Method Article
Presentiamo un metodo automatizzato ad alto rendimento per quantificare le trappole extracellulari dei neutrofili (NET) utilizzando il sistema di analisi delle cellule vive, accoppiato con un approccio a doppio colorante dipendente dalla permeabilità della membrana.
I neutrofili sono cellule di linea mieloide che costituiscono una parte cruciale del sistema immunitario innato. L'ultimo decennio ha rivelato ulteriori ruoli chiave che i neutrofili svolgono nella patogenesi del cancro, delle malattie autoimmuni e di varie condizioni infiammatorie acute e croniche, contribuendo all'inizio e alla perpetuazione della disregolazione immunitaria attraverso molteplici meccanismi, tra cui la formazione di trappole extracellulari per neutrofili (NET), che sono strutture cruciali nella difesa antimicrobica. I limiti delle tecniche per quantificare la formazione di NET in modo imparziale, riproducibile ed efficiente hanno limitato la nostra capacità di comprendere ulteriormente il ruolo dei neutrofili nella salute e nelle malattie. Descriviamo un metodo automatizzato, in tempo reale e ad alto rendimento per quantificare i neutrofili sottoposti a formazione di NET utilizzando una piattaforma di imaging di cellule vive accoppiata con un approccio a doppio colorante dipendente dalla permeabilità della membrana che utilizza due diversi coloranti di DNA per visualizzare il DNA intracellulare ed extracellulare. Questa metodologia è in grado di aiutare a valutare la fisiologia dei neutrofili e testare molecole in grado di colpire la formazione di NET.
Le trappole extracellulari dei neutrofili (NET) sono strutture di cromatina simili a ragnatele estruse dai neutrofili in risposta a vari stimoli infiammatori. I NET sono composti da DNA, istoni e varie proteine/peptidi antimicrobici, che intrappolano e uccidono gli agenti patogeni infettivi e invocano risposte infiammatorie1.
Sebbene i NET siano utili per la difesa dell'ospite contro gli agenti patogeni, hanno attirato l'attenzione come potenziale motore di varie malattie autoimmuni2, trombosi3, malattie metaboliche4 e crescita metastatica dei tumori5. In quanto tale, l'inibizione della formazione di NET è una potenziale opzione terapeutica per queste malattie. Tuttavia, nonostante alcune promettenti molecole mirate ai NET in fase di sviluppo6, non esiste ancora una terapia approvata che influisca specificamente su questo meccanismo. Ciò è, almeno in parte, attribuibile alla mancanza di metodi di quantificazione oggettivi, imparziali, riproducibili e ad alto rendimento per la formazione di NET.
Abbiamo stabilito e segnalato un nuovo metodo che utilizza una piattaforma di imaging a due colori su cellule vive 7,8. Le immagini time-lapse di neutrofili colorati con colorante nucleare permeabile alla membrana e colorante DNA impermeabile alla membrana vengono analizzate dal software e il numero di neutrofili pre e post-formazione di NET viene conteggiato in più punti temporali. Poiché l'integrità della membrana plasmatica viene persa durante la formazione di NET dalla regolazione deldisassemblaggio della lamina B mediata da PKCα e della lamina A/C mediata da CDK4/6 CDK4/6 9, i neutrofili che formano NET sono colorati da un colorante di DNA impermeabile alla membrana, mentre i neutrofili sani non lo sono. Questo metodo supera i problemi delle tecniche precedentemente riportate per quantificare la formazione di NET e fornisce una quantificazione imparziale, ad alto rendimento, riproducibile e accurata di NET in modo automatizzato.
I neutrofili da soggetti umani sani sono stati ottenuti dopo che il consenso informato è stato fornito secondo il protocollo approvato dall'Institutional Review Board (IRB) del National Institutes of Health (NIH). Il protocollo segue le linee guida del comitato etico per la ricerca umana del NIH.
1. Colorazione dei neutrofili e preparazione della piastra di analisi
2. Piastra di scansione per visualizzare i neutrofili che formano NET
3. Impostazione della definizione di analisi per quantificare i NET
Questo metodo fornisce immagini a contrasto di fase, fluorescenti rosse (colorante permeabile alla membrana) e fluorescenti verdi (colorante impermeabile alla membrana) scattate in ogni punto temporale. Insieme al processo di formazione del NET, si osservano cambiamenti morfologici nelle immagini a contrasto di fase e fluorescenti rosse e, una volta violata la membrana, si può osservare la fluorescenza verde (Figura 1). In questo saggio, i neutrofili che formano NET sono generalmente rotondi, invece di formare una struttura simile a una ragnatela. Questo perché la risoluzione della macchina non è abbastanza alta da catturare la struttura sottile simile a una ragnatela e il colorante verde impermeabile alla membrana colora la cromatina prima che venga rilasciata una volta che la membrana viene violata. Abbiamoprecedentemente dimostrato che i NET possono essere visualizzati mediante l'uso di imaging confocale nelle piastre a 96 pozzetti recuperate dopo 4 ore di incubazione.
Quando la definizione dell'analisi è impostata in modo appropriato, tutti i neutrofili nell'immagine sono contrassegnati come oggetto rosso e i neutrofili che formano NET sono contrassegnati come oggetto verde (Figura 2). La macchina conta il numero di oggetti rossi e verdi in ogni punto temporale. L'andamento temporale della formazione di NET viene visualizzato tracciando la percentuale di neutrofili che formano NET in ogni punto temporale (Figura 3). Le potenziali molecole che mirano alla formazione di NET (ad esempio, l'inibitore di AKT) possono essere testate in modo ad alto rendimento utilizzando questa metodologia.
Figura 1: Cambiamenti morfologici nei neutrofili in fase di formazione di NET. (A) Neutrofili del sangue periferico umano che sono stati stimolati con ionoforo di calcio 2,5 μM per 3 ore. (B) Viste rappresentative a singola cellula dell'immagine a contrasto di fase, del canale rosso (colorante nucleare permeabile alla membrana), del canale verde (colorante del DNA impermeabile alla membrana) e dell'immagine fusa. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Immagini rappresentative che mostrano il riconoscimento software di neutrofili e NET. I neutrofili di volontari sani umani sono stati stimolati con ionoforo di calcio da 2,5 μM per 1 ora. Vengono mostrate le immagini sovrapposte dell'imaging a contrasto di fase e ciascun segnale o maschera. I nuclei sono stati colorati con (A) colorante rosso permeabile alla membrana e il software ha riconosciuto e contato (B) i nuclei contrassegnati in blu mentre i NET sono stati colorati con (C) colorante verde impermeabile alla membrana e il software li ha contrassegnati come (D) viola. Se si verifica (E) sovrarilevamento o (F) sottorilevamento, potrebbe essere necessario modificare il parametro. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Andamento temporale della percentuale di neutrofili che formano NET. I neutrofili sono stati stimolati da 25 nM di forbolo 12-miristato 13-acetato (PMA) o 2,5 μM di ionoforo di calcio per indurre NET o lasciati non stimolati in RPMI. L'aggiunta di 30 μM di inibitore AKT è stata effettuata per bloccare la formazione di NET. Le immagini sono state ottenute dal software ogni 20 minuti per 6 ore. La percentuale di cellule che formano NET è stata calcolata dividendo il numero di oggetti verdi (= il numero di cellule che formano NET) per il numero di oggetti rossi (= il numero di tutti i neutrofili). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Gli attuali metodi per quantificare i NET ex vivo presentano diversi inconvenienti che limitano la nostra capacità di studiare neutrofili, NET e potenziali bersagli terapeutici in modo imparziale e ad alto rendimento10,14. Ad esempio, il conteggio diretto delle cellule che formano NET dopo la colorazione immunofluorescente, considerato il gold standard per la quantificazione dei NET, è a basso rendimento e dipende dalla visione soggettiva dell'operatore. Un saggio su piastra che rileva la fluorescenza del colorante DNA impermeabile alla membrana quantifica il DNA extracellulare come marcatore surrogato dei NET in modo oggettivo e ad alto rendimento, ma poiché le informazioni morfologiche non possono essere ottenute con questo metodo, il rilascio di DNA da parte di altri tipi di morte cellulare può essere erroneamente considerato come NET. D'altra parte, il metodo fornisce un'elevata produttività e una quantificazione oggettiva dei NET7. Dato che è possibile ottenere informazioni sui cambiamenti morfologici dei neutrofili e sul loro decorso temporale, i NET sono accuratamente discriminati da altri tipi di morte cellulare. Recenti studi hanno suggerito un ruolo patogenetico dei NET in varie malattie 2,3,4,5 e l'inibizione dei NET è attualmente considerata un bersaglio terapeutico potenzialmente promettente6. Il metodo sarà utile per esplorare più molecole mirate a NET in modo rapido e imparziale.
Ci sono diversi punti chiave per una quantificazione di successo. La scelta del colorante legante il DNA permeabile alla membrana è un fattore molto importante per un corretto imaging. Alcuni coloranti sono citotossici e altri coloranti impiegano tempo per penetrare nei nuclei. Poiché la formazione di NET è relativamente rapida, il colorante deve penetrare rapidamente nei nuclei. Abbiamo scelto un colorante rosso nucleare (vedi Tabella dei Materiali) tenendo conto di questi fattori. Anche il numero di cellule in ogni pozzetto è importante per un conteggio accurato. Se è troppo affollato, i segnali verdi e rossi di ciascun neutrofilo si sovrapporranno l'uno all'altro, il che rende difficile contare separatamente ogni neutrofilo.
Ci sono alcune limitazioni a questo metodo. Mentre la variabilità intra-saggio è eccellente in questo test, la variabilità tra i saggi non è chiara. Questo perché i neutrofili, anche se isolati dallo stesso donatore con tutte le condizioni mantenute coerenti, agiscono in modo diverso in giorni diversi e ci possono essere alcune variazioni tra i test eseguiti in un altro giorno. Pertanto, se è necessario combinare i dati di giorni diversi, è necessario progettare attentamente il test: ad esempio, includere lo stesso numero di campioni provenienti da gruppi di malattia e di controllo in ogni giorno. Inoltre, sebbene la valutazione della formazione NET sia oggettiva una volta definita la definizione dell'analisi (fase 3), l'impostazione della definizione stessa dipende in qualche modo dal punto di vista soggettivo di ciascun operatore. Le fasi 3.3 e 3.4 sono le fasi critiche per escludere i giudizi soggettivi e mantenere la variabilità tra i saggi il più piccola possibile. Inoltre, ogni volta deve essere incluso un controllo positivo (ad esempio, neutrofili stimolati da 500 nM di PMA o 2,5 μM di ionoforo di calcio), per impostare il cut-off appropriato per contare tutti i NET.
D'altra parte, va notato che altri tipi di morte cellulare possono essere conteggiati come NET. Quando la membrana cellulare viene violata o il DNA viene rilasciato nello spazio extracellulare, si osservano segnali verdi. Quando le cellule subiscono la morte delle cellule necrotiche o le cellule apoptotiche subiscono necrosi secondaria, il loro DNA sarà colorato dal colorante verde7. Per evitare di includere in modo impreciso questi tipi di morte cellulare, è necessario considerare il decorso temporale e i cambiamenti morfologici. Mentre di solito ci vogliono più di 8 ore perché le cellule apoptotiche eseguano la necrosi secondaria, la formazione di NET raggiunge il picco tra 3-6 ore dopo la stimolazione15. Cambiamenti morfologici distinti possono essere osservati dall'imaging a contrasto di fase, che è utile per la differenziazione del tipo di morte cellulare7.
Nel complesso, il metodo ci consente di quantificare con precisione i NET in modo oggettivo e ad alto rendimento.
Gli autori non hanno interessi finanziari concorrenti.
Ringraziamo la Sezione di Imaging Luminoso dell'Ufficio di Scienza e Tecnologia dell'Istituto Nazionale di Artrite e Malattie Muscoloscheletriche e della Pelle del National Institutes of Health. Questa ricerca è stata supportata dal Programma di Ricerca Intramurale del National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases del National Institutes of Health (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. |
Richiedi autorizzazione per utilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE
Richiedi AutorizzazioneThis article has been published
Video Coming Soon