Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
В настоящем протоколе описана флуоресцентная визуализация NAD(P)H эксплантированного кишечника мышей, инфицированного природным паразитом Heligmosomoides polygyrus, что позволяет исследовать метаболические процессы как в тканях хозяина, так и в тканях паразита в пространственном разрешении.
Паразиты, как правило, оказывают негативное влияние на здоровье своего хозяина. Они представляют собой огромное бремя для здоровья, поскольку в глобальном масштабе влияют на здоровье инфицированного человека или животного в долгосрочной перспективе и, таким образом, влияют на сельскохозяйственные и социально-экономические результаты. Тем не менее, были описаны иммунорегуляторные эффекты, вызванные паразитами, с потенциальной терапевтической значимостью для аутоиммунных заболеваний. В то время как метаболизм как у хозяина, так и у паразитов способствует их защите и является основой выживания нематод в кишечнике, он остается в значительной степени малоизученным из-за отсутствия адекватных технологий. Мы разработали и применили флуоресцентную визуализацию NAD(P)H в течение жизни эксплантированной мышиной кишечной ткани во время заражения природной нематодой Heligmosomoides polygyrus для изучения метаболических процессов как у хозяина, так и у паразитов в пространственном разрешении. Использование времени жизни флуоресценции коферментов никотинамидадениндинуклеотида (NADH) и никотинамидадениндинуклеотидфосфата (NADPH), далее NAD(P)H, которые сохраняются у разных видов, зависит от их связывающего статуса и места связывания на ферментах, катализирующих метаболические процессы. Сосредоточив внимание на наиболее широко экспрессируемых NAD(P)H-зависимых ферментах, были выделены метаболические пути, связанные с анаэробным гликолизом, окислительным фосфорилированием/аэробным гликолизом и окислительным взрывом на основе NOX, в качестве основного защитного механизма, а также охарактеризованы метаболические перекрестные помехи между хозяином и паразитом во время инфекции.
Паразитарные инфекции ложатся огромной нагрузкой на здоровье человека 1,2. Корреляция между ростом аутоиммунных заболеваний и снижением паразитарных инфекций наблюдается в промышленно развитых странах. Известно, что паразиты могут оказывать благотворное воздействие, подавляя чрезмерные иммунные реакции хозяина. H. polygyrus является природным паразитом, обнаруженным в кишечнике грызунов, и известно, что этот паразит индуцирует иммунорегуляторные механизмы, которые снижают антипаразитарный иммунный ответ хозяина посредством, среди прочего, индукции регуляторных Т-клеток (Treg) у инфицированного хозяина 3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Эти регуляторные механизмы особенно интересны при дегенеративных аутоиммунных заболеваниях.
Анализ метаболических взаимодействий между хозяином и кишечными нематодами остается широко игнорируемым, хотя метаболизм играет важную роль как в организме хозяина, так и в паразитах для защиты, выживания и функционирования. Мы предлагаем адаптировать и применять флуоресцентную визуализацию NADH и NADPH в течение жизни при двухфотонном возбуждении, технологию, уже широко используемую в различных физиологических и патофизиологических ситуациях в клетках и тканях млекопитающих12, для исследования корреляционного метаболизма хозяина и нематоды в живых тканях.
NADH и NADPH, называемые NAD(P)H, являются вездесущими молекулами, которые сохраняются во всех клеточных формах жизни и играют роль коферментов в различных метаболических путях. Например, они участвуют в производстве энергии, восстановительном биосинтезе и производстве активных форм кислорода (АФК), опосредованных NADPH-оксидазой, которые в основном связаны с защитой клеток и клеточной коммуникацией 13,14,15,16,17,20. Оба кофермента излучают флуоресценцию на длине волны ~450 нм при двухфотонном возбуждении на длине волны 750 нм, что позволяет проводить безмаркерную метаболическую визуализацию в клетках и тканях19,21. Возбуждение как NADH, так и NADPH только одной длиной волны возможно благодаря их схожим и довольно широким спектрам двухфотонного возбуждения21.
Время жизни коэнзима NAD(P)H во флуоресценции напрямую зависит от фермента, с которым он связывается 18,21,22,23. Благодаря своей химической структуре, позволяющей осуществлять внутримолекулярный перенос энергии, возбужденная молекула NADH или NADPH теряет энергию в результате внутренних процессов преобразования, со скоростью, зависящей от ее связывающих свойств, ферментам (катализатору), прежде чем она расслабится и испустит флуоресцентный фотон. Это время жизни дает представление о сайте связывания NAD(P)H на ферменте и, таким образом, о преимущественной биохимической реакции, протекающей 19,21,22,23,24,25. Время жизни флуоресценции свободных молекул NADH и NADPH составляет ~450 пс, в то время как время их жизни флуоресценции при связывании с ферментом значительно больше (~2000 пс) и зависит от места их связывания на соответствующем ферменте21.
Существует более 370 ферментов, участвующих в процессах, связанных с NAD(P)H; однако только наиболее распространенные из них смогут внести свой вклад в результирующее время жизни флуоресценции NAD(P)H в диапазоне возбуждения микроскопа. Используя данные RNASeq из клеток млекопитающих, мы идентифицировали наиболее распространенные NAD(P)H-зависимые ферменты и сгенерировали ссылку на время жизни флуоресценции для интерпретации данных, полученных в образцах тканей и клеток18. Таким образом, в данной работе проводилось различие, например, между преимущественной активностью лактатдегидрогеназы (ЛДГ), которая связана с анаэробными гликолитическими метаболическими путями, и активностью изоцитратдегидрогеназы (ИДГ) и пируватдегидрогеназы (ПДГ), которые в основном участвуют в аэробных метаболических путях гликолиза/окислительного фосфорилирования16,20. Кроме того, связывание NADPH с NADPH-оксидазами, которые являются ферментами, в основном ответственными за окислительный взрыв, может быть легко устранено благодаря характерному расположению этих ферментов в клетке (мембранно-связанному) и из-за особенно длительного времени жизни флуоресценции NADPH (3,650 пс)18,24,29,30,32. Данные RNASeq от H. polygyrus показывают, что эталон, полученный для клеток млекопитающих, также применим в адаптированной форме к этой нематоде27.
Таким образом, в данной работе путем проведения флуоресцентной визуализации (FLIM) NAD(P)H в свежеэксплантированных образцах двенадцатиперстной кишки мышей, инфицированных H. polygyrus, была получена информация о соотношении между свободным и связанным с ферментом NAD(P)H, которая отражала общую метаболическую активность во всех тканях, а также преимущественно активный фермент в каждом пикселе изображения (т.е. фермент, с которым NAD(P)H преимущественно связывается в этом конкретном месте). Успех этих экспериментов зависит от точной подготовки образцов эксплантированной кишки, надежной визуализации времени жизни флуоресценции NAD(P)H в реальном времени с субклеточным разрешением и стандартизированной оценки данных, как описано в этом протоколе.
Все эксперименты проводились в соответствии с Национальным руководством по защите животных и одобрены Немецким комитетом по этике животных по защите животных (G0176/16 и G0207/19). Протокол описывает данные флуоресцентной визуализации NAD(P)H в течение жизни и оценку данных, которые позволяют оценить общую метаболическую активность и специфические метаболические пути как в кишечнике хозяина, так и у паразитов при заражении естественной мышиной кишечной нематодой, H. polygyrus. С этой целью самки мышей C57BL/6 в возрасте 10-12 недель были инфицированы 200 личинками 3 стадии (L3). В разные моменты инфекции инфицированных мышей умерщвляли, а двенадцатиперстную кишку вырезали и подготавливали к визуализации, как описано ранее33. Двенадцатиперстная кишка неинфицированных мышей соответствующего возраста и пола была аналогичным образом подготовлена и визуализирована для целей контроля. Для поддержания свойств тканей, необходимых для дальнейшей визуализации и анализа, образцы должны быть обработаны сразу после эксплантации, а следующие шаги (шаги 1.1-1.7) должны быть выполнены быстро (рис. 1В).
1. Подготовка образцов
2. Визуализация
Микроскопическая система, используемая для проведения NAD(P)H-FLIM в инфицированных и здоровых образцах ткани двенадцатиперстной кишки, состоит из устройств, перечисленных и описанных на рисунке 2 и в таблице материалов. Используйте ImSpector 208 в качестве управляющего программного обеспечения для всех используемых модулей.
3. Анализ данных
ПРИМЕЧАНИЕ: Для векторного анализа изображений NAD(P)H-FLIM программа для вычисления времен жизни представляет собой специально написанный код на языке Python33.
4. Сегментация тканей
Примечание: Используйте предварительно обученную сеть на основе U-NET (ILASTIK, см. Таблицу материалов) для сегментации кишечного хозяина и ткани нематоды соответственно, и, кроме того, собственного эпителия и собственной пластинки в организме хозяина, а также областей с высоким флуоресцентным сигналом NAD(P)H и низким флуоресцентным сигнальным участком NAD(P)H в нематоде.
Используя текущую процедуру NAD(P)H-FLIM 28,29,33 в сочетании с описанным методом фазорного анализа, метаболическую активность и метаболические пути в здоровой и инфицированной двенадцатиперстной кишке измеряли на 6-й, 10-й, 12-й и 14-й день после инфицирования ...
Критические шаги в рамках протокола происходят во время подготовки и при определении ROI. Волокна частично переваренной пищи представляют собой проблему для визуализации, в основном из-за эндогенной люминесценции волокон, перекрывающихся флуоресценцией NAD(P)H, а также ...
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.
Мы благодарим Роберта Гюнтера за отличную техническую поддержку. Финансовая поддержка от Немецкого научно-исследовательского совета (DFG) в рамках грантов SPP2332 HA2542/12-1 (S.H.), NI1167/7-1 (R.A.N.), HA5354/11-1 (A.E.H.) и RA2544/1-1 (S.R.), в рамках гранта SFB1444, P14 (R.A.N., A.E.H.), в рамках гранта HA5354/8-2 (A.E.H.) и в рамках гранта GRK2046 B4 и B5 (S.H., С.Р.) и HA2542/8-1 (S.H.) получили широкое признание. В.Л. получил докторскую степень в Берлинской высшей школе прикладных наук в области медицинской физики/физической инженерии в Берлине.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Agarose | Thermo fisher | J32802.22 | ultra pure |
Blunt scissors | FST fine science tools | 14108-09 | blund-blund 14 cm |
Bodipy c12 | thermo fisher | D3822 | 1 mg solid |
Control units, diode, TCSPC | LaVision Biontech | custom | TrimScope II |
DMSO | Thermo fisher | D12345 | 3 mL |
Filters | Chroma | 755 | 466 ± 20, 525 ± 25, 593 ± 20, 655 ± 20 nm |
Foliodrape sheet | Hartmann | 277500 | |
Gloves | Sigma-Aldrich | Z423262 | nitril |
Halogen torch | Leica | This item has been phased out and is no longer available | KL 1500 LCD |
hPMT | Hamamatsu, Germany | H7422 | GaAsP |
Ilastik | Netlify | free Software | Java Backend |
ImageJ | National Institutes of health | free Software | FIJI - standard plugins |
Imspector | LaVision Biontech | - | Vers. 208 |
Intravital stage | LaVision Biontech | custom | TrimScope II |
Lens system 20x | Zeiss | custom | W-plan-apochom 20x Waterimmersion NA 1.05 |
Mercury vapor torch | LaVision Biontech | custom | |
microbrush | Fisher scientific | 22-020-002 | 85 mm |
Microscope | LaVision Biontech | custom | TrimScope II |
Oscilloscope | Rhode & Schwarz | 1326.2000.22 | |
PBS | Sigma-Aldrich | AM9624 | 0.5 L |
Petri dish | Sigma aldrich | P5606 | 40 x 15 mm |
Pipette | thermo fisher | 4651280N | Einkanalpipette |
Pipette tips | thermo fisher | 94056980 | Spitzen mit Filter |
PMT | Hamamatsu, Japan | H7422 | GaAsP |
Python | Python Software foundation | free Software | Anaconda 3.7 Spyder IDE, standard librarys with KYTE |
Sterio microscope | Leica | This item has been phased out and is no longer available | M26, 6.3x zoom |
Ti:Sa LASER CHAMELION ULTRA II | Coherent, APE | - | 690-1080 nm tunable, 80MHz |
Tissueglue | 3M | 51115053603 | 3 mL |
Tweezers | FST fine science tools | 11049-10 | blund, graefe, angeled |
Tweezers | FST fine science tools | 91197-00 | Dumont, curved |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены