T-lymphocyte mitogenesis is accompanied by blastogenic transformation, whereupon the cell volume enlarges before cell division. Here, we describe a method to quantify blastogenesis in T lymphocytes using an automated cell counter with the capability of measuring cell diameters.
Lymfocyt proliferatie in respons op antigene of mitogene stimulatie is een goed meetbaar fenomeen bruikbaar voor het testen immuunmodulerende (bijv immunosuppressieve of immunostimulerende) chemische verbindingen en biologische middelen. Een van de eerste stappen in mitogenese is vergroting cel of blastogenic transformatie, waarna het celvolume toeneemt vóór deling. Het is gewoonlijk detecteerbaar in de eerste paar uren van T-lymfocyt stimulatie. We beschrijven hier een snelle methode om blastogenese in T-lymfocyten geïsoleerd uit milten van muizen en humane perifeer bloed mononucleaire cellen (PBMCs) te kwantificeren met behulp van een geautomatiseerde celteller. Verschillende gebruikelijke proliferatie assays voor het grootste deel zijn bewerkelijk en geven alleen de totale populatie effect dan individuele cellulaire effecten binnen een populatie. In tegenstelling, de gepresenteerde geautomatiseerde celtelinrichting assay biedt snelle, directe en nauwkeurige metingen van celdiameters die kunnen wordengebruikt voor het beoordelen van de effectiviteit van verschillende mitogenen en immunomodulerende geneesmiddelen in vitro.
T-lymfocyten zijn de primaire cellen die verantwoordelijk zijn voor adaptieve immuniteit in zoogdieren. Het is bekend dat ze reageren met specifieke antigene peptiden door MHC moleculen gepresenteerd op het oppervlak van antigeen presenterende cellen. Na activering van een verwante T-celreceptor (TCR), de cel vergroot in een proces genoemd blastogenic transformatie of blastogenese. Dit proces is detecteerbaar in de eerste ~ 6 uur na de stimulus wordt toegepast 1. Tijdens blastogenesereactie, de omvang van de individuele T-cellen te verhogen 2- tot 4-voudig 2-6. Lymfocyten beginnen te prolifereren in een proces genaamd klonale expansie, waarvan het doel is om zoveel mogelijk van de klonen antigeenspecifieke TCR-dragende cellen mogelijk te genereren. Het nageslacht cellen vervolgens oefenen hun immunologische functie door differentiëren in cytotoxische (CD8 +) of helper (CD4 +) effector T lymfocyten. Dus naïeve T lymfocyten in humane of muizen bloed in de G 0 (rust) fase van de celcyclus en ondersteuning minimale metabolische activiteit. Bij blootstelling aan antigenen of mitogenen, T-cellen opnieuw invoeren van de celcyclus, met een gelijktijdige stimulatie van transcriptie en eiwitsynthese 7-10. Mitogenen, zoals forbol 12-myristaat 13-acetaat (PMA) en ionomycine de lymfocyten te stimuleren door de activering van proteïnekinase C (PKC) en Ca2 + afhankelijke signaleringsroutes 1. De activering van T-cellen met PMA / ionomycine omzeilt het TCR signalering stappen.
In vitro proliferatie assays worden algemeen gebruikt voor de evaluatie lymfocytfunctie en de reactie op stimuli. Proliferatie metingen worden meestal één tot drie dagen na het begin van de T-cel stimulatie genomen en weerspiegelen de collectieve status van honderden of duizenden cellen. De potentie van verschillende mitogenen en immunomodulerende geneesmiddelen in vitro kan worden beoordeeld door simpelweg het meten proliferatiesnelheden in aanwezigheid van deze verbindingen. Waarvan enkele eenssays en hun beperkingen worden hieronder besproken.
Direct aantal cellen tellen, de procedure is tijdrovend, met een grote kans op bedieningsfouten.
Voor DNA-synthese, de 3H-thymidine meet DNA synthese, maar de belangrijkste beperking is de radiotoxiciteit. Een niet-radioactieve alternatief BrdU, maar de lineaire meetbereik voor de celgroei beperkt en behandeling antilichaam nodig, waardoor het aantal stappen in de procedure 11,12 verhoogt.
Voor metabolische activiteit, tetrazoliumzouten (MTT, MTS, XTT, en WST-1) en resazurin kleurstof gebaseerde colorimetrische onderzoeken rapporteren de algemene metabolische toestand van delende celpopulaties. Echter MTT niet oplosbaar is in het kweekmedium, die extra wasstappen, waardoor waarin fouten in de meting; XTT moet extra componenten doeltreffend te verminderen; MTS-, WST-1- en-resazurin metingen zijn invloeded door het kweekmedium pH en zijn componenten serum albumine of fenolrood 13-16. Deze testen meten niet het werkelijke aantal levensvatbare cellen maar schat de gecombineerde enzymactiviteiten. Daarom is de proliferatiesnelheid niet nauwkeurig bepaald door metabolische assays vanwege de niet-lineaire correlatie tussen het aantal cellen en de kleurstof reductie 12,17.
Voor het meten van ATP concentratie, T-cel-activatie geïnduceerde toenamen in ATP correleren met proliferatie. Echter, verhoging van intracellulair ATP is een van de eerste stappen van T-celactivering; vele stappen achter de werkelijke proliferatie 17,18.
Kleurstof verdunningstest, CFSE fluorescerende kleurstof kleurt cellen door het covalent binden aan intracellulaire eiwitten. De kleurstof vertoont een proliferatie-afhankelijke afname in fluorescentie-intensiteit, die het aantal celdelingen kan volgen. Vanwege covalente eiwitmarkerend, de functies van dezeeiwitten kunnen worden aangetast. De kleurstof is giftig voor de cellen bij hogere concentraties. Bij lagere concentraties kleurstof echter de initiële fluorescentie intensiteit verlaagd, het verminderen van het aantal celdelingen die kunnen worden gevolgd. Bovendien, na merken met CFSE, bestaat er een veelvoud onafhankelijk ~ 50% verlies van de initiële fluorescentie gedurende de eerste 24 tot 48 uur periode, waarin het dynamische bereik van de assay beperkt 19,20.
De meeste van deze testen geven de collectieve status van grote aantallen cellen en vereisen de behandeling van de cellen met fluorescerende kleurstoffen. Necrotische en apoptotische cellen kunnen ook bijdragen aan deze metingen, tenzij uit de analyse verwijderd door kleuring met chemicaliën of antilichamen.
Lymfocyt blastogenesereactie kan worden beoordeeld door verschillende methoden, zoals optische microscopie of flowcytometrie 4,21,22. We beschrijven hier een snelle methode voor het meten van T-cel-afmetingen met eenn geautomatiseerde celgetalmeter met real-time mobiele beelden die zijn opgeslagen en kunnen opnieuw geanalyseerd later verzamelt. Naast omvangmetingen, dit apparaat biedt precieze aantal cellen en het percentage levensvatbare cellen, zoals bepaald door trypan blauwe kleuring exclusie. De inrichting die in dit protocol is commercieel verkrijgbaar, en de fabrikant getest de precisie van het instrument met drie verschillende instrumenten en verschillende concentratie en levensvatbaarheid controles. De resultaten van deze onderzoeken werd een variatiecoëfficiënt dat was algemeen beneden 6%. Zoals vermeld in het protocol, wordt het apparaat geijkt op een regelmatige basis met 6 urn en 8 urn diameter polystyreen korrels. De voordelen van een celteller te maken tussen rustende T-cellen en T lymfoblasten gebaseerd op celdiameter is het gebruiksgemak en de geautomatiseerde aard van de analyse. De software kan een cirkel rond elke cel en het berekenen van de celdiameter. Bovendien, de imleeftijden zijn toegankelijk voor de operator, die de nauwkeurigheid van het instrument het identificeren van de cellen en correct een cirkel omheen kan controleren. In termen van beperkingen, kan het instrument niet per se onderscheid tussen puin en cellen; Daarom is het belangrijk dat de gebruiker beschouwt elk beeld als het wordt verwerkt. Er is een mogelijkheid voor het opnemen van luchtbellen, waarbij het aantal bruikbare gebied voor analyse zal afnemen; Dit is echter zeldzaam wanneer de periodieke spoeling onderhoud wordt uitgevoerd.
In deze studie, groepen milt T-lymfocyten werden gestimuleerd met ionomycine en toenemende concentraties PMA voor 12-48 uur. PMA concentratie van slechts 2 ng / ml induceerde zowel een robuuste respons blastogenic en significante proliferatie. Metingen van de effecten van verschillende geneesmiddelen, zoals immunosuppressiva cyclosporine A (CsA), FK506 (tacrolimus) en rapamycine (sirolimus), alsmede ionkanaal blokkers TRAM-34 en FTY720 (fingolimod), op blastogenesereactie aangetoond goed overeen met gerapporteerde effecten op de proliferatie. De blastogenic van humane PBMCs met PMA / ionomycine en muizen T-cel stimulatie met anti-CD3 en anti-CD28-antilichaam beklede magnetische korrels werden ook gemeten.
De celgetalmeter assay kwantificeert zowel blastogenese en de proliferatiesnelheid (celdichtheid) gelijktijdig maar afzonderlijk, anders dan de bovengenoemde methoden die kijken naar een combinatie van deze effecten. De gepresenteerde protocol geeft een snelle en robuuste techniek voor het evalueren van de sterkte van mitogene en immuunmodulerende middelen.
We beschrijven een techniek voor de snelle detectie en kwantificering van T-cel blastogenic omzetting door middel van een geautomatiseerde celteller. Onder onze omstandigheden (250 ng / ml PMA en ionomycine 250 nM stimulatie), werd het celoppervlak verhoogd tweevoudige en drievoudige volume na 48 uur activering. De test is gevoelig genoeg is om stralen gedurende de eerste 12 h activatie waarbij het celvolume nam slechts 1,25-voudige van de rust (figuur 2D). Een fysiologisch relevant mechanisme van T-cel activatie met behulp van anti-CD3 en anti-CD28-antilichaam gecoate magnetische korrels een significante blastogenic respons, met gemiddeld 2,3-voudige toename in volume (72 uur na activatie Figuur 3D). Menselijke mononucleaire cellen vertoonde een 2,6-voudige verandering in volume bij PMA / ionomycine stimulatie gedurende 48 uur (Figuur 4). De ICR muis milt T-cellen een gemiddelde diameter en het volume werd bepaald te zijn6,9 micrometer en 1,9 x 10 -4 nl, respectievelijk. Menselijke PBMC's (van een gezonde donor) had een gemiddelde diameter van 7,7 urn en een gemiddeld volume van 2,7 x 10 -4 nl. Met dit protocol, testten we ook toenemende concentraties van PMA op hun vermogen om T cellen te activeren. Deze eencellige resultaten waren consistent met proliferatie assays uitgevoerd bij vergelijkbare concentraties PMA.
Verscheidene verbindingen gemeld aan celproliferatie beïnvloeden werden getest: FTY720 31,32; de immunosuppressiva cyclosporine A, FK506 en rapamycine 27,28; en TRAM-34, een blocker van calcium geactiveerde KCa3.1 kanalen 33,35. We vonden dat, bij de geteste concentraties, de meest potente remmers van blastogenese waren CsA en FK506. Rapamycine had een kleinere maar statistisch significant onderdrukkend effect op blastogenese. Tram 34, anderzijds, geen invloed blastogenese.
CsA onderdrukt zowel blastogenese en proliferation, maar niet volledig (figuur 2B en 2C), waaruit blijkt dat geautomatiseerde celgetalmeter meting een goede correlatie geneesmiddel efficiëntie in T-celproliferatie. In aanwezigheid van rapamycine met CsA, blastogenesereactie werd volledig geremd, wat suggereert dat NFAT- en mTOR-gemedieerde paden in combinatie volledig kan verklaren T-cel uitbreiding op mitogene stimulatie met PMA / ionomycine (figuur 3C).
Het dynamisch bereik van enkele proliferatieassays wordt beperkt (zie figuur 2). Proliferatie assays, zoals degene die we hebben gebruikt (figuur 2C), rapporteren een signaal dat bijdragen van apoptotische en necrotische cellen omvat. Geautomatiseerde verandering diameter metingen hebben geen die beperking, als de metingen betrekking hebben op enige levensvatbare cellen. Cellevensvatbaarheid wordt bepaald door de uitsluiting van trypan blauwe vlek van gezonde, levensvatbare cellen. In grootte metingen met behulp van forwardlichtverstrooiing in flowcytometrie doublet cel discriminatie kan problematisch 22 zijn. In de geautomatiseerde celtelinrichting metingen werd geen doublet populatie gevonden (figuur 1). Ook de meting was voldoende nauwkeurig onderscheid te maken tussen de effecten van 100 en 200 nM cyclosporine (Tabel 1) en blastogenesereactie detecteren binnen 12 h mitogene stimulatie (Figuur 2D).
Deze nieuwe test is bijzonder nuttig voor kleine aantallen monsters. Maximaal 15 monsters kunnen worden gemeten in 1 uur. De test heeft zijn beperkingen, waarvan de meeste worden verminderd. Hoewel het effectief kleine (<1 micrometer) verschil kan oplossen in cel diameter, de machine model gebruikten we een lagere detectiegrens van 5 micrometer. Deze limiet kan overschatting van zeer kleine celgroottes veroorzaken, omdat het effectief met kleinere diameters sluit alle cellen. Echter, de nieuwere modellen van de cel teller hebben detectie dorsenjarigen van ~ 2 micrometer, die dit probleem zou verminderen. Als er te veel puin in de steekproef, het instrument behandelt ze als levensvatbare cellen. Daarnaast kunnen luchtbellen af en toe in de stroom cel en verstoring van de cel beelden die door de machine veroorzaken. De vervorming lijkt niet de levensvatbaarheid bepaling beïnvloeden, maar de opstelling kan de gemeten diameters. Derhalve wordt aanbevolen dat alle beelden worden gecontroleerd door de experimentator luchtbellen voordat de gegevens van elk onderzoek voor analyse worden geaccepteerd. Aangezien de software alleen baseert cirkels rond de cellen kunnen diameters van niet-bolvormige cellen scheefgetrokken naar de lange as zijn, waardoor de test minder geschikt voor niet-bolvormige cellen.
Deze test is snel en duurt ongeveer 4 min per monster vergeleken met proliferatie assays, die enkele uren vereisen. Het verzamelen van gegevens is ook vrij eenvoudig met behulp van de software die bij het apparaat. De software kan meetgegevens exporteren naar een spreadsheet voor analyse. Tenslotte is een eencellige, in tegenstelling tot een populatie, meet; zowel blastogenesereactie en proliferatie worden gemeten; en het onderscheid tussen levensvatbare en dode cellen tegelijk. Het kan worden gebruikt om verschillende muizenstammen evalueren op hun vermogen om een immuunrespons. De test kan ook met succes worden gebruikt voor de meting van blastogenese in T-cellen van humane donoren (figuur 4), en het kan ook worden gebruikt in andere celtypen.
Celvolume verhogingen gekend dat de regulering van het metabolisme: cel zwelling stimuleert glutamine-geïnduceerde glycogeensynthese en lipogenese in hepatocyten 36,37. Neutrofielen tonen migratie geassocieerd volume stijgt van 35-60%, terwijl de chemotactische agenten induceren 10-15% zwelling 38-40. De huidige test kan eventueel worden gebruikt om deze processen te bestuderen.
The authors have nothing to disclose.
We thank Lucile Wrenshall for the use of the plate reader, Nancy Bigley for useful discussion, and Tom Brown for the gift of ICR mice. This work was funded by grant 1R01AI114804 from the National Institute of Allergy and Infectious Diseases and by WSU Faculty Development funds (to J.A.K.). J.N.G. was supported in part by the National Institute of General Medical Sciences grant R25GM090122.
RPMI-1640 | Lonza | BW12-702F | |
40 μm nylon cell strainers | Thermo Fisher Scientific | 22363547 | |
nylon wool fiber columns | Polysciences, Inc. | 21759-1 | |
50 ml conical tubes | The Lab Depot | TLD431697 | |
6-well cell culture treated plates | USA Scientific | CC7682-7506 | |
96-well cell culture treated plates | Thermo Fisher Scientific | 130188 | |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Fisher BioReagents | BP231-100 | |
CellTiter 96 AQueous One Solution Cell Proliferation Assay | Promega | G3582 | MTS based assay |
Cyclosporine A | Sigma-Aldrich | 30024 | |
FK506 | Cayman Chemical Company | 104987-11-3 | |
Rapamycin | Santa Cruz Biotechnology | sc-3504 | |
TRAM-34 | Sigma-Aldrich | T6700 | |
FTY720 | Sigma-Aldrich | SML0700 | |
Dynabeads Mouse T-Activator CD3/CD28 | Gibco | 11456D | |
Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) | Acros Organics | 356150010 | |
Ionomycin calcium salt | Sigma-Aldrich | I0634 | |
Penicillin-Streptomycin | MP Biomedicals | ICN1670049 | 100 x stock |
Dulbecco’s phosphate buffered saline (DPBS) | HyClone | SH30378.02 | 10 x stock |
1,4-dithiothreitol (DTT) | Research Products International | 12/3/3483 | reducing agent |
8 µm micro particle size standard | Sigma-Aldrich | 84192-5ML-F | Actual 8.02 µm |
6 µm micro particle size standard | Sigma-Aldrich | 89756-5ML-F | Actual 6.084 µm |
Single magnetic separation stand for 1.5 – 2 mL tube | V&P Scientific, Inc. | VP772F5 | |
Cell culture incubator | Forma Scientific | 3110 | |
Synergy H1 hybrid reader | Bio Tek | BTH1M | |
Vi-CELL cell viability analyzer | Beckman Coulter | 731050 |