このプロトコルは、腎毒性物質としてシスプラチンを使用して、成体ゼブラフィッシュに急性腎損傷(AKI)を誘導する手順を記述する。この技術の再現性を評価するステップと、腎組織、フローサイトメトリー、TUNELの炎症と細胞死を分析する2つの技術を詳述した。
シスプラチンは、一般的に化学療法として使用されます。癌治療を受けた人にはプラスの効果がありますが、シスプラチンは低分子量のため腎臓に容易に蓄積することができます。このような蓄積は、管状細胞の死を引き起こし、急性腎障害(AKI)の発症を誘発する可能性があり、これは腎機能の急速な低下、組織損傷、および免疫細胞の浸潤によって特徴付けられる。シスプラチンを特定の用量で投与する場合は、動物モデルにおけるAKIインデューサとして有用なツールとすることができる。ゼブラフィッシュは、腎組織が哺乳類との機能的類似性を保存するので、腎機能、腎臓再生、および傷害を研究するための興味深いモデルとして登場しました。シスプラチンを注射した成体ゼブラフィッシュは、生存率の低下、腎細胞死、および24時間後の炎症マーカーの増加を示す(hpi)。このモデルでは、免疫細胞の浸潤と細胞死をフローサイトメトリーおよびTUNELアッセイにより評価することができる。このプロトコルは、腹腔内シスプラチン注射によって成体ゼブラフィッシュにAKIを誘導する手順を説明し、その後、フローサイトメトリー処理および細胞死TUNELアッセイのために腎組織を収集する方法を示す。これらの技術は、シスプラチンの腎毒性剤としての効果を理解するのに役立ち、成体ゼブラフィッシュにおけるAKIモデルの拡大に寄与する。このモデルは、腎臓の再生を研究するためにも使用することができます, 治療または腎臓の損傷を防ぐ化合物の検索で、AKIの炎症を研究します.さらに、このプロトコルで使用される方法は、組織の損傷および炎症の特徴付けを改善し、これは腎臓関連の併存疾患における治療標的である。
腎臓は、ホメオスタシスを維持するいくつかの重要な生理機能を担っています, 例えば、血液ろ過, 過剰な残基の除去, イオン濃度の調節1.腎組織の損傷は急性腎障害(AKI)と呼ばれる異種状態につながり得、尿細管上皮細胞の破壊および死、内皮細胞損傷、および白血球浸潤2,3の破壊および死亡によって引き起こされる腎機能の急速な低下として臨床的に説明される。AKIは入院4の8-16%で起こると予測される状態で、集中治療室(ICU)5では20~50%の高い死亡率を有する。この病気は、入院の増加と財源のかなりの使用に関連しています5.病因因子は、脱水、ショック、感染症、敗血症、心血管疾患、および腎毒性薬物6を含む。腎毒性は、薬物によって誘発される腎損傷と定義され、AKI、チューブロパシー、および糸球体症として作用を引き起こす7。腎毒性はICU患者の3分の2に影響を及ぼし、ICUで処方される薬物の約20%が腎毒性8、9と見なされ、これは非ステロイド性抗炎症薬(NsaIDs)、バンコマイシンおよびアミノグリコシドなどの抗生物質、およびメトトレキサートおよびシスプラチンのような化学療法剤を含む7。シスプラチンは、最も強力で一般的な化学療法薬の1つであり、頭頸部、精巣、卵巣、および膀胱10などの固形腫瘍の治療に使用される。腎臓において、シスプラチンは、近位畳み込み管(PCT)中に有機カチオン性トランスポーター2(OCT-2)を介して内在化され、高濃度では、DNA誘発細胞死経路7、10、11、12に結合する。腎臓におけるこの薬物の蓄積は、死および炎症13との腎毒性に寄与する。この有害な副作用は、シスプラチン治療を受けている癌患者の3分の1の生命および予後に非常に影響を及ぼすので、癌細胞10に対する殺死効果を失うことなく腎毒性を低下させることができる新しい治療法の研究が不可欠である。
この腎毒性作用のために、シスプラチンは、前方に記述されるように、実験動物モデルにおけるAKIのインダクタとして一般的に使用される。げっ歯類では、シスプラチンによって誘導された最初のAKIモデルが1971年14年に報告されたが、現在、シスプラチン15の用量依存および累積効果を用いて多くの異なるプロトコルが出現している。それにより、投与量および適用数に応じて、腎臓損傷の重症度の異なる等級は、16、17、18、19、20、21を誘発することができる。最も頻繁な方法は、腹腔内(すなわち)シスプラチンの1回の注射と次の日の安楽死からなる。この古典的なプロトコルでは、シスプラチン(マウスでは10-13 mg/kgおよび/またはラットでは3-8mg/kg)の単一の高い腎毒性用量は、シスプラチン注射の数日後に、管状内のブラシ境界および細胞破片の喪失などの重度の組織学的変化を誘発する。組織学的変化の重症度は用量依存性であり、そして、シスプラチン注射16、17の7日後に再生の徴候が観察される。
げっ歯類モデルは確立されていますが、ゼブラフィッシュ(Danio rerio)に焦点を当てて、別の脊椎動物の特性を活用することにしました。この魚は、その小さなサイズ、外部受精、高い繁殖率、急速な発達、胚および幼虫の透明性、低維持コスト、哺乳類と同様の解剖学(いくつかの例外を除く)、組織再生能力の高さ、社会的行動、人間との遺伝的類似性の70%、ヒト疾患関連遺伝子の84%のために、ヒト疾患のモデリングに広く使用されている。Streisingerら23,24,25は、脊椎動物の開発の遺伝子解析のためにこのモデル生物を利用することの実践性を確認したゼブラフィッシュを用いて研究を開始した。腎臓研究では、ゼブラフィッシュは発達研究だけでなく、腎臓の状態に関連する新しい遺伝子を探索する遺伝的ツールとしても出現している。さらに、瘢痕形成のない再生能力と、その生涯を通じて腎細胞を生成する能力は、腎生知と呼ばれ、ゼブラフィッシュを再生研究27,28の主要動物モデルにする。さらに、急性および慢性腎障害を含む異なる腎臓病の実験モデルの入手可能性は、この実験生物26、29の多様性を示す。哺乳類と同様に、ゼブラフィッシュの腎前駆体は中間中皮に由来する。このような腎前駆物質は、後にメサネフロスに発症する傾向のある咽頭を生成し、これは成人期まで成熟した器官として維持される29、30。
成体ゼブラフィッシュ腎臓は、体の背壁に位置し、水泳膀胱と背骨29の間にある。腹側の観点から、ゼブラフィッシュは3つの領域(図1A)に分けることができる(図1A)、頭部(H)、幹(Tr)、尾部(Ta)29)。哺乳類と同様に、ゼブラフィッシュは腎臓の機能単位として腎膜を有し、尿細管セグメント(図1A):腎肉体(RC)、近位状の複雑な尿管(PCT)、近位直流細管(PST)、遠位早期(DE)、後期遠位(DL)および採取ダクト(CD)299に分かれている。ゼブラフィッシュは、ヒトのネフロン(図1B)と遺伝的保全および構造的類似性を共有するが、中間細管のようないくつかの立体構造を欠いているが、ヘンレ(LH)29,31のループとしても知られている。ゼブラフィッシュのような淡水魚は、通常、非常に低い浸透性を有する培地に囲まれ、このため、彼らは、エラ、初期段階での皮膚、および浸透性および水排泄を調節する腎臓に依存する傾向がある。自発性の大動脈からの血液の濾過は、約48時間の受精後(hpf)33,34から始まる。ゼブラフィッシュの腎臓は、代謝廃棄物排泄器官であるだけでなく、4日後の受精後(dpf)から成人期までの造血器官としても働き、哺乳動物35の骨髄と同等である。造血幹細胞(HSC)は、腎臓に種子を付け、自己改修し、骨髄、赤血球、リンパ系の細胞系統を生成し、転写因子、シグナル伝達分子、および哺乳類36,37と高度に保存された遺伝プログラムを維持する。研究は、ヒト免疫系のエリスロイド、血小板、骨髄、およびリンパ球細胞のほとんどがゼブラフィッシュ37、38に存在することを明らかにした。この動物のユニークな特徴と人間の腎臓との保存された特徴は、このモデル生物を腎機能、傷害、および再生の研究において有利にした。
ゼブラフィッシュの腎臓はよく研究されており、AKIのいくつかのモデルはすでに幼虫と成体ゼブラフィッシュ28で利用可能ですが、このプロトコルの確立時点では、成体ゼブラフィッシュに化学的に誘発された非抗生物質のAKIモデルの証拠はありませんでした。また、我々の研究室では、再生や腎損傷を研究するためにプロバイオティクス細菌や微生物由来化合物の試験に注力し、成人魚に新しいシスプラチン誘発のAKIモデルを作り出すことに力を注いできました。この原稿に示すビデオ記事は、動物のg当たり120 ugシスプラチン(120 μg/g)のi.p.注入を用いたAKI誘導の新しいモデルの手順を示しています(図2A)。この用量は、10mg/kg(10μg/gに相当)14、15、16、17の周りを行ったマウスモデルでシスプラチンによって誘発されたAKIの研究に基づいていたが、この用量は腎毒性に関連する腎臓損傷を誘発するのに十分ではなかった(データは示されていない)。したがって、この研究で使用されたものに用量を増加させた(図2B)。我々の研究は、尿管構造の喪失、炎症浸潤の増加、および高い細胞死率によって示されるように、腎臓組織損傷24 hpiの誘導による注射後の生存率におけるシスプラチンの用量依存効果を明らかにした。ここでは、シスプラチン誘発のAKIの開発を分析する2つの技術を、フローサイトメトリー、細胞浸潤解析、チューンル、細胞死を測定する方法を説明する。フローサイトメトリーは、細胞の物理的な(サイズと粒度)と化学的(蛍光化合物)特性を測定する技術です。細胞の細胞の中では、細胞懸濁液はシース流体を通って、細胞を1行に整理し、一度に1つのセルにレーザービームを通過することを可能にする(図3A)。光線の前にある検出器は、細胞サイズと相関するフォワードスキャッタ(FSC)を測定し、側面の検出器は細胞の粒度に相関する側面散乱(SSC)を測定します。他の検出器は、粒子、蛍光タンパク質、または抗体標識細胞39,40からの蛍光を測定する。ゼブラフィッシュの市販抗体は現在では乏しいので、動物レポーターや蛍光バイオマーカーの使用は、この分析を改善し、多様な細胞集団41、42、43を同定することを可能にする。このプロトコルで使用される別のツールは、末端デオキシヌクレオチジルトランスファーーゼ(TdT)dUTPニックエンドラベリング(TUNEL)アッセイでした。TUNELアッセイは、断片化したDNAを識別し、後で顕微鏡44で可視化および定量することができる蛍光マーカーでタグ付けされたデオキシヌクレオチドで標識するTdTの能力に依存する後期アポトーシス検出方法である(図3B)。AKIの最も顕著な特徴の1つは、尿細管腎細胞3におけるアポトーシスの誘導であり、この技術は、フローサイトメトリーおよび/または顕微鏡検査によって分析することができるので、非常に有利である。
本稿で紹介するアプローチは、AKIの状態を観察し、シスプラチン関連のAKIにおける新しい治療目標の研究に役立つAKI障害を研究するための新しい急性モデルを提供する。
腎臓病の罹患率は世界的に増加し続けており、何百万人もの人々に影響を与える世界的な公衆衛生問題となっています63.腎臓の負傷した個人を治療する方法を見つけることは、彼らの病因と進行についてもっと理解するだけでなく、最も重要です。いくつかの研究は、腎損傷を理解するために動物モデルを使用しています。.ゼブラフィッシュ腎臓(図1)は、自己再生能力と遺伝的類似性29,64のために、発生生物学および傷害研究において長年研究されてきた。ここでは、シスプラチンの特性を腎毒性剤として使用した成体ゼブラフィッシュに新しいAKIモデルを提示し、速くて急性反応を達成するためのステップを、すぐに24hpiと同時に目に見える損傷で達成するための手順を詳述する(図2)。また、シスプラチン注射後の組織損傷、フローサイトメトリー、TUNELの評価に役立つ2つの技術を説明する(図3)。
成人ゼブラフィッシュの現在のAKIモデルには、腎管および尿細管破壊に大きな損傷を誘発するゲンタマイシンのi.p.注射が含まれ、腎症事象は5日目から始まり、再生成は注射後21日までに完了する65日後である。一方、敗血症関連急性腎障害(S-AKI)のモデルは、ドセジエラ・タルダ感染により確立され、インスリン様成長因子結合タンパク質-7(IGFBP7)、メタロプロテイナーゼ2(TIMP-2)の組織阻害剤、および腎臓損傷分子-1(KIM-1)、および成人ゼブラ66例のAKIマーカーの発現が有意に増加した。ゼブラフィッシュは、治療薬の探索のためのハイスループット動物であることで知られており、これには、腎機能および再生67を研究するためのプロバイオティクスおよび微生物叢由来代謝産物の使用が含まれる。しかし、利用可能なモデルは、これらの治療の結果に直接影響を与える可能性があります。そこで、エピタキビガニ属のゼブラフィッシュ(図4)において、抗生物質のゲンタマイシンモデルやE.タルダ感染と同様に、魚の微生物叢に直接の影響を及ぼさない既知の腎毒性物質としてシスプラチンを用いて、敗血症モデルとしてAKIを誘導する別の方法を確立した。しかし、シスプラチンプロトコルを開発すると同時に、別のグループは、成体ゼブラフィッシュにおけるシスプラチンの腎毒性効果を検討し、動物1匹あたり10〜20〜30μgの用量を簡素化した。また、シスプラチン用量依存効果を示したが、同じ年齢のゼブラフィッシュはサイズや重量が大きく異なり、結果69,70のばらつきを引き起こす可能性があるため、すべての魚に単一量のシスプラチンを使用する場合には注意が必要です。我々は、マウスとこの研究で行われているように、動物の対応する重量に用量を調整することが重要であると考えています。
成体ゼブラフィッシュの実験では、シスプラチンは用量反応効果を示した。シスプラチン注射後の動物の生存率をモニタリングして可視化した(図5)。モニタリング時間中に他の物理的な徴候が見えないため、シスプラチンの用量の強度を推定する方法として生存を使用しました。これは、げっ歯類と比較して、シスプラチン注射15の投与量および頻度によって腎臓損傷の重症度を調節することができる、シスプラチン71の高濃度で致死量を達成する。死んだはシスプラチン72の幼虫モデルで次の日にも見られる。数日で急性損傷を引き起こすことを目的としていたので、注射後24時間で腎臓の損傷を観察できるように120μg/gのシスプラチンを選択したが、これは研究の目的に応じて調整することができる。
ヒトにおいて、AKIは、血液凝濾速度(GFR)の低下によって臨床的に診断され、血清クレアチニン、及び血尿素窒素3を上昇させた。ゼブラフィッシュでは、AKIモデルのレパートリーには、遺伝的条件モデル73、74、およびいくつかの薬物関連モデル65、72が含まれていますが、技術的な困難(例えば、血液採取)のためにゼブラフィッシュでAKI機能パラメータの一部を測定できないため、ほとんどの研究ではAKI1,75の特徴を観察するために形態学的および視覚的な技術を採用しています。
げっ歯類では、シスプラチンは近位および遠位細管の上皮細胞に入り、細胞内では代謝活性化を受け、細胞小器官に対して反応性が高くなり、細胞構造の変化を誘発する。これらの変化は、アポトーシスとオートファジー、さらには壊死を非常に高用量で誘発することができます。この損傷に対して、多くのサイトカインが放出され、白血球が発徴されて炎症を引き起こし、器官15の機能性に影響を及ぼす。これは、住民や浸潤免疫細胞として、負傷した腎臓にどのような種類の細胞が見つかるかを評価することの重要性を強調しています。ここでは、現在入手可能なトランスジェニック免疫レポーターラインを用いて、フローサイトメトリーでこれを評価する方法を示した(表1)。シスプラチンは、注射後24時間の腎臓における好中球(mpo:GFP陽性細胞)の割合を増加させる(図6)。ゼブラフィッシュの場合、腎臓は異なる血液細胞タイプを生み出すHSCのニッチである。それにもかかわらず、多くの顆粒球およびマクロファージは、通常、血液中を循環している。この例では、好中球52の骨髄ペルオキシダーゼのプロモーター下でGFPを発現するmpo:GFPトランスジェニックラインを用いた。mpo:GFPトランスジェニックラインの元の研究は、好中球成熟76の異なる状態におけるミエロペルオキシダーゼの発現を実証したが、我々のゲート戦略は、血液52から来る成熟細胞を含む顆粒球分数に焦点を当てたが、このように我々の分析は浸潤細胞を含み、居住細胞ではない。これは、望ましい細胞集団を単離する際に考慮することが重要である。
上述したように、アポトーシスは、シスプラチン関連AKIの最も古典的なマーカーである。ここでは、TUNELアッセイによる死細胞の局在化のための簡単なプロトコルを実証した。シスプラチン注射は、24hpiのアポトーシス細胞の数を増加させる(図7)。これは、組織から死んだ細胞を直接数えることによって容易に定量することができる。それにもかかわらず、細胞特異的死の同定のために、所望の細胞(例えば、管状細胞)に対する抗体の使用、またはトランスジェニックレポーターラインの使用は、この技術と共に使用することができる。AKIのゲンタマイシン誘発モデルと比較すると、シスプラチンは注射後3日目にゲンタマイシンアポトーシスが高かったため、より重篤なモデルのようです。
種々の副作用を有するにもかかわらず、シスプラチンは癌の治療において、癌腫、生殖細胞腫瘍、リンパ腫、肉腫77を含む様々なタイプの癌に対する有効性のために、依然として広く使用されている。腎毒性はシスプラチン10による治療中の患者の3分の1で起こり、したがって、この効果を減少させ、再ノノプロテクションを増加させることができる戦略の探索が不可欠である。この原稿に記載されている方法と技術は、腎臓損傷のメカニズムを解明し、主にシスプラチンの使用に関連する腎合併症に苦しむ個人の生活の質を向上させるために不可欠な治療目標を見つけるのに役立つと考えています。
The authors have nothing to disclose.
この研究は、フンダソン・デ・アンパロ・ア・ペスキサ・ド・エスタド・デ・サンパウロ – FAPESP(2015/21644-9; 2017/05264-7; 2017/05687-5; 2018/20722-4, コンセル・ナシオナル・デ・デセンボルヴィメント・チエンティフィコ・エ・テクノロギコ (CNPq)サンパウロ大学バイオサイエンス研究所のマリア・リタ・ドス・サントス・エ・パッソス・ブエノ研究所と遺伝学進化生物学部のゼブラフィッシュ施設の共同研究者に感謝します。クリスティアン・ナファ・デ・ソウザ・ブレダとテレサ・ラケル・デ・オリベイラ・ラマリョの原稿に関するコメントや提案に感謝します。私たちは、このビデオの記録、版、および制作のために、生物医学研究所のマルチメディアチームから、マルシオ・ビジャル・マーティンスに大いに感謝し、感謝します。
1x PBS | Made by diluting 10 X PBS (prepared in lab) in distilled water | ||
31 G 1.0 cc insulin syringe | BD Plastipak | 990256 | Needle: BD Precision Glide 300110 |
3.5 L Fish tank | Tecniplast | Part of the aquactic system | |
6 well plate | Corning | 351146 | |
10 mM Tris/HCl | Prepared from solid Tris Base (Promega, H5135), adjusted to pH 7.4-8 with HCl (Merck, 1003171000) | ||
50 ml Falcon tube | Corning | 352070 | |
2-3% Agarose | Invitrogen | 16500-500 | Dissolve 2 or 3% agarose (w/v) in 1x PBS, warm until dissolve. |
2% FBS | Gibco | 12657-09 | Dilute 2% (w/v) directly in 1x PBS |
4% Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | P6148-500G | Dissolve 4% PFA (w/v) in warm 1x PBS, mix until dissolve in a hot plate in a fume hood. Aliquot and store at -20 °C |
50% Ethanol | Made by diluting 100% ethanol in distilled water | ||
70% Ethanol | Made by diluting 100% ethanol in distilled water | ||
90% Ethanol | Made by diluting 100% ethanol in distilled water | ||
100% Ethanol | Synth | 00A1115.01.BJ | |
100% Xylene | Synth | 00X1001.11.BJ | |
Cell strainer 40 µm | Corning | 431750 | |
Cisplatin | Blau Farmacêutica | 16020227 | C-PLATIN 1 mg/mL. Store at room temperature. |
Cork board sheet | Obtained from local stationary store | ||
DAPI | Sigma-Aldrich | D9542 | Stock solution 20 mg/ml dissolved in water |
Fine forceps | Fine Science Tools | 11254-20 | |
Flow cytometry tubes | Corning | 352052 | |
Glass slide | Thermo-Fisher | 4445 | |
Histology cassette | Ciencor | 2921 | |
Immuno stain chamber | Ciencor | EP-51-05022 | |
Incubator | NAPCO | 5400 | Set to 37 °C |
Insect pins | Papillon | Model micro15x20 | |
In Situ Cell Death Detection Kit | Roche Diagnostics | 12156792910 | |
Metal mold | Leica Biosystems | 3803081 | |
Micropipette 200-1000 µL | Eppendorf | Use 1 mL tips | |
MS-222 (Tricaine) | Fluka Analytical | A5040-25G | |
NaCl 0.9% | Synth | C1060.01.AG | Dissolve 0.9% NaCl (w/v) in distilled water |
Nail polish | Prefer transparent | ||
Neubauer chamber | Precicolor HGB | ||
Pasteur plastic pipet | United Scientific Supplies | P31201 | |
Paraplast | Sigma-Aldrich | P3558 | |
Petri dish | J.ProLab | 0307-1/6 | 60 and 100 mm |
Plastic spoon | Obtained from local store | ||
Proteinase K | New England BioLabs | P8102 | Diluite from stock 20 mg/ml |
Scissors | Fine Science Tools | 14060-09 | |
Scalpel blade | Solidor | ||
Sponge | Obtained from local store | ||
Trypan Blue | Cromoline | 10621/07 | |
Vannas Spring Scissors | Fine Science Tools | 15000-00 | |
Vectashield Antifade Mounting Medium | Vector Laboratories | H-1000-10 | |
Centrifuge | Eppendorf | 5810R | |
Cytometer | BD Biosciences | FACSCanto II | |
Fluorescence Stereoscope | Zeiss | Axio Zoom.V16 | |
Fluorescence Microscope | Zeiss | AxioVert.A1 | |
Microtome | Leica | Jung Supercut | |
Scale | Ohaus Corporation | AR2140 |