这里,我们描述嗜肺军团菌 ( 嗜肺军团菌 )从液体培养外膜囊泡(OMV的)的纯化。然后将这些纯化的囊泡用于巨噬细胞的治疗,以分析其促炎潜力。
Bacteria are able to secrete a variety of molecules via various secretory systems. Besides the secretion of molecules into the extracellular space or directly into another cell, Gram-negative bacteria can also form outer membrane vesicles (OMVs). These membrane vesicles can deliver their cargo over long distances, and the cargo is protected from degradation by proteases and nucleases.
Legionella pneumophila (L. pneumophila) is an intracellular, Gram-negative pathogen that causes a severe form of pneumonia. In humans, it infects alveolar macrophages, where it blocks lysosomal degradation and forms a specialized replication vacuole. Moreover, L. pneumophila produces OMVs under various growth conditions. To understand the role of OMVs in the infection process of human macrophages, we set up a protocol to purify bacterial membrane vesicles from liquid culture. The method is based on differential ultracentrifugation. The enriched OMVs were subsequently analyzed with regard to their protein and lipopolysaccharide (LPS) amount and were then used for the treatment of a human monocytic cell line or murine bone marrow-derived macrophages. The pro-inflammatory responses of those cells were analyzed by enzyme-linked immunosorbent assay. Furthermore, alterations in a subsequent infection were analyzed. To this end, the bacterial replication of L. pneumophila in macrophages was studied by colony-forming unit assays.
Here, we describe a detailed protocol for the purification of L. pneumophila OMVs from liquid culture by ultracentrifugation and for the downstream analysis of their pro-inflammatory potential on macrophages.
细菌可以通过不同的机制1分泌致病因素。除了众所周知的分泌系统,革兰氏阴性细菌可以交换信息,并通过外膜囊泡(OMV的),这是小的,球体囊泡10-300纳米的粒径和具有双层膜结构传送的毒力因子。它们分泌的各种生长环境(液体培养,固体培养和生物膜),并在各生长阶段2,3。 OMV的是运输的重要手段( 例如,蛋白质,粘附,毒素,和酶,以及对于LPS,该监查表面上找到)4。腔内货物免受蛋白水解降解,所以它能够在长距离行事,以及囊泡可在体液和远处器官5,6发现,“外部参照”> 7,8。它们不仅可以识别和真核细胞9,10占用,但此外,它们能够促进细菌及其侵袭的结合到宿主细胞4。 嗜肺军团菌 ( 嗜肺军团菌 )是一种革兰氏阴性细菌,可以释放的OMV。在人的肺,它主要感染肺泡巨噬细胞,尽管它的自然宿主是淡水变形虫11。一个嗜肺军团菌感染可引起军团病,肺炎12是一种严重的。在宿主细胞中它的块吞噬体 – 溶酶体融合。它还募集宿主细胞器,由此复制小生, 军团含液泡(LCV),形成13,14。溶酶体降解被抑制不仅效应蛋白TRAnslocation经由IV型分泌系统,也受到的OMV 15的释放。
的OMV的从细菌培养物中纯化需要分析其对受体细胞的效果。早期的研究集中于嗜肺军团菌的OMV的蛋白质含量和在囊泡上肺泡上皮细胞16,但与人肺组织移植后的研究的影响证明了嗜肺 OMV的由肺泡巨噬细胞17吸收。
作为OMV的本病原体相关分子模式(PAMP)和其他细菌抗原,它们可能对感染真核细胞的影响和调节宿主的免疫反应18。 嗜肺军团菌的OMV迅速与宿主细胞膜融合,而且,他们激活膜质TLR2 19。因为已知的是L. pneumophILA OMV的刺激巨噬细胞和上皮细胞的促炎方式16,图 17,我们分析的OMV对感染过程在人类和小鼠巨噬细胞的影响。
在这里,我们描述了嗜肺军团菌的培养的协议在液体培养通过差超速离心对分泌的OMV隔离并评估囊泡上真核宿主细胞的影响,无论是直接或以下的感染。
细菌病原体和它们的靶细胞中的这些膜泡的影响的OMV目前正在深入研究。例如, 产气荚膜梭菌来源的OMV的诱导巨噬细胞分泌细胞因子,B淋巴细胞可以从莱姆病螺旋体的OMV被激活, 幽门螺杆菌 -released膜小泡可以在胃上皮细胞21,22,23采取行动。 嗜肺军团菌 ,细胞内病原体可诱导非典型肺炎的严重形式,也释放OMV的是能够激活肺上皮细胞和巨噬细胞16,19。在这里,我们提出了从液体培养嗜肺军团菌的OMV的小规模隔离研究的OMV在肺炎的潜在作用进行详细的协议。关键是在无菌康迪特工作离子和排除以获得纯嗜肺军团菌从其他细菌的污染来源的OMV制备。的OMV的隔离包括为了防止所得到的OMV粒料与嗜肺的污染,即使这降低了OMV产量,因为最大的OMV由该过滤步骤丢失通过0.22μm的微孔过滤步骤。
此外,我们测试了人类和小鼠巨噬细胞的隔离囊泡和感染细胞与嗜肺军团菌的响应更接近的军团菌肺炎,那里的OMV是由细菌外15日发布的LCV里面的情况。根据在孵育24小时后的体外人类巨噬细胞的感染的自由OMV量所采用的OMV剂量已被估计(在参考20描述)。对其他受体细胞的刺激或在体内实验中,其他OMV剂量可能是必要的,并且必须被建立。的嗜肺军团菌的OMV的效果分析表示前进到由雅格和施泰纳特24中描述的协议。
在这里,PMA分化的THP-1细胞作为肺泡巨噬细胞模型,由于主要人力物力有限的可用性。在加入PMA的区分单核细胞THP-1细胞为巨噬细胞样细胞25。此外,它们是嗜肺军团菌一个知名模特细胞系研究26。除了这种人类单核细胞系中,使用mBMDM细胞。 mBMDM被广泛用于嗜肺军团菌 27,28,29的影响的研究接受。利用基因敲除针对不同的TLR或其他蛋白质的可能性,使他们学习OMV效果的宝贵工具。在ORD器来降低每个实验小鼠的量,mBMDM来代替由于巨噬细胞的局限性肺泡巨噬细胞。关键的实验可能需要进行验证肺泡巨噬细胞。
除超速离心的本文所述协议来净化OMV的,它是能够进行密度梯度离心,它包括在由Chutkan 等的协议 30。这可以提高所得OMV制备的纯度,降低共纯化的蛋白聚集体,鞭毛蛋白,和LPS的量。所得到的OMV制备物的纯度可以通过透射电子显微镜或通过纳米粒子追踪分析的质量控制的补充步骤进行分析。这可以提供定量的另一种手段,超出这里提出的蛋白质测量程序。任选地,脂多糖浓度可以通过鲎变形细胞溶解物测试进行分析。如果OMV产量低,一经离心过滤器额外的浓缩步骤可以执行,这是不是在这里完成的。如果产量低于预期,OMV的被丢弃。
由于持续的努力阐明的OMV背后的生物学机制和功能的一部分,不同压力条件对OMV生产的影响可能进行测试。营养缺乏,改变培养温度,或暴露于有害物质可能对OMV分泌31产生影响。可能的应力条件在由Klimentova和Stulik 32的协议进行讨论。此外,可产生高血糖或hypovesiculating 嗜肺军团菌突变体。不同的OMV制剂然后可以在感染实验来分析与巨噬细胞,人肺组织外植体(在参考17中所述),或甚至在体内模型。另外的OMV在天然免疫信号中的作用,它们在细菌传播的影响力可以通过实验来解决。此外,各种先天免疫信号级联的影响可能通过使用鼠敲除细胞或CRISPR / Cas9击倒在人类细胞系的产生进行分析。在OMV的这个基本的研究将有助于新疫苗策略,已经存在由脑膜炎奈瑟菌 33传送乙脑的发展。
从上OMV分离和表征的协议开始,可以应用这对其它革兰氏阴性菌和其他宿主细胞;它只需要进行调整,以细菌的液体培养生长。通过Chutkan 等发表的协议。提供了来自大肠杆菌和绿脓杆菌 30产生的OMV的详细信息。培养不应以避免在裂解细菌的增加和污染蛋白和mem到达晚固定相branes。此外,用于宿主细胞的刺激OMV剂量需要根据OMV的本的过程中在体内感染的量来确定的,同时仍确保细胞毒性的低速率。以这种方式,的OMV的病理作用,它们对物种间的通信,以及宿主 – 病原体相互作用的影响可以被检查。
为了进一步研究嗜肺军团菌的OMV的肺炎中的作用,就需要有足够的产量和可比感染实验标准化OMV准备。该协议将有助于标准化分离程序,并监查研究扩展到其它的革兰氏阴性细菌和其他宿主细胞。此外,研究将在体外的知识,这可以用来延长实验在体内设置从详细受益。在未来,该协议可以扩展到从主生物材料的OMV,如血清或支气管LAV的隔离年龄液,以深入了解的OMV的生理条件下释放的成分。这将有助于确定OMV组成的关键参数,并了解在体外的OMV -生成的属性。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢马库斯Schnare教授为我们提供了TLR2 – / –和TLR2 / 4 – / –小鼠和卡斯滕Kirschning教授博士TRIF / MyD88的– / –小鼠。这项工作的份资助的德国联邦联邦教育与研究部(E:生物miRSys – FKZ 0316175B,E:地中海CAPSYS – FKZ 01X1304E; http://www.bmbf.de/),德意志研究联合会(SFB / TR-84; http://www.sfb-tr84.de/)和Hessisches Ministerium献给Wissenschaft UND孔斯特(LOEWE医疗RNomics – FKZ 519/03 / 00.001-(0003); http://www.proloewe.de/medicalrnomics)所有BS。
10 cm petridish | Sarstedt AG & Co KG (Nuembrecht, Germany) | 82.1473 | |
70 Ti rotor | Beckman Coulter Incorporation (California, USA) | 337922 | |
ACES | Carl Roth GmbH & Co KG (Karlsruhe, Germany) | 9138.2 | |
activated charcoal | Carl Roth GmbH & Co KG (Karlsruhe, Germany) | X865.2 | |
agar-agar, Kobe I | Carl Roth GmbH & Co KG (Karlsruhe, Germany) | 5210.2 | |
Columbia agar with 5 % sheep blood | Becton Dickinson GmbH (Heidelberg, Germany) | 254005 | |
cuvettes | Sarstedt AG & Co KG (Nuembrecht, Germany) | 67.742 | |
ELISA (human) | BD OptEIA™; Becton Dickinson GmbH (Heidelberg, Germany) | IL-8: 555244 IL-6: 550799 | |
ELISA (murine) | DuoSet, R&D (Minneapolis, USA) | CXCL1: DY453-05 | |
Fe(NO3)3x9H2O | Carl Roth GmbH & Co KG (Karlsruhe, Germany) | 5632.1 | |
Fetal calf serum (FCS) | Life Technologies GmbH (Darmstadt, Germany) | 10270-106 | |
Heracell 240i CO2 incubator | Thermo Fisher Scientific Germany BV & Co KG (Braunschweig, Germany) | 40830469 | |
Heraeus Multifuge X3R | Thermo Fisher Scientific Germany BV & Co KG (Braunschweig, Germany) | 75004515 | |
Inoculation loop | Sarstedt AG & Co KG (Nuembrecht, Germany) | 86.1567.010 | |
KOH | Carl Roth GmbH & Co KG (Karlsruhe, Germany) | 6751.1 | |
L. pneumophila Corby | — | — | kindly provided by Prof Dr Antje Flieger (RKI, Berlin, Germany) |
L. pneumophila Corby ΔflaA | — | — | kindly provided by Prof Dr Klaus Heuner (RKI, Berlin, Germany) |
L-cystein | Carl Roth GmbH & Co KG (Karlsruhe, Germany) | ||
mBMDM | — | — | kindly provided by Prof Dr Markus Schnare (Philipps Univeristy Marburg, Marburg, Germany) and Prof Dr Carsten Kirschning (University Duisburg Essen, Essen, Germany) |
PBS | Biochrom GmbH (Berlin, Germany) | L 1825 | |
phorbol 12-myristate 13-acetate | Sigma-Aldrich Chemie GmbH (Taufkirchen, Germany) | P8139-1MG | |
rotating shaker (MaxQ 6000) | Thermo Fisher Scientific Germany BV & Co KG (Braunschweig, Germany) | SHKE6000 | |
RPMI 1640 high glucose | Life Technologies GmbH (Darmstadt, Germany) | 11875-093 | |
saponin | Carl Roth GmbH & Co KG (Karlsruhe, Germany) | 9622.1 | |
Ultrospec 10 | Biochrom Ltd (Cambridge, England) | 80-2116-30 | |
sterile filter (pore size: 0.22 µm) | Corning Incorporated (new York, USA) | 431096 | |
THP-1 | Sigma-Aldrich Chemie GmbH (Taufkirchen, Germany) | 88081201-1VL | |
Sorvall Discovery 100 SE | Thermo Fisher Scientific Germany BV & Co KG (Braunschweig, Germany) | ||
yeast extract | Carl Roth GmbH & Co KG (Karlsruhe, Germany) | 2363.2 | |
Pierce BCA protein assay kit | Thermo Fisher Scientific Germany BV & Co KG (Braunschweig, Germany) | 23225 |