Method Article
* Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen
Dieses Protokoll beschreibt die Isolierung von pulmonalen interstitiellen Makrophagen (IMs) und deren adoptiven Transfer nach IL-33-Stimulation der Lungenbläschen in einem Mausmodell, was die In-vivo-Untersuchung der idiopathischen Lungenfibrose (IPF) erleichtern kann.
Die Entzündungsreaktion, die durch eine frühe Lungenschädigung verursacht wird, ist eine der wichtigsten Ursachen für die Entwicklung einer idiopathischen Lungenfibrose (IPF), die mit der Aktivierung von Entzündungszellen wie Makrophagen und Neutrophilen sowie der Freisetzung von Entzündungsfaktoren wie TNF-α, IL-1β und IL-6 einhergeht. Es ist bekannt, dass eine frühe Entzündung, die durch aktivierte pulmonale interstitielle Makrophagen (IMs) als Reaktion auf die IL-33-Stimulation verursacht wird, eine wichtige Rolle im pathologischen Prozess der IPF spielt. Dieses Protokoll beschreibt den adoptiven Transfer von IMs, die durch IL-33 stimuliert werden, in die Lunge von Mäusen, um die IPF-Entwicklung zu untersuchen. Es beinhaltet die Isolierung und Kultivierung von primären IMs aus der Lunge der Wirtsmaus, gefolgt von der adoptiven Übertragung von stimulierten IMs in die Alveolen von Bleomycin-induzierten IPF-Empfängermäusen (die zuvor durch die Behandlung mit Clodronat-Liposomen an Alveolarmakrophagen erschöpft waren) und die pathologische Bewertung dieser Mäuse. Die repräsentativen Ergebnisse zeigen, dass der adoptive Transfer von IL-33-stimulierten Makrophagen die Lungenfibrose bei Mäusen verschlimmert, was darauf hindeutet, dass die Etablierung des Makrophagen-Adoptivtransfer-Experiments ein gutes technisches Mittel zur Untersuchung der IPF-Pathologie ist.
Die idiopathische Lungenfibrose (IPF) ist eine diffuse pulmonale entzündliche Erkrankung, die durch viele Faktoren verursacht wird1. In der Zytokin-Mikroumgebung der Th1- und Th2-Immunantwort können Makrophagen in klassisch aktivierte Makrophagen (M1) und alternativ aktivierte Makrophagen (M2) polarisiert werden. Lipopolysaccharide (LPS) oder das Zytokin IFN-γ induzieren M1-Makrophagen, um proinflammatorische Zytokine, einschließlich iNOS, IL-1, IL-6, TNF-α und IL-12, zu polarisieren und zu produzieren. Im Gegensatz dazu treiben die Typ-II-Zytokine IL-4 und IL-13 die Polarisation von M2-Makrophagen an, die verschiedene wachstumsfördernde Faktoren wie TGF-β und PDGF produzieren können, die die Lungenfibrosefördern 2. Der pathologische Prozess der IPF wird von der Aktivierung und Infiltration von Makrophagen begleitet. IPF vermittelt die Reparatur von Verletzungen, Entzündungen und Fibrose durch die Freisetzung von Zytokinen3. Da nur begrenzte Therapiemöglichkeiten zur Verfügung stehen, ist die Erforschung der molekularpathologischen Mechanismen der IPF von großer Bedeutung für die Entwicklung neuer Strategien zur Prävention und Behandlung von IPF. Frühere Studien unserer Gruppe und anderer Forscher 4,5 haben die erhöhte Freisetzung von IL-33 bei IPF-Patienten und in Mausmodellen mit Bleomycin (BLM)-induziertem IPF bestätigt. IL-33 wird während der Fibrose von den Epithel- und Endothelzellen freigesetzt und ist an der Aktivierung von Makrophagen beteiligt, was zu einer abnormalen Proliferation von Fibroblasten, einer Leukozyteninfiltration und schließlich zum Verlust der Lungenfunktion führt5. Das aktuelle Protokoll beschreibt den adoptiven Transfer von IL-33-stimulierten interstitiellen Makrophagen (IMs) in die Alveolen als Mittel zur Untersuchung der IPF-Entwicklung in Mausmodellen. Hier wurden IMs aus dem Lungengewebe von Wirtsmäusen isoliert, in vitro kultiviert, 24 h lang mit IL-33 stimuliert und dann adoptiv durch Trachealinjektion in die Alveolen der Empfängermäuse übertragen. Es wurde festgestellt, dass die direkte Entnahme von stimulierten Mausmakrophagen und deren adoptiver Transfer in die Empfängeralveolen den Grad der Lungenfibrose verschlimmert und den Einfluss stimulierender Faktoren auf die Fibrose im Vergleich zu den vorherigen Studien deutlicher veranschaulichenkann 6. Die in dieser Arbeit beschriebene Technik kann es Forschern ermöglichen, die Funktion von Makrophagen, die durch potenzielle Zytokine stimuliert werden, bei der Entwicklung von IPF zu untersuchen.
Alle Experimente wurden in Übereinstimmung mit dem Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Versuchstieren durchgeführt. Alle Tierversuche wurden von der Ethikkommission für experimentellen Tierschutz der Universität Jiangnan genehmigt (JN Nr. 20211,130m1720615[501]).
HINWEIS: Insgesamt wurden in dieser Studie 10 männliche C57BL/6-Mäuse im Alter von 6-8 Wochen und einem Gewicht von 20-25 g verwendet. Die drei Versuchsgruppen in der Studie umfassten jeweils drei Empfängermäuse, und eine Wirtsmaus wurde für die IM-Isolierung verwendet.
1. Erschöpfung der Lungenmakrophagen der Maus
2. Isolation und Kultur von IMs
3. Adoptive Übertragung von IMs in die Lungenbläschen
Das hier verwendete Protokoll ist im Flussdiagramm in Abbildung 1 zusammengefasst. Die Inhalation von Clodronat-Liposomen durch die Nase (Abbildung 2) wurde verwendet, um die Lungenmakrophagen von erwachsenen C57BL/6-Mäusen zu erschöpfen, und dies führte zu einem guten Empfänger-Mausmodell. Pulmonale IMs wurden von einer anderen unbehandelten (Wirts-)Maus isoliert (Abbildung 3A, B) und in vitro kultiviert. Die isolierten Makrophagen wurden 24 h lang mit IL-33 stimuliert und dann intratracheal in die Empfängermäuse eingeträufelt (Abbildung 3C), wobei nicht stimulierte Makrophagen als Kontrolle verwendet wurden. Nach 24 Stunden wurde den Empfängermäusen BLM verabreicht, um ein Lungenfibrosemodell zu induzieren. Das Ausmaß der Lungenfibrose nach dem adoptiven Transfer von IMs mit oder ohne IL-33-Stimulation wurde 21 Tage nach BLM-Verabreichung verglichen. Die Hämatoxylin- und Eosin (H&E)-Färbung der pathologischen Gewebeschnitte zeigte, dass die typischen pathologischen Veränderungen der Fibrose nach BLM-Verabreichung beobachtet wurden: Die Lungengewebestruktur der Mäuse wurde zerstört, die Aggregation von Fibroblasten wurde beobachtet und die normalen Alveolen verschwanden oder nahmen ab. Der adoptive Transfer von IL-33-stimulierten Makrophagen verschlimmerte den Grad der Zerstörung des Lungengewebes und erhöhte die Fibroblastenaggregation bei den BLM-stimulierten Mäusen (Abbildung 4A). Der Anstieg des Ashcroft-Scores veranschaulichte den Grad der Lungenfibrose weiter (Abbildung 4B). Der pathologische Prozess der Lungenfibrose ist mit der erhöhten Aggregation von Myofibroblasten verbunden, die α-glattes Muskelaktin (α-SMA) und Fibronektin absondern. Die Bestimmung der Expressionsniveaus dieser Marker zeigte, dass die mRNA-Spiegel von α-SMA (Abbildung 5B) und Fibronektin (Abbildung 5A) im Lungengewebe der Empfängermäuse, die adoptiv übertragene IL-33-stimulierte IMs enthielten und mit BLM behandelt wurden, im Vergleich zu denen der BLM-behandelten Wildtyp-Mäuse weiter erhöht waren.
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Etablierung des Makrophagen-Adoptivtransfer-Experiments. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: Depletion von Makrophagen in den Empfängermäusen. Die Clodronat-Liposomen wurden in die Nasenhöhle der Mäuse getropft. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Isolierung und adoptiver Transfer von interstitiellen Makrophagen . (A) Die untere Hohlvene der Wirtsmaus wurde durchtrennt, um die Durchblutung zu erleichtern. (B) Das Lungengewebe der Wirtsmaus wurde in kleine Stücke geschnitten. (C) Die interstitiellen Makrophagen wurden mittels Durchflusszytometrie mit F4/80- und CD11c-Markern zu 94% gereinigt. (D) IL-33-stimulierte IMs wurden den Empfängermäusen über die Luftröhre verabreicht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Die Wirkung des adoptiven Transfers von IL-33-stimulierten Makrophagen in den BLM-stimulierten Mäusen. (A) H&E-Färbung von Lungengewebeschnitten der Empfängermäuse. Maßstabsbalken = 100 μm. (B) Ashcroft-Scores, die aus den Lungengewebeschnitten der Empfängermäuse bestimmt wurden. Die Daten werden als Mittelwert ± SEM (n = 3) angezeigt. *p < 0,05, **p < 0,01. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 5: Expressionsniveaus von Lungenfibrose-Markergenen in den Empfängermäusen. (A) Der mRNA-Spiegel von Fibronektin. (B) Der mRNA-Spiegel von α-SMA. Die Daten werden als Mittelwert ± SEM (n = 3) angezeigt. *p < 0,05, **p < 0,01. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Ergänzende Abbildung 1: Depletion von Alveolarmakrophagen und Reinheit von IMs. (A) Die Depletion der Alveolarmakrophagen wurde durch die Überprüfung der Expression von F4/80- und CD11b-Markern bestätigt. (B) Die Reinheit der erhaltenen IMs wurde mittels Durchflusszytometrie mit Färbung für F4/80- und CD11c-Marker beurteilt, und die Reinheit der isolierten IMs wurde mittels Durchflusszytometrie auf 94,4 % bestimmt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Diese Studie bietet eine effektive Methode zum Abbauen, Isolieren, Kultivieren und Übertragen von Makrophagen, die bei der Untersuchung der Mechanismen der Lungenfibrose bei Mäusen helfen kann. Es gibt viele Methoden zur Verarmung von Mausmakrophagen, wie z. B. die Verabreichung von Trachealgefäßen, die Injektion von Schwanzvenen und die Naseninhalation11. Diese Studie optimierte die nasale Inhalationsmethode, die einfach zu bedienen ist und Lungenmakrophagen effektiv abbauen kann 8,9. Nach der IL-33-Stimulation von IMs in Kultur für 24 h wurden die IMs adoptiv auf die Lungen der Empfängermäuse übertragen, wobei ein nicht-invasiver trachealer Verabreichungsweg verwendet wurde, der das geringste Trauma für die Mäuse verursachte. Während der Intubation wurde eine Anästhesiedauer von >20 Minuten angewendet, um den reibungslosen Verlauf der Intubation zu gewährleisten, was die Überlebensrate der Mäuse erheblich verbesserte. Die anfängliche tracheale Verabreichung einer 50-μl-IM-Suspension erfordert eine Mikropipette, um die Genauigkeit der Verabreichung zu gewährleisten. Nach der Trachealverabreichung sollten sofort 500 μl Luft mit einer 1-ml-Spritze in die Lunge gegeben werden, um sicherzustellen, dass die Zellsuspension im Katheter vollständig in das Lungengewebe eindringen kann. Obwohl diese Methode die Alveolarmakrophagen beseitigt, können im Verlauf der Erkrankung auch Makrophagen aus anderen Teilen der Maus in die Alveolen wandern und so den Anteil der in die Alveolen übertragenen Zellen verdünnen. Daher müssen Experimente mit strengen Anforderungen an den Anteil der übertragenen Zellen andere Methoden weiter erforschen.
Lungenmakrophagen spielen eine wichtige Rolle bei der Abwehrfunktion der Lunge12,13. Von diesen exprimieren Alveolarmakrophagen hauptsächlich die Marker F4/80 und CD11b, während interstitielle Makrophagen hauptsächlich F4/80 und CD11c12 exprimieren. IMs wurden in dieser Studie für den adoptiven Transfer ausgewählt, da der Prozess 5 x 105 Zellen erforderte und IMs einen Hauptteil der Lungenmakrophagen ausmachen, wodurch sie leichter zu erhalten sind. Eine Vielzahl von Studien hat gezeigt, dass Makrophagen die Entzündungsreaktion regulieren, indem sie Entzündungsfaktoren freisetzen und eine wichtige Rolle im pathologischen Prozess der Lungenfibrose spielen14. Studien haben gezeigt, dass IL-33 TGF-β und andere Zytokine reguliert, um die Funktion von Makrophagen zu regulieren, was die BLM-induzierte Lungenfibrosefördert 4. Daher spielen induzierte Veränderungen der Makrophagenfunktion eine wichtige Rolle bei der Pathogenese der Lungenfibrose. Diese Studie bietet eine Methode für den adoptiven Transfer von IMs, die Forschern helfen kann, die Rolle von Makrophagen bei Lungenerkrankungen wie Asthma und IPF weiter zu erforschen. Es gibt derzeit kein wirksames therapeutisches Medikament für IPF, aber diese Studie deutet darauf hin, dass der Faktor IL-33 für die Erforschung und Behandlung der idiopathischen Lungenfibrose relevant sein kann und somit eine Richtung für die weitere Erforschung der Lungenfibrose-Medikamentenforschung vorgibt. Zum Beispiel kann ein neutralisierender Antikörper gegen IL-33 hergestellt werden, um seine Wirkung und Machbarkeit als experimentelles IPF-Medikament zu erforschen und damit eine wichtige Richtung für die Behandlung der idiopathischen Lungenfibrose zu liefern.
Die Autoren haben keine konkurrierenden finanziellen Interessen.
Die Autoren würdigen das Special Topic of Laboratory Management der Jiangnan University: Construction of Digital Slice Library Based on Pathological Specimens (JDSYS202223) und der National Natural Science Foundation of China (81800065).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
DMEM | Life technologies Biotechnology,USA | 1508012 | |
Arterial indwelling needle | B Braun Melsingen AG,Germany | 21G15G8393 | |
BD Accuri C6 Plus | Becton Dickinson,USA | ||
Bleomycin | Biotang, USA | Ab9465 | |
Carbon dioxide incubator | Thermo Forma, USA | Thermo Forma370 | |
CD11b | R&D Systems,USA | 1124F | |
CD11c | R&D Systems,USA | N418 | |
Cell culture dish | Thermo Forma, USA | 174926 | |
Clodronate liposomes | Clodronate liposomes,Netherlands | CI-150-150 | |
Collagenase A | Sigma-Aldrich, USA | 10103578001 | |
F4/80 | R&D Systems,USA | 521204 | |
Falcon Cell Strainer | Becton,Dickinson and Company, USA | 352340 | |
Fetal bovine serum (FBS) | Life technologies,USA | 1047571 | |
Hematoxylin Eosin | Nanjing Jiancheng Technology,China | 06-570 | |
LightCycler 480 PCR detection system | Roche, USA | ||
Murine recombinant factor IL-33 | Peprotech, USA | 210-33 | |
Nikon microscope | Nikon Corporation, Japan | 941185 | |
Penicillin, streptomycin | Life technologies,USA | 877113 | |
Phosphate buffer (PBS) | Guangdong Huankai Microbial Technology ,China | 1535882 | |
RBC lysis buffer | Beyotime Biotechnology Company,China | C3702 | |
RNA Isolater | Vazyme company,China | R401-01-AA | Total RNA extraction reagent |
RWD Inhalation Anesthesia Machine | Shenzhen Rayward Life Technology ,China | R500 | |
Semi-automatic paraffin slicer | Leica, Germany | LeicaRM2245 | |
SYBR Premix Ex Taq | Takara, Japan | 410800 | |
Trypsin 0.25% | Life Technologies, USA | 1627172 |
An erratum was issued for: Adoptive Transfer of IL-33-Stimulated Macrophages into Bleomycin-Induced Mouse Models to Study Their Effect on Idiopathic Pulmonary Fibrosis In Vivo. The Protocol section was updated.
Step 2.1 of the Protocol was updated from:
Anesthetize the host mouse with 3% isoflurane, and then euthanize it by cervical dislocation. Disinfect the skin of the euthanized mouse with 75% alcohol and iodine. Use scissors to cut through the skin and expose the cardiopulmonary tissue
to:
Anesthetize the host mouse with an intraperitoneal injection of Ketamine (120 mg/kg) and Xylazine (16 mg/kg). Confirm the depth of anesthesia via loss of the toe pinch reflex. Apply veterinary ointment to both eyes to prevent dryness under anesthesia. Then, disinfect the skin of the anesthetized mouse with 75% alcohol and iodine. Use scissors to cut through the skin and expose the cardiopulmonary tissue
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