Summary

Entwicklung einer Präsentation von Antigenen zu studieren Antigen-driven ulcerosa Modell durch Antigen-präsentierende Zellen zu T-Zellen präsentieren

Published: September 18, 2016
doi:

Summary

In this antigen-driven colitis model, OT-II CD4+ T cells expressing a red fluorescent protein were adoptively transferred into RAG-/- mice that express a green fluorescent protein in mononuclear phagocytes (MPs). The hosts were challenged with Escherichia coli (E.coli) expressing the ovalbumin protein (OVA) fused to a cyan fluorescent protein (CFP).

Abstract

Inflammatory bowel disease (IBD) is a chronic inflammation which affects the gastrointestinal tract (GIT). One of the best ways to study the immunological mechanisms involved during the disease is the T cell transfer model of colitis. In this model, immunodeficient mice (RAG-/- recipients) are reconstituted with naive CD4+ T cells from healthy wild type hosts.

This model allows examination of the earliest immunological events leading to disease and chronic inflammation, when the gut inflammation perpetuates but does not depend on a defined antigen. To study the potential role of antigen presenting cells (APCs) in the disease process, it is helpful to have an antigen-driven disease model, in which a defined commensal-derived antigen leads to colitis. An antigen driven-colitis model has hence been developed. In this model OT-II CD4+ T cells, that can recognize only specific epitopes in the OVA protein, are transferred into RAG-/- hosts challenged with CFP-OVA-expressing E. coli. This model allows the examination of interactions between APCs and T cells in the lamina propria.

Introduction

Der Darm ist die größte Oberfläche des Körpers, die der äußeren Umgebung ausgesetzt ist. Große Arrays von resident Mikroben besiedeln den menschlichen Darm die intestinale Mikrobiota (oder Mikroflora) zu bilden. Dies wird geschätzt , von bis zu 100 Billionen mikrobiellen Zellen zu bestehen und ist eine der am dichtesten besiedelten bakterielle Lebensräume bekannt in der Biologie 1-3. Im GIT Bakterien besiedeln eine Darm-Nische , wo sie überleben und 4 multiplizieren. Im Gegenzug stiftet die Mikrobiota den Host mit zusätzlichen funktionellen Eigenschaften , die nicht auf ihrem Genom codiert 1. Zum Beispiel regt die Mikrobiota die Proliferation von Epithelzellen produziert Vitamine , die Gastgeber selbst nicht produzieren kann, reguliert den Stoffwechsel und schützt vor Krankheitserregern 4-6. Diese vorteilhafte Beziehung gegeben, haben einige Autoren vorgeschlagen , dass Menschen "Super-Organismen" oder "holobionts" sind , die eine Mischung aus Bakterien und menschlichen Genen 7,8 sind. In Anbetracht der positiven Auswirkungen der Mikrobiota auf der (menschlichen) host, muss der Darm-Immunsystem commensal Mikroben zu tolerieren ihre Existenz in das Lumen zu ermöglichen , sondern auch die Erreger abzutöten, 9-11 von luminalen Seite eindringen. Die intestinale Immunsystem Mechanismen zwischen harmlosen und potentiell schädlichen luminalen Mikroben zu unterscheiden entwickelt; jedoch sind diese Mechanismen noch nicht gut verstanden 12. Darm Aufrechterhaltung der Integrität erfordert eine streng reguliert Immunhomöostase 13 die Balance zwischen Toleranz und Immunität zu halten. Ein Ungleichgewicht in Immunhomöostase trägt zur Induktion von intestinalen Erkrankungen, wie entzündlichen Darmerkrankungen (IBD) 3,14.

Es gibt zwei Haupttypen von IBD: Morbus Crohn (CD) und Colitis ulcerosa (UC). Bei Patienten mit diesen Erkrankungen leiden in der Regel von rektale Blutungen, schweren Durchfall und Bauchschmerzen 15,16. Die einzige Ursache von IBD ist nach wie vorunbekannt, aber eine Kombination von genetischen Faktoren, Umwelteinflüsse und dysregulated Immunreaktionen könnten das Schlüsselereignis für die Entwicklung der Krankheit 15 sein.

Tiermodelle für IBD sind seit über 50 Jahren verwendet. In den letzten Jahrzehnten neue IBD Modellsysteme wurden die verschiedenen Hypothesen über die Pathogenese von IBD 17,18 zu testen , entwickelt. Die am besten charakterisierte Modell der chronischen Kolitis ist die T-Zell – Transfer – Modell , das Störung der T-Zell – Homöostase 19,20 induziert. Dieses Modell beinhaltet naive T – Zellen von Mäusen immunokompetente in Wirte übertragen , die T- und B-Zellen (wie RAG – / – und SCID – Mäuse) fehlt 16,21. Die Entwicklung der Krankheit in diesem Modell wird durch die Auswertung der Anwesenheit von Durchfall, reduzierte körperliche Aktivität, und der Verlust von Körpergewicht für 3-10 Wochen überwacht. Dies wird so das Wasting – Syndrom 16 genannt. Im Vergleich zu den gesunden Mäusen die Kolon-Gewebe transplantiert Wirte ist thicker, kürzer und schwerer 16. Verwendung des T – Zellen – Übertragungsmodell ist es möglich , zu verstehen , wie verschiedene T – Zellpopulationen 22 zur Pathogenese von IBD beitragen kann. Die T-Zellen-Transfer-Modell analysiert nicht die Wechselwirkungen zwischen den APCs und T-Zellen im Krankheitsprozess in einer Antigen-spezifischen Weise. Es hat sich gezeigt , dass eine Wechselwirkung zwischen myeloiden Zellen und lymphoiden Zellen für die Entwicklung von Darmentzündungen 23 verantwortlich sein könnte. Obwohl viele Aspekte der IBD geklärt sind, die ersten Ereignisse, die noch an der Krankheitsentwicklung führen muss deutlich verstanden werden.

Es wurde in der Abwesenheit von Mikrobioten Übertragungs colitis gezeigt , dass nicht 24 festgelegt werden. Vor kurzem mehrere Theorien legen nahe , dass IBD 25 ein Ergebnis einer Immunantwort gegen kommensalen Bakterien sein könnte. Autoren haben auch vorgeschlagen, dass kommensalen Bakterien sind wesentliche Entzündung im distalen Darm zu induzieren26. In keimfrei (GF) Tiere , die intestinale Immunsystem 27,28 Regel beeinträchtigt, sondern eine Kolonisierung dieser Mäuse mit einem Gemisch aus specific pathogen free Bakterien führt zur Entwicklung des vollständig kompetenten intestinale Immunsystem 29. Daher scheint der Mikrobioten ein Schlüsselelement bei der Pathogenese von IBD zu sein, entweder als ein Mechanismus, der prädisponiert oder schützt gegen die Entwicklung von Darmentzündung 30,31. Aktuelle Theorien besagen , dass IBD ein Ergebnis der mikrobiellen Ungleichgewicht ist, genannt dysbiosis, in genetisch prädisponiert Patienten 32, aber es ist noch nicht klar , ob die Dysbiose ist die Ursache oder die Folge der Krankheit 12. Angesichts der Rolle von Mikroorganismen in der Entwicklung von IBD, zeigten in vitro – Experimente , dass CD4 + T – Zellen durch APCs gepulst mit Darmbakterien 33,34 aktiviert werden kann.

Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die aus Antigenenverschiedene commensal Bakterienarten, wie beispielsweise E. coli, Bacteroides, Eubacterium und Proteus der Lage sind, CD4 + T – Zellen 35 zu aktivieren. Dies zeigt, dass Präsentation von bakteriellen Antigenen an T-Zellen von Bedeutung für die Entwicklung von IBD ist. Abgeleitet Um die Komplexität von mehreren Antigenen zu reduzieren durch die Mikroflora im Krankheitsverlauf, ein E. coli – Stamm wurde erstellt, der die OVA – Antigen produziert. Transfer ulcerosa wurde durch Injizieren von OVA-spezifischen T – Zellen in RAG induziert – / – Tieren besiedelt mit OVA-exprimierenden E. coli.

Dieses Modell basiert auf den letzten Hinweise darauf , dass CX 3 CR1 + MPs, eine wichtige Zell – Untergruppe in der Kolon – Lamina propria (clp) 36, sind mit CD4 + T – Zellen während der Übertragung in Wechselwirkung Colitis 37. MPs Darmlumen für teilchenförmiges Antigen, wie Bakterien abzutasten, deren Dendriten unter Verwendung von 36, 38,39. Vorherige Studiengezeigt , dass die Abgeordneten wie OVA aufnehmen kann Lumen 40,41 in den Darm auch lösliche Antigene, eingeführt. Angesichts der Fülle von CX 3 CR1 + MPs im clp, ist es möglich , dass diese Zellen luminalen Bakterien probieren können und die Interaktion mit CD4 – T – Zellen. Konfokale Bildgebung von Mäusen transplantiert mit OVA-spezifischen CD4 + T – Zellen mit E. kolonisiert coli CFP-OVA, zeigen , daß CX 3 CR1 + MPs in Kontakt mit OT-II CD4 + T – Zellen während der Entwicklung von antigen-getrieben ulcerosa. Dieses Modell erlaubt die Untersuchung der Antigenpräsentation Prozess zwischen intestinalen APCs und T-Zellen spezifisch nur für bestimmte Antigen-exprimierenden Bakterien in das Darmlumen.

Protocol

Die Mäuse wurden unter spezifischen pathogenfreien (SPF) Bedingungen in der Tierhaltung der Universität Ulm (Ulm, Deutschland) gezüchtet und gehalten. Alle Tierversuche wurden nach den Richtlinien des örtlichen Tier Verwendung und Pflege Ausschuss und die nationalen Tierschutzgesetz durchgeführt. 1. Aufbau des PCFP-OVA – Plasmid Amplify die volle Größe OVA – Gen die Primer Ova_SpeI_fw (3'-GACCAACTAGTATGGAATTTTGTTTTGATGTATT-5 ') und Ova_ClaI_rev (3'- GAC…

Representative Results

Ein Antigen-driven ulcerosa Modell zu etablieren ein E. coli – Stamm in welcher wurde konstruiert , das ein Plasmid enthält das Gen für GFP an die codierende Sequenz für das Hühner – Ovalbumin – Protein fusioniert ist und das Fusionskonstrukt unter der Kontrolle des starken konstitutiven Promotor P hyper (1A) ausgedrückt wird. Fluoreszenzmikroskopie zeigt , daß das rekombinante E. coli PCFP-OVA, jedoch nicht die elte…

Discussion

Wie bei jedem anderen Modell, das Antigen-driven oben kann beschrieben ulcerosa Modell einige Probleme präsentieren, die der Forscher die Technik der Durchführung bewusst sein müssen. Wenn die OT-II / Red + CD4 + T – CD62L + Zellen in den Rechner eingespritzt wird , muss der Prüfer sehr sanft und vorsichtig , um die Nadel in die Bauchhöhle einzuführen. Geschieht dies nicht, so kann es zu dem Zerreißen des Darms der Maus, die den Tod oder eine subkutane Verabreichung von Zellen fü…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

JHN is supported by the Swiss National Foundation (SNSF 310030_146290).

Materials

LB Broth, Miller (Luria-Bertani) Difco 244620
Rotary Shake Reiss Laborbedarf e. K. Model 3020 GFL
2 mm gap couvettes  Peqlab Biotechnologie GmbH 71-2020
Glycerol Sigma-Aldrich G5516-100ML
Gene Pulser Xcell system  BioRad Laboratories GmbH 1652660
LB Agar, Miller (Luria-Bertani) Difco 244510
Ampicillin Sigma-Aldrich A9393-5G
SOC Medium Sigma-Aldrich S1797-100ML
High Pure Plasmid Isolation Kit Roche 11754777001
Agarose Carl Roth GmbH & Co 3810.1
EDTA Sigma-Aldrich E9884-100G
Tris-HCl Sigma-Aldrich T5941
Glacial acetic acid Sigma-Aldrich 537020 
Gel chamber  PEQLAB Biotechnology GmbH 40-0708
Loading Dye Thermo Fisher R0611
GeneRuler 1 kb DNA Ladder  Thermo Fisher SM0312
Ethidium bromide solution Carl Roth GmbH & Co. KG 2218.3
Photo-documentation system  Decon Science Tech GmbH DeVision G 
DNA sequencing  MWG-Biotech GmbH
Phosphate buffered saline (PBS) Biochrom L182-50
Fluorescent microscope  Zeiss HBO 100
Mini-PROTEAN Tetra System Bio-Rad Laboratories GmbH 1658005
PageRuler Prestained Protein Ladder  Fermentas, St. Leon-Rot, Germany
IstanBlue Solution Expedeon, Cambridgeshire, United Kingdom
Nitrocellulose membrane  Macherey-Nagel GmbH & Co. KG 741280
Electro blotter  Biometra GmbH 846-015-600
Bovine Serum Albumins (BSA) Sigma-Aldrich A6003-25G
Anti-Ovalbumin antibody  Abcam ab181688
Anti-rabbit IgG  HRP Sigma-Aldrich A0545 
Pierce ECL Plus Western Blotting Substrate Pierce Biotechnology, Thermo Fischer Scientific Inc 32132
Forene Abbott 2594.00.00
FBS Invitrogen 10500-064
Falcon Cell Strainers Fischer Scientific  08-771-19
Ammonium chloride Sigma-Aldrich 254134-5G
Tris Base Sigma-Aldrich 10708976001
CD4+ CD62 L+ T isolation kit  Miltenyi Biotec 130-093-227 
MACS LS Columns  Miltenyi Biotec 130-042-401
MACS MS Columns  Miltenyi Biotec 130-042-201
MidiMACS Separator Miltenyi Biotec 130-042-302
MiniMACS Separator Miltenyi Biotec 130-042-102
MACS MultiStand Miltenyi Biotec 130-042-303
Feeding Needle 20G SouthPointe Surgical Supply, Inc FN-7903
Formalin solution, neutral buffered, 10% Sigma-Aldrich HT501128
Paraffin Sigma-Aldrich 1496904
Hematoxylin Sigma-Aldrich H9627
Eosin Y Sigma-Aldrich 230251 
Dithiothreitol Sigma-Aldrich D9779 
Collagenase type VIII Sigma-Aldrich C-2139
Roswell Park Memorial Institute (RPMI) medium AppliChem A2044, 9050
Percoll (density 1.124 g/ml) Biochrome L-6145
Sodium azide Sigma-Aldrich 438456
Mouse BD Fc Block BD Pharmingen 553141
FITC-conjugated mAb binding Vß 5.1, 5.2  BD Pharmingen 553189
APC-conjugated mAb binding CD4 GK1.5  eBioscience 17-0041-83
FACS Calibur  BD Biosciences
FCS Express V3 software DeNovo
Meta scanning confocal microscope  Zeiss LSM 710 
Zeiss Workstation Zeiss LSM 7
Zeiss ZEM software  Zeiss v4.2.0.121
Maxisorp immuno plates  NUNC, Roskilde 442404
Streptavidin conjugated alkaline phosphatase Jackson Immuno Research 016-050-084
Alkaline phosphatase substrate 4-Nitrophenyl phosphate disodium salt hexahydrate Sigma-Aldrich 71768-5G
mAb R4-6A2 BD Biosciences 551216
mAb XMG1.2  BD Biosciences 554410
TECAN microplate-ELISA reader Tecan
EasyWin software Tecan

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Rossini, V., Radulovic, K., Riedel, C. U., Niess, J. H. Development of an Antigen-driven Colitis Model to Study Presentation of Antigens by Antigen Presenting Cells to T Cells. J. Vis. Exp. (115), e54421, doi:10.3791/54421 (2016).

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