인간의 혈액-뇌 장벽은 선택적으로 친수성 분자와 병원체가 뇌에 침투하는 것을 방지합니다. 수막염과 수술 후 정신 착란을 포함한 여러 가지 병리는 혈액 – 뇌 장벽의 침투성 증가와 관련이 있습니다. 여기서, 우리는 미생물 통과에 의한 장벽 투과성을 시험하기 위해 내피 세포 배양 모델을 기술한다.
인간 혈액-뇌 장벽 (BBB)은 뇌의 신진 대사를 보호하고 조절하기 위해 생체 분자에 대한 매우 낮은 투과성을 특징으로합니다. BBB는 주로 콜라겐 IV및 섬유넥틴이 풍부한 지하 막에 내장된 내피 세포에서 형성됩니다. 몇몇 병리현상은 BBB의 역기능에서 유래하고, 수막염과 같은 질병을 일으키는 원인이 되는 미생물 통과에 선행됩니다. 다른 약물과 마취제를 포함한 여러 파라미터의 효과를 테스트하기 위해 BBB의 투과성에 대한 효과를 테스트하기 위해 BBB를 인간 뇌 미세 혈관 내피 세포로 모방한 새로운 인간 세포 배양 모델을 확립했습니다. 내피 세포는 합류 할 때까지 콜라겐 IV 및 섬유넥틴 코팅 필터 단위에서 성장하고 관심있는 다른 화합물로 치료 할 수 있습니다. 미생물 통과를 입증하기 위해, 내피 세포의 상피 표면을 가진 상부 챔버는 박테리아로 접종된다. 잠복기 후, 하부 챔버의 샘플은 한천 플레이트에 도금되고 얻은 식민지는 계산되며, 이에 따라 식민지 의 수는 BBB의 투과성과 상관 관계가 있습니다. 내인성 세포 인자는 BBB에 기여하는 내피 세포의 기본 세포 메커니즘을 밝히기 위해 이 실험 설정에서 분석될 수 있다. 또한,이 플랫폼은 내피 세포의 투과성에 영향을 미칠 수있는 화합물에 대한 화면을 수행 할 수 있습니다. 마지막으로, 세균성 통과는 뇌막염과 같은 다른 병리학에 연구되고 연결될 수 있습니다. BBB를 통해 모델을 확장하고 박테리아의 경로를 분석하는 것이 가능할 수 있습니다. 이 문서에서는, 우리는 BBB의 투과성을 조사하기 위하여 기술된 방법의 상세한 프로토콜을 제공한다.
인간 BBB는 혈액에서 두뇌를 분리하는 두뇌 조직의 유일한 경계입니다. 그것은 엄격하게 더 크고 친수성 분자의 통행을 통제하고, 파라셀로탈 확산을 막고, 두뇌 항상성을 유지합니다. 그것은 또한 플라즈마 변동에서 뇌를 보호, 독 소, 미생물, 중추 신 경계의 일환으로 염증 세포를 안내 (CNS) 면역. 1세기전발견 이후, BBB의 구조와 기능을 이해하기 위해 많은 연구가 수행되었습니다. 세포, 단백질, 그리고 두뇌와 혈액 수요에서 신호의 복잡 한 상호 작용 여전히 추가 조사 및 모델.
인간 BBB는 3개의 세포 모형으로 이루어집니다: 두뇌 미세혈관 내피 세포 (BMECs), 상혈세포 및 성상세포2,3. BMECs는 체내 내피 세포의 대다수와 는 달리 그들은 단단한 접합의 높은 숫자를 소유하고 접합부4,낮은 pinocytotic 활동2,5,및 연속 지하 막6,7 파라셀비아확산을 차단합니다. 작은 친유성 분자는 그들의 농도 구배 다음 BBB를 확산하고 통과할 수 있습니다; 더 크고 친수성 분자는 편광된 표현된 선택적 수송 시스템을 통해서만 뇌에 들어가거나 떠난다8. 이 규정은 1,500-2,000Ω·cm2의 높은 경피전기저항(TEER)을 초래하며, 이는 투과성9,10과반비례한다. BMECs는 단단한 장벽을 구축하지만, 그들은 로컬 및 주변 신호11,12에반응 할 수 있습니다. BMECs와 성상 세포(13)사이의 긴밀한 상호 작용이있다; 성상 세포 말단 발은 혈관 주위에 층을 구축하고 단단한접합부 (13,14)의형성을 유도한다. 이들은 성장인자-β(TGF-β)15,16을변형시키는 것을 포함하는 상이한 인자를 가진 BBB 성숙에 관여한다. 또한, 회구는혈관신생(17)의 조절에 중요한 역할을 하며 세포 분화에서 내피의 세포사멸을 예방한다(도18). 이들은 지하 막에 내장되어 있으며 용기벽(19)의구조적 안정성을 제공한다.
그림 1: 혈액-뇌 장벽의 개략적 구조. 인간 BBB의 독특한 구조는 3가지 의 상이한 세포 유형으로 구성된다. 마이크로 혈관 루멘은 단단한 접합부에서 농축되고 경질되지 않는 내피 세포로 둘러싸여 있습니다. 그들은 지하 막에 내장되어 있습니다, pericytes처럼. 이들 세포는 용기 벽의 구조적 안정성에 중요하며 성상 세포 옆에 있는 BBB의 개발에 중요한 역할을 한다. 그들의 끝 발은 선박 주위에 가까운 층을 구축하고 단단한 접합의 건물을 지원합니다. BBB의 모든 구성 요소는 생리 기능에 중요합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
많은 다른 병리학은 BBB의 붕괴와 관련이 있습니다 (예를 들어, 패혈성 뇌증). 영향을 받은 환자는 뇌척수액20에서단백질 수치가 증가하고, 영향을 받는 설치류의 뇌 실증은 표시된 콜로이드 철산화물과 아미노산의 증가된 관능적 인 관능을 나타낸다21,22. 이러한 결과는 BMECs21 및 내피활성화(23)에서증가된 피노사이토시스와 함께 발생하는 BBB의 투과성 증가를 향한 것이다. 변경된 BBB와 관련되었던 또 다른 관련되는 병리는 뇌막염, 신경 세포 죽음으로 이끌어 낼 수 있는 대뇌 부종과 함께 응급 의료 및 복잡한 염증입니다. 순환균의 1차 진입부위는마이크로혈관(24)이어야한다. 그러나, BBB는 박테리아의 진입을 방지합니다. BBB의 투과성은 항상 실험적인 혈생수막염(25)의 증가에 연결되지 않으며 메커니즘은 다인성일 수 있다. 수술 후 정신 착란 (POD)26및 수술 전 감염과의 연관성(27,28)과 패혈증의 우연은 세균에 직접 노출이 세균 병인으로 더 나은 이해를 얻을 수 있도록 하는 BBB 모델의 필요성을 나타낸다.
BBB를 통해 미생물 통과를 이해하고 정량화하는 데는 많은 차이가 있습니다. 따라서, 우리는 BBB의 투과성에 대한 세균 통과와 영향 사이의 직접적인 상관 관계와 다른 요인과 조건의 편리한 테스트를 허용하는 모델을 개발했다. 이전 작업은 파라셀룰러 투과성에 초점을 맞추고 TEER 측정 및 추적자 플럭스를 포함했습니다. 또한, 거대분자 수송은 공액 분자 또는 항체에 의해 분석되었고, 이에 의해 상체 세포 및 상체 세포와의 조합만을 사용하는 상이한 모델이 개발되었다. 정기적으로 인간의 조직을 얻기에 어려움으로 인해, 많은 동물 기반 모델이 사용된다. 소와 돼지 기원의 뇌 내피 세포는 잘 모양의 정점 기저 극성을 형성하고 BBB를 통해 소 분자 수송의 조사에 적합 높은 TEER와 단단한 단층을 형성한다. 단백질은 그들의 인간 상동체29,30에서순서에서 다릅니다, 치료 항체의 조사를 어렵게 만듭니다. 이러한 이유로, 뮤린 또는 인간 배양 모델은 바람직할 수 있다. 샘플 공급원으로서 마우스 또는 랫트는 잘 특성화된 종으로부터 수득되는 장점이 있지만 연구 목적을 위해 몇 개의 세포를 산출한다. 이것은 불멸의 마우스 뇌 내피종 (END) 세포주 bEND.3, bEND.5 또는 cEND31,32,33의사용에 의해 우회 될 수 있다.
인간 조직으로부터의 1차 배양 세포는 정기적으로 수득및 처리하기가 어렵다. 따라서, 인간 BBB를 조사하는 연구에 사용되는 대부분의 인간 세포 모델은 불멸의 내피 세포주이다. 간행된 세포주는 인간 대뇌 미세 혈관 내피 세포주 hCMEC/D3이며, 이는 약물 섭취를 연구하는 데 적합하며 다루기 쉽습니다. 세포는 단층을 구축하고 BBB34의특징적인 단단한 접합 단백질을 발현하는 반면, 클라우딘-5의 발현 수준은 본래마이크로혈관(35)보다 낮은 것으로 보고되고 많은 특정 수송기는 프로테오믹 연구34뿐만 아니라 전사체 수준에서 검출되었다. 30-50 Ω·cm2 의 범위에서 상대적으로 낮은 TEER은 여전히37도전이다. 뇌내피세포의 또 다른 공급원은 인간 다능성 줄기세포(hPSCs)38 및 순환하는 내피 전구 및 조혈 혈통의 인간 코드 혈액 유래줄기세포(39,40)이다. 분화의 두 프로토콜은 단단한 셀 단층 및 높은 TEER 값 (예를 들어, 공동 배양에서 1,450 Ω·cm2)을 초래합니다38. 이 줄기 세포 모형은 재배를 위한 극단적인 배려를 요구합니다, 그러나 BBB 발달에 유전 배경을 가진 호르몬41 또는 질병을 통제의 영향을 공부하는 기회를제안합니다.
이 연구에서, 우리는 BBB를 모방하고 세균 통과를 연구하기 위하여 불멸의 형질감염된 인간 두뇌 미세 혈관 내피 세포주, THBMEC43를설치했습니다. 세포는 필터상에 시드되고 이 세포 배양 모델에서 100% 합류로 성장한다. 박테리아는 세포 배양 챔버의 상부에 접종된다. 대장균(대장균)을시료 연구에서 사용하므로 대장균 수막염 발생률이 44.입니다. 세포 단층의 가장 낮은 투과성은 파종후13일과 15일 사이에 발생하는 것으로 나타났다. 따라서, THBMEC 단층의 치료는 이 시간 후에 수행되고 박테리아는 단층의 정점 표면에 매질에서 나중에 접종된다. 배양 시간 후에, 장벽을 교차할 수 있던 박테리아는 한천 접시에 박테리아를 가진 도금 매체를 통해 정량화되고 식민지를 계수합니다. 식민지의 증가 수는 BBB를 통해 더 높은 세균 통과와 상관 관계가 있습니다. TEER은 약 70 Ω·cm246입니다. 그러나, 설명된 방법에서 TEER을 측정할 필요는 없다. 그것은 BBB의 투과성에 대 한 잘 확립 된 값, 그것은 BBB를 통해 박테리아의 통과에 영향을 미칠 것 같다. 처리되지 않은 세포는 우리의 모형에 있는 압박감의 통제로 봉사합니다. 세포가 전염증성 사이토카인에 반응하고 전형적인 타이트 접합 단백질47을발현할 수 있다는 것을 이전 작업에서 나타났다. 이를 통해 더 큰 수송기 기판 및 수용체 세트의 화합물 스크리닝 및 검증이 가능합니다.
미생물 통과의 병인에 대한 제한된 통찰력은 POD 또는 뇌막염에 대한 치료법의 추가 개발을 제한합니다. 이 질병의 사망률 그리고 이환율은 더 나은 참을성 있는 처리를 요구하고, 근본적인 기계장치의 연구를 요구하고, 복합 검열을 위한 강력한 단상을 필요로 합니다. 다인성 사건은 인간 BMECs로 연구될 수 있습니다. 다수의 종으로부터 BMECs의 여러 성공적인 보고 격리 절차는 세포의 특성 분자시그니처(52,53)의손실을 나타내고 있다. 이 절차에서 기술된 THBMECs는 특정 두뇌 내피 세포 특성을 전시하고그(것)들을 43를보존하는 아주 초기 통로에서 형질감염되었습니다. 이것은 중요한, 영향 받은 통로에 있는 모든 단계가 지금까지 발견되지 않았기 때문에, 이 모형은 전통적인 BMECs를 모방하는 것처럼 보입니다. 우리의 제시된 모형은 BMECs및 BBB를 통해 미생물 통과에 직접적인 영향을 보여줍니다.
THBMEC 세포의 처리는 간단하며, 필요한 기술 장비는 대부분의 생명 과학 실험실에 존재합니다. 우리의 모델은 THBMECs가 단단한 단층을 구축 한 후 조사 절차의 즉각적인 시작을 허용합니다. 응용 분야는 새로운 테스트와 TEER 측정 또는 추적자54로라벨링과 같은 기존 실험 사이의 가능한 조합으로 인해 광범위할 수 있습니다. 또한 성상 세포 또는 pericytes를 추가하여 공동 또는 삼중 배양 모델을 만들 수도 있습니다. 미생물 통과에 대한 약물의 영향은 또한 박테리아로 상부 챔버를 접종하기 전에 화합물로 THBMECs를 치료함으로써 우리의 모델에서 테스트 할 수 있습니다. 사실, 절차의 자동화를 허용 96 웰 플레이트 필터인서트를 구입할 수 있습니다. 이는 언급된 질병에 대하여 약물의 발견을 가속화하고 약물 개발 동안 BBB에 대한 부작용을 감소시키기 위해 고처리량 약물 스크리닝 시스템의 구현을 용이하게 할 수 있다.
제시된 방법에서 중요한 단계는 상부 챔버에 박테리아를 첨가한 후 배양 시간이다. 대장균의 생성 시간은 20 분55에불과하기 때문에 프로토콜의 타임 라인으로 시간을 사용하는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 다른 시간 포인트를 사용하면 오해의 소지가 있는 결과가 발생할 수 있습니다. 또한 플레이트를 주의하여 취급하지 않으면 세균 노출 시 상부 챔버와 하부 챔버 사이에 오염될 수 있습니다. 이 시점에서 12 웰 플레이트에 대한 모든 변경은 하부 챔버의 매질을 오염시킬 수 있습니다.
대장균은 세균성 뇌막염의 잘 알려진, 아주 일반적인 원인 입니다. 추가 조사는 또한 Neisseria 뇌막염과같은 뇌막염과 연관되는 다른 박테리아를 시험해야합니다 56 또는 연쇄상 구균 폐렴57. 이들은 BBB를 교차하기 위하여 다른 기계장치를 사용하는 것을 보이고 환자의 처리를 위해 더 잘 이해될 필요가 있습니다. 노인 환자에서, POD에 대 한 발생률 증가26 발생 동반 변의 수 뿐만 아니라. 그것은 다른 질병 사이 상호 작용이 알려져 있다, 특히 전신 것 들 당뇨병 같은. 우리의 모형에서는, 박테리아를 추가하기 전에 그 조건을 시뮬레이션하거나 세포를 취급하는 것이 가능합니다.
모델은 THBMECs와 박테리아의 직접적인 접촉에 의해 제한되고, 추가 연구는 관련시킨 통로 및 단백질을 검출하기 위하여 접촉의 잠재적인 기계장치를 조사하기 위하여 필요합니다. 그러나, 추가 분석을 위해 삽입을 제거하고 세포를 수확할 수 있다. 모델의 TEER은 줄기 세포 모델38,39,40에비해 낮다. 우리는 6 시간 후에 처리되지 않은 세포에서 BBB를 교차하지 않은 세균 농도를 사용하여 이를 확인하였다.
요약하면, 이 방법은 높은 처리량 의 약물 스크리닝을 위해 그것을 확장할 수 있는 잠재력을 가진 BBB를 통해 박테리아의 통과를 분석하는 강력한 플랫폼을 나타냅니다.
The authors have nothing to disclose.
저자는 이 방법에 대한 이전 작업에 대한 메리암 후세인 박사를 인정, PD 박사 커스틴 댄커의 그룹 (샤리테 Universitätsmedizin, 베를린) 비판적으로 원고를 읽고 THBMECs와 줄리안 베버를 제공하기위한. 이 연구는 RTK 2155 (ProMoAge)에 의해 지원되었다.
Agar – Agar | Carl Roth | 6494.3 | BioScience-Grade |
Autoclave | Systec | VX-150 | |
Bacteria E.coli strain GM2163 | Fermentas Life Sciences, Lithuania | ||
Photometer | Eppendorf | 6131 | |
Cells THBMEC | Group of M. F. Stins | ||
Cell culture flasks | Greiner Bio-One | 658175 | |
Centrifuge Universal 320 | Hettrichlab | 1401 | |
Collagen IV | SIGMA Aldrich | C6745 | from human cell culture |
Countess Automated Cell Counter with cell counting chamber slides and Trypan Blue stain 0.4% | Invitrogen | C10311 | |
Culture tubes | Greiner Bio-One | 191180 | |
Cuvettes | BRAND | 759015 | |
Di sodium hydrogen phosphate di hydrate | MERCK | 1065800500 | |
DMEM/F-12 | GIBCO/ Thermo Sc. | 11330032 | HEPES |
Falcon tubes 15 ml | Greiner Bio-One | 188271 | |
Falcon tubes 50 ml | Greiner Bio-One | 227261 | |
Fetal Bovine Serum | GIBCO/ Thermo Sc. | 10270 | value FBS -Brazil |
Fibronectin | SIGMA Aldrich | F0556 | solution human fibroblasts |
Heracell 150 CO2 Incubator | Heraeus | 50116047 | |
Incubator shaker I 26 New Brunswick | Eppendorf | M1324-0000 | |
Inoculation loop | Dr. Ilona Schubert – Laborfachhandel | 641000 | |
LB Broth Base | GIBCO/ Thermo Sc. | 12780029 | |
L-Glutamine | GIBCO/ Thermo Sc. | 25030-081 | |
Microbial incubator B 6200 | Heraeus | 51015192 | |
Microbiological Safety Cabinet AURA 2000 M.A.C. Class II | BIOAIR | 12469 | |
Microscope inverse | Zeiss | TELAVAL 31 | |
Micro tubes 2 ml | Sarstedt | 72,695,400 | |
Micro tubes 1,5 ml | Sarstedt | 72,706,400 | |
Penicillin / Streptomycin | GIBCO/ Thermo Sc. | 15140122 | |
Petri dish | Dr. Ilona Schubert – Laborfachhandel | 464-800 | |
Potassium chloride | Roth | HN02.3 | |
Potassium-di-hydrogen phosphate | Roth | P018.2 | |
Sodium chloride | Roth | 9265.2 | |
ThinCerts + Multiwell Plates | Greiner Bio-One | 665631 | 12 well, pore size 3.0 µm |
Trypsin – EDTA | GIBCO/ Thermo Sc. | 15400054 | |
Vacuumpump Laboport | KNF | N 86 KT.18 |