma-Aldrich | 2860 | Various providers exist |
Diphenylene iodonium (DPI) | Sigma-Aldrich | D2926 | Various providers exist |
Zinc chloride | Sigma-Aldrich | 208086 | Various providers exist, do not dilute in phosphate based buffers as it will precipitate |
Poly L lysine | Sigma | P4707 | Various providers exist |
Laser scanning confocal microscope (Zeiss LSM 700) | Carl Zeiss | The microscope must be able to excite at 555nm and measure emission at two channels simultaneously (560-600nm, >610nm) | |
Ibidi µ slide 8 well ibiTreat | Thistle Scientific | IB-80826 | Other appropriate imaging dishes can be substituted |
Fluorodish Cell Culture Dish-35mm, 23mm well | World Precision Instruments | FD35-100 | Other appropriate imaging dishes can be substituted, different sizes are available |
Soniprep 150 | MSE | Any appropriate sonicator will suffice | |
TC20 Automated Cell Counter | BioRad | Various providers exist | |
1.5ml Protein LoBind Tubes | Sigma-Aldrich | Z666505-100EA | Specially used as Candida can stick to normal eppendorfs |