여기에 제시된 1 차적인 인간 혈액 단화 절연을 위한 프로토콜은 대식세포 및 수지상 세포로의 분화뿐만 아니라 다세포 인간 폐 모델로 상피 세포를 조립한다. 염증 성 자극에 노출되면 갓 분리되거나 해동 된 단핵구로부터 분화 된 면역 세포로 구성된 공동 배양의 생물학적 반응이 비교됩니다.
인간 폐포 세포 컬배시 모델은 폐포 상피 형 II 세포와 두 가지 유형의 면역 세포(즉, 인간 단핵구 유래 대식세포[MDM] 및 수지상 세포 [MDDC])로 구성된 폐포 상피 조직 장벽의 시뮬레이션을 위해 여기에 설명된다. 다세포 모델을 조립하기 위한 프로토콜이 제공됩니다. 폐포 상피 세포(A549 세포주)는 2챔버 우물의 투과성 인서치에 대한 침수된 조건하에서 재배되고 분화된 다음 분화된 MDM 및 MDDC와 결합된다. 마지막으로, 세포는 며칠 동안 공기 액체 인터페이스에 노출됩니다. 인간 1차 면역 세포가 인간 버피 코트로부터 분리되어야 하기 때문에, 신선한 또는 해동된 단핵구로부터 분화된 면역 세포는 실험적 필요에 따라 방법을 맞춤화하기 위해 비교된다. 새로 분리되거나 해동된 단핵구 유래 면역 세포를 가진 폐포 세포로 구성된 3차원 모델은, 미처리된 세포에 비해 염증성 자극(lipopolysaccharide 및 종양 괴사인자 α)에 노출되면 세포카인(interleukins 6 및 8)의 통계적으로 유의한 증가를 보여준다. 한편, 공동배양에서 관찰되는 사이토카인 방출 사이에는 통계적으로 유의한 차이가 없다. 이는 제시된 모델이 신선하거나 해동된 말초 혈액 모노사이클(PBM)과 차별화된 MDM 및 MDDC의 존재에서 선동성 자극에 반응한다는 것을 보여준다. 따라서, 에어로졸화 약물이나 나노물질을 포함한 상이한 물질에 대한 급성 생물학적 반응에 대한 조사를 위한 강력한 도구이다.
체외 폐 세포 배양은 에어로졸1의위험을 평가하기 위해 비용 효율적이고 견고하며 잘 제어되는 플랫폼을 제공합니다. 인간 폐포 폐렴구체에 대한 모델 세포 시스템으로서, 폐아암에서 분리된 상피 A549 세포주는 종종2로사용된다. 이들 세포는 폐포 영역3으로부터 편평상피 세포(II)를 나타내며 위험성 및 독성평가1,4,,5,,66,7,,,8,9,9,10에널리 사용되는 폐 세포주이다. A549 세포주는 조밀하게 포장된인지질3를포함하는 특징적인 라멜라 바디의 존재와 같은 폐포 상피 형 II 세포의 관련 특징을 가지고 있습니다.
세포가 공기-액체 인터페이스(ALI)에서 배양될 때, 계면활성제는 공기 노출 상피 세포의 정압측에 방출되어 표면장력(11,,12,13)을13감소시키는 것으로 나타났다. 이 기능은 나노 물질 호흡기 위험 및 독성 조사에서 특히 중요합니다. 흡입된 나노 물질/독성물질이 폐포 부위에 증착되면, 그들은 먼저 폐 계면활성제와 상호 작용하고 폐 세포와의 상호 작용이 일어나는 수성 저상으로 습윤하는 힘에 의해 대체된다14,,15. A549 세포가 단층(ALI에서 재배될 때 나중에 다층으로 과도하게 성장할 수 있음)을 형성하고 계면활성제를 생성하더라도, 단점은 부족한 접합 형성으로 인해 낮은 환전성 전기 저항 값을 초래하지만 여전히 세포간(nano) 입자전좌(16,,17,18)에18대한 기능적 장벽을 제시한다.
폐에서는, 항상성을 통제하고 유지하기 위하여 세포 세포 접촉 또는 세포 간 신호를 통해 직접 통신하는 phagocytic 및 직업적인 항원 제시 세포 (즉, 대식세포 및 수지상 세포)를 포함하여 다양한 면역 세포 집단이 있습니다. 대식세포 및 수지상 세포는 적응성 면역반응(19)의중요한 타고난 면역 효과및 개시자이다. 상피 의 내부 또는 아래에 거주하는 수지상 세포는 항원을 잡기 위해 루멘에 상피를 가로 질러 돌출부를 형성 할 수 있습니다. 폐포 대식세포는 상피의 정표면에 위치하며 파신 세포로 작용하며, 세균성, 바이러스 및 곰팡이 감염뿐만 아니라 이물질에 대한 첫 번째 세포 방어를 나타냅니다. 이들의 페노티픽 가소성은 이러한 자극에 반응하여 염증 반응을 빠르게 유도할 수 있게 해주며, 항염증제(즉, 억제)반응(20)을발동하는 것으로 이동한다.
인간 폐포 상피 조직 장벽을 시뮬레이션하기 위해, 우리는 각각17에인간 혈액 단화 유래 대식세포 (MDM) 및 수지상 세포 (MDDC)로 보충된 A549 세포와 함께 삼중 공동 배양 모델을 확립했다. ALI에서 이 모델의 재배는 이전에16,심지어 72 h 노출후 노출 21까지보고되었습니다. 탄소 나노튜브 노출에 대한 급성 면역 반응은 침수된조건(22)과비교하여 ALI에 노출된 세포 배양에서 현저히 향상되었다. ALI에서 상이한 물질에 배양되고 노출된 이 문화 모델은 산화 아연에 노출되면 세포독성, 산화 스트레스 및 염증 반응을 조사하는 데 사용되었으며,24개,금 나노입자25,23 26,탄소 나노튜브21,화산재 및 디젤 배기입자(27)에대한 노출시.,
더욱이, 체외 인간 폐 모델에서 면역 이펙터 세포로서 대식세포 및 수지상 세포의 중요한 역할이 확인되었다. 특히, 모델에서 증가된 염증 반응은 단일배양 시스템에 비해 면역 세포의 존재에서만 관찰되었다7. 1 차적인 단핵구 유래 면역 세포를 사용하는 잠재적인 단점은 PBM의 제한된 접근성뿐만 아니라 기증자 – 기증자 변이입니다. 이러한 잠재적 단점에 대한 해결책으로서, 여기에 제시된 것은 세포 배양 모형 조립을 위한 갓 고립된 PBM28의 냉동 보존을 도입하는 프로토콜이다. 이 연구의 목적은 인간 버피 코트에서 PBM의 격리를 포함하여 3D 인간 폐포 상피 조직 모델 조립을 입증하는 것입니다. 염증 자극에 대한 응답성은 신선한 PBM과 차별화되거나 냉동/해동된 PBM과 차별화된 MDM 및 MDDC로 구성된 모델과 비교됩니다.
테스트되지 않은 인간 혈액 샘플과 함께 일하는 것은 HIV (인간 면역 결핍 바이러스), B형 간염 및 C형 간염과 같은 감염증의 잠재적 인 전염을 방지하기 위해 특정 치료를 포함합니다. 따라서 장갑, 가운, 마스크 및 눈 보호와 같은 개인 보호 조치의 사용은 매우 중요하며 좋은 실험실 연습 원칙에 따라야합니다. 이러한 보호는 잠재적으로 전염성 있는 액체에 피부 또는 점막을 드러내기의 리스크를 감소시킵니다. 또한, 버피 코트와 PBM을 취급하는 관련시킨 사람들을 위해, B형 간염 바이러스에 대하여 예방 접종은 필수이고, 항체 항체 반대로 B형 간염의 혈액 타이터 수준은 100 IU/L 이상이어야 합니다 (국가 특정 입법 요구 사항은 해결되어야 합니다). 또한 모든 작업은 생물 안전 수준 2 실험실에서 수행되어야합니다 (국가 별 입법 요구 사항을 해결해야함). 실험실 환경에서 작업하고 폐기물 처리를 포함한 포유류 세포 배양을 처리하는 것과 관련된 표준 건강 및 안전 예방 조치는 전체 프로토콜을 수행 할 때 채택되어야합니다.
화학 물질과 약물을 포함한 새로운 물질의 새로운 생산은 점차 시험관 내 모델의 예측 필요성을 증가시킵니다. 동물 실험32의교체, 감소 및 정제의 세 가지 원칙을 준수하기 위해, 체외 세포 모델은 약물 또는 물질의 작용8,9,,10,,11의회피 메커니즘에 대한 교체 및 감소 측면에 관한 강력한 도구가 되었다., 여기에 제시된 것은 이전에 냉동 된 단핵구에서 갓 분리되거나 해동된 면역 세포를 사용하여 다세포 모델을 조립하는 상세한 프로토콜입니다. 또한 ALI에서 모델의 재배를 설명합니다. 마지막으로, 프로토콜은 선동자극에 노출되는 예를 설명하고 신선하거나 냉동된 단핵구를 포함하는 두 모델의 반응을 비교한다.
기존의 침수 노출7,,22,,31에비해 ALI 조건하에서 성장하고 노출된 모델의 향상된 복잡성의 부가가치를 확인하고 정당화하기 위해 다양한 연구가 수행되었다. 상피 세포의 단일 배양에 비해 공동 배양에서 더 높은 염증 반응의 관찰은 이전 연구를 확인합니다. 이 연구는 제시된 공동배양 모델(LPS로 자극)을 사용하고 A549 단일배양 등가 모델7에비해 TNF 및 IL1B의 유전자 발현 수준에서 더 높은 반응을 보였다. 한편, 두 모델 모두 A549 단배양에 비해 측정된 염증 성 중재자 방출 값 내에서 더 높은 변이를 보였다. 이는 이전에도시된바와 같이 생물학적 반복(즉, 반복 1회, 기증자 1개)에서 면역 세포를 사용하여 설명할 수 있다. 원하는 경우, 복제 사이의 변이는 1) 동일한 기증자로부터 해동 된 PBM을 사용하여 또는 2) 세포를 동결하기 전에 다른 기증자로부터 PBM을 풀링한 다음 각 반복에서 동일한 풀을 후속으로 사용할 수 있습니다. 더 많은 생물학적 반복을 포함 하는 것도 좋습니다.
세포 동결 기술은 중요한 단계로 간주될 수 있습니다. 그러나, 그것은 현상 및 기능 분석을 위한 세포를 보존하기 위한 일반적인 실험실 절차입니다. 다양한 연구는 냉동 PBM의 품질이 생존에 필수적임을 입증하고, 적절한 동결 기술은 동일한 세포(28,,32)와후속 연구 결과의 성공에 열쇠이다. 프로토콜의 수정은 일반적으로 버피 코트의 가용성이 제한되어 있기 때문에 실험 설정에서 유연성을 제공하는 PBM을 동결하여 수행 할 수 있습니다. 새로 고립된 것 보다 냉동 PBM(여러 바이알)을 사용하는 또 다른 장점은 1년 후에도 후속 실험에서 사용할 수 있다는 것입니다. 이것은 실험에서 원하는 또는 필요한 매개 변수인 경우 기증자 – 기증자 가변성의 잠재적 인 문제를 감소시다.
최대 13개월 후에 수행된 실험실 간 비교의 결과는 PBM이 액체 질소 탱크에 적절하게 저장될 때 세포 생존가능성 또는 세포회수(33)에아무런 영향 없이 장기간 사용할 수 있음을 보여준다. 실험을 수행하기 전에 세포 생존가능성 및 세포 반응성을 신중하게 검증하면 저장 시간(1년 이상)이 길어질 수 있다. 또한 액체 질소 탱크의 온도는 항상 안정적으로 유지되어야합니다. 냉동 보존 된 PBM의 생존가능성에 영향을 미치는 주요 요인은 10%-20 %(v/ v)28의최적의 농도로 DMSO 농도로 나타났습니다. 동결의 잠재적으로 유해한 효과를 최소화하기 위해, 단백질의 다른 소스, FBS 또는 BSA (40% 최대 100 %34까지농도의 넓은 범위)는 종종 세포 생존을 증가시킬 수있는 천연 보호 성분으로 동결 배지에 추가됩니다.
DMSO의 높은 세포 독성 잠재력으로 인해 먼저 FBS에서 PBM을 분산한 다음 이미 FBS에 분산된 PBM에 DMSO를 추가하는 것이 좋습니다. 특히, FBS 농도가 높지만 (>40%) 세포 생존능력이 개선되지 않았고, 동시에세포(28)에해를 끼치지 않았다. 그럼에도 불구하고, 모노사이클을 동결하는 것은 제한된 버피 코트 가용성의 문제를 극복하는 가능한 방법입니다. 그러나, 신선한 PBM로부터 MDDC 및 MDM을 사용하는 것이 바람직한 경우, 면역 세포는 분리7,,16,,17,35,,,36, 37,37후에 5-8일 후에 분화되고 사용될 수 있다. 실험 계획이 허용하는 경우 MDDC와 MDM 모두에서 최소 6일간의 차별화를 권장합니다. 그러나 동일한 실험에서 서로 다른 반복 간의 일관성과 특정 표면 마커 표현식의 일상적인 검사는 매우 중요합니다. 분화 시간 후에 LPS와 같은 선동적인 자극에 대한 반응성은 또한 정기적으로 확인되어야 합니다.
A549 세포주사용으로 많은 조사가 ALI에서 수행되었거나, 단일배양으로 또는 다른 세포 유형(대식세포, 수지상 세포 또는 섬유아세포)과 결합하여 3D 공동배양모델(22,,24,,29,38)로수행되었다., 본 3D 공문화 모델을 이용하여, 세포독성, 산화스트레스, 또는 (나노-) 물질의 염증효과를 최대 72h1,,17,,21,,24,,29까지조사하였다. 모델의 생체 내 조직과 유사성은 이전에 모델16의공초점 레이저 스캐닝 이미징을 기반으로 조사되었다. 모델을 조립할 때, 세포 증식(여기에 제시된 모델에서 A549에 영향을 미칠 수 있음)과 1차(증식 하지 않음) 면역 세포의 성능(여기, MDDC 및 MDM)을 모두 고려하는 것이 중요합니다. 또한 모든 CD14 양성 단핵구가 MDDC 및 MDM으로 분화되는 것은 아니며, 세포가 부착된 형태와 일시 중단된 형태로 모두 존재할 수 있다는 점도 고려해야 합니다. 공동배양 어셈블리의 특성에 기초하여(여기서, 두 세포 유형 모두 기존 상피 층에 부착해야 함), 두 면역 세포 유형의 부착 된 하위 집단만 사용하는 것이 좋습니다. 또한 LPS에 대한 단핵구, MDDC 및 MDM 단일배양 반응성 및 특정 표면 마커(CD14, CD163, CD86, CD93 또는 CD206, CD206, 데이터 표시 되지 않음)의 일상적인 분석은 6일 및 7일간의 차별화가 최적의 타임포인트임을 시사하였다.
인간 폐에서 의 실적인 수의 폐포 상피 세포가 ~160,000 세포/cm2에해당하지만, 모델에서 계산된 A549 세포의 수는삽입체 16,,18에서배양된 9일 후 ~1,000,000세포/cm2이다. 따라서, 이러한 시험관 내 모델의 한계를 고려해야 합니다. 첫째, 상피 세포의 밀도는 성장하는 막에 컨물층을 형성하는 능력에 기초하여 확립되었다. 또한 A549가 평평하고 확산되는 상피 형 I 세포와는 반대로, 입체 형 II 세포를 나타내는 것이 중요합니다. 한편, 필요한 수의 면역세포는 문헌에 기초하여 확립되었고, 이 프로토콜에서 세포수/표면적(39,39,40,41)으로41제시되었다. 400세포/mm2(4세포/cm2) 16의 범위에서 MDDC의 세포 밀도는 500-750세포/mm2(5-7 세포/cm2)의 정상 상태 세포 밀도와 비교된다(5- 7 세포/cm22)에서생체 내연구39에서보고된다. 이 모델에서 MDM의 밀도는 인간 폐포영역(40)에서생체 내 의 생체 내 상황과 동일한 범위 내에 있다.
성숙한 대식세포 마커 염색(25F9)은 기저측뿐만 아니라 기저측(즉, 수지상 세포의 부위)에서 모두 관찰되었다. 막 삽입 모공을 통해 면역 세포의 전좌가 가능하고 또한 염색 강도에 관찰 된 차이를 설명 할 수있는이 모델(16)을사용하여 관찰되었습니다. 그러나, 또 다른 가능한 설명은 성숙한 대식세포 마커도 수지상 세포에 표현될 수 있지만, 발현은 매우 공여자 특이적42이다. 또한, 25F9 발현의 강도는 MDM에서 훨씬높다(도 7, 도 8). 두 염증 자극 (LPS 및 TNF-α) 두 공동 문화에서 폐 상피 장벽의 무결성에 영향을(그림 7, 도 8). 이는 이전간행물(43,44)에,44 기초하여 선동적인 사이토카인 및 세균성 제품이 상피 장벽의 무결성을 방해한다는 것을 보여주었습니다.
인간 폐포 상피의 3D 다세포 모델은 이전에17년에확립되고 특징지어지며,,생체 외21,,24,25,,45에서생물학적 반응(즉, 급성 염증 반응, 산화 스트레스 반응, 입자 분포 및 세포 통신)을 평가하기 위한 강력하고 유용한 도구로 작용하였다. 결과는 프로염증 자극(여기, LPS 및 TNF-α)에 대한 공동배양 모델의 재조함을 확인한다. 반응은 신선한 PBM에서 면역 세포를 사용할 때 약간 증가했다; 그러나, 신선한 대 해동 된 PBM을 사용 하 여 공동 문화 사이 통계적으로 유의 한 차이가 없었다. 더욱이, 두 동배 모델의 선동반응은 동일한(ALI) 조건하에서 재배된 상피 세포 단배배의 반응보다 높았다. 요약하자면, 프로토콜은 MDM 및 MDDC로의 분화를 위해 신선하거나 해동된 PBM을 사용하여 3D 인간 폐포 상피 조직 공동 배양 모델의 조립을 설명합니다. 두 모델 모두 염증 자극에 매우 반응하는 것으로 나타났습니다. 따라서 잠재적 위험 및 독성 평가를 위한 강력한 도구역할을 할 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
저자는 그림 3의 공동 문화 계획에 대한 박사 미겔 Spuch-Calvar과 중요한 독서에 대한 박사 베디아 베검 카라코카크에게 감사드립니다. 이 연구는 보조금 협정에 따라 유럽 연합 (EU)의 호라이즌 2020 연구 및 혁신 프로그램에 의해 지원되었다, 아돌프 머클 재단에 의해. B.D. 재정적 지원을 위한 피터 und 트라우들 엥겔혼 재단에 감사드립니다.
Benchmark microplate reader | does not have to be specific, for example BioRad, Cressier, Switzerland | ||
Cell culture Incubator | does not have to be specific | ||
Cell freezing container (for example Mr. Frosty) | does not have to be specific | ||
Centrifuge | does not have to be specific | ||
Confocal laser scanning microscope | does not have to be specific, for example | Zeiss LSM 710 meta | |
Heamatocytometer, or automatic cell counter | does not have to be specific | ||
Laminar bio-safety hood class II | does not have to be specific | ||
MultiStand Macs (Macs Cell Separator) | Miltenyi, Germany | 130-042-303 | |
pH meter | does not have to be specific | ||
Phase contrast inverted light microscope | does not have to be specific | ||
Pipette boy, pipettors (different volumes) | do not have to be specific | ||
Scissors | do not have to be specific | ||
Vacuum pump | does not have to be specific | ||
Water bath | does not have to be specific | ||
Disposable small equipment/glassware | Catalogue Number | ||
15 mL and 50 mL conical centrifuge tubes | does not have to be specific | ||
6- and 12-well cell culture plates, flat bottom, low evaporation lid, sterile | Falcon, Switzerland | 353046 and 353043 | |
Cell culture inserts, transparent PET membrane, 12-well, 3 μm pore size | Falcon, Switzerland | 353181 | |
Cell scrapper | does not have to be specific, for example VWR, Switzerland | 353085 | |
Cryovials | do not have to be specific | ||
Glass autoclaved Petri Dishes | do not have to be specific | ||
LS Columns | Miltenyi, Germany | 130-042-401 | |
Sterile filtration cup for vacuum filtration, 0.2 μm pore size | does not have to be specific, for example VWR, Switzerland | 10040-446 | |
Sterile Lab Bottle compatible with Filtration cup (min. 100 mL) | does not have to be specific | ||
Sterile pipettes | do not have to be specific | ||
Chemicals | |||
Bovine serum albumine (BSA) | Sigma-Aldrich, Switzerland | A7030-100g | |
CD14+ MicroBeads human – magnetic beads | Miltenyi, Germany | 130-097-052 | |
Deattachnig agent Trypsin-EDTA, 0.05%, phenol red | Gibco, Switzerland | 25300054 | |
Density gradient medium Lymphoprep | Alere Technologies AS, Norway | 1114547 | |
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Sigma Aldrich, Switzerland | D5879_1L | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma-Aldrich, Switzerland | E6758-100g | |
Fetal bovine serum (heat inactivated) | Gibco, Switzerland | 10270-106 | |
Human granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF), premium grade | Miltenyi, Germany | 130-093-864 | |
Human Interleukin 4 (IL-4), premium grade | Miltenyi, Germany | 130-095-373 | |
Human macrophage colony-stimulating factor (M-CSF), premium grade | Miltenyi, Germany | 130-096-485 | |
L-glutamine | Gibco, Switzerland | 25030-024 | |
Lipopolysaccharid (LPS) from Escherichia coli | Sigma-Aldrich, Switzerland | 4524-5mg | |
Paraformaldehyde (PFA) | Sigma-Aldrich, Switzerland | 158127 | |
Penicilin-Streptomycin | Gibco, Switzerland | 31870-025 | |
Phosphate Buffer Saline (PBS) | Gibco, Switzerland | 14190-094 | |
Roswell Park Memorial Institute-1640 Medium (RPMI) | Gibco, Switzerland | 11875093 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich, Switzerland | T8787 | |
Trypan blue solution (0.4%) | Sigma Aldrich, Switzerland | ||
Tumor necrosis factor alpha (TNF-α) | Immunotools | 11343015 | |
Assays used for cytotoxicity, (pro-)inflammatory response | |||
Cytotoxicity Detection Kit (LDH) | Roche, Switzerland | 11644793001 | |
Human IL-6 DuoSet ELISA | R&D, Biotechne, Switzerland | DY206 | |
Human IL-8/CXCL8 DuoSet ELISA | R&D, Biotechne, Switzerland | DY208 | |
Immunostaining | |||
4′,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI), concentration 2 μg/mL | Sigma-Aldrich, Switzerland | 28718-90-3 | |
Goat anti-mouse IgG (H+L) Alexa Fluor 647 conjugated, concentration 20 μg/mL | Abcam, UK | ab150115 | |
Goat anti-rabbit IgG antibody (H+L) Dylight 488 conjugated, concentration 10 μg/mL | Agrisera, Sweden | AS09 633 | |
Mature Macrophage Marker Monoclonal Antibody, concentration 50 μg/mL | eBioScience, Thermo Fischer, Switzerland | 14-0115-82 | |
Phalloidin rhodamine, concentration 0.264 µM | Molecular Probes, Life Technologies, Switzerland | R415 | |
Recombinant Anti-CD83 antibody, 1:50 dillution | Abcam, UK | ab244204 |