هنا نحن نصف أساليب استخدام الفاصل الزمني، والمجهر المرحلة التباين لتصوير البلعامة المقيم الماوس في التدرج المكمل الكيميائي C5a. يمكن توسيع البروتوكولات إلى الخلايا المناعية الأخرى.
Chemotaxis هو التوجيه بوساطة مستقبلات الخلايا على طول التدرج الكيميائي، في حين chemokinesis هو تحفيز حركية الخلايا عشوائية من قبل مادة كيميائية. العلاج الكيميائي وchemotaxis أساسية لتعبئة ونشر الخلايا المناعية. على سبيل المثال، يمكن لchemokines (السيتوكينات الكيميائية) تجنيد العدلات وأحاديات الخلايا المتداولة بسرعة إلى مواقع خارج الأوعية الدموية للالتهاب. مستقبلات المنجذبة الكيميائية تنتمي إلى عائلة كبيرة من مستقبلات G التي تقترن بالبروتين. كيف chemoattractant (أي ligand) التدرجات الهجرة الخلايا المباشرة عبر G البروتين مقرونة بإشارات مستقبلات لم يفهم تماما بعد. في مجال علم المناعة، العدلات هي خلايا نموذج شعبية لدراسة chemotaxis في المختبر. هنا نحن نصف في الوقت الحقيقي ثنائي الأبعاد (2D) chemotaxis assay مصممة خصيصا للالضامة الماوس المقيمين، والتي كانت تقليديا أكثر صعوبة في الدراسة. تتحرك الضامة بوتيرة بطيئة تبلغ ~ 1 ميكرومتر/دقيقة على سطح 2D وهي أقل ملاءمة لمقالات الهجرة من مصدر نقطة (على سبيل المثال، الهجرة نحو غيض من ميكروبيبيت مليئة بالمعالج الكيميائي) من العدلات أو ديسكو ديكلوستيليوم، والتي تحرك ترتيب استياب أسرع. مقالات ترانسويل المستخدمة على نطاق واسع مفيدة لدراسة النشاط الكيميائي للمواد المختلفة ، ولكنها لا توفر معلومات عن مورفولوجيا الخلايا أو السرعة أو الملاحة الكيميائية. هنا نحن نصف الوقت الفاصل المجهري القائم على القول الكيميائي التكيس الكلية التي تسمح بالقياس الكمي لسرعة الخلية وكفاءة التكتيك الكيميائي ويوفر منصة لتحديد محولات، ومسارات الإشارة، وتأثيرات chemotaxis.
الخلايا المناعية عادة ما تهاجر بشكل مُنسَب على سطح 2D بطريقة الأميبويد1,2, الذي ينطوي على دورات متكررة من نتوء الجبهة, الالتصاق الخلايا بوساطة integrin, وتراجع من الخلف. خطوة شرط أساسي هو الاستقطاب الخلية، التي تشكل الخلايا الأمامية والخلفية ينتهي3. Chemotaxis يبدأ مع الكشف عن chemoattractants من قبل مستقبلات G البروتين المقترنة بالبروتين وشبكة الإشارات المعقدة بوساطة الغشاء الراسية بروتينات G غير الستيروتيرية والبروتينات الصغيرة G أحادية، فضلا عن عوامل تبادل النيوكليوتيدات الفوسفوليبيد (GEFs)4,5. تفعيل RHO GTPases من CDC42 وراك الأسر الفرعية تحفز نتوءات في الجبهة6 وأعضاء الأسرة الفرعية Rho, خصوصا RhoA, تنشيط انكماش الخلفية5,7. في بيئة ثلاثية الأبعاد (3D) ، integrins زائدة إلى حد كبير عن هجرة الكريات البيض وRhoA يصبح أكثر أهمية لعصر الخلايا من خلال الممرات الضيقة8، في حين CDC42 – أو Rac الناجمة عن نشاط Arp2 /3 لا يزال مهمًا لتوجيه chemotactic9،10.
قد تواجه الخلايا المناعية مواد جذب كيميائي مختلفة، خاصة في إعدادات إصابة الأنسجة، وغزو مسببات الأمراض، والالتهاب. يتم إنشاء المنجذبات الكيميائية الذاتية التي يتم التعبير عنها على البلعوم C3a و C5a ، بسرعة عن طريق تنشيط السلسلة التعاقبية المكملة ، ويتم التعرف عليها من خلال مستقبلات C3a و C5a المكملة. وبالمثل، الخلايا النخرية تجنيد البلعوم عبر مستقبلات الببتيد formyl، والتي تعترف الميتوكوندريا المستمدة وكذلك الببتيدات formyl المستمدة من البكتيريا11. الخلايا المناعية أيضا التعبير عن مستقبلات G البروتين المقترنة لchemokines, عائلة كبيرة من الببتيدات chemoattractant تشارك في تنظيم الاتجار بالخلايا المناعية خلال كل من التوازن والالتهاب. يتم تصنيف Chemokines إلى أربع مجموعات اعتمادا على التباعد بين أول اثنين من السيستين (C) بقايا: C, CC, CXC, وCX3C السيتوكينات, حيث X هو حمض أميني. وبالتالي، في الخلايا المناعية على الجسم الحي تحتاج إلى الاستجابة بشكل مناسب للإشارات المكانية والزمنية معقدة للغاية، مما يجعل دراسة chemotaxis مهمة شاقة. وفيما يلي نقدم لمحة تاريخية عن chemotaxis، والتي بدأت مع نهج التصوير intravital.
دراسة الكريات البيض chemotaxis يعود تاريخها إلى 188812, عندما وصف طبيب العيون ثيودور كارل غوستاف ليبر بوضوح الهجرة الموجهة من الكريات البيض إلى, وتراكم في, مواقع الالتهاب في نموذج من التهاب الكيراتي (الفطرية) النخاعي. وأكد ليبر أن جذب الكريات البيض الزائدة من قبل المواد المشتقة من مسببات الأمراض مهم للقضاء على الكائنات الحية الدقيقة الضارة عن طريق البلعوم ، والتي وصفها Metchnikoff (المعروف أيضا باسم Metschnikoff) في وقت سابق من نفس العقد13. في التجارب على الفيفو كما أجريت في 1920s كلارك وكلارك14,15, الذي استغل شفافية الشراغوف وأظهرت أن التهاب معقم الناجمة عن زيت الكروتون14 أو غيرها من المهيجات15 تسبب الكريات البيض على الالتزام الأوعية الدموية, تليها diapedesis (الهجرة عبر الاندوسلي) والهجرة السريعة من خلال مساحات الأنسجة نحو المهيجات. في المختبر التجارب باستخدام طريقة التصوير المجهري التي وضعها جان كوماندون16 أظهرت أن الكريات البيض هاجرت نحو مصدر الجسيمات chemoattractant مثل البكتيريا17. في ذلك الوقت، كانت الهويات الجزيئية للعوامل الكيميائية غير معروفة. في 1960s، ستيفن بويدن18 اعترف بأن تقنيات لدراسة النشاط الكيميائي للمواد القابلة للذوبان كانت تفتقر. ابتكر غرفة، تعرف فيما بعد باسم غرفة بويدن، مع حجرتين يفصل بينهما غشاء ورق مرشح. يتم إضافة تعليق الخلية إلى المقصورة العليا ويتم إضافة مادة الاختبار إما إلى كلا المقصورات أو إلى المقصورة السفلية فقط. بعد فترة الحضانة ، تتم إزالة غشاء الفلتر ، ويتم إصلاح الخلايا وتلطيخها. من خلال مقارنة عدد الخلايا التي تهاجر عبر غشاء الفلتر نحو البئر السفلي مع مادة الاختبار في كلا المقصورات ، أو في أي من المقصورة ، أو فقط في المقصورة السفلية ، يمكن تحديد النشاط الكيميائي. المقالات الترانسويل لا تزال شعبية اليوم وتم تعديلها بطرق مختلفة، بما في ذلك استخدام أغشية البولي المختلفة مع أحجام المسام المحددة والكثافات19،20. عيب رئيسي من المقالات Transwell هو أنه من غير العملي تصور الخلايا الهجرة مباشرة ومسار الهجرة عبر الغشاء عادة لا يتجاوز قطر الخلية المناعية.
وضعت سالي H. زيغموند غرفة chemotaxis21 التي مكنت التصور من كل من تشكيل التدرج ومورفولوجيا الخلية باستخدام الأصباغ الفلورية. تتكون الغرفة من شريحة زجاج شبكي (أكريليك) مع بئرين خطيين متوازيين ، كل منهما بحجم 100 ميكرولتر ~ ، يفصل بينهما جسر بعرض 1 مم 3-10 ميكرومتر تحت المستوى العلوي للشريحة. يتم عكس غطاء مبذر مع الخلايا ووضعها على الشريحة بحيث تمتد على البئرين. بعد إضافة chemoattractant إلى واحدة من الآبار، وانحدار أشكال التدرج الكيميائي عبر الجسر، وعادة في غضون 30-90 دقيقة. ويلاحظ الكريات البيض متعددة الأشكال النووية البشرية (الخلايا الحبيبية) في غرفة زيغموند توجيه أنفسهم نحو chemoattractant. وقد تم الإبلاغ عن اختلافات في غرفة زيغموند، بما في ذلك غرف دان22 وInsall23، وكلاهما يستخدم غطاء مبذر مع خلايا وضعت عبر بئرين يفصل بينهما جسر بعرض 1 مم. تتكون غرفة دان من آبار متحدة المركز يفصل بينها جسر دائري ، في حين أن غرفة Insall أكثر ارتباطًا بغرفة Zigmond ، ولكنها توفر جسورًا بعرضين مختلفين ، 0.5 مم و 1 مم. وقد وصفت غرفة العلاج الكيميائي رواية، يطلق عليها μ-الشريحة Chemotaxis وتصنيعها عن طريق صب حقن البلاستيك، من قبل زيمجيل وآخرون24. تتكون غرفة التكيس الكيميائي من خزانين 40 ميكرولتر تفصل بينهما قناة بعرض 1 مم بطول 2 مم وارتفاع 70 ميكرومتر. الجزء السفلي من الغرفة يتم تشكيله من قبل ورقة بلاستيكية رقيقة وقابلة للنفاذة بالغاز بنفس السماكة والخصائص البصرية لغطاء زجاجي رقم 1.524. هنا نصف قاز chemotaxis باستخدام غرفة Chemotaxis μ-Slide لتصور هجرة الضامة الجبقية المقيمة للفأرة لمدة تصل إلى 14 ساعة في تدرج chemotactic (مكمل C5a).
يعود التصوير اللاحيسي إلى القرن التاسع عشر ويوفر وسيلة لدراسة سلوك الخلايا المناعية الحية في بيئتها الطبيعية. ومع ذلك ، حتى مع المجهر المتقدم ة والتقنيات الوراثية اليوم ، من الصعب دراسة استجابة الخلايا لمعالجات كيميائية محددة في الجسم الحي. للتحايل على هذه المشكلة، طوّر بويدن18 مقالات ترانسويل في الستينات، لكن هذه المقالات النهائية لم تقدم تصوراً لكيفية هجرة الخلايا فعلاً نحو المنجذبات الكيميائية، مما يجعل من الصعب التمييز بين العلاج الكيميائي، وحفز الهجرة العشوائية بإشارة كيميائية32،وchemotaxis، والهجرة نحو تركيزات أعلى من المحفزات الكيميائية من بعضها البعض33. تم حل هذه المشكلة عن طريق تصميم غرف مفتوحة مختلفة مع جسر، وعادة 1 مم واسعة، وتقع بين خزانين ويمكن الوصول إليها من خلال عدسة موضوعية21،22،23. تطبيق زلة غطاء مقلوب، مبذرة بخلايا ملتصقة، تغلق الغرف وجاذب كيميائي تضاف إلى أحد الخزانات المنتشرة عبر الجسر إلى الخزان المقابل، مما يخلق تدرج تركيز. هنا نصف الضريبة chemotaxis باستخدام نفس المبدأ ولكن باستخدام غرفة مغلقة تضم أربعة ملء الموانئ. باستخدام هذا النظام والوقت الفاصل، مرحلة التباين المجهري، وضعنا فحص لصورة الماوس القماق الجيومالمقيم المهاجرة في التدرج C5a الكيميائية31،34،35,. هذا القول، جنبا إلى جنب مع نماذج الماوس بالضربة القاضية، أثبتت مفيدة في التحقيق في أدوار مختلف رو GTPases والبروتينات الحركية في مورفولوجيا الضامة، والحركة، وchemotaxis31،34،35،36،37.37 لقد استخدمنا أيضا هذا النهج لتصوير الإنسان أحاديالدم المحيطي المهاجرة على سطح 2D أو في نوع الكولاجين 3D أنا مصفوفة38. وعلاوة على ذلك، والقول هو مناسبة للفواج العظام نخاع العظام المستمدة من الضامة أو الضامة المستمدة من الخلايا السلائف النخاعي الخلدةمشروط39،40. لقد استخدمنا سابقا أكياس البولي تترافلوروإيثيلين (PTFE) مع محولات لور لثقافة خلايا نخاع العظام والحصول على الضامة34. ميزة أكياس PTFE هو أن الخلايا يمكن إعادة تعليقها بسهولة وجاهزة للاستخدام بعد وضع الحقيبة على الجليد لمدة 20-30 دقيقة. لاحظ أننا ملء مسبقا في منطقة مراقبة الشرائح chemotaxis قبل إدخال الخلايا. هذا النهج لديه ميزة أن فقاعات الهواء غير المرغوب فيها يمكن مسح هاون (مع نجاح متغير) ومنطقة المراقبة presoaked تمكن من إدخال بطيء من تعليق الخلية عن طريق الأنابيب. ومع ذلك، فإن التعبئة المسبقة تزيد من احتمال تدفق الوسط جزئيًا إلى أحد الخزانات المحيطة أو كليهما، مما سيعزز بذر الخلايا خارج منطقة المراقبة. بدلا من ذلك، يمكن أن يكون تعليق الخلية الأنابيب مباشرة في منطقة مراقبة جافة، ولكن لا يمكن طرد فقاعات الهواء غير المرغوب فيها في وقت لاحق.
يحتوي التجويف الجبريلل للفأرة على مجموعتين رئيسيتين من الخلايا: F4/80+ الضامة و(أصغر) خلايا CD19+ B ، بنسبة حوالي 1:2(الشكل 4A). هذه الخلايا اثنين من السكان تمثل أكثر من 95٪ من خلايا تجويف الجهوية، في حين أن F4/80المتبقية –/ CD19– يمكن عادة تحديد الخلايا على أنها CD11c+ خلايا (خلايا التدنو) أو CD3+ الخلايا (الخلايا التائية). يتم غسل الخلايا B ضعيفة الأتباع من منطقة المراقبة أثناء ملء الخزانات بالوسط(الشكل 2). بعد إضافة العلاج الكيميائي إلى أحد الخزانين ، يمكن استخدام المجهر المؤقت ، والتباين في الطور لتصوير الخلايا المتبقية (الضامة) المهاجرة في تدرج كيميائي متحرك متطور. يمكن محاكاة تشكيل تدرج C5a المكمل في منطقة المراقبة ، عن طريق الانتشار من خزان إلى آخر ، باستخدام صبغة فلورية ذات وزن جزيئي مماثل. بديل جيد ليكمل الماوس المؤتلف C5a (الوزن الجزيئي المتوقع ، 9.0 kDa) هو المسمى الفلورسنت dextran (10 كيلو)31. باستخدام المجهر المحوري، يمكن قياس تدرج الفلورسينس في القناة الضيقة (منطقة المراقبة) التي تربط خزانين من شريحة chemotaxis على فترات ثابتة ويمكن رسم ملامح التركيز في النقاط الزمنية المختلفة24،31. نضيف بشكل روتيني صبغة زرقاء غير فلورية (براءة اختراع زرقاء V) إلى الوسط الكيميائي الجذاب لتوفير مؤشر مرئي مناسب للانتشار وتشكيل التدرج. في غضون 1 ح من إدخال 15 ميكرولتر من اللون الأزرق، الذي يحتوي على وسيط كيميائي في خزان، يبدو الخزان أزرق بشكل موحد، ووفقا لقوانين الانتشار فيفيك، سوف يتشكل تدرج عبر منطقة المراقبة الضيقة التي تربط الخزانات(الشكل 3B). مطلوب عدة أيام للمذاب (صبغة زرقاء أو chemoattractant) لتصبح موزعة بشكل موحد.
يمكن استبدال المجهر الفلوري بالمجهر على النقيض من الطور ، والذي يوفر مزايا لتتبع الخلايا الآلي ، لأنه يمكن تمييز الخلايا المسماة بشكل فلوري بسهولة عن الخلفية. ميزة أخرى هي أن مجموعات محددة من الخلايا المناعية يمكن تتبعها بشكل انتقائي بعد وضع علامات سطحية مع الأجسام المضادة الفلورية. استخدمنا هذا النهج لتصوير الدم المحيطي البشري CD14+ الخلايا (monocytes) المهاجرة في fMLP تكتيكي (N-formylmethionine-leucyl-phenylalanine) التدرج38. وبالمثل، يمكن استخدام الأجسام المضادة الفلورية المضادة F4/80 لتصوير الضامة الماوس المهاجرة في التدرج C5a المكمل للتكتيك الكيميائي. السمية الضوئية هو عيب محتمل من استخدام التصوير الفلوري41. ويمكن تخفيض هذا بوسائل مختلفة42، بما في ذلك استخدام الفلوروفوريس متحمس مع أطوال موجية أطول وإضافة مضادات الأكسدة إلى الوسط. وبدلاً من ذلك، يمكن في البداية تحديد الخلايا المسماة عن طريق المجهر الفلوري ثم تصويرها عن طريق المجهر الفاصل الزمني والتباين على الطور. ومع ذلك ، في الممارسة العملية ، يمكن تصوير الخلايا التي تتحرك بسرعات منخفضة بشكل معتدل ، مثل ~ 1 ميكرومتر / دقيقة (الضامة) أو ~ 4 ميكرومتر / دقيقة (أحادية الخلايا) ، بشكل متقطع عن طريق المجهر الفلوري على فترات من الدقائق ، وهو جيد التحمل38. استخدمنا سابقا المجهر الفلوري والشريحة chemotaxis وصفها هنا ل3D chemotaxis المقالات38،43. في هذه الحالة، تم تعبئة كلا الخزانين مسبقًا بمتوسطة و15 ميكرولتر ًا تم سحب هاوية المنجذبة بالكيماويات إلى أحد الخزانات مباشرة قبل أن تُبوّل ببطء الخلايا المسماة بالفلورسنت المعلقة في وسط يحتوي على نوع الكولاجين الأول في منطقة المراقبة. الجزء الصعب من هذا الإجراء هو التعامل مع الكولاجين من النوع الأول ، والذي يتركز في محلول حمضي. يجب تحييد درجة الحموضة في محلول الكولاجين عن طريق إضافة محلول قلوي قبل خلط محلول الكولاجين البارد مع تعليق الخلية. نقل خليط الكولاجين الخلية إلى حاضنة في 37 درجة مئوية سوف تبدأ البلمرة الكولاجين. أثناء الحضانة ، يجب تدوير الشريحة ببطء حول محورها الطويل بحيث تظل الخلايا موزعة بالتساوي في اتجاهات المحور X و Y و Z بينما يبلمرة الكولاجين في هلام. وقد وصفت مؤخرا شريحة chemotaxis مغلقة ذات الصلة مناسبة لassass chemotaxis 3D، مع ستة المقابس بدلا من أربعة المقابس،29. يسمح هذا النظام بإدخال خليط الكولاجين والخلية إلى منطقة المراقبة قبل ملء كل خزان من الخزانات المحيطة بشكل مستقل ، لأن كل خزان يحتوي على مينتي تعبئة ، بدلاً من ميناء واحد.
باختصار، نحن نصف في الوقت الحقيقي العلاج الكيميائي التازي الذي يسمح تصور الخلايا التنقل في التدرج الكيميائي على مدى فترة 6 ساعات أو أكثر. هنا نركز على الضامة، والتي تلعب أدوارا رئيسية في الأمراض الالتهابية ولكن تم تمثيلها في الوقت الحقيقي العلاج الكيميائي assays بالمقارنة مع أسرع الخلايا المتحركة مثل العدلات وDictyostelium أميباي.
The authors have nothing to disclose.
وقد دعم هذا العمل بمنحة (HA 3271/3-2) من DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft).
µ-Slide (anodized aluminium) rack | Ibidi, Martinsried, Germany | 80003 | Autoclavable stackable rack for channel slides |
µ-Slide Chemotaxis 2D (chemotaxis slide) | Ibidi, Martinsried, Germany | 80306 | Slide containing chemotaxis chambers (tissue culture treated) |
100x penicillin/streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | Used as supplement for RPMI 1640 media |
10-100 µL pipette with volume control ring | Eppendorf | 3123000047 | Eppendorf Research plus pipette |
10-200 µL pipette tips | Greiner Bio-One International | 739261 | Pipette tips with beveled tips (96 pieces per rack: sterile) |
14 ml polypropylene round bottom tubes | BD Falcon | 352059 | Used to collect peritoneal cells |
14-bit Hamamatsu C9100-50 Electron Multiplying-Charged Couple Device (EM-CCD) peltier-cooled camera | Hamamatsu Photonics Inc., Japan | EM-CCD camera of the spinning disk confocal microscope system | |
2-20 µL pipette with volume control ring | Eppendorf | 3123000039 | Eppendorf Research plus pipette |
24-G plastic catheter | B Braun Mesungen AG, Germany | 4254503-01 | Used for peritoneal lavage |
405 nm solid state laser, 50 mW | Perkin Elmer, Rodgau, Germany | Laser (405 nm) source of spinning disk confocal microscope system | |
488 nm solid state laser, 50 mW | Perkin Elmer, Rodgau, Germany | Laser (488 nm) source of spinning disk confocal microscope system | |
561 nm solid state laser, 50 mW | Perkin Elmer, Rodgau, Germany | Laser (561 nm) source of spinning disk confocal microscope system | |
Alexa Fluor 488-conjugated rat (IgG2a) monoclonal (clone BM8) anti-mouse F4/80 antibody | Thermo Fisher Scientific | MF48020 | Mouse macrophage marker and plasma membrane label |
Alexa Fluor 594-conjugated rat (IgG2a) monoclonal (clone 6D5) anti-mouse CD19 antibody | BioLegend | 115552 | Mouse B cell marker |
C-Chip disposable (improved Neubauer) hemocytometer | NanoEnTek (distributed by VWR International) | 631-1098 | Used to count cells |
CSU-X1 spinning disk scanner | Yokogawa Electric Corporation, Japan | Nipkow spinning disk unit | |
Hank’s buffered salt solution without Ca2+ and Mg2+ | Thermo Fisher Scientific | 14170120 | Used for peritoneal lavage |
Heat-inactivated fetal bovine serum | Thermo Fisher Scientific | 10082139 | Used as supplement for RPMI 1640 media |
Hoechst 34580 | Thermo Fisher Scientific | H21486 | Cell permeable, blue fluorescent nucleic acid stain |
ImageJ (image processing and analysis in Java) | National Institutes of Health (NIH) | Image analysis software | |
Lipopolysaccharides from Escherichia coliO111:B4 | Sigma-Aldrich | L4391-1MG | Toll-like receptor 4 ligand |
Nikon Eclipse Ti inverse microscope | Nikon, Japan | Inverted microscope | |
Patent Blue V, sodium salt | Sigma-Aldrich | 21605-10G | Blue-colored dye used as visual indicator of gradient formation |
Recombinant mouse complement C5a protein | R&D Systems | 2150-C5-025 | Chemoattractant for mouse macrophages |
RPMI 1640 medium containing 20 mM Hepes | Sigma-Aldrich | R7388 | Basis medium for assays |
UltraVIEW Vox 3D live cell imaging system + Volocity software | Perkin Elmer, Rodgau, Germany | Spinning disk confocal microscope system | |
Zeiss LSM 510 + Axiovision software | Carl Zeiss Microscopy, Oberkochen, Germany | Confocal laser scanning microscope (LSM) adapted for phase-contrast microscopy |