Method Article
אנו מציגים שיטה אוטומטית בעלת תפוקה גבוהה לכימות מלכודות נויטרופילים חוץ-תאיות (NETs) באמצעות מערכת ניתוח תאים חיים, יחד עם גישת צבע כפול תלוית חדירות ממברנה.
נויטרופילים הם תאים משושלת מיאלואידית המהווים חלק חיוני של מערכת החיסון המולדת. העשור האחרון חשף תפקידי מפתח נוספים שנויטרופילים ממלאים בפתוגנזה של סרטן, מחלות אוטואימוניות ומצבים דלקתיים חריפים וכרוניים שונים, בכך שהם תורמים לייזום ולהנצחה של חוסר ויסות חיסוני באמצעות מנגנונים מרובים, כולל היווצרות מלכודות נויטרופילים חוץ-תאיות (NETs), שהם מבנים חיוניים להגנה אנטי-מיקרוביאלית. מגבלות בטכניקות לכימות היווצרות רשת באופן בלתי מוטה, ניתן לשחזור ויעיל הגבילו את יכולתנו להבין עוד יותר את תפקידם של נויטרופילים בבריאות ובמחלות. אנו מתארים שיטה אוטומטית, בזמן אמת ובתפוקה גבוהה לכימות נויטרופילים העוברים היווצרות רשת באמצעות פלטפורמת הדמיה של תאים חיים בשילוב עם גישת צבע כפול תלוית חדירות ממברנה, תוך שימוש בשני צבעי דנ"א שונים כדי לדמיין דנ"א תוך-תאי וחוץ-תאי. מתודולוגיה זו מסוגלת לסייע בהערכת הפיזיולוגיה של הנויטרופילים ולבדוק מולקולות שיכולות להתמקד בהיווצרות רשת.
מלכודות נויטרופילים חוץ-תאיות (NETs) הן מבני כרומטין דמויי רשת שנפלטים מנויטרופילים בתגובה לגירויים דלקתיים שונים. NETs מורכבים מדנ"א, היסטונים וחלבונים/פפטידים אנטי-מיקרוביאליים שונים, אשר לוכדים והורגים פתוגנים זיהומיים ומעוררים תגובות דלקתיות1.
בעוד NETs מועילים להגנה על המארח מפני פתוגנים, הם צברו תשומת לב כמניע פוטנציאלי של מחלות אוטואימוניות שונות2, פקקת3, מחלות מטבוליות4, וצמיחה גרורתית של סרטן5. ככזה, עיכוב של היווצרות NET הוא אופציה טיפולית פוטנציאלית עבור מחלות אלה. עם זאת, למרות כמה מולקולות מכוונות NETs מבטיחות בפיתוח6, עדיין אין טיפול מאושר המשפיע באופן ספציפי על מנגנון זה. ניתן לייחס זאת, לפחות חלקית, להיעדר שיטות כימות אובייקטיביות, בלתי מוטות, ניתנות לשחזור ובעלות תפוקה גבוהה ליצירת NET.
הקמנו ודיווחנו על שיטה חדשה המשתמשת בפלטפורמת דימות תאים חיים בצבע כפול 7,8. תמונות בהילוך מהיר של נויטרופילים מוכתמים בצבע גרעיני חדיר לקרום וצבע DNA בלתי חדיר לקרום מנותחות על ידי התוכנה, ומספרי הנויטרופילים לפני ואחרי יצירת NET נספרים במספר נקודות זמן. מאחר ששלמות קרום הפלזמה אובדת במהלך היווצרות הרשת על ידי ויסות פירוק לאמין B בתיווך PKCα ולאמין 9 בתיווך CDK4/6, נויטרופילים יוצרי NET מוכתמים על ידי צבע DNA אטום לקרום בעוד נויטרופילים בריאים אינם. שיטה זו מתגברת על הבעיות של טכניקות שדווחו בעבר לכימות היווצרות NET ומספקת כימות NET בלתי מוטה, תפוקה גבוהה, ניתנת לשחזור ומדויקת באופן אוטומטי.
נויטרופילים מנבדקים אנושיים בריאים התקבלו לאחר שניתנה הסכמה מדעת במסגרת פרוטוקול מאושר של מועצת הביקורת המוסדית של המכונים הלאומיים לבריאות (NIH). הפרוטוקול עוקב אחר הנחיות ועדת האתיקה של המחקר האנושי של NIH.
1. צביעת הנויטרופילים והכנת צלחת הבדיקה
2. צלחת סריקה כדי לדמיין נויטרופילים יוצרי NET
3. הגדרת הגדרת הניתוח לכימות NETs
שיטה זו מספקת ניגודיות פאזה, תמונות פלואורסצנטיות אדומות (צבע חדיר לממברנה) וירוק פלואורסצנטי (צבע אטום לממברנה) שצולמו בכל נקודת זמן. יחד עם תהליך יצירת NET, שינויים מורפולוגיים נצפים בניגודיות פאזה ובתמונות פלואורסצנטיות אדומות, וברגע שהקרום נפרץ, ניתן לראות פלואורסצנטיות ירוקה (איור 1). בניסוי זה, נויטרופילים יוצרי NET הם בדרך כלל עגולים, במקום ליצור מבנה דמוי רשת. הסיבה לכך היא שהרזולוציה של המכונה אינה גבוהה מספיק כדי ללכוד מבנה דמוי רשת עדין וצבע ירוק בלתי חדיר מכתים את הכרומטין לפני שהוא משתחרר ברגע שהקרום נפרץ. הראינו בעבר7 כי ניתן להמחיש NETs באמצעות הדמיה קונפוקלית בלוחות 96 בארות שאוחזרו לאחר דגירה של 4 שעות.
כאשר הגדרת הניתוח מוגדרת כראוי, כל הנויטרופילים בתמונה מסומנים כעצם אדום ונויטרופילים יוצרי NET מסומנים כעצם ירוק (איור 2). המכונה סופרת את מספר העצמים האדומים והירוקים בכל נקודת זמן. מסלול הזמן של היווצרות NET מומחש על-ידי התוויית אחוז הנויטרופילים יוצרי NET בכל נקודת זמן (איור 3). מולקולות פוטנציאליות המכוונות להיווצרות NET (למשל, מעכב AKT) עשויות להיבדק באופן תפוקה גבוהה באמצעות מתודולוגיה זו.
איור 1: שינויים מורפולוגיים בנויטרופילים שעוברים היווצרות רשת. (A) נויטרופילים מדם היקפי אנושי שעוררו ביונופור סידן של 2.5 מיקרומטר במשך 3 שעות. (B) תצוגות מייצגות של תא בודד של תמונת ניגודיות פאזה, תעלה אדומה (צבע גרעיני חדיר לממברנה), תעלה ירוקה (צבע DNA בלתי חדיר לקרום) ותמונה ממוזגת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: תמונות מייצגות המציגות זיהוי תוכנה של נויטרופילים ורשתות מידע. נויטרופילים ממתנדבים בריאים אנושיים עוררו עם 2.5 מיקרומטר סידן יונופור במשך שעה אחת. מוצגות תמונות בשכבת-על של הדמיית ניגודיות פאזה וכל אות או מסיכה. גרעינים הוכתמו בצבע אדום (A) חדיר לקרום, והתוכנה זיהתה וספרה (B) גרעינים שסומנו בכחול בעוד שהגרעינים הוכתמו ב-(C) בצבע ירוק אטום לקרום והתוכנה סימנה אותם כ-(D) סגול. אם (E) חישת יתר או (F) תחת חישה מתרחשת, ייתכן שיהיה צורך לשנות את הפרמטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: מהלך הזמן של אחוז הנויטרופילים יוצרי NET. נויטרופילים עוררו על ידי 25 ננומטר פורבול 12-מיריסטט 13-אצטט (PMA) או 2.5 מיקרומטר סידן יונופור כדי לגרום ל-NETs או נותרו ללא גירוי בסל"ד. תוספת של מעכב AKT 30 מיקרומטר נעשתה כדי לחסום היווצרות NET. התמונות הושגו על ידי התוכנה כל 20 דקות במשך 6 שעות. אחוז התאים יוצרי NET חושב על ידי חלוקת ספירת העצמים הירוקים (= מספר התאים יוצרי NET) בספירת העצמים האדומים (= מספר כל הנויטרופילים). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
לשיטות הנוכחיות לכימות NETs ex vivo יש מספר חסרונות המגבילים את יכולתנו לחקור נויטרופילים, NETs ומטרות טיפוליות פוטנציאליות באופן בלתי משוחד ובתפוקה גבוהה10,14. לדוגמה, ספירה ישירה של תאים יוצרי NET לאחר צביעה אימונופלואורסצנטית, הנחשבת לתקן הזהב לכימות NETs, היא תפוקה נמוכה ותלויה בראייה הסובייקטיבית של המפעיל. בדיקת לוחות המזהה את הפלואורסצנטיות של צבע DNA בלתי חדיר לקרום מכמתת דנ"א חוץ-תאי כסמן חלופי של NETs באופן אובייקטיבי ובתפוקה גבוהה, אך מכיוון שלא ניתן להשיג מידע מורפולוגי בשיטה זו, שחרור DNA על ידי סוגים אחרים של מוות תאי עשוי להיחשב בטעות כ- NETs. מצד שני, השיטה מספקת תפוקה גבוהה וכימות אובייקטיבי של NETs7. בהתחשב בכך שניתן לקבל מידע על שינויים מורפולוגיים של נויטרופילים ועל מהלך הזמן שלהם, NETs מופלים במדויק מסוגים אחרים של מוות תאי. מאמרים אחרונים הציעו תפקיד פתוגני של NETs במחלות שונות 2,3,4,5, ועיכוב של NETs נחשב כיום כיעד טיפול מבטיח פוטנציאלי 6. השיטה תועיל לחקור מולקולות מרובות המכוונות ל-NET בצורה מהירה ונטולת פניות.
ישנן מספר נקודות מפתח לכימות מוצלח. בחירת צבע קושר DNA חדיר לקרום היא גורם חשוב מאוד להדמיה נכונה. חלק מהצבעים הם ציטוטוקסיים, ולצבעים אחרים לוקח זמן לחלחל לגרעינים. מכיוון שהיווצרות הרשת מהירה יחסית, הצבע חייב לחלחל לגרעינים במהירות. בחרנו בצבע אדום גרעיני (ראו טבלת חומרים) תוך התחשבות בגורמים אלה. מספר התאים בכל באר חשוב גם לספירה מדויקת. אם הוא צפוף מדי, אותות ירוקים ואדומים של כל נויטרופיל יחפפו זה לזה, מה שמקשה על ספירה נפרדת של כל נויטרופיל.
ישנן מספר מגבלות לשיטה זו. בעוד השונות בתוך המבחן מצוינת בבדיקה זו, השונות בין הבדיקות אינה ברורה. הסיבה לכך היא שנויטרופילים, גם כאשר הם מבודדים מאותו תורם כאשר כל התנאים נשמרים עקביים, פועלים באופן שונה בימים שונים ועשויה להיות שונות מסוימת בין בדיקות שבוצעו ביום אחר. לכן, אם יש צורך לשלב נתונים מימים שונים, יש צורך לתכנן בקפידה את הבדיקה: למשל, לכלול את אותו מספר דגימות ממחלות וקבוצות ביקורת בכל יום. בנוסף, למרות שההערכה של היווצרות NET היא אובייקטיבית לאחר הגדרת הגדרת הניתוח (שלב 3), הגדרת ההגדרה עצמה תלויה במידת מה בהשקפה הסובייקטיבית של כל אופרטור. שלבים 3.3 ו-3.4 הם הצעדים הקריטיים לשלילת שיפוטים סובייקטיביים ולשמירה על שונות בין מבחנים קטנה ככל האפשר. כמו כן, בקרה חיובית (למשל, נויטרופילים המעוררים על ידי PMA של 500 ננומטר או 2.5 מיקרומטר סידן יונופור) חייבת להיכלל בכל פעם, כדי להגדיר את החיתוך המתאים לספירת כל ה- NETs.
מצד שני, יש לציין כי סוגים אחרים של מוות תאי עשויים להיחשב NETs. כאשר קרום התא נפרץ, או דנ"א משתחרר לחלל החוץ תאי, אותות ירוקים נצפים. כאשר תאים עוברים מוות של תאים נמקיים או תאים אפופטוטיים עוברים נמק משני, הדנ"א שלהם יוכתם בצבע ירוק7. כדי למנוע הכללה לא מדויקת של סוגים אלה של מוות תאי, יש לקחת בחשבון את מהלך הזמן ואת השינויים המורפולוגיים. בעוד שבדרך כלל לוקח יותר מ-8 שעות לתאים אפופטוטיים לבצע נמק משני, היווצרות נטו מגיעה לשיאה בין 3-6 שעות לאחר גירוי15. שינויים מורפולוגיים ברורים ניתן לראות על ידי הדמיית ניגודיות פאזה, אשר מועילה להתמיינות של סוג מוות התא7.
בסך הכל, השיטה מאפשרת לנו לכמת במדויק NETs בתפוקה גבוהה ובאופן אובייקטיבי.
לסופרים אין אינטרסים כלכליים מתחרים.
אנו מודים למדור דימות אור במשרד המדע והטכנולוגיה במכון הלאומי לדלקת פרקים ומחלות שרירים ושלד ועור של המכונים הלאומיים לבריאות. מחקר זה נתמך על ידי תוכנית המחקר Intramural של המכון הלאומי לדלקת פרקים ומחלות שרירים ושלד ועור של המכונים הלאומיים לבריאות (ZIA AR041199).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
AKT inhibitor | Calbiochem | 124028 | |
Clear 96-well plate | Corning | 3596 | |
Live cell analysis system | Sartorius | N/A | Incucyte Software (v2019B) |
Membrane-impermeable DNA green dye | Thermo Fisher Scientific | S7020 | |
Nuclear red dye | Enzo | ENZ-52406 | Neutrophil pellet becomes bluish after staining. |
RPMI | Thermo Fisher Scientific | 11835030 | Phenol red containig RPMI can be used. |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved