Morfologische en compositorische analyse van neutrofiele extracellulaire vallen geïnduceerd door microbiële en chemische stimuli

Neutrofielen zijn de meest voorkomende leukocyten in de bloedbaan en spelen een essentiële rol tijdens de klaring van pathogene agentia door verschillende mechanismen, waaronder de afgifte van grote chromatinestructuren bestaande uit DNA en verschillende nucleaire, cytoplasmatische en granulaire antibacteriële eiwitten ^1,2. Het directe antecedent dat deze antimicrobiële rol van neutrofielen beschrijft, werd gemaakt door Takei et ^al.3 in 1996. Deze auteurs rapporteerden een nieuwe vorm van overlijden die verschilt van apoptose en necroptose bij neutrofielen, vertoonden morfologische veranderingen die nucleaire breuk vertoonden, gevolgd door het morsen van het nucleoplasma in het cytoplasma en een toename van de membraanpermeabiliteit vanaf 3 uur incubatie met phorbol myristate acetaat (PMA)^2,3. Het was echter pas in 2004 dat de term “neutrofiele extracellulaire vallen (NET’s)” werd gebruikt⁴.

NET-vorming is waargenomen in verschillende omstandigheden, zoals bacteriële, schimmel⁵, virale⁶ en parasitaire infecties, voor het neutraliseren, doden en voorkomen van microbiële verspreiding⁷. Andere studies tonen aan dat het ook kan voorkomen in niet-pathogene omstandigheden door steriele stimuli, zoals cytokines, mononatriumurinezuur of cholesterolkristallen, auto-antilichamen, immuuncomplexen en geactiveerde bloedplaatjes⁷. Lipopolysaccharide (LPS), interleukine-8 (IL-8) en PMA behoorden tot de eerste in vitro stimuli beschreven als NET-inductoren, en de in vivo NET-betrokkenheid bij pathogene processen werd aangetoond in twee modellen van acute ontsteking: experimentele dysenterie en spontane menselijke appendicitis⁴. DNA is een essentieel NET-onderdeel. De juiste structuur en samenstelling zijn noodzakelijk voor het vastleggen en doden van micro-organismen door een hoge lokale concentratie van antimicrobiële moleculen aan de gevangen microben te leveren, zoals aangetoond door een korte deoxyribonuclease (DNase) behandeling die NET’s en hun microbicide eigenschappen desintegreert⁴. Naast DNA bestaan NET’s uit aangehechte eiwitten zoals histonen, neutrofiel elastase (NE), cathepsine G (CG), proteïnase 3, lactoferrine, gelatinase, myeloperoxidase (MPO) en antimicrobiële peptiden (AMPs) zoals het kationische pro-inflammatoire peptide cathelicidin LL-37 onder andere ^8,9. Dergelijke aggregaten kunnen grotere draden vormen met diameters tot 50 nm. Deze factoren kunnen de microbiële virulentiefactoren of de integriteit van het pathogene celmembraan verstoren; bovendien kunnen de AMPs het NET-afgeleide DNA stabiliseren tegen afbraak door bacteriële nucleasen¹⁰.

De specifieke mechanismen die de netvorming reguleren, zijn nog niet volledig opgehelderd. De best gekarakteriseerde route die leidt tot NET-afgifte is via ERK-signalering, wat leidt tot NADPH-oxidaseactivering en productie van reactieve zuurstofsoorten (ROS), evenals verhoogd intracellulair calcium dat activering van de MPO-route veroorzaakt. Dit zet waterstofperoxide op zijn beurt om in hypochloorzuur, waardoor NE wordt geactiveerd door oxidatie^11,12. NE is verantwoordelijk voor het afbreken van de actinefilamenten van het cytoskelet om fagocytose te blokkeren en ze naar de kern te transloceren voor verwerking door proteolytische splitsing en deaminering door PAD4 die de desensibilisatie van chromatinevezels aansturen, die associëren met korrel- en cytoplasmatische eiwitten, en vervolgens extracellulair worden vrijgegeven⁷. Deze proteasen omvatten die welke vrijkomen uit het azurosoomcomplex van de azurofielkorrels en andere proteasen zoals cathepsine G¹³.

Afhankelijk van de morfologische veranderingen in neutrofielen, worden NET’s ingedeeld in twee typen: suïcidale of lytische NET-vorming die leidt tot celdood⁴, en vitale of niet-lytische NET-formatie geproduceerd door levensvatbare cellen gemedieerd door een vesiculaire afgifte van nucleair of mitochondriaal DNA, met een overblijfsel van een geanucleeerde cytoplast met fagocytisch vermogen^14,15. Over het algemeen vertonen NET’s die zijn samengesteld uit mitochondriaal DNA een langwerpige vezel¹⁴ morfologie, terwijl die gestructureerd van nucleair DNA een wolkachtig uiterlijk hebben³. Het is echter niet bekend hoe de neutrofiel zijn DNA-oorsprong kiest. In tegenstelling tot eerdere studies die de canonieke paden van NET’s beschreven als enkele uren nodig, wordt de vitale route snel geactiveerd in slechts 5-60 minuten¹⁵.

Ondanks deze vooruitgang varieert de NET-samenstelling afhankelijk van de stimulus; verschillende mucoid en niet-mucoid stammen van P. aeruginosa induceren bijvoorbeeld de vorming van NET’s met 33 gemeenschappelijke eiwitten en maximaal 50 variabele eiwitten⁷. Het is dus noodzakelijk om technieken te homogeniseren die het genereren van objectieve conclusies in onderzoeksgroepen mogelijk maken. Dit artikel beschrijft een protocol met verschillende technieken die vergelijking en evaluatie van de samenstelling, structuur en morfologie van NET’s geïnduceerd met verschillende micro-organismen mogelijk maken: Staphylococcus aureus (grampositieve bacterie), Pseudomonas aeruginosa (gramnegatieve bacterie) en Candida albicans (schimmel), evenals chemische stimuli (PMA, HOCl) bij menselijke neutrofielen van gezonde individuen. De representatieve resultaten tonen de heterogeniteit van NET’s aan, afhankelijk van hun inducerende stimulus onder vergelijkbare in vitro omstandigheden, gekenmerkt door DNA-DAPI-kleuring, immunostaining voor LL37 en kwantificering van enzymatische activiteit (NE, CG en MPO).