Deze studie richt zich op een in vitro model voor wond genezing (kras assay) als een mechanisme om te bepalen hoe milieu aanwezige contaminanten zoals arsenicum invloed cellulaire migratie. De resultaten tonen aan dat deze in vitro -assay snelle en vroege aanwijzingen van wijzigingen in cellulaire migratie vóór in vivo experimenten biedt.
Inzicht in de fysiologische mechanismen van wondgenezing heeft jarenlang de focus van het lopende onderzoek. Dit onderzoek is rechtstreeks vertaalt van veranderingen in de klinische normen gebruikt voor de behandeling van wonden en dalende morbiditeit en mortaliteit voor patiënten. Wondgenezing is een complex proces dat vraagt om strategische cel- en weefseltransplantaties interactie en functie. Een van de vele kritisch belangrijke functies van de wondgenezing is de individuele en collectieve cellulaire migratie. Op schade migreren verschillende cellen uit het bloed, omringende bindweefsel en epitheliale weefsels snel naar de site van de wond door middel van chemische en/of fysieke stimuli. Deze reactie van de migratie kunt grotendeels dicteren de resultaten en het succes van een genezende wond. Inzicht in deze specifieke cellulaire functie is belangrijk voor translationeel geneeskunde die kan leiden tot verbeterde wond genezing van resultaten. Hier beschrijven we een protocol dat wordt gebruikt om cellulaire migratie beter te begrijpen als het gaat om de wondgenezing, en hoe de veranderingen in de cellulaire omgeving dit proces kunnen aanzienlijk veranderen. In dit voorbeeld studie, waren dermale fibroblasten gegroeid in media aangevuld met foetale runderserum (FBS) als enkelgelaagde culturen in weefselkweek kolven. Cellen werden aseptisch overgebracht in Weefselkweek behandeld 12-Wells-platen en uitgegroeid tot 100% samenvloeiing. Bij het bereiken van samenvloeiing, waren de cellen in de enkelgelaagde verticaal krabde met behulp van een p200 Pipetteer tip. Arseen verdund in kweekmedia aangevuld met FBS werd toegevoegd aan individuele putjes op ecologisch relevante doses variërend van 0.1-10 M. beelden werden gevangen elke 4 uren (h) over een periode van 24 uur met behulp van een omgekeerde lichte Microscoop te observeren van cellulaire migratie (wond sluiting). Beelden werden afzonderlijk geanalyseerd met behulp van de software van de analyse van de afbeelding en procent wond sluiting werd berekend. Resultaten tonen aan dat arseen wondgenezing vertraagt. Deze techniek biedt een snelle en goedkope eerste scherm voor evaluatie van de effecten van verontreinigingen op de wondgenezing.
Wondgenezing bestaat uit een complexe reeks van stappen waarbij diverse celtypen, signalering moleculen en onderdelen van de extracellulaire matrix1overlapping. Deze componenten werken samen in concert wond resolutie of reparatie, die uiteindelijk tot de vorming van een beschermende fibrotische litteken afhankelijk van de mate van trauma1 leidtte bereiken. Om vast te leggen van de afzonderlijke processen en functies van wond is genezing in één experiment moeilijk; afzonderlijke stappen binnen de wond genezing proces moeten worden geïdentificeerd en afzonderlijk getest. Onder de vele stappen van wondgenezing, het proces van cellulaire migratie heeft geweest als kritiek beschouwd bij de beoordeling van genezing tarieven2. Cellulaire migratie in alle fasen van wondgenezing kan worden waargenomen en dus noodzakelijk verder inzicht in hoe wijzigingen in cel migratie invloed op wond sluiting hebben kunnen. Cellulaire migratie is bijvoorbeeld te zien in beide vroege en late fase ontsteking, met bloed van stolling en bloedplaatjes aggregatie aan de wond site3. Deze gebeurtenissen voorkomen overmatig bloedverlies door de vorming van een tijdelijke verstopping te vullen gewonde gebieden verstoken van weefsel3. Bloedplaatjes in omloop zullen synthetiseren en afscheiden van vasoactieve mediatoren samen met Chemotactische factoren, welke samen signaal voor inflammatoire migratie (witte bloedcellen) aan de gewonde weefsel voor reparatie4. Opnieuw epithelialization gebeurt binnen uur van weefsel schade en omvat die betrekking hebben op de site van de wond door middel van activiteit en migratie van epitheliale keratinocyten om verdere besmetting te voorkomen of invasie van lichaamsvreemde deeltjes naar de wond site2. Deze voorbeelden leggen alleen een paar van de vele cel migratie functies gekoppeld wondheling.
De kras assay is beschreven en gebruikt om beter te begrijpen cel migratie en haar vele rollen in de wond genezing van5,6. Deze test wordt beschouwd als simplistisch, biedt high-throughput en maakt van de onderzoeker om representatieve cel migratiegegevens te verzamelen. Migratie testen hebben succesvol gebleken dat bepaalde verbindingen kunnen versnellen of vertragen van het tempo van de cellulaire migratie6. Bovendien zorgen deze test resultaten translationeel fysiologische informatie die kan worden gebruikt voor het formuleren van de doelstelling behandelingen, doseren van concentraties en genen van belang vóór in vivo experimenten. De bepaling vereist fundamentele cel cultuur technieken en leveringen, een cellijn van keuze en imaging technologie te vangen verkeer over tijd of beweging in reactie op de behandelingen.
De bepaling kan gemakkelijk worden gemanipuleerd of afgestemd op de behoeften van de onderzoeker. Echter, er zijn vier fundamentele vragen om te overwegen vóór experimenten. Welke algemene of specifieke vragen/die is/zijn de onderzoekers proberen te beantwoorden? Dit geldt voor de meeste hypothesen gedreven onderzoek; het is echter cruciaal voor deze test, omdat het bepalend zijn voor veel van de parameters die nodig zijn om nauwkeurig en volledig antwoord op de vragen. Wat cell lijn of cellijnen (als er meerdere) moeten worden gebruikt voor het vertegenwoordigen van het fysiologische systeem bestudeerd? Bijvoorbeeld, in een cutane wond genezing studie dermale fibroblast5,6,7, stamcel8of epidermale Keratinocyt9 overwogen kan worden te vertegenwoordigen de bevolking van de cel die normaal worden gevonden in overvloed in de huid weefsel10. Anderzijds kon neutrofiele granulocyten, macrofagen of andere ontstekingscellen in dit systeem te vertegenwoordigen cel migratie van andere componenten van de wondgenezing binnen de huid weefsel10worden geëvalueerd. Bovendien zal identificeren van de specifieke cellenvariëteit wordt geëvalueerd helpen om te identificeren welke reagentia zijn optimaal te gebruiken om de metabole activiteit van de cel. Hoe zal de cel migratie worden bijgehouden/beeld? Er zijn een aantal technieken voor het observeren van cel migratie in een maatkolf of plaat. Verven of fluorescently tagging van cellen en cellen herkennen met behulp van fluorescentie- of confocal imaging biedt bijvoorbeeld een sterk contrast, waarmee de onderzoeker om duidelijk te definiëren cellulaire vs. niet-cellulair locaties en cellulaire verkeer11 . Een andere gemeenschappelijke techniek, zoals beschreven in deze studie is het gebruik van de lichte microscopie van de omgekeerde met fase contrast6,7. Dit alternatief voor cel kleurstoffen en fluorescentie kan de gebruiker levende spoor cellen zonder terminaal cellen vóór imaging vast te stellen en ook zorgt voor het vastleggen van beelden van hetzelfde individuele wells bevattende gewonden monolayers van cellen over tijdstippen. Welke resultaten maatregelen zal worden gebruikt voor analyse? Met behulp van de afbeeldingen verzameld tijdens de studie, gegevens kunnen worden gegenereerd waarin wijzigingen in cellulaire migratie tarieven kunnen worden begrepen. In ons lab, microscopische opnamen die zijn gemaakt op de omgekeerde lichte Microscoop zijn geüpload naar de software van de analyse van de afbeelding en het percentage wond sluiting en opgeteld gebied onder de curve (AUC) worden berekend.
We zullen het specifieke gebruik van deze test ophelderen van wijzigingen in dermale fibroblast migratie in de aanwezigheid van een bekende milieu verontreiniging, arseen benadrukken. Arseen is een natuurlijk voorkomende metalloïde gevonden binnen de aardkorst. Verschillende locaties heb gevonden met verhoogde niveaus van arseen, die een risico vormen voor personen die in de buurt van deze locaties wonen. Dientengevolge, is voedsel en water bronnen gebleken hebben verhoogde niveaus van arseen besmetting, die vergroot u de kans voor particulieren om te worden blootgesteld aan arseen. Milieu arseen blootstelling is aangetoond dat langdurige gevolgen voor de gezondheid in menselijke populaties boven of zelfs onder de huidige Verenigde Staten Environmental Protection Agency (USEPA) Max verontreinigingen niveau (MCL) van 10 ppb (10 µg/L)12, 13. Hoewel de USEPA heeft ingesteld deze MCL en achtte het veilig om te drinken van grenzen, arseen concentraties die deze limiet overschrijden zijn niet ongewoon in waterbronnen wereldwijd. In de Verenigde Staten, zijn talrijke grondwater, goed water en bronnen gedocumenteerd te bevatten met betrekking tot de niveaus van arseen14. Montezuma goed bevat bijvoorbeeld in Verde Valley, AZ, 210 µg/L van arseen15. Grondwater rond de Verde River, AZ bevat 16 µg/L van arseen gemiddeld met piekwaarden 1,3 mg/L15,16te bereiken. Met name, arseen concentraties in vele putten in de rivier Verde water schuur hoger zijn dan 50 µg/L15,16. Met deze kennis, milieu relevante arseen concentraties waren geselecteerd dat bereik onder de MCL op 0.1 µM (7,5 ppb), boven het MCL op 10 µM (750 ppb) in de huidige studie14,15,16 , 17 , 18 , 19 , 20 .
De verzamelde informatie uit deze experimenten zal worden gebruikt als een vroege indicator van potentiële wijzigingen in cellulaire migratie tarieven in een in vivo wond verontreinigd met arseen. Daarna, signalering moleculen kunnen worden geselecteerd op basis van hun rol bij het vergemakkelijken van de wondgenezing en cellulaire migratie, en toekomstige kwantitatieve polymerase kettingreactie (qPCR) gebaseerd gen expressie experimenten kunnen worden ingesteld na afloop van de huidige studies. Als migratie tarieven in deze bepaling in aanwezigheid van arseen wijzigt, kunnen specifiek gen doelen die betrokken zijn bij cellulaire migratie het doel voor de schadelijke effecten van arseen, en dus mag het mechanisme van verstoring.
Toepassing van deze bepaling biedt een high-throughput en tijdige evaluatie van cellulaire migratie en kunt direct vertalen naar complexe fysiologische systemen5,6,7. Om deze reden is de voorgestelde Bank-topmodel afgestemd en geoefend om te evalueren van de gevolgen van de verschillende therapeutische agenten en milieu-toxines voor wond genezing van6. De concentraties van arseen gebruikt in de huidige studie werden geacht milieu relevante door uitgebreide literatuurstudie van bekende blootstellingsniveaus en van retroactieve herziening van verschillende gegevens baseert14,15, 16,17,18,19,20,21. Gebruik van deze kras assay in vitro aangetoond dat de blootstelling aan een concentratie arseen binnen de hoge, maar ook vanuit milieuoogpunt relevant bereik, vertraagd wond sluiting (cellulaire migratie).
Dit topmodel van bank werkte ook te isoleren en bestuderen van een afzonderlijke cellijn (fibroblast) om verder te begrijpen hoe fibroblast migratie draagt bij aan de wond genezing resultaten. Bovendien is het moeilijk om te bestuderen van de functies van een afzonderlijke cellijn in complexe in-vivo systemen met vele andere cellen en weefsels aanwezig die de analyse verstoren kunnen. Daarnaast biedt de bepaling een middel voor het bereiken van semi-kwantitatieve percentage wond sluiting gegevens die kan worden gebruikt voor het richten van specifieke cellulaire mechanismen via welke verbindingen invloed op wondgenezing hebben kunnen. Bijvoorbeeld cellen die worden gebruikt in de scratch bepaling kunnen worden verzameld en opgeslagen in een gewenste reagens en gebruikt in de expressie van genen (signaal mRNA) of eiwit expressie testen22. Deze informatie kan nuttig zijn om de onderzoeker worden als ze proberen te begrijpen wat signalen of eiwitten grotendeels aan veranderingen in de cellulaire migratie in de aanwezigheid van verschillende behandelingen (bijvoorbeeld arseen)22 bijdragen kunnen.
Menselijke neonatale dermale fibroblasten werden geselecteerd voor dit werk op basis van hun rol in de wondgenezing. Echter dit kras assay-protocol is geïmplementeerd met behulp van verschillende celtypes en voor een aantal onderzoeksdoeleinden. Bijvoorbeeld, is de kras bepaling goedgekeurd op het gebied van oncologie voor het bestuderen van de remming van de migratie van chemotherapie drugs23; voor skeletspieren cel migratie, proliferatie en diffusie24; studie van het effect van plantenextracten op cellulaire migratie25; en om te begrijpen hoe Keratinocyt migratie en proliferatie bijdragen tot wond genezing9. Een eerdere papier door Pinto et al. geëvalueerd daarnaast de effecten van uranium (U) en platelet-rich plasma (PRP) op hDFn migratie met behulp van de kras assay-6. Het doel van dit werk was om te begrijpen welke waarnaar deze bepaling kan het testen van het effect van een agent gedacht te vertragen cellulaire migratie (U), evenals een agent dacht te versnellen van cellulaire migratie (PRP). Zoals kan worden gezien in het bovengenoemde werk en onderzoek door andere onderzoekers, toepassing van de kras bepaling heeft groot potentieel voor gebruik in verschillende experimentele modellen26. Ondanks de details binnen de methoden geleverd, worden variantie tussen onderzoekers en experimenten verwacht. Cellulaire migratie tarieven zullen bijvoorbeeld waarschijnlijk op basis van de cellijn in gebruik, naast de vereiste micronutriënten die nodig zijn voor de unieke celtypes schommelen. Veel van de belangrijke opmerkingen om hulp in cel opbrengst en levensvatbaarheid staan als notities in dit protocol. Het is echter sterk aanbevolen dat onderzoekers volgen de aanbevelingen van de fabrikant voor optimale groei-omstandigheden, en gebruik deze methode als aanvullende instructie voor de algemene cel cultuur werk.
Hoewel de kras bepaling zeer veelzijdig voor studie van cellulaire activiteit is; onvoorziene vertekeningen kunnen optreden in de meettechnieken. Bijvoorbeeld, wanneer u ImageJ handmatig traceren cel migratie fronten, kan variatie bestaan tussen gebruikers, die kunnen nauwkeurigheid en verzamelen van representatieve gegevens beperken. Ook opgemerkt moet worden dat migratie fronten blind aan de behandeling tot een minimum beperken gebruiker bias moeten worden gelezen. Bovendien handmatig identificeren van migratie fronten kan leiden tot misrekening van gemiddelde afstand reisde ontstaan door de vorming van de pseudopod door de cellen en hun vermogen om vorm focal verklevingen, die visueel misleidend kunnen zijn te bereiken. Op dezelfde wijze, het gebruik van TL “cel tracker” kleurstoffen op celoppervlak of nucleaire eiwitten te detecteren migratie onbedoeld cellen resulterend in onjuistheden bij het meten van cellulaire migratie na verloop van tijd kunnen vaststellen. Het is aanbevolen dat passende positieve en/of negatieve controles in het experiment te volledig ezels worden ingeschreven het effect van behandeling op de cellijnen. Praktijk van deze bepaling moet worden ingevuld als erkenning voor zijn beperkingen. Deze bepaling garandeert niet dat cellulaire migratie resultaten uit in vitro experimenten direct naar in vivo uitkomsten. vertalen zal Wond genezing en cellulaire migratie in een complexe levende systeem omvat een veelheid van celtypes en moleculaire signalen; elk daarvan heeft het potentieel om genezing reacties beïnvloeden.
Kortom, de kras assay gebleken om high-throughput screening van cellulaire migratie in reactie op veranderende omgevingen6,25. Wij specifiek gebruikt dit protocol om met succes de opsporing van wijzigingen in cellulaire migratie als gevolg van arseen blootstelling bij verschillende milieu relevante doses. Deze gegevens hebben verstrekt rechtvaardiging voor het gebruik van de kras assay voor verdere studie en evalueren de mechanistische trajecten van de cellulaire migratie in deze test en hoe deze trajecten zijn gewijzigd door arseen blootstelling.
The authors have nothing to disclose.
Onderzoek gemeld in deze publicatie werd gesteund door het National Institute on minderheid gezondheid en gezondheid verschillen van de National Institutes of Health onder Award nummer U54MD012388. De inhoud is uitsluitend de verantwoordelijkheid van de auteurs en vertegenwoordigt niet noodzakelijk de officiële standpunten van de National Institutes of Health.
Class II A/B3 Biological Safety Cabinet | Forma Scientific | 15201-816 | |
Nitrile Gloves | Kimberly-Clark | 55082 | |
Water Bath | Precision | Model 182 | |
Inverted Microscope | Leica | Q080318 | |
CPR Centrifuge | Beckman | 349702 | |
Analytical Scale | Ohaus | I093 1125062111P | |
Weighting paper | VWR | H351125781212A | |
Biohazard bags | Fisherbran | 01-830A | |
Water Jacketed CO2 Incubator | Thermo Scientific | 309739-31053 | |
Hanks Balanced Salt Solution | Gibco | 14175-095 | |
Dulbecco's Modified Eagle Medium | Gibco | 10566-016 | |
Fetal Bovine Serum | Gibco | 26140-079 | |
Automatic Pipettor | Drummond | 140685 | |
p200 Pipette | Gilson | ||
p20 Pipette | Gilson | ||
Denominator | Fisher Scientific | D59707 | |
Trypan Blue Stain | Gibco | 15250-061 | |
T75 tissue flask | Corning | 430725U | |
15 mL Conical Tube | Fisherbrand | 05-539-5 | |
50 mL Conical Tube | VWR | 21008-178 | |
5 mL Pipette | Fisherbrand | 13-678-11D | |
10 mL Pipette | Fisherbrand | 13-678-11E | |
Tissue Marker | Securline | 92167 | |
Wipes | Kintech | 34155 | |
70% Ethanol | Fisher | 63-67-0 | |
Non-Filter Pipet Tips | Fisherbrand | 16160210 | |
Bleach | Great Value | 220-04 | |
96-well | Falcon | 353915 | |
Cryovial Rack | Nalgene | 5030-0505 | |
Hemacytometer | Gizmo Supply | B00SCOGY56 | |
TrypLE Express | Gibco | 12605-028 | |
Conical Tube Rack | n/a | n/a | |
12-well plate | Corning | 3598 | |
Waste Beaker | n/a | n/a | |
1 mL Pipette | Fisherbrand | 13-678-11B | |
Straight Edge Ruler | n/a | n/a | |
Human neonatal dermal fibroblasts (hDFn) | lot: 1734, 2902 | 106-05n | |
Rstudio Statistical Software | ver: 3.5.1 | ||
Image J | NIH | ver: 1.8.0_112 |