Summary

Die Induktion der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis bei Mäusen und die Auswertung des Krankheitsabhängige Verteilung von Immunzellen in verschiedenen Geweben

Published: May 08, 2016
doi:

Summary

This manuscript describes the methods for induction and scoring of the experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) model, together with the assessment of immune cell distribution and mRNA cytokine levels in lymph nodes, spleen, blood and spinal cord using flow cytometry and quantitative PCR, respectively, at various disease phases.

Abstract

Multiple Sklerose ist vermutlich eine entzündliche Autoimmunerkrankung, die durch Bildung von Läsionen im zentralen Nervensystem (ZNS), die sich in kognitiven und motorischen Beeinträchtigungen charakterisiert ist. Experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis (EAE) ist ein nützliches Tiermodell der MS, weil es auch durch Bildung von Läsionen im ZNS, motorischen Beeinträchtigungen charakterisiert ist und auch von Autoimmun- und Entzündungsreaktionen angetrieben wird. Einer der EAE – Modellen mit einem Peptid , abgeleitet von dem Myelin – Oligodendrozyten – Protein (MOG) 35-55 in Mäusen induziert. Die EAE Mäuse einen progressiven Krankheitsverlauf zu entwickeln. Dieser Kurs ist in drei Phasen unterteilt: die präklinische Phase (Tag 0 – 9), der Ausbruch der Krankheit (Tag 10 – 11) und der akuten Phase (Tag 12 bis 14). MS und EAE werden durch autoreaktive T-Zellen induziert, die das ZNS infiltrieren. Diese T-Zellen sezer Chemokine und Zytokine, die die Einstellung von weiteren Immunzellen führen. Daher ist die Immunzellverteilung im Rückenmark dährend die drei Krankheitsphasen untersucht. Um den Zeitpunkt der Krankheit hervorheben, an dem die Aktivierung / Proliferation / Anhäufung von T-Zellen, B-Zellen und Monozyten beginnt, die Immunzellverteilung in Lymphknoten, Milz und Blut wurde ebenfalls bewertet. Darüber hinaus sind die Ebenen der mehreren Cytokinen (IL-1β, IL-6, IL-23, TNFa, IFN & ggr;) in den drei Krankheitsphasen bestimmt, Einblick in die Entzündungsprozesse der Krankheit zu erhalten. Zusammenfassend liefern die Daten, die einen Überblick über das Funktionsprofil von Immunzellen während EAE Pathologie.

Introduction

Multiple Sklerose (MS) und der entsprechenden Tiermodell der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE), zeigen, Autoimmun neuroinflammation Veränderungen im zentralen Nervensystem (ZNS). Frühe aktive MS und EAE Läsionen werden durch die Anwesenheit von Immunzellen infiltriert gekennzeichnet. Die Ätiologie von MS ist unbekannt, wird aber häufig von autoreaktiven T-Zellen vermittelt beinhalten die Zerstörung des Myelins betrachtet. Diese autoreaktiver T-Zellen sezernieren pro-inflammatorische Zytokine und Chemokine, die andere Immunzellen anziehen, wie beispielsweise B-Zellen, Monozyten und Neutrophile aus dem Kreislauf. Monozyten differenzieren sich in Makrophagen. Interferon gamma (IFNy) abgesondert von autoreaktiven T-Zelle polarisiert die Makrophagen in pro-inflammatorischen Makrophagen. Die pro-inflammatorischen Makrophagen Freisetzung Zytokine und reaktive Sauerstoffspezies, die Apoptose in Oligodendrozyten fördern. Der Tod der Oligodendrozyten führt zu einer Demyelinisierung. Weiterhin unterscheiden B-Zellen in pLASMA Zellen und Freisetzung Autoantikörper gegen die Myelinscheide, was letztlich zu einer Verschlechterung der Myelin. Der Verlust von Myelin führt zu einer Verschlechterung von Axonen und Nervenzellen und dadurch zur Bildung von Läsionsstellen im ZNS , die das Hauptmerkmal der MS 1 darstellen. In der Peripherie sind T-Zellen und B-Zellen in den Lymphknoten aktiviert, proliferieren sie in der Milz und wandern durch den Kreislauf in das zentrale Nervensystem. Monocyten und Neutrophile proliferieren im Knochenmark und auch durch den Kreislauf in das zentrale Nervensystem zu migrieren.

Leukozytenextravasation aus dem Knochenmark, der Milz und der Lymphknoten in das Blut oder aus dem Blut in das ZNS ist ein mehrstufiger Prozess, der von mehreren Faktoren abhängt, einschließlich der molekularen Wechselwirkungen zwischen Leukozyten und von Chemokinen und Chemokinrezeptoren vermittelte Endothel. Die Produktion von Chemokinen durch verschiedene Zelltypen während der Immun reactio induziert werdenn durch Zytokine wie Tumor – Nekrose – Faktor-α (TNF & agr;), IFN & ggr; und Interleukin-6 (IL-6), die anschließend Immunzellen an den Ort der Entzündung 2,3 rekrutiert. Immunzellen, die eine Untergruppe von Chemokin-Rezeptoren auf ihrer Oberfläche, je nach Zelltyp und Migrationspfad zur Entzündungsstelle. Somit CXCR2, CCR1 und CXCR1 auf reifen Neutrophilen im Knochenmark exprimiert werden und Blut 4 und Bindung seiner Liganden, CXCL2, CCL5 oder CXCL6 bzw. aktiviert Neutrophile und fördert ihre Adhäsion an das Endothel und anschließend, um die Migration der Zellen in das Gewebe 5-9. CCL2 und CCL20 anziehen Monozyten und Th1 / Th17 – Zellen 10, die jeweils CCR2 11 und CCR6 12, zum Ausdruck bringen. CCR1 und CCR5, die von verschiedenen Zelltypen exprimiert, einschließlich T – Zellen, Monozyten und Makrophagen 13 binden CCL3, CCL5 und CCL7 und werden während der MS 14 aufreguliert. CXCR3 wird ausgedrückt auf T-Zellen und bindet CCL9, CCL10 undCCL11 15.

Eine Hauptstrategie in der MS-Behandlung ist der Abbau von Immunzellen oder die Verhinderung von Immunzellinfiltration in das ZNS. Daher hat die Blockade von spezifischen Chemokinrezeptoren wurde in EAE untersucht. Antagonismus oder genetische Deletion von CCR1 16, 17 CCR2, CCR7 18 oder CXCR2 19 reduziert EAE Pathologie, während Antagonismus oder genetische Deletion von 20 CCR1, CCR5 20 oder 21 CXCR3 hat die Pathologie nicht reduzieren. Daher ist die Expression von spezifischen Chemokinrezeptoren auf Leukozyten entscheidend für die Infiltration des letzteren in das ZNS und bestimmt den Verlauf der EAE.

Die Abreicherung von Immunzellen ist eine wirksame Behandlungsstrategie für MS – Patienten, da infiltriert Immunzellen Cytokine freizusetzen, wie TNFa, IL-6 und IL-1β, welche wiederum, 22 den Entzündungsprozess oder den Abbau von Neuronen fördern. Darüber hinaus auto-reaktiven Th1 Zellen setzen IFNy, die wiederum Makrophagen freizusetzen TNFa, IL-1β und IL-23 stimuliert.

Diese Handschrift beschreibt die Induktion von EAE, die Bestimmung der Immunzellverteilung und die Zytokinkonzentrationen (mRNA) in verschiedenen Geweben in EAE-Mäusen. Die Zellen wurden während des Krankheitsverlaufs zu verschiedenen Zeitpunkten isoliert eine zeitabhängige Überblick über die entzündlichen Prozesse zu schaffen, die schließlich in der ZNS-Läsion Bildung führen.

Protocol

ETHIK STATEMENT: Unsere experimentellen Verfahren genehmigt werden von der Ethikkommission des Regierungspräsidiums Darmstadt (Deutschland) und den nationalen und europäischen Vorschriften bestätigen. Alle Anstrengungen wurden unternommen, das Leiden der Tiere zu minimieren und die Anzahl der verwendeten Tiere zu verringern. 1. EAE Modell Die Induktion des EAE-Modell Verwenden 10- bis 13-Wochen alten weiblichen 129S4 / SvJae × C57BL / 6-Mäuse zur Induktion von EAE. <…

Representative Results

Abbildung 1 zeigt eine schematische Übersicht über die verschiedenen Methoden in diesem Artikel beschrieben. 1) Die Mäuse erhalten eine Injektion von MOG 35-55 Antigen und entwickeln erste klinische Symptome nach 10,7 ± 0,3 Tagen 28. Eine repräsentative Krankheitsverlauf der EAE – Mäusen ist in Abbildung 1. 2) verschiedene Gewebe (Milz, Lymphknoten, Lenden – Rückenmark) und Blut werden von de…

Discussion

Die EAE – Modell hier beschrieben hat die meiste Aufmerksamkeit als ein Modell der MS empfangen und in die Prüfung therapeutischer Strategien für MS 32 routinemäßig eingesetzt. Die Maus-Krankheit zeigt viele klinische und histologische Merkmale der MS und wird durch die Induktion von Autoimmunität zu neuronale Antigene verursacht. Die Sensibilisierung gegen Myelin-Antigene ist mit Blut-Hirn-Schranke Dysfunktion assoziiert und dadurch Immunzellinfiltration in das ZNS. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Immunz…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by the Else Kröner-Fresenius Foundation (EKFS) Research Training Group Translational Research Innovation – Pharma (TRIP) and by the “Landesoffensive zur Entwicklung wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz (LOEWE), Schwerpunkt: Anwendungsorientierte Arzneimittelforschung” of the State of Hesse.

Materials

ABI Prism 7500 Sequence Detection System  Applied Biosystems, Austin, USA quantitative PCR system
Accutase Sigma Aldrich Munich, Germany A6964 cell detachment solution
CD3-PE-CF594 BD, Heidelberg, Germany 562286
CD4-V500 BD, Heidelberg, Germany 560782
CD8-eFluor650 eBioscience, Frankfurt, Germany 95-0081-42
CD11b-eFluor605 eBioscience, Frankfurt, Germany 93-0112-42
CD11c-AlexaFluor700 BD, Heidelberg, Germany 560583
CD19-APC-H7  BD, Heidelberg, Germany 560143
CD45-Vioblue  Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, Germany 130-092-910
CompBeads BD, Heidelberg, Germany 552843 compensation beads
Collagenase A Sigma Aldrich Munich, Germany C0130
Cytometric absolute count standard  Polyscience, Eppelheim, Germany BLI-580-10
Cytometer Setup and Tracking beads  BD, Heidelberg, Germany 642412
DNase I Sigma Aldrich Munich, Germany D5025
EAE Kit Hooke Laboratories, Lawrence, USA EK2110
F4/80-PE-Cy7  BioLegend, Fell, Germany 123114
First Strand cDNA-Synthesis kit  Thermo Scientific, Schwerte, Germany K1612
Fc receptor-1 blocking buffer  Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, Germany 130-092-575
Flow cytometric absolute count standard Polyscience, Eppelheim, Germany 580
FlowJo software v10  Treestar, Ashland, USA flow cytometry software
LSRII/Fortessa  BD, Heidelberg, Germany flow cytometer
Ly6G-APC-Cy7  BD, Heidelberg, Germany 560600
Lysing solution  BD, Heidelberg, Germany 349202
Maxima SYBR Green  Thermo Scientific, Schwerte, Germany K0221 fluorescent DNA binding dye 
RNeasy Mini Kit  Qiagen, Hilden, Germany 74104 RNA extraction kit

References

  1. McFarland, H. F., Martin, R. Multiple sclerosis: a complicated picture of autoimmunity. Nat Immunol. 8, 913-919 (2007).
  2. Proudfoot, A. E. Chemokine receptors: multifaceted therapeutic targets. Nat Rev Immunol. 2, 106-115 (2002).
  3. Mihara, M., Hashizume, M., Yoshida, H., Suzuki, M., Shiina, M. IL-6/IL-6 receptor system and its role in physiological and pathological conditions. Clin Sci (Lond). 122, 143-159 (2012).
  4. Strydom, N., Rankin, S. M. Regulation of circulating neutrophil numbers under homeostasis and in disease. J Innate Immun. 5, 304-314 (2013).
  5. Kerstetter, A. E., Padovani-Claudio, D. A., Bai, L., Miller, R. H. Inhibition of CXCR2 signaling promotes recovery in models of multiple sclerosis. Exp Neurol. 220, 44-56 (2009).
  6. Kolaczkowska, E., Kubes, P. Neutrophil recruitment and function in health and inflammation. Nat Rev Immunol. 13, 159-175 (2013).
  7. Fan, X., et al. Murine CXCR1 is a functional receptor for GCP-2/CXCL6 and interleukin-8/CXCL8. J Biol Chem. 282, 11658-11666 (2007).
  8. Hartl, D., et al. Infiltrated neutrophils acquire novel chemokine receptor expression and chemokine responsiveness in chronic inflammatory lung diseases. J Immunol. 181, 8053-8067 (2008).
  9. Barcelos, L. S., et al. Role of the chemokines CCL3/MIP-1 alpha and CCL5/RANTES in sponge-induced inflammatory angiogenesis in mice. Microvasc Res. 78, 148-154 (2009).
  10. Wojkowska, D. W., Szpakowski, P., Ksiazek-Winiarek, D., Leszczynski, M., Glabinski, A. Interactions between neutrophils, Th17 cells, and chemokines during the initiation of experimental model of multiple sclerosis. Mediators Inflamm. , 590409 (2014).
  11. Bose, S., Cho, J. Role of chemokine CCL2 and its receptor CCR2 in neurodegenerative diseases. Arch Pharm Res. 36, 1039-1050 (2013).
  12. Mony, J. T., Khorooshi, R., Owens, T. Chemokine receptor expression by inflammatory T cells in EAE. Front Cell Neurosci. 8, 187 (2014).
  13. Katschke, K. J., et al. Differential expression of chemokine receptors on peripheral blood, synovial fluid, and synovial tissue monocytes/macrophages in rheumatoid arthritis. Arthritis Rheum. 44, 1022-1032 (2001).
  14. Trebst, C., et al. CCR1+/CCR5+ mononuclear phagocytes accumulate in the central nervous system of patients with multiple sclerosis. Am J Pathol. 159, 1701-1710 (2001).
  15. Karin, N., Wildbaum, G. The role of chemokines in adjusting the balance between CD4+ effector T cell subsets and FOXp3-negative regulatory T cells. Int Immunopharmacol. , (2015).
  16. Rottman, J. B., et al. Leukocyte recruitment during onset of experimental allergic encephalomyelitis is CCR1 dependent. Eur J Immunol. 30, 2372-2377 (2000).
  17. Izikson, L., Klein, R. S., Charo, I. F., Weiner, H. L., Luster, A. D. Resistance to experimental autoimmune encephalomyelitis in mice lacking the CC chemokine receptor (CCR)2. J Exp Med. 192, 1075-1080 (2000).
  18. Kuwabara, T., et al. CCR7 ligands are required for development of experimental autoimmune encephalomyelitis through generating IL-23-dependent Th17 cells. J Immunol. 183, 2513-2521 (2009).
  19. Liu, L., et al. Myelin repair is accelerated by inactivating CXCR2 on nonhematopoietic cells. J Neurosci. 30, 9074-9083 (2010).
  20. Matsui, M., et al. Treatment of experimental autoimmune encephalomyelitis with the chemokine receptor antagonist Met-RANTES. J Neuroimmunol. 128, 16-22 (2002).
  21. Liu, L., et al. Severe disease, unaltered leukocyte migration, and reduced IFN-gamma production in CXCR3-/- mice with experimental autoimmune encephalomyelitis. J Immunol. 176, 4399-4409 (2006).
  22. Lee, M., Suk, K., Kang, Y., McGeer, E., McGeer, P. L. Neurotoxic factors released by stimulated human monocytes and THP-1 cells. Brain Res. 1400, 99-111 (2011).
  23. Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole animal perfusion fixation for rodents. J Vis Exp. , (2012).
  24. O’Connor, R. A., et al. Adjuvant immunotherapy of experimental autoimmune encephalomyelitis: immature myeloid cells expressing CXCL10 and CXCL16 attract CXCR3+CXCR6+ and myelin-specific T cells to the draining lymph nodes rather than the central nervous system. J Immunol. 188, 2093-2101 (2012).
  25. Olesch, C., et al. MPGES-1-derived PGE2 suppresses CD80 expression on tumor-associated phagocytes to inhibit anti-tumor immune responses in breast cancer. Oncotarget. 6, 10284-10296 (2015).
  26. Chomczynski, P., Sacchi, N. Single-step method of RNA isolation by acid guanidinium thiocyanate-phenol-chloroform extraction. Anal Biochem. 162, 156-159 (1987).
  27. Livak, K. J., Schmittgen, T. D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2(-Delta Delta C(T)) Method. Methods. 25, 402-408 (2001).
  28. Barthelmes, J., et al. Lack of ceramide synthase 2 suppresses the development of experimental autoimmune encephalomyelitis by impairing the migratory capacity of neutrophils. Brain Behav Immun. 46, 280-292 (2015).
  29. Schiffmann, S., et al. Ceramide synthase 6 plays a critical role in the development of experimental autoimmune encephalomyelitis. J Immunol. 188, 5723-5733 (2012).
  30. Schiffmann, S., et al. PGE2/EP4 signaling in peripheral immune cells promotes development of experimental autoimmune encephalomyelitis. Biochem Pharmacol. 87, 625-635 (2014).
  31. Giglio, S., Monis, P. T., Saint, C. P. Demonstration of preferential binding of SYBR Green I to specific DNA fragments in real-time multiplex PCR. Nucleic Acids Res. 31, e136 (2003).
  32. Vesterinen, H. M., et al. Improving the translational hit of experimental treatments in multiple sclerosis. Mult Scler. 16, 1044-1055 (2010).
  33. ‘t Hart, B. A., Gran, B., Weissert, R. EAE: imperfect but useful models of multiple sclerosis. Trends Mol Med. 17, 119-125 (2011).
  34. Serada, S., et al. IL-6 blockade inhibits the induction of myelin antigen-specific Th17 cells and Th1 cells in experimental autoimmune encephalomyelitis. Proc Natl Acad Sci U S A. 105, 9041-9046 (2008).
  35. Berer, K., et al. Commensal microbiota and myelin autoantigen cooperate to trigger autoimmune demyelination. Nature. 479, 538-541 (2011).
  36. Shetty, A., et al. Immunodominant T-cell epitopes of MOG reside in its transmembrane and cytoplasmic domains in EAE. Neurol Neuroimmunol Neuroinflamm. 1, 22-22 (2014).
  37. Schmitz, K., et al. R-flurbiprofen attenuates experimental autoimmune encephalomyelitis in mice. EMBO Mol Med. 6, 1398-1422 (2014).
  38. Procaccini, C., De Rosa, V., Pucino, V., Formisano, L., Matarese, G. Animal models of Multiple Sclerosis. Eur J Pharmacol. 759, 182-191 (2015).
  39. Pollinger, B., et al. Spontaneous relapsing-remitting EAE in the SJL/J mouse: MOG-reactive transgenic T cells recruit endogenous MOG-specific B cells. J Exp Med. 206, 1303-1316 (2009).
  40. Rodriguez, M., Oleszak, E., Leibowitz, J. Theiler’s murine encephalomyelitis: a model of demyelination and persistence of virus. Crit Rev Immunol. 7, 325-365 (1987).
  41. Lipton, H. L. Theiler’s virus infection in mice: an unusual biphasic disease process leading to demyelination. Infect Immun. 11, 1147-1155 (1975).
  42. Matsushima, G. K., Morell, P. The neurotoxicant, cuprizone, as a model to study demyelination and remyelination in the central nervous system. Brain Pathol. 11, 107-116 (2001).
  43. El-behi, M., Rostami, A., Ciric, B. Current views on the roles of Th1 and Th17 cells in experimental autoimmune encephalomyelitis. J Neuroimmune Pharmacol. 5, 189-197 (2010).
  44. Mann, M. K., Ray, A., Basu, S., Karp, C. L., Dittel, B. N. Pathogenic and regulatory roles for B cells in experimental autoimmune encephalomyelitis. Autoimmunity. 45, 388-399 (2012).
  45. Lassmann, H., Bruck, W., Lucchinetti, C. F. The immunopathology of multiple sclerosis: an overview. Brain Pathol. 17, 210-218 (2007).
  46. Simmons, S. B., Pierson, E. R., Lee, S. Y., Goverman, J. M. Modeling the heterogeneity of multiple sclerosis in animals. Trends Immunol. 34, 410-422 (2013).
  47. Praet, J., Guglielmetti, C., Berneman, Z., Vander Linden, A., Ponsaerts, P. Cellular and molecular neuropathology of the cuprizone mouse model: clinical relevance for multiple sclerosis. Neurosci Biobehav Rev. 47, 485-505 (2014).

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Barthelmes, J., Tafferner, N., Kurz, J., de Bruin, N., Parnham, M. J., Geisslinger, G., Schiffmann, S. Induction of Experimental Autoimmune Encephalomyelitis in Mice and Evaluation of the Disease-dependent Distribution of Immune Cells in Various Tissues. J. Vis. Exp. (111), e53933, doi:10.3791/53933 (2016).

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