本方案描述了流式细胞术检测方法,可用于评估毒素暴露对斑马鱼白细胞不同亚群内吞功能的影响。在检测中使用特异性功能抑制剂,可区分发生改变的内吞机制。
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本方案描述了流式细胞术检测方法,可用于评估毒素暴露对斑马鱼白细胞不同亚群内吞功能的影响。在检测中使用特异性功能抑制剂,可区分发生改变的内吞机制。
多种生物毒素可能以有害浓度存在于水生环境中。蓝藻是一类多样化的原核微生物,可在水生环境中产生蓝藻毒素。这些生物毒素可能是肝毒素、皮肤毒素或神经毒素,可影响鱼类和哺乳动物。在高浓度下,这些化合物具有致命性;在非致死浓度下,它们则隐匿地发挥作用,影响免疫细胞功能。藻类产生的生物毒素包括微囊藻毒素和鱼腥藻毒素A。水生动物还可能摄食被肉毒梭菌(Clostridium botulinum)产生的肉毒神经毒素E型(BoNT/E)污染的物质,从而导致死亡或免疫功能下降。斑马鱼可用于研究毒素如何影响免疫细胞功能。在这些研究中,毒素暴露可在体内(in vivo)或体外(in vitro)进行。in vivo 研究先将斑马鱼暴露于毒素,然后分离细胞,该方法可揭示组织微环境对白细胞功能的影响。in vitro 研究则先分离细胞,再将细胞置于培养孔中进行毒素暴露。白细胞通过肾脏髓质提取后,经密度梯度离心获得。白细胞如何内化病原体由内吞机制决定。流式细胞术吞噬功能检测可用于判断毒素暴露是否改变了内吞机制。目前尚缺乏利用分离白细胞研究毒素导致免疫功能障碍机制的研究。本文所述方法将使实验室能够利用斑马鱼研究环境毒素降低免疫细胞内吞功能时所影响的相关机制。
环境中存在多种生物毒素和免疫抑制剂。含有细菌毒素的藻类水华可出现在内陆水域,也可形成生物膜1。蓝藻(蓝绿藻)天然存在于所有淡水生态系统中,近年来在淡水系统中的水华现象显著增加2。在特定条件下,蓝藻可产生对水生和陆生动物有害的毒素。这些毒素可能影响肝脏、皮肤和黏膜,和/或神经系统。蓝藻产生的两种化合物是微囊藻毒素和鱼腥藻毒素A。微囊藻毒素是一种环状七肽3。鱼腥藻毒素A是一种生物碱4。肉毒神经毒素E(BoNT/E)是另一种存在于水生系统中的毒素,由Clostridium botulinum产生,可被水生动物摄入5。
暴露于环境毒素会影响鱼类,同时也可能影响动物健康并增加疾病发生率6。了解这些毒素如何影响免疫细胞,对于评估接触这些物质所带来风险至关重要。斑马鱼是研究环境毒素对免疫细胞影响的理想模型7。建立一种利用流式细胞术和斑马鱼白细胞的研究方法具有重要意义。斑马鱼在生理上与人类具有相关性,该方法可广泛应用于从基础毒理学和免疫学到药物发现及发育生物学等多个研究领域。由于斑马鱼是水生生物,因此特别适用于研究水传播环境毒素的影响7。与其他脊椎动物模型相比,斑马鱼的使用成本较低,且涉及的伦理问题更少。
白细胞,即白血球,是抵御致病生物的首要细胞防线。胞吞作用是指细胞摄取或内化细胞外液体或颗粒的过程,通过将物质包裹在囊泡中来实现8。白细胞利用这一过程作为杀灭病原体并启动抗病防御的第一步。吞噬作用是胞吞作用的一种类型,也是最早用于研究环境污染物对鱼类健康影响的方法之一9。Petrie-Hanson 实验室已建立利用斑马鱼白细胞筛选生物毒素的方法,以评估这些毒素干扰白细胞胞吞和吞噬功能、进而影响免疫防御的潜在能力。这些方法涵盖的胞吞类型包括胞饮作用、吞噬作用、钙依赖性受体介导的吞噬作用以及甘露糖受体介导的吞噬作用。在斑马鱼中应用流式细胞术的方法最早由 Petrie-Hanson 实验室描述9,现已被常规用于研究水生毒素和病原体。Rag1-/- 突变型斑马鱼缺乏 T 细胞和 B 细胞10,可用于特异性研究先天免疫细胞机制。
流式细胞术基于激光技术,可用于测定细胞的物理特性。前向散射(FSC值)绘制在X轴上,代表细胞的大小;侧向散射(SSC)绘制在Y轴上,代表细胞胞质的颗粒度。所得散点图显示具有相似物理特性的细胞群体聚集在一起,不同类型的细胞在散点图上出现在不同的位置。当细胞的物理特性发生变化时,这些细胞群体在散点图上的位置也会随之改变9。将该技术应用于斑马鱼白细胞,可使研究人员评估细胞群体在各种刺激(包括环境毒素)作用下的变化情况。
流式细胞仪具有多维分析能力,可在检测中使用多种类型的荧光染料,以进一步表征细胞及其活性。在本方案所述的实验中,通过测定细胞内吞的荧光物质的量来评估内吞作用。通过流式细胞术比较暴露于毒素的细胞与未暴露于毒素的细胞摄取物质的能力,可以确定毒素暴露是否以及如何影响内吞机制。可通过此方法评估的内吞过程包括胞饮作用、受体介导的内吞作用和吞噬作用。
胞饮作用是指细胞摄取可溶性成分的过程,该过程不依赖细胞受体。摄取过程涉及微丝和微管介导的细胞质重排,从而形成小的液泡。荧光黄(Luciferase Yellow, LY)是一种荧光染料,可用于测量非选择性胞饮作用的液体摄入量11。受体介导的内吞作用则涉及对大分子的选择性摄取。荧光素(FITC)标记的葡聚糖(DX)40可用于评估这一过程。吞噬作用是一种内吞作用形式,可摄取大于0.5微米的颗粒,通常通过使用FITC-DX70和FITC-Escherichia coli的实验方法进行研究。DX40和DX70的分子量分别为40,000和70,000。FITC-E. coli是标准实验室菌株E. coli与荧光染料结合的复合物,可通过流式细胞仪进行检测。多种受体介导的内吞作用需要钙离子作为信号分子,并参与细胞骨架的重排9。另一种类型的受体介导内吞作用是甘露糖受体(mannose receptor, MR)介导的内吞作用。甘露糖受体是一类跨膜蛋白,能够识别微生物细胞表面的甘露聚糖结构9。为了优化这些实验流程,应对每种毒素建立剂量-反应曲线,以确定合适的使用剂量。同时,应对LY、FITC-DX40、FITC-DX70和FITC-E. coli进行饱和曲线实验,以评估其最佳使用浓度。
白细胞内化不同颗粒所采用的机制可能各不相同。为了推断毒素暴露可能影响该过程中的哪些组分,可加入抑制剂以阻断吞噬机制。细胞松弛素D(CCD)可抑制微管运动,从而抑制胞饮作用。CCD不影响受体介导的内吞作用11。EDTA可阻断依赖钙离子(Ca2+)的受体介导内吞作用。甘露聚糖是甘露糖受体(MR)的天然配体,常被用作甘露糖受体抑制剂,以评估吞噬作用或胞饮作用是否由甘露糖受体介导9。
本实验方案的目的是演示如何检测毒素暴露是否影响吞噬性白细胞摄取病原体的能力。这些方案还可用于判断特定的内吞机制是否受到影响。通过流式细胞仪进行这些检测,可进一步根据细胞大小和胞质颗粒度对白细胞群体进行设门,从而确定不同白细胞亚群是否受到差异性影响。该方法依赖于对细胞群体的电子设门技术。
本方案已获得密西西比州立大学机构动物护理与使用委员会(MSU-IACUC)批准。本研究中使用的所有斑马鱼均来自一个纯合品系的种群。 rag1-/- 密西西比州立大学(MSU)兽医学院无特定病原孵化场先前建立的突变型斑马鱼10野生型斑马鱼也在该孵化场中进行繁殖。在这些研究中,可进行毒素暴露实验。 体内 或 体外. 体内 研究中将斑马鱼暴露于毒素,随后分离白细胞,以揭示毒素与组织微环境之间的相互作用及其对白细胞功能的影响。 体外 研究将白细胞分离后,在培养孔中将细胞暴露于毒素。
1. 试剂与溶液的配制
2. 斑马鱼饲养
3. 细胞分离
4. 细胞活力检测
5. 毒素孵育
6. 胞吞作用检测
7. 流式细胞术
8. 毒素对内吞机制的影响以及抑制剂CCD、EDTA和甘露聚糖对内吞机制的作用
注意:细胞摄取液体或颗粒时,细胞质会主动运动。这一运动需要多种结构元件和信号通路的参与。生物毒素可能影响其中任意元件或通路。通过比较特定已知抑制剂的作用效果,有助于阐明生物毒素可能的作用机制11。
内吞作用检测利用从密度梯度中分离的混合白细胞,并通过细胞大小和颗粒度对吞噬细胞和淋巴细胞进行圈选,以确定特定细胞机制是否因毒素暴露而发生改变。首先,根据细胞的大小和颗粒度对细胞进行圈选10。死亡、破碎或正在凋亡的细胞会显示在散点图的左下角,予以排除,不纳入吞噬作用分析。吞噬细胞圈选范围包括巨噬细胞、自然杀伤细胞(NK细胞)和粒细胞,而淋巴细胞圈选范围则包括淋巴细胞、具有吞噬功能的B细胞以及非特异性细胞毒细胞(NCCs)(图1)。
吞噬作用通过检测FITC标记颗粒的摄取来确定,使用蓝色激光在495 nm / 519 nm处读取荧光信号。通过扣除对照细胞和同型对照所发出的平均荧光强度(MFI),可消除背景自发荧光和非特异性结合荧光。每种抑制剂均应进行剂量-反应曲线实验,以确定其使用浓度。若经待测毒素处理的细胞在流式细胞术中的结果与经抑制剂处理的细胞结果相同,则表明该毒素产生类似效应,可能抑制了相同的内吞机制。若毒素与抑制剂的效应具有叠加性,则提示该毒素可能通过与抑制剂不同的机制抑制内吞作用。
比较未处理细胞与经待测毒素处理的细胞(图2)、经毒素或抑制剂处理的细胞(图3A)以及仅经抑制剂处理的细胞(图3B)。代表性结果表明,经微囊藻毒素处理的细胞受到抑制,与经CCD处理的细胞相似。这些结果证明微囊藻毒素抑制了胞饮作用介导的液体摄取。门控细胞采用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行分析,结果应以FITC阳性细胞的平均数量表示。

图 1:基于前向散射(FSC)和侧向散射(SSC)特征的野生型斑马鱼肾脏组织分离白细胞的代表性流式细胞术散点图。 吞噬细胞门控包括巨噬细胞/单核细胞和粒细胞(占门控细胞的23%)。淋巴细胞门控包括淋巴细胞、具有吞噬功能的B细胞以及非特异性细胞毒细胞(NCCs)(占门控细胞的26%)。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:暴露于毒素后,在 图 1 中设门的吞噬细胞的平均荧光强度(MFI)。 试管(1)显示未染色细胞,而试管(2)中的细胞因摄取LY而发出荧光。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:在图1中设门的吞噬细胞的平均荧光强度(MFI)。 无细胞松弛素D(CCD)抑制剂存在时对荧光黄(LY)的摄取(A);有CCD存在时对LY的摄取。试管(1)显示未染色细胞,而试管(2)中的细胞因摄取LY而发出荧光。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:本实验方案所涉及步骤的概览。 *斑马鱼暴露于生物毒素的时间和程度将根据所使用的特定生物毒素以及不同机构的动物护理和生物安全法规与规程而有所不同。**所用目标浓度和暴露时间应在实验前进行优化,并取决于所使用的毒素类型。请点击此处查看该图的放大版本。
利用流式细胞术对斑马鱼白细胞进行分析,为深入研究免疫系统、评估环境毒素的影响以及推动毒理学研究提供了一种强大且多用途的方法。该方法能够快速有效地评估毒素对免疫细胞及免疫应答的作用。实验结果揭示了参与其中的体液因子,并提示了鱼类生理学和代谢过程与环境生物毒素之间的相互作用。本方案的总体流程如图4所示。
然而,这些方法也存在一定的局限性。与其他模式生物相比,制备用于流式细胞术的斑马鱼白细胞过程可能更为复杂。斑马鱼体型较小,限制了可用于分析的血液量以及白细胞的数量9,10。这些操作需要将组织解离以获得单细胞悬液,而细胞活力可能影响结果的准确性。与小鼠等模型相比,可用于斑马鱼的免疫学工具种类较为有限,例如针对斑马鱼细胞标志物的特异性抗体就相对稀少。这一限制可能影响对斑马鱼白细胞进行深入分析的能力。此外,流式细胞术数据的解读需要专业知识,尤其是在处理复杂的免疫反应时。数据的误读可能导致错误的结论,特别是在环境毒素影响的研究背景下。
可将未添加抑制剂的细胞样本结果与添加了抑制剂的细胞样本结果进行比较。应将添加了毒素的细胞样本结果与添加了抑制剂的细胞样本结果进行比较。如果细胞骨架重排受到影响,则LY的摄取将受到限制。如果毒素抑制了DX-40或DX-70的摄取,则不同粒径的颗粒将不会被吞噬。如果细胞未摄取FITC-E. coli,则表明毒素已抑制了吞噬作用。
综上所述,斑马鱼是研究环境毒素对免疫细胞影响的优良模型。本实验方案介绍了一种利用流式细胞术和斑马鱼白细胞筛选生物毒素的方法,特别关注内吞作用和吞噬作用过程11。本研究的目的是确定毒素暴露是否会影响吞噬性白细胞摄取病原体的能力,并阐明其对特定内吞机制可能产生的影响。
作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢Izak Hanson对实验所用斑马鱼的日常维护,以及Treva Billyard和Sterling Bailey在文稿校对和格式整理方面提供的帮助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10% 胎牛血清 | Gibco | A3160501 | |
| 14 mL 圆底离心管 | BD Biosciences | 352059 | |
| 40 µm 细胞滤筛 | Corning | 07-201-430 | |
| 5 mL 流式细胞术管 | BD Biosciences | 352235 | |
| 50 mL 锥形离心管 | Corning | 14-959-49A | |
| 无水乙醇 | Fisher | BP2818-500 | |
| 自动细胞计数仪 | Life Technologies Countess II FL | 用于细胞活力研究 | |
| 牛血清白蛋白(BSA) | Sigma | A3059 | |
| 细胞松弛素 D(CCD) | Sigma | C8273-5MG | |
| 葡聚糖 40 | Sigma | FD40-100MG | |
| 葡聚糖 70 | Sigma | 46945-100MG-F | |
| Escherichia coli DH5α(或其他实验室常用细菌菌株) | New England Biolabs | C29871 | |
| 乙二胺四乙酸(EDTA) | Sigma | ED4SS | |
| 流式分析软件 | Novoacea 软件 | ||
| 流式细胞仪 | Novocyte 3000 | ||
| 荧光素 | Fluka BioChemica | 46950 | |
| 不含钙和镁的汉克斯平衡盐溶液 | Sigma | H4891 | |
| Histopaque 1077 | Sigma | 10771-100ML | |
| 荧光黄 | Sigma | L0259-25MG | |
| 甘露聚糖 | Sigma | M7504-250MG | |
| 磷酸盐缓冲液 | Sigma | P3813 | |
| 含 GlutaMax 的 RPMI-1640 培养基 | Gibco | 61870036 | |
| 统计学软件 | SPSS | ||
| 毒素 | |||
| 三卡因 | Western Chemical Inc | NC0342409 |
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