Descriviamo un metodo per la lavorazione del fluido di lavaggio bronchoalveolar e corrisponde al sangue periferico di individui cronicamente affetti da HIV sulla terapia antiretrovirale per valutare i serbatoi polmonari di HIV. Questi metodi portano all’acquisizione di cellule T CD4 altamente pure e macrofagi alveolar che possono successivamente essere utilizzati per immunofenofizzazione e quantificazioni HIV DNA/RNA mediante reazione a catena di polimerasi ultrasensibili.
La broncoscopia è una procedura medica per cui la normale salina viene iniettata nei polmoni attraverso un broncoscopio e quindi viene applicata l’aspirazione, rimuovendo il liquido bronchoalveolar lavage (BAL). Il liquido BAL è ricco di cellule e può quindi fornire un’istantanea dell’ambiente immunitario polmonare. Le cellule T CD4 sono i serbatoi HIV più caratterizzati, mentre ci sono forti prove che suggeriscono che i macrofagi tissutali, compresi i macrofagi alveolar (AM), fungono anche da serbatoi virali. Tuttavia, molto è ancora sconosciuto sul ruolo delle AM nel contesto dell’istituzione e della manutenzione del serbatoio dell’HIV. Pertanto, lo sviluppo di un protocollo per l’elaborazione del fluido BAL per ottenere cellule che possono essere utilizzate in saggi virologici e immunologici per caratterizzare e valutare le popolazioni cellulari e sottoinsiemi all’interno del polmone è rilevante per comprendere il ruolo dei polmoni come HIV Serbatoi. Qui, descriviamo un tale protocollo, impiegando tecniche standard come la semplice centrifugazione e la citometria di flusso. Le cellule T CD4 e i AM possono quindi essere utilizzati per applicazioni successive, tra cui immunofenotipizzazione e HIV e quantificazione dell’RNA.
Una delle sfide più significative che devono affrontare una cura per l’infezione da HIV è la presenza del serbatoio HIV latente che provoca un rimbalzo della viremia plasmatica a seguito dell’interruzione della terapia antiretrovirale (ART)1,2. Mentre il serbatoio dell’HIV durante l’ART a lungo termine è ben documentato in diversi compartimenti tissutali, tra cui organi linfoidi secondari, tessuto linfoide associato all’intestino (GALT) e sistema nervoso centrale (SNC), i polmoni sono stati trascurati come un’area di studio dall’era pre-ART3. Tuttavia, i polmoni svolgono un ruolo centrale nella patogenesi dell’HIV. Infatti, i sintomi polmonari sono stati tra i primi indicatori di infezioni opportunistiche legate all’AIDS4. Anche nell’era moderna dell’ART, le persone con HIV sono maggiormente a rischio di sviluppare malattie polmonari infettive e non infettive rispetto alle persone senza HIV. Ad esempio, le persone con infezione da HIV sono a rischio elevato di infezione da pneumoniae da Streptococcal invasiva, così come la broncopneumomazione cronica ostruttiva (BPCO)5,6. Inoltre, la coinfezione della tubercolosi (TB) e dell’HIV è una sfida significativa per la salute pubblica in alcune regioni del mondo, in particolare nell’Africa subsahariana, poiché gli individui affetti da HIV hanno da 16 a 27 volte più probabilità di avere la tubercolosi rispetto alle persone senza HIV7. Sebbene siano state proposte alcune spiegazioni per questa suscettibilità all’infezione polmonare e alle malattie croniche8,9,10, i meccanismi cellulari precisi con cui gli individui con HIV soppresso il carico virale al plasma a rischio di complicanze polmonari non è stato completamente chiarito. È importante sottolineare che l’HIV è un fattore di rischio molto forte per l’infezione polmonare e la malattia cronica, indipendentemente dall’essere fumatori6.
L’analisi dell’ambiente immunitario del polmone è quindi cruciale per comprendere il suo ruolo nella salute e nella malattia. Anche se non invasivi, i campioni di espettorato indotti tendono a contenere grandi quantità di cellule epiteliali e detriti con linfociti polmonari rari e nessun AM, limitando il loro ruolo ad applicazioni specifiche. Al contrario, grandi biopsie di tessuto non possono essere ottenute in assenza di sospetta malattia a causa dei rischi associati di sanguinamento significativo e pneumotorace (collasso del polmone). Inoltre, la maggior parte delle cellule immunitarie polmonari si trovano principalmente a livello mucosale dove i polmoni sono continuamente stimolati dagli antigeni durante la respirazione. A tal fine, la broncoscopia per ottenere il fluido BAL ha il vantaggio di fornire un accesso relativamente sicuro a linfociti e AM (vedere la figura1). I macrofagi costituiscono la più grande percentuale di cellule all’interno del fluido BAL, seguiti dai linfociti11. È quindi utile stabilire un metodo con cui il fluido BAL può essere elaborato per l’uso in applicazioni successive, come l’immunofenotipizzazione, la coltura cellulare, la trascrittomica o qualsiasi altra applicazione. Il protocollo per l’elaborazione del fluido BAL qui descritto è adattato dalle procedure generali descritte in precedenza e ottimizzate per i vari saggi a valle impiegati. Questa metodologia consente l’isolamento delle cellule immunitarie mucosali sia polmonari che mieloidi per la loro caratterizzazione fenotipica e funzionale, nonché una valutazione del serbatoio dell’HIV negli adulti che vivono con l’HIV.
Per stabilire questo protocollo, abbiamo utilizzato i seguenti criteri per reclutare i partecipanti allo studio15. Per i partecipanti idonei a partecipare a questo studio, dovevano essere individui affetti da HIV che soddisfacevano i seguenti criteri: (1) sull’ART per almeno 3 anni; (2) carico virale soppresso (VL) per un minimo di 3 anni; (3) Numero di celle T CD4 di 200/mm3; (4) disposti a sottoporsi alla spirometria e alla broncoscopia. I pazienti con i seguenti criteri sono stati esclusi dallo studio: (1) controindicazione(e) alla broncoscopia; 2 elevato rischio di sanguinamento: coagulopatia o terapia warfarin o clopidogrel; (3) trombocitopenia (piastrine basse); (4) infezione polmonare attiva o un altro processo polmonare acuto; (5) incinta/cercando di rimanere incinta.
Qui abbiamo descritto un metodo per l’elaborazione del fluido BAL per ottenere cellule T e AM CD4, insieme a PBMC abbinati, che possono essere studiati per studiare il serbatoio dell’HIV all’interno dei polmoni. Recentemente abbiamo riportato la quantificazione del DNA dell’HIV nelle cellule T CD4 da campioni di sangue periferico e BAL corrispondenti, e il nostro gruppo ha dimostrato che l’HIV è 13 volte più abbondante nelle cellule T polmonari CD4 rispetto a quelle del sangue periferico15. Tuttavia, i livelli di HIV DNA negli AM dipendono dai donatori e quindi, finora, non c’è stata una correlazione coerente tra i livelli di DNA dell’HIV nei linfociti rispetto ai macrofagi15. L’accesso a questi sottoinsiemi di cellule macrofagi primari, tuttavia, sarà uno strumento vitale per interrogare questa questione e ottenere una migliore comprensione del carico virale nel polmone nel contesto del serbatoio dell’HIV.
Nell’era pre-ART e in molti altri studi che utilizzano il liquido BAL, i partecipanti sono stati sottoposti a broncoscopia al fine di diagnosticare una patologia sospetta o ottenere una diagnosi microbiologica per i sintomi respiratori3. Tuttavia, siamo stati in grado di reclutare partecipanti senza sintomi polmonari attivi o patologie e tutti i partecipanti hanno firmato un modulo di consenso etico15. Siamo stati in grado di reclutare partecipanti dal nostro centro che hanno partecipato ad altri studi, come uno studio di screening spirologico per la malattia polmonare ostruttiva24, così come quelli sottoposti a altre procedure di ricerca, come la leucapheresis e Colonscopia. Ricerche precedenti tra le persone affette da HIV hanno dimostrato che l’altruismo è un fattore chiave che motiva la partecipazione agli studi di ricerca25. Come con molti esemplari umani, abbiamo notato una grande quantità di variabilità da persona a persona. Non c’era modo di “prevedere” da quali partecipanti avremmo ottenuto BAL con buone e scarse rese cellulari. A differenza del sangue periferico, che produce un numero abbastanza costante di linfociti, i numeri delle cellule nel liquido BAL sono molto variabili. Iniettare un volume salina maggiore nei polmoni (con la speranza di ottenere un maggiore ritorno del liquido BAL) non è sempre possibile in quanto grandi volumi di salina normale sono spesso associati a più tosse e un maggiore rischio di postbronoscopia della febbre. Abbiamo notato che l’uso di un broncoscopio di diametro più piccolo (piuttosto che più grande) ha permesso al respirologo di raggiungere più in profondità i bronchi e ottenere il fluido contenente maggiori quantità di cellule. Una scoperta coerente è stata che i fumatori di tabacco avevano proporzioni molto più grandi di AM rispetto ai linfociti all’interno del loro fluido BAL, che ci si aspetta come AR inghiottire i detriti e particolato. Inoltre, abbiamo osservato che il fluido BAL dei fumatori conteneva detriti che possono bloccare l’apparecchiatura utilizzata, come le macchine PCR e i citometri di flusso. Problemi simili possono essere osservati nelle aree ad alto inquinamento o gli individui esposti più frequentemente a una scarsa qualità dell’aria.
Per quanto riguarda il loro ruolo nella creazione di serbatoi di HIV e la persistenza virale, la purezza delle cellule T CD4 e dei AM è una considerazione chiave. Per questo motivo, abbiamo scelto di utilizzare lo smistamento delle cellule attivato dalla fluorescenza (FACS) per ottenere popolazioni cellulari altamente pure. È anche possibile che il liquido BAL raccolto possa essere contaminato dal sangue come qualche sanguinamento minore è previsto durante una broncoscopia; la presenza di cellule B ingenue indiche lo indicherebbe, e le cellule possono essere lavate in un buffer di lisi dei globuli rossi per aggirare questo problema. Un’altra sfida con lo studio del fluido BAL riguarda la quantificazione dei marcatori infiammatori e delle citochine, che sono importanti per comprendere la persistenza dell’HIV26. Poiché la saliera instillata diluisce il fluido BAL, i livelli di mediatori infiammatori e citochine possono essere difficili da misurare. Anche se è stato proposto un fattore di correzione dell’urea per tenere conto della diluizione, vi è relativamente poca letteratura che ne descrive l’uso27,28.
Gli AM sono altamente autofluorescenti, il che pone un problema durante lo smistamento delle cellule e l’analisi fenotipica della citometria del flusso. In particolare, l’effetto è più pronunciato nei fumatori i cui AM possono essere di colore completamente nero, influenzando significativamente la loro autofluorescenza. Quando viene utilizzata da un laser blu standard da 488 nm, l’autofluorescenza AM è al suo apice a circa 540 nm, che si sovrappone agli spettri di fluorescenza di coniugati comunemente usati come FITC e PE29,30. Vale la pena notare che due laser separati possono essere utilizzati per eccitare FITC e PE (ad esempio, PE dal giallo/verde e FITC dal laser blu 488). Per superare l’autofluorescenza intrinseca con FITC, abbiamo usato AM incontaminati per determinare lo sfondo dell’autofluorescenza. Inoltre, l’uso dei controlli di fluorescenza meno uno (FMO) può essere molto utile per combattere questi problemi tecnici. Possono essere utilizzate perline più grandi (ad es. 7,5 m), che sono più vicine per compensare le popolazioni di macrofagi, rispetto alle perle più piccole (ad es., 3,0 m), che possono essere utilizzate per compensare le popolazioni di linfociti. Un approccio ancora più appropriato sarebbe quello di utilizzare una piccola frazione di celle come controlli a singola macchia, utilizzando un marcatore noto e altamente espresso sul sottoinsieme, come HLA-DR o CD45, coniugato a ciascuno dei fluorocromi desiderati, il che consentirebbe un compensazione accurata di quanto può essere raggiunto con perline. Nel caso dei campioni dei fumatori, questa tattica è particolarmente utile in quanto i macrofagi sono molto più grandi e più autofluorescenti. Inoltre, dalla fase di preparazione, l’intero campione BAL potrebbe essere coltivato in una piastra prima dello smistamento, come descritto nella sezione 3 del protocollo, per consentire una separazione delle popolazioni per aderenza. In questo modo, i macrofagi aderenti possono essere isolati da altre cellule non aderenti come i linfociti. La compensazione è molto meno impegnativa se le popolazioni di linfociti e AM sono separate piuttosto che esaminate insieme; tuttavia, basandosi sull’aderenza si tradurrà in una perdita di macrofagi, che è una considerazione importante quando i numeri di cellule sono già limitanti. Inoltre, un passo di aderenza potrebbe provocare l’attivazione indesiderata di monociti aderenti, che possono influenzare i risultati a valle generati utilizzando queste cellule. Il valore di smistare le cellule in modo efficiente in popolazioni più pure deve essere ponderato rispetto alla restrizione di avere meno di tali cellule per esperimenti successivi.
Altri modelli, in particolare i modelli murini, sono stati utilizzati per studiare le caratteristiche immunologiche e la biologia del macrofago. Mentre questi modelli sono estremamente utili e consentono una grande comprensione di un tipo di cella che è difficile da manipolare, hanno limitazioni. Molti dei marcatori di superficie cellulare variano tra topi e esseri umani in modo tale che l’immunofenotipo delle AM umane non sia completamente compreso. Tuttavia, questo sistema modello richiede la messa in comune di diversi topi per i saggi a causa dei bassi numeri di cellulare disponibili da ogni animale. Inoltre, la necessità di mettere in comune gli esemplari preclude considerazioni di predisposizione genetica e sesso. Recentemente, è stato dimostrato che il sesso svolge un ruolo nell’infettività dei macrofagi da HIV-1 a causa dell’espressione disparata del fattore di restrizione SAMHD-131. I primati non umani (NHP) rappresentano il modello più vicino agli esseri umani e hanno facilitato lo studio dell’infezione da virus dell’immunodeficienza simiana (SIV) e del suo effetto sul sistema immunitario, fornendo informazioni sul ruolo dei macrofagi residenti nei tessuti rispetto macrofagi derivati da monociti. Nei macachi rhesus, è stato anche dimostrato che il macrofago polmonare si isola dal virus BAL che ospita un virus competente per la replicazione; un saggio di escrescenza virale (VOA) è stato utilizzato per analizzare il comportamento della SIV nelle cellule residenti nei tessuti32. Tale scoperta è di notevole valore di ricerca, ma deve ancora essere convalidata negli esseri umani prima di poter essere applicata, e l’alto costo dell’uso di NHPs preclude l’uso di grandi popolazioni campione. Inoltre, i MICROBI umani saranno utili per molte altre applicazioni come i saggi di infezione virale/microbica in vitro e negli studi di altri patogeni come la tubercolosi/coinfezione dell’HIV.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori desiderano riconoscere i loro finanziatori: i Canadian Institutes of Health Research (CIHR) (grant #153082 a CC, MAJ, NC); il Réseau SIDA et maladies infectieuses du Fonds de recherche du Québec-Santé (FRQ-S) che ha concesso finanziamenti a CC e MAJ e alla Facoltà di Medicina dell’Università McGill che hanno concesso finanziamenti a CC. Questo studio è stato anche sostenuto in parte dal Canadian Institutes of Health Research (CIHR) – finanziato Canadian HIV Cure Enterprise (CanCURE) Team Grant HB2 – 164064 a MAJ, CC e NC. MAJ detiene il CIHR Canada Research Chair livello 2 in immunovirology e CC e NC hanno un premio FRQ-S Junior 1 e Junior 2 stipendio di ricerca, rispettivamente. ET detiene il premio RI-MUHC Studentship MSc.
Inoltre, gli autori desiderano riconoscere Josée Girouard e tutto il personale clinico coinvolto nel coordinamento e nell’ottenimento dei campioni, nonché i terapisti respiratori; Ekaterina Iourtchenko, Hélène Pagé-Veillette e Marie-Hélène Lacombe presso la piattaforma RI-MUHC Immunophenotyping; e la dott.ssa Marianna Orlova per la fornitura delle foto di microscopia. Ancora più importante, gli autori desiderano ringraziare i molti volontari senza i quali questa ricerca non sarebbe possibile.
70 µm Sterile Cell Strainer | Fisher Scientific | 22363548 | Nylon mesh filters with 70 µm pores to remove impurities from BAL sample before sorting |
ACH-2 Cells | NIH | 349 | HIV-1 latent T cell clone with one integrated proviral copy which do not express CD4 |
BD FACSAria | BD Biosciences | N/A | Cell sorter (configured to detect 16 colours simultaneously) |
BD LSRFortessa X-20 | BD Biosciences | N/A | Flow cytometer (configured to detect 14 colours simultaneously) |
Bronchoscope | Olympus | BF-1TH190 | EEIII HD therapeutic bronchoscope; channel width 2.8 mm; outer diameter 6.0 mm |
Cell Disassociation Solution | Sigma | C5914 | Non-enzymatic formulation for gently dislodging adherent cell types from plastic or glass surfaces. |
CD169 BB515 | BD Biosciences | 565353 | Sialic acid-binding molecule antibody used for flow cytometry |
CD14 BV786 | BD Biosciences | 563698 | Endotoxin receptor antibody used for flow cytometry |
CD206 PE | BD Biosciences | 555954 | Mannose receptor antibody used for flow cytometry |
CD3 Alexa700 | BD Biosciences | 557943 | T cell co-receptor antibody used for flow cytometry |
CD4 PE-Cy5 | BD Biosciences | 555348 | T cell co-receptor antibody used for flow cytometry |
CD45 PE Cy-7 | BD Biosciences | 557748 | Receptor-linked protein tyrosine phosphatase antibody used for flow cytometry |
CD8 BV605 | BD Biosciences | 564116 | T cell co-receptor antibody used for flow cytometry |
CompBead Plus | BD | 560497 | Anti-mouse Ig, κ and negative control polystyrene microparticles used to optimize fluorescence compensation in flow cytometry |
DNase I | Invitrogen | 18068015 | Digests single- and double-stranded DNA to oligodexyribonuleotides containing a 5' phosphate to remove contamination from RNA |
dNTP Set 100 mM | Invitrogen | 10297-018 | Consists of four deoxynucleotides (dATP, dCTP, dGTP, dTTP) for use in PCR |
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Sigma | D8418 | Apolar, protic solvent used to make media for cryopreserving live cells |
EDTA | Invitrogen | AM9912 | Used to stop Dnase I enzyme activity |
FBS | Wisent Bioproducts | 080-150 | Premium fetal bovine serum to supplement media |
FcR Blocking Reagent, Human | Miltenyi | 130-059-901 | Binds to Fc receptor on the cell surface to prevent non-specific binding of flow antibodies |
FlowJo v10 | FlowJo LLC | N/A | Flow cytometry analysis software used for all analyses |
HLA-DR BV650 | BD Biosciences | 564231 | MHC class II cell surface receptor antibody used for flow cytometry |
HyClone HEPES solution | Fisher Scientific | SH3023701 | Buffer providing maintenance of physiological pH |
Live/Dead APC-H7 | Invitrogen | L34975 | Viability marker used for flow cytometry |
Lymphocyte Separation Medium (LSM) | Wisent Bioproducts | 350-000-CL | Polysucrose for isolation of PBMC from whole blood |
Mr. Frosty Freezing Container | ThermoFisher | 5100-0001 | Freezing container ensuring rate of cooling very close to -1°C/minute, the optimal rate for cell preservation |
OneComp eBeads | Invitrogen | 01-1111-41 | Anti-mouse, rat and hamster antibodies for compensation of PBMC samples |
PBS 1X | Wisent Bioproducts | 311-010-CL | Phosphate buffered saline for cell washing and staining |
PCR Tubes Corbett Rotor-Gene | Axygen | PCR-0104-C | 4-strip PCR tubes with 0.1 mL capacity for use with Corbett Rotor-Gene |
PerfeCTa qPCR ToughMix | Quantabio | 95112 | 2X concentrated ready-to-use reaction cocktail for PCR amplification of DNA templates |
QiaAmp DNA Mini Kit | Qiagen | 51304 | Kit for isolation of genomic, mitochondrial, bacterial, parasite or viral DNA. Includes QIAamp Mini Spin Columns, QIAGEN Proteinase K, Reagents, Buffers, Collection Tubes |
RNeasy Mini Kit | Qiagen | 74104 | Kit for purification of up to 100 µg total RNA from cells, tissues, and yeast. Includes RNeasy Mini Spin Columns, Collection Tubes, RNase-free Reagents and Buffers |
Rotor-Gene Q | Qiagen | 9001550 | Real-time PCR cycler |
RPMI 1640 1X | Wisent Bioproducts | 350-000-CL | Cell culture media |
Sterile Water | Wisent Bioproducts | 809-115-CL | DNase, RNase & protease free |
Superscript™ III One-Step RT-PCR System | Invitrogen | 12574018 | RT-PCR kit which performs both cDNA synthesis and PCR amplification in a single tube. Includes SuperScript III RT/Platinum Taq Mix, 2X Reaction Mix (containing 0.4 mM of each dNTP, 3.2 mM MgSO4), magnesium sulfate |
Taq DNA Polymerase | Invitrogen | 18038-042 | Thermostable enzyme that synthesizes DNA from single-stranded templates in the presence of dNTPs and a primer. Includes Taq DNA Polymerase, 10X PCR buffer, magnesium chloride |
Transcription Factor Buffer Set | BD Biosciences | 562725 | Buffers for intracellular staining for flow cytometry. Includes fixation/permeabilization buffer, diluent buffer, perm/wash buffer |
Trypan Blue | Sigma | T8154 | Viability dye to count cells using haemacytometer |