间充质基质细胞通过经典NLRP3和非经典Caspase-11炎症小体直接促进炎症

Mesenchymal Stromal Cells Directly Promote Inflammation by Canonical NLRP3 and Non-canonical Caspase-11 Inflammasomes.

作者信息Yaozhen Chen, Xiangyang Qin, Qunxing An, Jing Yi, Fan Feng, Dandan Yin, Ning An, Zheng Liu, Lihong Weng, Shouwen Chen, Xingbin Hu, Wen Yin
PMID29807832
发布时间2018-06-31
DOI10.1016/j.ebiom.2018.05.023

实验完整度

高

体外细胞实验、基因敲除小鼠实验、细菌感染和IBD动物模型以及患者样本分析,多层验证了NLRP3和caspase-11炎症小体的功能及66PR的抑制作用。

主要模型

小鼠骨相关间充质基质细胞(BA-MSCs) NLRP3基因敲除小鼠来源的BA-MSCs caspase-11基因敲除小鼠来源的BA-MSCs DSS诱导的炎症性肠病小鼠模型

重点核对

LPS(500 ng/ml)处理4小时,尼日利亚霉素(5 μM)处理1.5小时 NLRP3基因敲除、caspase-11基因敲除及caspase-1/11双敲除小鼠 66PR浓度为20 μM,体内给药剂量为5 mg/kg体重,每日一次 BA-MSCs移植剂量为2 × 10^6细胞/只小鼠

摘要

基于间充质基质细胞(MSCs)的治疗是治疗炎症性疾病的一种有前景的方法。然而,治疗效果并不总能实现。因此,所涉及的炎症机制需要进一步阐明。为了探讨MSCs对炎症刺激作出反应的机制,我们研究了MSCs是否利用炎症小体参与炎症。通过体外和体内模型,我们发现骨相关MSCs(BA-MSCs)中经典NLRP3和非经典caspase-11炎症小体被激活,从而促进炎症反应。NLRP3炎症小体主要诱导IL-1β/18释放,而caspase-11炎症小体则介导细胞焦亡。此外,我们寻找了一种小分子化合物(66PR)来抑制BA-MSCs中炎症小体的激活,从而改善其在炎症性肠病中的存活和治疗潜力。这些发现表明MSCs自身可以通过炎症小体依赖性途径直接促进炎症反应。我们的观察提示抑制促炎特性可能改善MSCs在炎症性疾病中的利用。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
间充质基质细胞(MSCs)如何通过炎症小体参与炎症反应,以及抑制该途径能否改善其治疗效果?
核心机制
在炎症刺激下,BA-MSCs通过激活经典NLRP3炎症小体和非经典caspase-11炎症小体直接促进炎症,其中NLRP3炎症小体主导IL-1β/18释放,而caspase-11炎症小体介导细胞焦亡。
主要证据
体外实验中,LPS和尼日利亚霉素激活NLRP3和caspase-11炎症小体,促进IL-1β/18释放和细胞焦亡;体内实验中,细菌感染和IBD模型中BA-MSCs的炎症小体激活。NLRP3或caspase-11基因敲除抑制了相应炎症小体功能,而66PR抑制炎症小体激活后改善了IBD小鼠症状和BA-MSCs存活。
研究意义
该研究揭示了MSCs直接通过炎症小体依赖性途径参与炎症,补充了非免疫细胞中炎症小体激活的知识,提示抑制MSCs的促炎特性可能改善其在炎症性疾病中的应用。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

体外验证NLRP3炎症小体激活

确定LPS和尼日利亚霉素刺激是否激活BA-MSCs中的NLRP3炎症小体,并评估其对IL-1β/18释放和焦亡的影响。

野生型和NLRP3基因敲除BA-MSCs用LPS(500 ng/ml)预处理4小时,然后用尼日利亚霉素(5 μM)刺激1.5小时;通过扫描电镜观察膜孔,免疫荧光检测GSDMDC1 foci,Western blot检测NLRP3、caspase-1、IL-1β蛋白,ELISA检测IL-1β/18水平。

2

体外验证caspase-11炎症小体激活

确定caspase-11炎症小体是否在BA-MSCs中被激活并介导焦亡。

使用野生型、caspase-11基因敲除和caspase-1/11双敲除BA-MSCs,经LPS和尼日利亚霉素刺激后,检测膜孔、GSDMDC1 foci、caspase-11蛋白及IL-1β/18释放。

3

体内验证细菌感染模型

检查细菌感染是否激活BA-MSCs中的炎症小体。

通过尾静脉注射铜绿假单胞菌或大肠杆菌建立感染模型,从骨髓中分离BA-MSCs,通过Western blot检测NLRP3、caspase-1、caspase-11、IL-1β蛋白,并通过免疫荧光检测骨切片中GSDMDC1和CD51共定位。

4

体内验证IBD模型

确定在组织损伤炎症中BA-MSCs的炎症小体激活情况。

通过口服3% DSS诱导IBD小鼠模型,分离BA-MSCs,检测NLRP3、caspase-1、caspase-11蛋白水平,并检查骨切片中GSDMDC1/CD51 foci。

5

验证NLRP3基因敲除对IBD的影响

评估NLRP3基因缺陷的BA-MSCs对IBD小鼠的治疗效果及其存活情况。

将NLRP3基因敲除或野生型BA-MSCs移植到IBD小鼠中,记录临床评分、结肠长度、组织学评分,并使用CFSE追踪细胞存活。

6

评估66PR对炎症小体的抑制作用

确定化合物66PR是否能抑制BA-MSCs中NLRP3和caspase-11炎症小体的激活。

BA-MSCs用66PR(20 μM)和LPS预处理4小时,然后用尼日利亚霉素刺激1.5小时,检测膜孔、GSDMDC1 foci、IL-1β释放,并通过Western blot检测NLRP3、caspase-1、caspase-11蛋白表达。

7

评估66PR在体内对IBD的作用

验证66PR在体内是否抑制NLRP3炎症小体并改善IBD症状。

IBD小鼠腹腔注射66PR(5 mg/kg)或PBS,每天一次,检测体重、临床评分、结肠长度、组织学评分,并分析BA-MSCs中caspase-1和GSDMDC1的表达。

8

评估66PR预处理BA-MSCs的治疗效果

确定66PR预处理是否能提高BA-MSCs在IBD小鼠中的存活和治疗效果。

将66PR预处理的或未处理的GFP+BA-MSCs移植到IBD小鼠中,检测临床评分、结肠长度、组织学评分,并通过荧光和FACS分析GFP+细胞数量。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
杜尔贝科改良伊格尔培养基(DMEM)----
胎牛血清(FBS)----
青霉素-链霉素----
脂多糖(LPS)Sigma-Aldrich--
尼日利亚霉素----
米奇利奥德----
RIPA裂解缓冲液----
蛋白酶抑制剂混合物----
PVDF膜----
抗NLRP3抗体AdipogenAG-20B-0014
抗caspase-1 p20抗体AdipogenAG-20B-0042
抗caspase-11抗体AdipogenAG-20B-0061
抗IL-1β抗体Cell Signaling Technology12426
抗α-微管蛋白抗体Proteintech66031-1-Ig
小鼠IL-1β ELISA试剂盒R&D Systems--
小鼠IL-18 ELISA试剂盒Abcam--
小鼠IL-6 ELISA试剂盒NeoBioscience--
FITC抗小鼠CD45抗体BioLegend30-F11
APC抗小鼠Ter119抗体eBioscience17-5921
PE抗小鼠CD44抗体BD BiosciencesIM7
PE抗小鼠CD51抗体eBioscienceRMV-7
APC抗小鼠CD90抗体BD BiosciencesOX-7
APC抗小鼠CD105抗体BioLegendMJ7/18
PE抗小鼠CD146抗体eBioscienceP1H12
PE抗小鼠CD166抗体R&D Systems105902
FITC抗小鼠Sca-1抗体BioLegend122505
APC抗小鼠CD3抗体BioLegend17A2
FITC抗小鼠CD11c抗体BioLegend117306
APC抗小鼠CD11b抗体BioLegend101212
APC抗小鼠Gr1抗体eBioscience17-5931
FITC抗小鼠F4/80抗体BioLegend123108
APC抗小鼠CD19抗体eBioscience17-5921
FITC抗小鼠CD14抗体BioLegendSa14-2
抗GSDMD C1抗体Santa Cruz Biotechnologysc-393656
FITC山羊抗小鼠IgG抗体Gene CopoeiaL146A
Alexa Fluor 647山羊抗小鼠IgG抗体Gene CopoeiaL125A
CFSE细胞分裂追踪试剂盒BioLegendB214561
葡聚糖硫酸钠(DSS)Sigma-Aldrich--
66PR----
C57BL/6小鼠----
铜绿假单胞菌(P.a,ATCC 35218)ATCC--
大肠杆菌(E. coli,ATCC 27853)ATCC--
扫描电子显微镜(Olympus N300M)Olympus--
共聚焦显微镜(Olympus IX81)Olympus--
流式细胞仪(FACS)----
Image J----
SPSS 16.0----

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
BA-MSCs分离与培养
小鼠品系、年龄、组织来源(骨相关)、分离方法(酶消化法)、培养条件(培养基、血清浓度、温度、CO2浓度)、传代次数(2-3代)、细胞纯度(>90% CD45-/Ter119-)
阅读提示:Methods 2.3节
体外炎症小体激活
LPS浓度(500 ng/ml)和刺激时间(4小时)、尼日利亚霉素浓度(5 μM)和刺激时间(1.5小时)、是否需要预刺激、对照组设置
阅读提示:图1和图2的图例
体内IBD模型
DSS浓度(3%)和给药时间(7天)、小鼠品系(C57BL/6)、诱导方式(口服)、对照组设置
阅读提示:Methods 2.8节;图4和图6的图例
66PR处理
66PR浓度(体外20 μM,体内5 mg/kg体重每日一次)、给药途径(体内腹腔注射)、处理时间、溶剂对照(PBS)
阅读提示:Methods 2.8节;图5和图6图例
BA-MSCs移植
移植细胞数量(2×10^6/只)、移植途径(腹腔注射)、细胞标记(CFSE或GFP)、移植时间(DSS诱导后第几天)、对照组设置(PBS)
阅读提示:Methods 2.8节;图4和图7图例