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Das vorliegende Protokoll beschreibt die Isolierung und Kultivierung von aus dem Knochenmark gewonnenen Makrophagen aus Mäusen.
Makrophagen haben wichtige Effektorfunktionen bei der Homöostase und Entzündung. Diese Zellen sind in jedem Gewebe des Körpers vorhanden und haben die wichtige Fähigkeit, ihr Profil entsprechend den in der Mikroumgebung vorhandenen Reizen zu ändern. Zytokine können die Physiologie von Makrophagen tiefgreifend beeinflussen, insbesondere IFN-γ und Interleukin 4 und erzeugen M1- bzw. M2-Typen. Aufgrund der Vielseitigkeit dieser Zellen kann die Produktion einer Population von Makrophagen aus dem Knochenmark ein grundlegender Schritt in vielen experimentellen Modellen der Zellbiologie sein. Das Ziel dieses Protokolls ist es, Forschern bei der Isolierung und Kultivierung von Makrophagen zu helfen, die aus Knochenmarkvorläufern gewonnen werden. Knochenmarkvorläuferzellen von pathogenfreien C57BL/6-Mäusen werden in Makrophagen umgewandelt, wenn sie dem Makrophagen-Kolonie-stimulierenden Faktor (M-CSF) ausgesetzt werden, der in diesem Protokoll aus dem Überstand der murinen Fibroblastenlinie L-929 gewonnen wird. Nach der Inkubation stehen reife Makrophagen zur Verfügung, die vom 7. bis zum 10. Tag verwendet werden können. Ein einzelnes Tier kann die Quelle von etwa 2 x 107 Makrophagen sein. Daher ist es ein ideales Protokoll für die Gewinnung großer Mengen primärer Makrophagen mit grundlegenden Methoden der Zellkultur.
Monozyten und Makrophagen sind mononukleäre Fresszellen, die aus Vorläuferzellen im Knochenmark gewonnen werden können. Neuere Studien haben berichtet, dass Makrophagen auch von erythro-myeloischen Vorläuferzellen aus Dottersäcken stammen1. Unabhängig von ihrer Herkunft haben diese Leukozyten wichtige Effektorfunktionen bei der Homöostase und Entzündung 2,3. Monozyten sind Zellen aus dem peripheren Blut, die sich im Gewebe weiter zu Makrophagen differenzieren können 2,4, während Makrophagen heterogene Zellen sind, die Phänotypen und Funktionen aufweisen, die durch die lokale Exposition von Wachstumsfaktoren und Zytokinen reguliert werden5. Da Makrophagen eine solche funktionelle Vielfalt aufweisen, wurden sie in vielen Krankheitsmodellen untersucht. So ist die In-vitro-Kultur von Makrophagen zu einem wichtigen Werkzeug geworden, um ihre Physiologie und ihre Rolle bei verschiedenen Krankheiten zu verstehen. Das Knochenmark ist eine wichtige Quelle für Vorläuferzellen, einschließlich Makrophagen-Vorläuferzellen, die isoliert und vermehrt werden können, wodurch die Anzahl der erhaltenen Makrophagen exponentiell erhöht wird. Darüber hinaus sind aus dem Knochenmark gewonnene Makrophagen besonders wichtig, um die Auswirkungen der Gewebemikroumgebung zu vermeiden, da Makrophagen ihren Phänotyp als Reaktion auf verschiedene Reize im Gewebe ändern 6,7. Knochenmarkvorläuferzellen verwandeln sich in Makrophagen, wenn sie dem Makrophagen-Kolonie-stimulierenden Faktor (M-CSF) ausgesetzt werden8. Aus dem Knochenmark gewonnene Makrophagen können nicht durch biochemische Marker im Gewebe von Monozyten-abgeleiteten Makrophagen unterschieden werden. Diese Zellen stellen eine sehr homogene Population von Primärzellen dar, die in vielerlei Hinsicht mit den Peritonealmakrophagen vergleichbar sind 6,9.
Aufgrund ihrer heterogenen zellulären Funktionen wurden Makrophagen von Forschern lange Zeit gründlich untersucht. Diese Zellen können in verschiedenen experimentellen Modellen verwendet werden, einschließlich Infektions- und Entzündungskrankheiten, da sie in diesen Prozessen eine Rolle spielen10,11. Sie können auch nützlich sein, um die Polarisation von Makrophagen als Reaktion auf verschiedene Mikroumgebungsreize zu untersuchen12,13. Somit wird hier ein einfaches und zuverlässiges Protokoll zur Verfügung gestellt, um eine hohe Anzahl primärer Makrophagen aus dem Knochenmark der Maus zu gewinnen.
Dieses Protokoll wurde in Übereinstimmung mit dem Nationalen Rat für die Kontrolle von Tierversuchen (Concea) und mit Genehmigung des Ethik- und Verwendungsausschusses für Tiere (CEUA) erstellt. C57BL/6-Mäuse wurden vom Biotério Central der Federal University of Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, Brasilien, gekauft. Persönliche Schutzausrüstung (PSA) wie Laborkittel, Handschuhe und Augenschutz sollten bei allen in diesem Protokoll beschriebenen Schritten verwendet werden.
1. Vorbereitung des Überstands der Fibroblasten-L-929-Linie als Quelle für M-CSF
2. Entfernung des Oberschenkelknochens und des Schienbeins
3. Gewinnung von Knochenmarkvorläuferzellen aus dem Lumen der Tibia und des Femurs
4. Makrophagen-Kultur
5. Ernte von Makrophagen
Makrophagen sind große und anhaftende Zellen mit besonderen physiologischen Eigenschaften. Sie zeigen eine Vielfalt morphologischer Erscheinungsformen in Kultur, da sie an Glas und Kunststoff haften können, und ihre typische Ausbreitungsmorphologie hängt mit der Emission zytoplasmatischer Fortsätze zusammen (Abbildung 1). Sobald die Vorläuferzellen des Knochenmarks M-CSF aus dem L-929-Zellüberstand ausgesetzt sind und die Umwandlung in reife Makrophagen beginnen, haften sie an der Petriplatte.
Abbildung 2 zeigt die Kinetik der Transformation von Knochenmarkvorläuferzellen zu reifen Makrophagen. Am Tag 3 erscheinen einige unreife Makrophagen, von denen die meisten eine typische runde Morphologie mit wenigen Membranvorsprüngen aufweisen (Abbildung 3). Obwohl sie sich während des gesamten Prozesses verändern, sind in der Regel 7 Tage erforderlich, um eine angemessene Anzahl und Reife zu erreichen, um die maximale Effizienz des vorliegenden Protokolls zu gewährleisten.
Darüber hinaus sind Makrophagen Phagozyten (Makro = groß; Phagos = Fressen), die in der Lage sind, große Mengen an antigenen oder nicht-antigenen Partikeln zu phagozytieren. Phänotypisch zeichnen sie sich durch die Expression der Oberflächenmoleküle F4/80 und CD11b aus. Die Analyse mittels Durchflusszytometrie zeigt, dass die mit dem vorliegenden Protokoll erhaltenen Makrophagen eine homogene Population in Bezug auf Größe und Granularität darstellen (Abbildung 4). Darüber hinaus exprimierten 100% der Population F4/80 und CD11b, was eine einzige, genau definierte Zellpopulation bildete. Darüber hinaus zeigte die Analyse der Phagozytose von Leishmania-Hauptparasiten eine enorme Fähigkeit zur Phagozytose, was beweist, dass es sich um reife und gut differenzierte Makrophagen handelt (Abbildung 5).
Die in dieser Arbeit gezeigten mikroskopischen Daten wurden mit Hilfe der Fluoreszenz- und Phasenkontrastmikroskopie im Image Acquisition and Processing Center (CAPI-ICB/UFMG) gewonnen.
Abbildung 1: Kultur von Makrophagen, die von Knochenmarkvorläufern abgeleitet wurden und unterschiedliche Morphologien zeigten, während sie an der Platte hafteten, an Tag 5. Makrophagen geben lange zytoplasmatische Fortsätze ab, die es ihnen ermöglichen, sich zu bewegen und zu phagozytieren. Helligkeit und Kontrast wurden nach der Aufnahme der Bilder mit einem 20-fachen Filter mit differentiellem Interferenzkontrast (DIC) eingestellt. Balken = 100 μm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Kinetik der Transformation von Knochenmarkvorläufern zu reifen Makrophagen an Tag 1, 3, 5 und 7. Helligkeit und Kontrast wurden nach der Aufnahme der Bilder mit einem DIC 20x-Filter angepasst. Balken = 100 μm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Vorhandensein von leicht anhaftenden unreifen Makrophagen am Tag 3 mit einer typischen runden Morphologie mit wenigen Membranprojektionen. Helligkeit und Kontrast wurden nach der Aufnahme der Bilder mit einem DIC 20x-Filter angepasst. Balken = 100 μm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Durchflusszytometrische Analyse von Makrophagen aus dem Knochenmark. Makrophagen wurden von den Schalenplatten abgetrennt (Zellstripper) und mit anti-F4/80 FITC und anti-CD11b PE-Cy7 gefärbt. (A) Der Aspekt der Zellen basierend auf Größe und Granularität (FSC x SSC). (B) Die Expression von F4/80- und CD11b-Zellmarkern. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Fluoreszenzmikroskopische Analyse nach Phagozytose von Leishmania major Parasiten. Makrophagen wurden von den Platten gelöst und auf runde Glasdeckgläser ausgesät, denen die Hauptparasiten Leishmania zugesetzt wurden. Die Abbildung zeigt die phagozytierten Parasiten in den Makrophagen. Leishmania major-Parasiten wurden mit FITC-Anti-Leishmania-Antikörpern gefärbt und Zellkerne (Makrophagen und Leishmania major) mit Propidiumiodid gegengefärbt. (A) das 20-fache; (B) 40x. Balken = 100 μm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Die Herstellung einer Population von Makrophagen aus dem Knochenmark ist ein grundlegender Schritt in vielen zellbiologischen Versuchsmodellen, insbesondere wenn es wichtig ist, eine homogene Population von Primärzellen zu erreichen. Wie bereits erwähnt, können sich Zellvorläuferzellen nur in Gegenwart von M-CSF in Makrophagen verwandeln. L-929-Zellüberstände können als Hauptquelle für M-CSF verwendet werden. Abgesehen von den Kosten gibt es kein Problem, rekombinantes M-CSF selbstzu verwenden 8,17. Es gibt Hinweise darauf, dass rekombinante M-CSF-Makrophagen eine bessere Uniformität in Kultur aufweisen; Die Verwendung von r-M-CSF oder L-929-Überstand macht jedoch keinen signifikanten Unterschied in der Genexpression der Hauptmakrophagenmarker und der Zytokinproduktion15.
Knochenmarkvorläuferzellen sind sehr anfällig. Um eine Kontamination zu vermeiden, ist die Verwendung einer sauberen Laminar-Flow-Biosicherheitshaube unerlässlich. In den ersten Schritten dieses Protokolls entstehen bei der Entfernung von Muskeln von der Knochenoberfläche Rückstände, die eine Kontaminationsquelle darstellen können. Es wird empfohlen, die Haube zu reinigen, bevor die Knochenepiphyse durchtrennt und das Knochenmark freigelegt wird. Sobald die Vorläuferzellen aus der Knochenhöhle heraus sind, ist es wichtig, daran zu denken, diese Zellen sorgfältig zu behandeln, um die Sterilität und optimale Lebensfähigkeit zu erhalten.
In diesem Protokoll werden C57BL/6-Mäuse verwendet, aber BALB/C-Mäuse sind ebenso geeignet. Mäuse im Alter von 6-10 Wochen werden für die Entnahme einer guten Population von Knochenmark-Makrophagen empfohlen, mit einer Schätzung von 2 x 107 Zellen pro Maus. Jüngere Mäuse liefern in der Regel eine ähnliche Anzahl von Zellen, aber die kleineren Oberschenkelknochen können einige Herausforderungen für das Isolierungsverfahren darstellen. In unseren früheren Studien haben wir in der Regel keine großen Unterschiede zwischen der Makrophagenausbeute verschiedener Wildtyp-Mäusestämme beobachtet, aber wir erkennen an, dass einige Stämme von Knockout-Mäusen eine gewisse Variabilität in der Ausbeute aufweisen können 6,8.
Das vorliegende Protokoll beschreibt eine zuverlässige Methode zur Gewinnung einer primären Makrophagenkolonie unter Verwendung des L-929-Überstandes, einer Technik, die seit vielen Jahren von Forschern gut etabliert ist18,19. Im Vergleich zu anderen bestehenden Methoden zeichnet sich dieses Verfahren durch die Anzahl der Zellen und die Homogenität der Population aus, insbesondere im Vergleich zu peritonealen Makrophagen. Die Anzahl der peritonealen residenten Makrophagen ist oft unzureichend, da in der Regel Millionen von Zellen für jeden Assay benötigt werden und Makrophagen nur einen kleinen Bruchteil der Peritonealwäsche ausmachen 8,20. Die Peritonealwäsche liefert auch andere Zelltypen wie Lymphozyten und dendritische Zellen, so dass es unmöglich ist, Wechselwirkungen zu vermeiden und eine Kultur mit unstimulierten Makrophagen zu erhalten. Da das Peritoneum eine wesentlich komplexere Mikroumgebung aufweist als in vitro, kann die Variabilität für einige Anwendungen von Nachteil sein 6,21.
Die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte haben.
Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse der Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG), durch Rede de Pesquisa em Doenças Infecciosas Humanas e Animais do Estado de Minas Gerais (RED-00313-16) und Rede Mineira de Engenharia de Tecidos e Terapia Celular - REMETTEC (RED-00570-16) sowie des brasilianischen Nationalen Rates für wissenschaftliche und technologische Entwicklung (CNPq) unterstützt.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
20-cc syringe | DESCARPACK | SI100S4G | Sterile syringe |
26-G needles | BD | 497AQDKT7 | Sterile needles |
50-ml conical centrifuge tube | SARSTEDT | 62547254 | Plastic conical tubes suitable for centrifugation |
70% ethanol solution | EMFAL | 490 | Ethanol solution for esterilization |
Anatomical dissection forceps | 3B SCIENTIFIC | W1670 | Maintain in sterile beaker containing 70% ethanol solution |
C57Bl/6 wild type mouse | Purchased from Biotério Central at Federal University of Minas Gerais | Not applicable | Mice must be specific-pathogen-free, age between 6 and 10 weeks. Mice need be accommodated at least one week earlier for recovering from the stress of transportation |
Cell culture flask T175 | GREINER | C7481-50EA | T-175 flask, canted neck, surface area 75 cm2, with filter cap, DNase free, RNase free |
Cell culture flask T75 | GREINER | C7231-120EA | T-75 flask, canted neck, surface area 75 cm2, with filter cap, DNase free, RNase free |
Disinfecting or baby Wipes? | CLOROX | Not applicable | It helps cleaning the bone |
Distilled Water | GIBCO | 15230 | Sterile distilled water |
DMEM/F12-10 | Not applicable | Not applicable | Add 10 mL of Fetal Bovine Serum (FBS) and 1 mL of Penicillin/ Streptomycin (P/S) to DMEM/F12 (q.s.p. 100 mL) |
DMEM/F12-10 + supernatant of L-929 cells | Not applicable | Not applicable | Add 20% of supernatant of L929 cells culture on DMEM/F-12-10 |
Dulbecco′s Modified Eagle′s Medium - F12 (DMEM/F12) | GIBCO | 12500096 | DMEM: F-12 Medium contains 2.5 mM L-glutamine, 15 mM HEPES, 0.5 mM sodium pyruvate, and 1200 mg/L sodium bicarbonate.Resuspend powder to 1 liter of distilled water and add 3,7 g of sodium bicarbonate. Adjust pH to 7,2 and filter with 0,22 µM. Storage at 2 - 8 °C freezer |
Fetal Bovine Serum, certified, heat inactivated, United States (FBS) | GIBCO | 10082147 | Enrichment for DMEM-F12 |
Hemocytometer | SIGMA-ALDRICH | Z359629 | Used to count macrophages at microscopy |
L-929 cells | SIGMA-ALDRICH | ATCC # CCL-1 | L-929 is a lineage of mouse fibroblast cells used as a source of macrophage colony stimulating factor (M-CSF) |
Nikon TI eclipse | NIKON | Not applicable | Nikon TI Eclipse is a fluorescence and phase contrast microscope |
Non-enzymatic cell dissociation solution | CELLSTRIPER (CORNING) | 25-056-CI | Non-enzimatic cell dissociation solution remove macrophages from the plate without damaging them |
Non-treated round culture dishes 100 × 20–mm | CORNING | CLS430591 | Do not use tissue culture treated petri dishes or any tissue culture treated plate |
P3199 Penicillin G Potassium Salt | USBIOLOGICAL | 113-98-4 | Antibiotics |
Penicillin and streptomycin (P/S) solution | Use 0,26 grams of penicillin and 0,40 grams of streptomycin. Mix with 40 mL of sterile PBS. Inside a horizontal laminar flow cabinet, use a 0,22 µM filter and store aliquots of 1.0 mL in 1.5 ml microfuge tubes in the freezer (-20°C) | ||
Phosphate Buffered Saline free from Calcium and Magnesium (PBS) | MEDIATECH | 21-040-CM | Sterile |
S7975 Streptomycin Sulfate, 650-850U/mg | USBIOLOGICAL | 3810-74-0 | Antibiotics |
Serological pipettes of 10mL or 25 mL | SARSTEDT | 861254001 | Serological pipettes is used volumes higher than 1 mL |
Sodium Bicarbonate | SIGMA-ALDRICH | 144-55-8 | pH correction for DMEM-F12 |
Software Nis Elements Viewer | NIKON | Not applicable | NIS-Elements Viewer is a free standalone program to view image files and datasets |
Sterile PBS and 2% of P/S solution | LABORCRIN | 590338 | Add 1 mL of P/S in 40 mL of sterile PBS |
Straight iris scissors | KATENA | Not applicable | Maintain in sterile beaker containing 70% ethanol solution |
Supernatant of L-929 cells | Not applicable | Not applicable | L-929 is a lineage of mouse fibroblast cells used as a source of macrophage colony stimulating factor (M-CSF). L-929 supernatant was obtain from the protocol |
Surgical Scalpel Blade No.24 Stainless Steel | SWANN-MORTON | 311 | Used for exposing epiphysis from bones |
Trypan Blue Solution, 0.4% | GIBCO | 15250061 | Trypan Blue Solution, 0.4%, is routinely used as a cell stain to assess cell viability using the dye exclusion test |
Trypsin/EDTA solution 0,05% | GIBCO | 25300-062 | Used to dissociate cells from culture bottle |
Water for Injection (WFI) for Cell Culture | GIBCO | A12873 | Sterile and endotoxin-free water |
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