Summary

Проточной цитометрии на основе анализа на мониторинге NK клеточных функций

Published: October 30, 2016
doi:

Summary

Простой и надежный метод описан здесь, чтобы проанализировать множество функций NK-клеток, таких как дегрануляции, цитокина и производство хемокинов в различных подмножеств NK-клеток.

Abstract

Natural killer (NK) cells are an important part of the human tumor immune surveillance system. NK cells are able to distinguish between healthy and virus-infected or malignantly transformed cells due to a set of germline encoded inhibitory and activating receptors. Upon virus or tumor cell recognition a variety of different NK cell functions are initiated including cytotoxicity against the target cell as well as cytokine and chemokine production leading to the activation of other immune cells. It has been demonstrated that accurate NK cell functions are crucial for the treatment outcome of different virus infections and malignant diseases. Here a simple and reliable method is described to analyze different NK cell functions using a flow cytometry-based assay. NK cell functions can be evaluated not only for the whole NK cell population, but also for different NK cell subsets. This technique enables scientists to easily study NK cell functions in healthy donors or patients in order to reveal their impact on different malignancies and to further discover new therapeutic strategies.

Introduction

В рамках врожденной иммунной системы естественных киллеров (NK) клетки способствуют первой линии защиты от инфицированных вирусом или злокачественно трансформированных клеток. Система ингибирующих и активирующих рецепторов позволяет им различать между здоровыми и трансформированные клетки без предварительного антигена затравки в отличие от Т-клеток. При столкновении клетки – мишени NK – клетки высвобождают содержание своих цитотоксических гранул (например, Перфорин, гранзимы) в иммунной синапса , чтобы убить свою цель. Кроме того, NK – клетки вырабатывают и выделяют различные виды цитокинов (например, интерфероном гамма: IFN-γ, фактор некроза опухоли-α: TNF-α) и хемокинов (например, макрофагальный воспалительный белок-1β: MIP-1) по клетке – мишени взаимодействие или цитокин стимуляция 1.

Достаточные функции NK-клеток, такие как цитотоксичность, хемокинов и продукции цитокинов оказывают значительное влияние на судьбы различных дисоблегчает. Больных лейкемией показывают увеличение частоты рецидивов , если они демонстрируют дефектный профиль NK клеток на момент постановки диагноза , состоящий из сокращения производства IFN-gamma и снижением экспрессии активации клеточных рецепторов NK 2. Раннее восстановление числа клеток NK и функции , включая выработку цитокинов при взаимодействии клетки – мишени связано с уменьшением рецидивов и улучшение выживаемости у пациентов , получающих аллогенной трансплантации стволовых клеток 3. Кроме того, после начала терапии интерфероном у больных , инфицированных вирусом гепатита С дегрануляция способность периферических клеток NK в начале ответчиков сильнее , чем в неответчиков 4. Числа NK клеток (> 80 / мкл) на 15 -й день после аутологичной трансплантации стволовых клеток (autoSCT) у пациентов , страдающих от лимфомы или множественной миеломы являются прогностическими улучшенной прогрессии и общей выживаемости 5. У пациентов с меланомой экспрессия Т-клетки immunoglobulin- и муцин-домен-containinг молекула-3 (ТИМ-3), иммунное-регулирующий белок на клетках NK, коррелирует со стадией заболевания и прогнозом 6.

Ученые контролировали функции NK-клеток на протяжении последних десятилетий. Первоначальный анализ клеточной цитотоксичности NK против опухолевых клеток без предварительного грунтования была адресована с помощью анализа 7 51 Cr-релиз. Совсем недавно ученые разработали нерадиоактивного метод оценки цитотоксичности NK расширенных клеток 8. Цитокина и хемокина производство было часто оценивали с помощью иммуноферментного анализа (ELISA) методы 9,10. В последние десятилетия эти методы были дополнены с помощью проточной цитометрии анализов на основе. Применение ингибиторов белка переноса (например, брефелдин А и монензин) и методы проницаемости клеточной мембраны в сочетании с протоколами обычного поверхностного окрашивания позволили ученым изучать хемокинов и производство цитокинов в различной удельной лимфыocyte подмножества (например, T, B или NK – клетки) 11. Кроме того, различные проточная цитометрия на основе анализы были разработаны для контроля Т и NK-клеток, цитотоксичность. В 2004 году Альтер и др. Описали поверхностную экспрессию лизосом-ассоциированный белок CD107a (ЛАМПА1) на NK – клетках , на клетки – мишени столкновения в качестве маркера дегрануляции цитотоксических гранул 12. Так как широкий спектр различных люминофоры и цитометров многоканальными доступны в наши дни, это стало возможным одновременно контролировать различные функции клеток NK (цитотоксичность, цитокинами и производства хемокин) в различных подмножеств NK-клеток. Это становится особенно важным в ситуациях , когда размер выборки ограничен, например, в биопсий или образцах крови пациентов , страдающих от лейкопении.

Чтобы проверить глобальные функции NK клеток, различные анализы потока цитометрии на основе могут быть эффективно объединены. Theorell и др. , Стимулированные NK – клетки от АЭМдоноры lthy с опухолевой клеточной линии К562 и анализировали NK – клеток дегрануляцию, изнутри наружу сигнала и хемокинов производства с помощью проточной цитометрии 13. Недавно подгруппы NK клеток, фенотип и функции у больных опухолей во время autoSCT были проанализированы с помощью проточной цитометрии анализов на основе. Было показано , что NK – клетки были способны degranulate и продуцируют цитокины / хемокины при обнаружении опухолевых клеток в очень ранние моменты времени после того, как autoSCT 11.

Здесь протокол описан для оценки функции клеток NK при взаимодействии с опухолевыми клетками, включая емкость дегрануляции, хемокинов и продукции цитокинов с помощью проточной цитометрии на основе анализа, что дает возможность контролировать функции NK-клеток в различных подмножеств одновременно.

Protocol

Данное исследование было проведено в соответствии с рекомендациями местных комитета по этике Университета Франкфурта. 1. Культивирование клеток К562 Культуры клеток К562 в R10 средах (RPMI 1640 с глютамином среды, 1% пенициллина / стрептомицина, 10% фетальной сыворотки теленка) при плот…

Representative Results

Стратегия стробирования для анализа дегрануляцию, цитокина и хемокина производство всей популяции клеток NK и трех различных подмножеств NK клеток показаны на рисунке 1. Типичные результаты одного здорового донора, показа?…

Discussion

Описанный метод является простым, быстрым и надежным подход к изучению функций NK-клеток из образцов цельной крови здоровых доноров или пациентов. Этот метод дает большое преимущество , чтобы непосредственно очищению ЕКК из цельной крови, избегая больших затрат времени центрифугирова?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Authors were supported by the German Cancer Aid (Max Eder Nachwuchsgruppe, Deutsche Krebshilfe; EU), the LOEWE Center for Cell and Gene Therapy Frankfurt (EU, ST) funded by the Hessian Ministry of Higher Education, Research and the Arts, Germany (III L 4- 518/17.004) and by the “Alfred- und Angelika Gutermuth-Stiftung”, Frankfurt, Germany (EU). BJ was funded by a Mildred Scheel postdoctoral scholarship from the Dr. Mildred Scheel Foundation for Cancer Research. ST was founded by a GO-IN postdoctoral fellowship (PCOFUND-GA-2011-291776). The authors thank Becton Dickinson (BD) for providing the FACSCanto II and Canto10c Flow Cytometry Analyzers used in this study.

Materials

RPMI 1640 + glutamine Invitrogen 6187-044
penicilin/streptomycin Invitrogen 15140-122
BD Falcon Round Bottom Tube BD 352008
fetal calf serum Invitrogen 10270-106 heat inactivated before use
T-flask Greiner Bio-One 690195
K562 tumor cell line DSMZ GmbH ACC 10
ammonium-chloride-potassium (ACK) lysis buffer made in house / components are listed in the text
Distilled water: Ampuwa Spüllösung 1000ml Plastipur Fresenius Kabi 1088813
Megafuge 40R Centrifuge Heraeus /
EDTA blood collector tubes Sarstedt 386453 S-Monovette 7,5 ml, K3 EDTA
UltraPure 0.5M EDTA, pH 8.0 Life Technologies 15575-020
Hematopoietic media (XVIVO) Lonza Group Ltd BE04-743Q
human serum DRK Blutspendedienst, Frankfurt/M  / healthy donors with blood type AB; heat inactivated before use
Neubauer-improved counting chamber, bright line Marienfeld superior/ LO-Laboroptik Ltd. 0640030/ 1110000
trypan blue solution (0,4%) Invitrogen 15250-061
3% acetic acid with methylene blue Stemcell Technologies  07060
Corning 96 Well Clear V-Bottom TC-treated Microplates Corning  3894
Falcon 96 Well Round Bottom Not Treated Microplates Corning  351177
DPBS (Ca2+– and Mg2+-free) Gibco Invitrogen 14190-169
BSA Sigma Aldrich A2153-100G
NaN3 Sigma Aldrich 08591-1ML-F
phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA)  Merck 524400-1MG
ionomycin  PromoKine PK-CA577-1566-5
interleukin 15 (IL-15) PeproTech 200-15
Proleukin S (IL-2)  Novartis Pharma 730523
Golgi Stop, Protein Transport Inhibitor (containing Monensin) BD Biosciences 554724 This product can be used in combination or instead of Golgi Plug. The best combination for the wished experimental setting has to be tested.
Golgi Plug, Protein Transport Inhibitor (containing Brefeldin A) BD Biosciences 555029
paraformaldehyde AppliChem UN2209
saponin Sigma Aldrich 47036
flow cytometer: Canto10C BD Biosciences /
FlowJo TreeStar Inc. /
Graph Pad Graph Pad Inc. /
MACSxpress Separator Miltenyi Biotec  130-098-308
MACSxpress NK isolation kit Miltenyi Biotec  130-098-185
MACSxpress Erythrocyte Depletion Kit, human Miltenyi Biotec  130-098-196
MACSmix Tube Rotator  Miltenyi Biotec  130-090-753
anti-human CD3 APC Biolegend 300412
anti-human CD3 V450 BD Biosciences 560366
anti-human CD14 PerCP Miltenyi Biotec  130-094-969
anti-human CD14 V450 BD Biosciences 560349
anti-human CD16 PE Biolegend 302008
anti-human CD16 PerCP Biolegend 302029
anti-human CD19 PE-Cy7 Biolegend 302216
anti-human CD19 V450 BD Biosciences 560353
anti-human CD45 BV510 BD Biosciences 563204
anti-human CD56 FITC Biolegend 345811
anti-human CD107a PE Biolegend 328608
anti-human IFN-γ AF-647 BD Biosciences 557729
anti-human MIP-1β APC-H7 BD Biosciences 561280
DAPI Biolegend 422801
Zombie Violet Fixable Viability Kit Biolegend 423113 fixable dead cell marker

Riferimenti

  1. Watzl, C. How to trigger a killer: modulation of natural killer cell reactivity on many levels. Adv Immunol. 124, 137-170 (2014).
  2. Khaznadar, Z., et al. Defective NK Cells in Acute Myeloid Leukemia Patients at Diagnosis Are Associated with Blast Transcriptional Signatures of Immune Evasion. J Immunol. 195 (6), 2580-2590 (2015).
  3. Pical-Izard, C., et al. Reconstitution of natural killer cells in HLA-matched HSCT after reduced-intensity conditioning: impact on clinical outcome. Biol Blood Marrow Transplant. 21 (3), 429-439 (2015).
  4. Ahlenstiel, G., et al. Early changes in natural killer cell function indicate virologic response to interferon therapy for hepatitis C. Gastroenterology. 141 (4), 1231-1239 (2011).
  5. Porrata, L. F., et al. Early lymphocyte recovery predicts superior survival after autologous stem cell transplantation in non-Hodgkin lymphoma: a prospective study. Biol Blood Marrow Transplant. 14 (7), 807-816 (2008).
  6. Silva, I. P., et al. Reversal of NK-cell exhaustion in advanced melanoma by Tim-3 blockade. Cancer Immunol Res. 2 (5), 410-422 (2014).
  7. Kiessling, R., Klein, E., Wigzell, H. “Natural” killer cells in the mouse. I. Cytotoxic cells with specificity for mouse Moloney leukemia cells. Specificity and distribution according to genotype. Eur J Immunol. 5 (2), 112-117 (1975).
  8. Somanchi, S. S., Senyukov, V. V., Denman, C. J., Lee, D. A. Expansion, purification, and functional assessment of human peripheral blood NK cells. J Vis Exp. (48), (2011).
  9. Mariani, E., et al. Chemokine production by natural killer cells from nonagenarians. Eur J Immunol. 32 (6), 1524-1529 (2002).
  10. Reefman, E., et al. Cytokine secretion is distinct from secretion of cytotoxic granules in NK cells. J Immunol. 184 (9), 4852-4862 (2010).
  11. Jacobs, B., et al. NK Cell Subgroups, Phenotype, and Functions After Autologous Stem Cell Transplantation. Front. Immunol. 6, 583 (2015).
  12. Alter, G., Malenfant, J. M., Altfeld, M. CD107a as a functional marker for the identification of natural killer cell activity. J Immunol Methods. 294 (1-2), 15-22 (2004).
  13. Theorell, J., et al. Sensitive and viable quantification of inside-out signals for LFA-1 activation in human cytotoxic lymphocytes by flow cytometry. J Immunol Methods. 366 (1-2), 106-118 (2011).
  14. Brander, C., et al. Inhibition of human NK cell-mediated cytotoxicity by exposure to ammonium chloride. J Immunol Methods. 252 (1-2), 1-14 (2001).
  15. Beeton, C., Chandy, K. G. Enrichment of NK cells from human blood with the RosetteSep kit from StemCell technologies. J Vis Exp. (8), e326 (2007).
  16. Lamoreaux, L., Roederer, M., Koup, R. Intracellular cytokine optimization and standard operating procedure. Nat. Protoc. 1 (3), 1507-1516 (2006).
  17. Baginska, J., et al. Granzyme B degradation by autophagy decreases tumor cell susceptibility to natural killer-mediated lysis under hypoxia. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (43), 17450-17455 (2013).
  18. He, L., et al. A sensitive flow cytometry-based cytotoxic T-lymphocyte assay through detection of cleaved caspase 3 in target cells. J Immunol Methods. 304 (1-2), 43-59 (2005).
  19. Sutton, V. R., et al. Serglycin determines secretory granule repertoire and regulates NK cell and CTL cytotoxicity. FEBS J. 283 (5), 947-961 (2016).
  20. Schönberg, K., Hejazi, M., Uhrberg, M. Protocol for the clonal analysis of NK cell effector functions by multi-parameter flow cytometry. Methods Mol Biol. 903, 381-392 (2012).
  21. Björkström, N. K., et al. Expression patterns of NKG2A, KIR, and CD57 define a process of CD56dim NK-cell differentiation uncoupled from NK-cell education. Blood. 116 (19), 3853-3864 (2010).
  22. Bryceson, Y. T., Ljunggren, H. G., Long, E. O. Minimal requirement for induction of natural cytotoxicity and intersection of activation signals by inhibitory receptors. Blood. 114 (13), 2657-2666 (2009).
  23. Cooper, M. A., et al. Human natural killer cells: a unique innate immunoregulatory role for the CD56(bright) subset. Blood. 97 (10), 3146-3151 (2001).
  24. Fauriat, C., Long, E. O., Ljunggren, H. G., Bryceson, Y. T. Regulation of human NK-cell cytokine and chemokine production by target cell recognition. Blood. 115 (11), 2167-2176 (2010).
  25. Postow, M. A., Callahan, M. K., Wolchok, J. D. Immune Checkpoint Blockade in Cancer Therapy. J Clin Oncol. 33 (17), 1974-1982 (2015).
  26. Glienke, W., et al. Advantages and applications of CAR-expressing natural killer cells. Front Pharmacol. 6, 21 (2015).
  27. Curran, K. J., Brentjens, R. J. Chimeric antigen receptor T cells for cancer immunotherapy. J Clin Oncol. 33 (15), 1703-1706 (2015).
  28. Zappasodi, R., de Braud, F., Di Nicola, M. Lymphoma Immunotherapy: Current Status. Front. Immunol. 6, 448 (2015).
  29. Laprevotte, E., et al. Endogenous IL-8 acts as a CD16 co-activator for natural killer-mediated anti-CD20 B cell depletion in chronic lymphocytic leukemia. Leuk Res. 37 (4), 440-446 (2013).
  30. Maloney, D. G., et al. IDEC-C2B8 (Rituximab) anti-CD20 monoclonal antibody therapy in patients with relapsed low-grade non-Hodgkin’s lymphoma. Blood. 90 (6), 2188-2195 (1997).
  31. Salles, G., et al. Phase 1 study results of the type II glycoengineered humanized anti-CD20 monoclonal antibody obinutuzumab (GA101) in B-cell lymphoma patients. Blood. 119 (22), 5126-5132 (2012).
  32. Terszowski, G., Klein, C., Stern, M. KIR/HLA interactions negatively affect rituximab- but not GA101 (obinutuzumab)-induced antibody-dependent cellular cytotoxicity. J Immunol. 192 (12), 5618-5624 (2014).
  33. Hsu, A. K., et al. The immunostimulatory effect of lenalidomide on NK-cell function is profoundly inhibited by concurrent dexamethasone therapy. Blood. 117 (5), 1605-1613 (2011).
  34. Salih, J., et al. The BCR/ABL-inhibitors imatinib, nilotinib and dasatinib differentially affect NK cell reactivity. Int J Cancer. 127 (9), 2119-2128 (2010).
  35. Benson, D. M., et al. A phase 1 trial of the anti-KIR antibody IPH2101 in patients with relapsed/refractory multiple myeloma. Blood. 120 (22), 4324-4333 (2012).
  36. Vey, N., et al. A phase 1 trial of the anti-inhibitory KIR mAb IPH2101 for AML in complete remission. Blood. 120 (22), 4317-4323 (2012).
  37. Terme, M., Ullrich, E., Delahaye, N. F., Chaput, N., Zitvogel, L. Natural killer cell-directed therapies: moving from unexpected results to successful strategies. Nat Immunol. 9 (5), 486-494 (2008).

Play Video

Citazione di questo articolo
Tognarelli, S., Jacobs, B., Staiger, N., Ullrich, E. Flow Cytometry-based Assay for the Monitoring of NK Cell Functions. J. Vis. Exp. (116), e54615, doi:10.3791/54615 (2016).

View Video