בשיטת ההדמיה vivo להבחין דלקת אקוטית וכרונית
Summary
אנו מתארים שיטת הדמיה לא פולשנית להבחנה שלבים דלקתיים. משלוח מערכתי של לומינול מגלה תחומים של דלקת חריפה תלויות על פעילות MPO בנויטרופילים. לעומת זאת, הזרקה של lucigenin מאפשרת הדמיה של דלקת כרונית תלויה בפעילות phox במקרופאגים.
Abstract
דלקת היא היבט בסיסי של מחלות בבני אדם רבים. בדו"ח הסרטון הזה, אנחנו מדגימים טכניקות פליטת אור הדמיה בלתי פולשנית המבדילות דלקת אקוטית וכרונית בעכברי מודל. עם נזק לרקמות או פלישת הפתוגן, נויטרופילים הם קו הגנה הראשון, ששיחק תפקיד מרכזי בתיווך התגובה הדלקתית חריפה. עם התקדמות התגובה הדלקתית, מונוציטים במחזור להעביר בהדרגה לאתר של פציעה ולהתמיין למקרופאגים בוגרים, אשר מתווכים דלקת כרונית ולקדם תיקון רקמות על ידי הסרת פסולת רקמה וייצור ציטוקינים נוגדות דלקת. זריקת intraperitoneal של לומינול (,4-phthalazinedione, מלח נתרן ,3-dihydro-1-5-2 אמינו) מאפשרת זיהוי של דלקת חריפה בתיווך במידה רבה על ידי נויטרופילים רקמות הסתננות. לומינול במיוחד מגיב עם סופראוקסיד נוצר בתוך phagosomes של נויטרופילים מאז תוצאות פליטת אור מmyeloperoxidase (MPO) תגובת תיווך. Lucigenin (חנקה BIS-N-methylacridinium) גם מגיב עם סופראוקסיד על מנת ליצור פליטת אור. עם זאת, פליטת אור lucigenin הוא עצמאית של MPO וזה אך ורק מסתמך על מונואמין NADPH תא בלען (phox) במקרופאגים בדלקת כרונית. יחד, לומינול וlucigenin לאפשר להדמיה לא פולשנית והערכת אורך של תא בלען אוכלוסיות שונות ברחבי שלבים דלקתיים הן כרוניים וחמורים. בהתחשב בתפקיד החשוב של דלקת במגוון רחב של מחלות בבני אדם, אנחנו מאמינים ששיטת ההדמיה לא פולשנית זו יכולה לעזור לחקור את התפקידים דיפרנציאליים של נויטרופילים ומקרופאגים במגוון רחב של מצבים פתולוגיים.
Introduction
דלקת היא תגובה ביולוגית מוסדרת מאוד מעורבת במגוון רחב של מחלות בבני אדם, ובכלל זה זיהום מיקרוביאלי 1, ריפוי פצעים 2, 3 סוכרת, סרטן 4, 5 לב וכלי דם, ניוון עצב 6, ומחלות אוטואימוניות 7. דלקת רקמות דורשת תיאום נכון של תאי מערכת חיסון שונים על מנת להשיג אישור הפתוגן, תיקון רקמות, ורזולוציה מחלה. נויטרופילים ומקרופאגים הם מתווכים חיסוניים מרכזיים של דלקת ברקמה. בשלב החריף של דלקת, הנויטרופילים הם מגישי העזרה הראשונות לגירויים מזיקים שונים ונזק לרקמות 8. את הנויטרופילים extravasate במהירות ממחזור לאתר של פציעה, שבו התאים להשבית פולשים חיידקים על ידי שחרור גרגרים ופאגוציטוזיס אנטי מיקרוביאליים. במהלך phagocytosis, נויטרופילים לבלוע את חיידקים פולשים לphagosomes, שבמהלכה התאים לייצר רמות גבוהות של superoxIDE (O 2 · -). סופראוקסיד Phagosomal הוא המקור העיקרי של מיני חמצן תגובתי רבים במורד הזרם (ROS). לדוגמה, ניתן סופראוקסיד dismutated למי חמצן (H 2 O 2) על ידי dismutation הספונטני או על ידי סופראוקסיד דיסמוטאז (SOD) 9, 10. בנויטרופילים, myeloperoxidase (MPO) עוד יותר ממיר מי חמצן לחומצת hypochlorous אנטי מיקרוביאליים (HOCl) 11. ככל שתגובות דלקתיות להמשיך, מונוציטים במחזור להעביר בהדרגה לאתר של פציעה ולהתמיין למקרופאגים בוגרים 2, שphagocytic פונקציה לסייע להסיר פתוגנים מומתים ותא פסולת. בנוסף לכך, כרגולטור מרכזי בשלב מאוחר יותר של דלקת, מקרופאג מקדם תיקון רקמות על ידי ייצור ציטוקינים נוגד דלקת 12 ועל ידי יצירת ROS תאי ברמה נמוכה 9. ROS שנוצר בשלב מאוחר יותר לווסת את שיפוץ רקמות, היווצרות כלי חדשה, וreepithelialization 13.
מונואמין NADPH תא בלען (phox) הוא המקור העיקרי לייצור סופראוקסיד בשני נויטרופילים ומקרופאגים 9. Phox הנו קומפלקס רב למקטע הייצור שמוסדר בחוזקה 9. Holoenzyme מכיל כמה יחידות משנה רגולטוריים cytosolic (P67 phox, p47 phox, P40 phox, וRAC) וheterodimer קרום הנכנס ציטוכרום b 558 (מורכב מהמקטע CYBA וCYBB). ציטוכרום ב 558 היא תגובת הליבה שבתוכו מקטע CYBB (הידוע גם בP91 phox וNOX2) מבצע תגובת שרשרת חיזור העיקרית 9. מעניין לציין, כי אתרי הייצור שלה הם שונים בין נויטרופילים ומקרופאגים. בנויטרופילים מנוחה, ציטוכרום ב 558 הוא בעיקר בהווה בקרום של גרגרי אחסון תאיים 14. במהלך phagocytosis, נויטרופילים להרכיב את שעותoloenzymes ב9 phagosomes, שבו רמות גבוהות של פעילות MPO גם בהווה. נויטרופילים phox מהירות צורך חמצן ומפעיל כוח microbicidal על ידי ייצור ROS, תופעה שמכונה הנשימה פרץ 11. בניגוד לכך, יש לי מקרופאגים רמה נמוכה יותר של ביטוי MPO וציטוכרום ב 558 נמצא בעיקר בקרום הפלזמה 15, 16. לפיכך נויטרופילים לייצר רמות גבוהות של סופראוקסיד לפעילות אנטי מיקרוביאלית, בעוד מקרופאגים לייצר פחות סופראוקסיד עבור פונקציות רגולטוריות 15.
מאז דלקת היא תהליך מורכב בvivo, שיטות הדמיה בלתי פולשניות ספציפיות לשלבים שונים של דלקת תאפשר הערכה כמותית ואורך של מודלים מחלה. באמצעות מחקרים מכניסטית, יש לנו הוכיחו את השימוש של שני סוכני chemiluminescent, לומינול (5-אמינו-2 ,3-dihydro-1 ,4-phthalazinedione) וlucigenin (חנקת BIS-N-methylacridinium) בעבר, עבור הדמיה בלתי פולשנית של (כרוני) שלבים חריפים והמאוחרים של דלקת, בהתאמה 17. לומינול מאפשר הדמיה של פעילות MPO נויטרופילים בשלב האקוטי של דלקת 18-20, בעוד שניתן להשתמש בו כדי להעריך את פליטת אור lucigenin פעילות מקרופאג בשיתוף עם השלב המאוחר או דלקת כרונית 17. בכתב היד הזה, השתמשנו בשני מודלים דלקת ניסיוניים (SC PMA וSC LPS) כדי להדגים שיטות הדמיה אלה.
Protocol
Representative Results
Discussion
בדו"ח זה, אנו מדגימים שיטת פליטת אור הדמיה לא פולשנית של דלקת ביצורי חיים. ניצול של שני מצעים זורח, לומינול וlucigenin, השיטה יכולה להבדיל בין שלבים שונים של דלקת. פליטת אור לומינול קשורה נויטרופילים בשלב החריף של דלקת, ואילו פליטת אור lucigenin מתווכת על ידי מקרופאגים בשלב ה…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי ננסי וריא מרקס הקרן. אנו מודים לד"ר ננסי א 'קוהל לקריאה ביקורתית של כתב היד. אנו מודים Kin ק וונג לסיועו בהכנת דו"ח בסרטון זה.
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) | Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO | P8139 | |
| Lipopolysaccharide from Salmonella enterica serotype enteritidis | Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO | L2012 | |
| Luminol (5-amino-2,3-dihydro-1,4-phthalazinedione, sodium salt) | Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO | A4685 | |
| Lucigenin (bis-N-methylacridinium nitrate) | Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO | M8010 | |
| IVIS Spectrum imaging system with Living Imaging 4.2 software package | Caliper LS/Perkin Elmer, Hopkinton, MA |
References
- Premack, B. A., Schall, T. J. Chemokine receptors: gateways to inflammation and infection. Nat. Med. 2, 1174-1178 (1996).
- Singer, A. J., Clark, R. A. Cutaneous wound healing. N. Engl. J. Med. 341, 738-746 (1999).
- Wellen, K. E., Hotamisligil, G. S. Inflammation, stress, and diabetes. J. Clin. Invest. 115, 1111-1119 (2005).
- Weitzman, S. A., Gordon, L. I. Inflammation and cancer: role of phagocyte-generated oxidants in carcinogenesis. Blood. 76, 655-663 (1990).
- Ridker, P. M., Cushman, M., et al. Inflammation, aspirin, and the risk of cardiovascular disease in apparently healthy men. N. Engl. J. Med. 336, 973-979 (1997).
- Wyss-Coray, T., Mucke, L. Inflammation in neurodegenerative disease–a double-edged sword. Neuron. 35, 419-432 (2002).
- Hamilton, J. A. Colony-stimulating factors in inflammation and autoimmunity. Nat. Rev. Immunol. 8, 533-544 (2008).
- Harlan, J. M. Leukocyte-endothelial interactions. Blood. 65, 513-525 (1985).
- Bedard, K., Krause, K. H. The NOX family of ROS-generating NADPH oxidases: physiology and pathophysiology. Physiol. Rev. 87, 245-313 (2007).
- Rest, R. F., Spitznagel, J. K. Subcellular distribution of superoxide dismutases in human neutrophils. Influence of myeloperoxidase on the measurement of superoxide dismutase activity. Biochem. J. 166, 145-153 (1977).
- Hampton, M. B., Kettle, A. J., et al. Inside the neutrophil phagosome: oxidants, myeloperoxidase, and bacterial killing. Blood. 92, 3007-3017 (1998).
- Serhan, C. N., Savill, J. Resolution of inflammation: the beginning programs the end. Nat. Immunol. 6, 1191-1197 (2005).
- Jiang, F., Zhang, Y., et al. NADPH oxidase-mediated redox signaling: roles in cellular stress response, stress tolerance, and tissue repair. Pharmacol. Rev. 63, 218-242 (2011).
- Calafat, J., Kuijpers, T. W., et al. Evidence for small intracellular vesicles in human blood phagocytes containing cytochrome b558 and the adhesion molecule CD11b/CD18. Blood. 81, 3122-3129 (1993).
- Johansson, A., Jesaitis, A. J., et al. Different subcellular localization of cytochrome b and the dormant NADPH-oxidase in neutrophils and macrophages: effect on the production of reactive oxygen species during phagocytosis. Cell. Immunol. 161, 61-71 (1995).
- Kumar, A. P., Piedrafita, F. J., et al. Peroxisome proliferator-activated receptor gamma ligands regulate myeloperoxidase expression in macrophages by an estrogen-dependent mechanism involving the -463GA promoter polymorphism. J. Biol. Chem. 279, 8300-8315 (2004).
- Tseng, J. C., Kung, A. L. In vivo imaging of inflammatory phagocytes. Chem Biol. 19, 1199-1209 (2012).
- Gross, S., Gammon, S. T., et al. Bioluminescence imaging of myeloperoxidase activity in vivo. Nat. Med. 15, 455-461 (2009).
- Kielland, A., Blom, T., et al. In vivo imaging of reactive oxygen and nitrogen species in inflammation using the luminescent probe L-012. Free Radic. Biol. Med. 47, 760-766 (2009).
- Zhou, J., Tsai, Y. T., et al. Noninvasive assessment of localized inflammatory responses. Free Radic. Biol. Med. 52, 218-226 (2012).
- Karlsson, A., Nixon, J. B., et al. Phorbol myristate acetate induces neutrophil NADPH-oxidase activity by two separate signal transduction pathways: dependent or independent of phosphatidylinositol 3-kinase. J. Leukoc. Biol. 67, 396-404 (2000).
- Taylor, R. G., McCall, C. E., et al. Histopathologic features of phorbol myristate acetate-induced lung injury. Lab Invest. 52, 61-70 (1985).
- Fukaya, S., Matsui, Y., et al. Overexpression of TNF-alpha-converting enzyme in fibroblasts augments dermal fibrosis after inflammation. Lab Invest. 93, 72-80 (2013).
- Lu, Y. C., Yeh, W. C., et al. LPS/TLR4 signal transduction pathway. Cytokine. 42, 145-151 (2008).
- Aitken, R. J., Buckingham, D. W., et al. Reactive oxygen species and human spermatozoa: analysis of the cellular mechanisms involved in luminol- and lucigenin-dependent chemiluminescence. J. Cell. Physiol. 151, 466-477 (1992).
- Allen, R. C., Loose, L. D. Phagocytic activation of a luminol-dependent chemiluminescence in rabbit alveolar and peritoneal macrophages. Biochem. Biophys. Res. Commun. 69, 245-252 (1976).
- Caldefie-Chezet, F., Walrand, S., et al. Is the neutrophil reactive oxygen species production measured by luminol and lucigenin chemiluminescence intra or extracellular? Comparison with DCFH-DA flow cytometry and cytochrome c reduction. Clin. Chim. Acta. 319, 9-17 (2002).
- Dahlgren, C., Aniansson, H., et al. Pattern of formylmethionyl-leucyl-phenylalanine-induced luminol- and lucigenin-dependent chemiluminescence in human neutrophils. Infect. Immun. 47, 326-328 (1985).
- Dahlgren, C., Karlsson, A. Respiratory burst in human neutrophils. J. Immunol. Methods. 232, 3-14 (1999).
- Aerts, C., Wallaert, B., et al. Release of superoxide anion by alveolar macrophages in pulmonary sarcoidosis. Ann. N.Y. Acad. Sci. 465, 193-200 (1986).
- Zhang, N., Francis, K. P., et al. Enhanced detection of myeloperoxidase activity in deep tissues through luminescent excitation of near-infrared nanoparticles. Nat Med. , (2013).
