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* 这些作者具有相同的贡献
本文提出了一种在 HaCaT 细胞系上使用 5 种细胞因子 (IL-17A、IL-22、IL-1α、TNF-α、OSM) 的组合在转录水平建立体外银屑病样皮肤炎症模型的方法。
银屑病是一种由先天性和适应性免疫系统介导的常见慢性炎症性皮肤病,其特征是表皮角质形成细胞异常增殖和分化以及炎症细胞浸润。皮肤特异性角质形成细胞是先天免疫的关键参与者,对免疫细胞和环境刺激做出反应,从而在银屑病的免疫发病机制中发挥重要作用。在这里,我们提出了一种使用五种促炎细胞因子组合(M5 组合)在转录水平上诱导 HaCaT 细胞系银屑病样角质形成细胞炎症的方法,包括 IL-17A、IL-22、IL-1α、TNF-α 和抑瘤素 M。结果表明,M5 组合诱导的 HaCaT 细胞显示抗菌肽(BD2、 S100A7、 S100A8 和 S100A9)、趋化因子和细胞因子(CXCL1、 CXCL2、 CXCL8、 CCL20、IL-1β、IL-6 和 IL-18)。角质形成细胞分化标志物 (Keratin1 、 Keratin10 、 Filaggrin 和 Loricrin) 的 mRNA 水平下调,这与银屑病样角质形成细胞的转录组数据一致。因此,此处描述的方法在转录水平建立了体外银屑病样皮肤炎症,并有助于银屑病分子发病机制的研究。
银屑病是一种常见的非传染性慢性炎症性皮肤病,由免疫反应失调引发,影响主要形成表皮1 的角质形成细胞,其特征是角质形成细胞异常快速增殖,伴有角化过度和角化不全。银屑病影响了世界上约 3% 的野生种群2。几种合并症进一步增加了疾病负担,包括心血管疾病和综合征引起的代谢综合征3。
表皮由五层角质形成细胞组成,并随着分化过程发生形态变化:基底层、棘层、颗粒层、透明层(存在于手掌和脚底)和角质层,此处描述的从内表面到外表面4。表皮分化的变化导致皮肤屏障紊乱,这对皮肤炎症性疾病的发病机制很重要 5,6,7,8。角质形成细胞在维持完整的表皮屏障以防止水分流失和对抗环境触发因素(如 UVB 暴露、过敏原和病原体)方面起着至关重要的作用9。健康个体在基底细胞增殖和角质层脱屑之间表现出平衡,而包括牛皮癣在内的多种皮肤病的特征是这种复杂机制的不平衡10。
除了形成屏障功能外,角质形成细胞还是皮肤免疫系统的关键组成部分。在银屑病的免疫病原体中,皮肤驻留的 1 型辅助性 T 细胞 (Th1) 和 17 型辅助性 T 细胞 (Th17) 的激活分别导致 IFN-γ 和 IL-17A 的产生增加。这些细胞因子诱导角质形成细胞中趋化因子(CCL20、CXCL1/2/8/9/10/11)、抗菌肽(BD2、LL37、S100A7/8/9/12)和其他炎症因子(TNF-α、IL-6、IFN-β)的合成增加,导致更多的 Th1、Th17 和中性粒细胞募集到皮肤中,进一步放大 IL-17/IL23 轴11。角质形成细胞和免疫细胞之间的串扰负责银屑病11 的诱导和维持。
银屑病中已经描述了复杂的细胞因子网络,并且强调了免疫细胞浸润产生的促炎细胞因子(如 IL-23、IL-22、IL-17、IL-1α、抑瘤素 M (OSM) 和 TNF-α)的核心作用12,13。事实上,以前的研究表明,IL-17A、IL-22、IL-1α、TNF-α 和 OSM 水平升高在体外诱导正常人表皮角质形成细胞出现银屑病样14。
永生角质形成细胞系 (HaCaT) 比原代角质形成细胞更容易获得和培养,具有更好的可重复性,已广泛用于银屑病的研究 15,16,17,18,19,20。与人瘤病毒 16 E6/E7 转化的 HEK001 和 KerTr 细胞不同,HaCaT 细胞系能够表达分化基因产物,包括角蛋白 1 (KRT1)、角蛋白 10 (KRT10)、洛里克蛋白和丝聚蛋白 20,21,22,从而提供了一种类似于原代角质形成细胞的有前途的工具,用于研究角蛋白化和促炎的调节。
KRT5/14 是在增殖性基底角质形成细胞中表达的主要 I 型 II 型角蛋白对,而基底层上层的分化角质形成细胞下调 KRT5/14 并表达 KRT1/10 作为主要角蛋白对23。将银屑病病变与健康皮肤进行比较,角蛋白表达的变化包括银屑病表皮 KRT1/10降低 24,25 和 KRT5/14 增加26,其特征是过度增殖和角化不全27。Loricrin 是一种终末分化结构蛋白,占角质化包膜的 70% 以上,有助于角质层的保护屏障功能28,在银屑病患者的皮肤中下调29。Filaggrin 在角质形成细胞分化的最后阶段表达,并参与支架状角质化包膜30 的聚集,在银屑病病变皮肤中的表达降低29。
总体而言,我们的目标是使用细胞因子组合在 HaCaT 细胞中生成炎性角质形成细胞模型,该模型将能够协同概括银屑病皮肤病变的一些特征,包括启动免疫反应、角质形成细胞增殖和分化。
在无菌条件下执行步骤 1 至 3。所有培养基均含有 0.1 mg/mL 青霉素和链霉素。
1. 细胞制备
2. 在 6 孔板中接种细胞
3. M5 刺激 HaCaT 细胞
4. 收获 M5 刺激的 HaCaT 细胞的 mRNA
5. 通过实时 PCR 分析 mRNA 表达
6. 收集细胞培养上清液进行 ELISA
7. ELISA 分析细胞因子表达
M5 联合刺激诱导 HaCaT 细胞的炎症反应。
用或不用 M5 细胞因子组合刺激 HaCaT 细胞 24 小时。评估银屑病相关基因的 mRNA 表达,这些基因参与免疫和炎症趋化因子和抗菌肽的调节。与未处理的 HaCaT 细胞相比,中性粒细胞趋化因子 CXCL138、CXCL239、CXCL840 和 T 细胞趋化因子 CCL2041,42 在 M5 组合刺激的 HaCaT 细胞中以时间依赖性方式显着增加(图 1A)。BD243、S100A744,45、S100A846、S100A946 和 S100A1247,48 的表达,因为在未刺激的 HaCaT 细胞中几乎未检测到抗菌肽,并且在 M5 组合刺激后强烈表达,具有时间依赖性表达模式(图 2A).此外,还使用 Human Expr 12x135K Arr Del49 进行了 HaCaT 中银屑病样皮肤炎症的微阵列表达。发现细胞因子、趋化因子(图 1B)和抗菌肽(图 2B)在 M5 组合刺激的 HaCaT 中上调。通过 ELISA 研究 IL-6 、 IL-1β 、 IL-18 和 CXCL820、50、51、52、53、54 的蛋白水平作为确认。与对照细胞相比,在 M5 组合刺激的 HaCaT 细胞的上清液中观察到更高的蛋白质水平(图 1C)。同时,为评价 M5 联合诱导银屑病样皮肤炎症对 HaCaT 细胞的病理生理相关性,从基因表达综合 (GEO) 下载正常和银屑病患者病灶皮肤活检样本的微阵列数据集 (GDS4602)55。我们探索了几种促炎趋化因子、细胞因子和抗菌肽的表达水平。结果表明,与正常皮肤相比,促炎趋化因子 CXCL1、CXCL2、CXCL8 和 CCL20 以及抗菌肽 BD2、S100A7、S100A8、S100A9 和 S100A12 在银屑病皮肤中过表达(补充表 1).综上所述,这些结果表明 HaCaT 细胞中的 M5 组合刺激有助于在体外建立银屑病样炎症,促炎趋化因子增加,并在转录水平产生抗菌肽。然而,需要进一步的研究将其确立为银屑病样炎症模型的模型。
M5 联合刺激降低 HaCaT 细胞角质形成细胞分化水平
HaCaT 作为一种永生的角质形成细胞系,保留了正常角质形成细胞的功能分化特性,在器官型培养物中显示出正常的角化和分层56,57 和在高钙浓度培养基中向分化特征的正常形态发生转化 57,58,59。 KRT5 和 KRT14 的 mRNA 水平作为与增殖角质形成细胞相关的细胞角蛋白,在 M5 刺激的 HaCaT 中增加(图 3A)。为进一步探讨 M5 联合刺激对角质形成细胞分化水平的影响,评估了角质形成细胞分化标志物的 mRNA 表达。KRT1 和 KRT10 是角化过程中作为早期分化因素最早表达的,它们显着下调(图 3A)。同时,作为表皮角质化包膜主要成分的晚期分化标志物 Loricrin 和 Filaggrin 的 mRNA 水平显着下调(图 3A)。微阵列表达谱也上调角质形成细胞增殖标志物 KRT5 和 KRT6,而分化标志物 KRT1 、 KRT10 、 Loricrin 和 Filaggrin 下调 (图 3B)。这类似于在人体活检中进行的研究,与正常皮肤相比,银屑病皮肤病变 (GDS4602)60 患者的 GEO 特征显示 KRT10、丝聚蛋白和 Loricrin 表达降低(补充表 1)。总之,M5 组合降低了 HaCaT 细胞系中角质形成细胞分化标志物的表达。
图 1:在 IL-17A、IL-22、IL-1α、TNF-α 和 OSM 组合(M5 组合)培养的 HaCaT 细胞中,趋化因子基因持续增加。 HaCaT 细胞以 M5 组合培养 6 、 12 和 24 小时。进行 QRT-PCR 分析,使用 β-肌动蛋白管家基因对 CXCL1 、 CXCL2 、 CXCL8 和 CCL20 的 mRNA 表达水平进行归一化,并在未刺激对照以上倍数增加时表达 (A),对照和 M5 刺激的 HaCaT 之间细胞因子和趋化因子表达谱的热图 (B).ELISA 检测 M5 刺激 96 h 的 HaCaT 细胞培养上清液中 IL-6 、 IL-1β 、 IL-18 和 CXCL8 水平 (C)。均值± SD *P < 0.05;**P < 0.01;P < 0.001。双尾学生 t 检验。数据表示三个独立的实验。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 2:用 M5 组合培养的 HaCaT 细胞中的抗菌肽基因持续增加。 HaCaT 细胞以 M5 组合培养 6 、 12 和 24 小时。进行 QRT-PCR 分析,使用 β-肌动蛋白管家基因对 BD2 、 S100A7 、 S100A8 、 S100A9 和 S100A12 的 mRNA 表达水平进行归一化,并随着倍数的增加而表达 高于未刺激的对照 (A),对照和 M5 刺激的 HaCaT 之间抗菌肽表达谱的热图 分析 (B)。均值± SD *P < 0.05;**P < 0.01;P < 0.001。双尾学生 t 检验。数据表示三个独立的实验。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 3:在 M5 组合培养的 HaCaT 细胞中,角质形成细胞分化基因持续降低。 HaCaT 细胞以 M5 组合培养 6 、 12 和 24 小时。进行 QRT-PCR 分析,使用 β-肌动蛋白管家基因对 KRT1 、 KRT10 、 Filaggrin 和 Loricrin 的 mRNA 表达水平进行标准化,并表达为倍数高于未刺激的对照 (A),对照和 M5 刺激的 HaCaT 之间角质形成细胞增殖和分化标志物表达谱的热图分析 (B)。均值± SD *P < 0.05;**P < 0.01;P < 0.001。双尾学生 t 检验。数据表示三个独立的实验。 请单击此处查看此图的较大版本。
引物序列 | ||
基因 | 向前 (5' 到 3') | 反向(5' 到 3') |
β-肌动蛋白 | CCACGAAACTACCTTCAACTCC | GTGATCTCCTTCTGCATCCTGT |
S100A7系列 | CCTTAGTGCCTGTGACAA | CTGCTTGTGGTAGTCTGT |
S100A8系列 | AGTGTCCTCAGTATATCA | CATCTTTATCACCAGAATG |
S100A9系列 | CAACACCTTCCACCAATAC | TCATTCTTATTCTCCTTCTTGAG |
S100A12 | CAATACTCAGTTCGGAAGG | CTTTGATATTCTTGATGGTGTGTTT |
CXCL8 | GTCCTTGTTCCACTGTGCCT | GCTTCCACATGTCCTCACAA |
CCL20 系列 | TGACTGCTGTCTTGGATACACAGA | TGATAGCATTGATGTCACAGCCT |
CXCL1 | GCCAGTGCTTGCAGACCCT | GGCTATGACTTCGGTTTGGG |
CXCL2 | CAAACCGAAGTCATAGCCAC | TCTGGTCAGTTGGATTTGCC |
BD2 | TTCTCGTTCCTCTTCATA | ATATGGCTCCACTCTTAA |
丝拉格林 | TGAGGGCACTGAAAGGCAAA | TGGCCACATAAACCTGGGTC |
洛里克林 | GGGCACCGATGGGCTTAG | GGTAGGTTAAGACATGAAGGATTTGC |
克尔特14 | CCAGTTCTCCTCTGGATCGC | TCCAGTGGGATCTGTGTCCA |
克尔特10 | CCTGCTTCAGATCGACAATGCC | ATCTCCAGGTCAGCCTTGGTCA |
KRT5 | TGTCAAGAAACAGTGCGCCA | GCTGCTGGAGTAGTAGCTTCC |
克尔特1 | CCCTCCTGGTGGCATACAAG | GTTGGTCCACTCTCCTTCGG |
表 1:用于 RT-PCR 分析的基因引物序列列表
基因 | 率 银屑病/控制 | p 值 |
趋化因子 | ||
CXCL1 | 5.34 | <0.001 |
CXCL2 | 10.14 | <0.001 |
CXCL8 | 18.59 | <0.001 |
CCL20 系列 | 7.07 | <0.001 |
抗菌肽 | ||
BD2 | 193.55 | <0.001 |
S100A7系列 | 15.31 | <0.001 |
S100A8系列 | 10.14 | <0.001 |
S100A9系列 | 52.46 | <0.001 |
S100A12 | 52.48 | <0.001 |
角质形成细胞分化 | ||
丝拉格林 | 0.58 | <0.001 |
洛里克林 | 0.47 | <0.001 |
KRT10 系列 | 0.92 | <0.001 |
补充表 1:银屑病病变皮肤与正常皮肤的 GEO 概况。GEO 剖面 (GSD4602) 数据来自 58 例正常皮肤和 64 例银屑病病变皮肤的皮肤穿刺活检。使用 Prism 8 软件计算银屑病病变皮肤与正常皮肤之间的比率。使用 Mann-Whitney U 检验分析 p 值。
本文描述的是一种使用五种细胞因子组合(IL-17A、IL-22、IL-1α、TNF-α、OSM)进入 HaCaT 细胞系以在转录水平建立体外银屑病样皮肤炎症谱的方法。该方案可适用于基因在银屑病发病机制中的机制研究以及银屑病治疗药物的筛选。最近的报道表明,在病变皮肤中过表达产生 CD8 T 细胞的 IL-17A 和 IL22 表明它们参与银屑病的发病机制61。IL-1α、IL-22 和 IL-17A 可在动物模型中诱导皮肤炎症62、63、64、65。能够诱导与产生的抗菌肽相关的特异性表达模式的细胞因子,例如 IL-17 和 IL-2266 或先天免疫反应,例如 IL-17、IL-1α 和 TNF-α 11,62,67 或角质形成细胞分化程序,例如 IL-22 或 OSM68,69.我们的结果证实 IL-17A 、 IL-22 、 IL-1α 、 TNF-α 和 OSM 是主要的皮肤炎症诱导剂,并证明了对 HaCaT 细胞系中趋化因子、细胞因子和抗菌肽表达的强大协同作用。
值得注意的是,M5 组合诱导吸引趋化因子 CXCL1、CXCL2、CXCL8 的中性粒细胞的 HaCaT 细胞表达,以及 CCR6+ Th17 细胞趋化因子 CCL20 的募集,这在银屑病的发生和维持中起决定性作用 70,71,72。抗菌肽被怀疑通过多种机制改变宿主炎症反应,包括作为血管生成因子、趋化剂和细胞增殖调节剂的作用,近年来与银屑病的发展有关73。S100A8 和 S100A9 也参与炎症浸润的募集74,75。S100A8 和 S100A9 可增强角质形成细胞中 CXCL1、CXCL2、CXCL8 和 CCL20 的产生76。BD2 具有趋化因子活性,可通过与 CCR677 相互作用将记忆 T 细胞和未成熟的树突状细胞募集到微生物侵袭部位。S100A12 对肥大细胞和单核细胞具有趋化性78。在 M5 刺激的 HaCaT 银屑病样体外模型中表达的抗菌肽对皮肤的自然防御至关重要,也有利于促进炎症细胞的浸润。
我们的数据显示,在 HaCaT 细胞中 M5 联合刺激后,早期 (KRT1 和 KRT10) 和晚期 (Filaggrin 和 Loricrin) 分化基因的表达显著降低(图 2)。银屑病的特征是增殖率不受控制地增加和分化不良79。GWAS 已经鉴定出许多与银屑病相关的遗传变异,包括许多对角质形成细胞分化至关重要的基因80。银屑病角质形成细胞 RNA-seq 鉴定的差异表达降低的基因富集了与表皮分化相关的基因81。银屑病角质形成细胞显示早期 (KRT1 、 KRT10 、 DSC1 )和晚期 (LOR 、 FLG 、 IVL) 分化基因的表达降低81。KRT1 和 KRT10 直接参与细胞周期控制,从而启动角质形成细胞分化82。KRT1/10 突变或 KRT10 缺失显示基底层表皮增生更大83,84。丝聚蛋白基因的功能丧失突变 (p.K4022X) 与银屑病85 有关。Loricrin 作为 PSORS4 基因座的候选者,突变会扰乱角质形成细胞分化并延迟细胞死亡过程86。观察到银屑病病变皮肤中角质形成细胞的丝聚蛋白和 loricrin 表达降低87。此外,S100A8/A9 通过诱导 p38 和 SAPK/JNK 磷酸化,然后激活 ERK1/2 来刺激角质形成细胞增殖88。总之,M5 组合刺激 HaCaT 细胞的角质形成细胞分化过程的 mRNA 表达模式与银屑病皮肤病变的表达模式一致。
在该方案中,HaCaT 细胞系用于在体外建立银屑病样皮肤炎症模型,因为它们易于获得和培养,具有良好的稳定性和可重复性。尽管 HaCaT 细胞已广泛用于银屑病研究 15,16,17,18,19,但据报道,HaCaT 细胞中角质化包膜相关蛋白的基因转录谱通常与原代角质形成细胞不同,这表明 HaCaT 细胞作为模型研究正常皮肤屏障发育存在局限性89,90.同时,HaCaT 表达的角蛋白谱比原代角质形成细胞培养物中通常看到的角蛋白谱要广泛得多,包括与简单上皮19 相关的角蛋白。在我们之前的研究中,用 M5 刺激的基因本体论 (GO) 富集分析 HaCaT 细胞在银屑病患者病变皮肤和表皮的转录组数据中显示出类似的基因富集。在银屑病样 HaCaT 细胞的差异表达基因 (DEG) 中,我们发现 M5 刺激的 HaCaT 细胞中的 DEGs 模式与银屑病的致病性相关 (GSE54456, GSE26866)91。同时,趋化因子 40,92,93,抗菌肽 46,94,95,96,97 和角质形成细胞分化标志物 97,98,99,100 的免疫组化模式在银屑病患者中与 GEO 数据库一致。因此,用 M5 刺激的 HaCaT 细胞作为体外银屑病样皮肤炎症模型与原代角质形成细胞相似。
值得注意的是,重组细胞因子的活性对实验的成功至关重要。必须始终将溶解的重组细胞因子进行工作等分试样,并避免冻融循环。同时,我们发现与 10% FBS 相比,培养基加 2% FBS 刺激的 M5 刺激的银屑病样皮肤炎症更强。此外,在筛选潜在药物或研究银屑病机制之前,识别促炎趋化因子的表达对于检测 M5 诱导的银屑病样模型是否成功是必要的。
在这里,我们建立了一种刺激 HaCaT 细胞银屑病样皮肤炎症模型的 M5 组合,显示银屑病患者炎症介质的一致表达和角质形成细胞分化水平降低,证明了研究细胞因子对体外病理生理状况的协同作用的优势。IL-17A、IL22、IL-1α、TNF-α 和 OSM 协同刺激可能是一种新颖的有价值的策略,可以识别疾病的关键致病组织特异性分子,并代表未来银屑病治疗开发的潜在生物标志物或药物靶点。
作者未报告潜在的利益冲突。
这项工作得到了中国国家自然科学基金的支持 [81703132, 31271483, 81472650, 81673061, 81573050, 31872739, and 81601462]
Name | Company | Catalog Number | Comments |
DMEM—Dulbecco's Modified Eagle Medium | Gibco | 11965092 | |
Fetal Bovine Serum | Gibco | 10100139C | |
HaCaT cells | China Center for Type CultureCollection | GDC0106 | Less than 15 generations |
Human IL-1β ELISA Kit | Beyotime | PI305 | |
Human IL-6 ELISA Kit | Beyotime | PI330 | |
Human IL-8 ELISA Kit | Beyotime | PI640 | |
IL-1 alpha Human | Prospec | CYT-253 | Recombinant protein |
IL-17 Human | Prospec | CYT-250 | Recombinant protein |
IL-22 Human | Prospec | CYT-328 | Recombinant protein |
OSM Human | Prospec | CYT-231 | Recombinant protein |
PBS | Gibco | 10010049 | pH 7.4 |
Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15140163 | |
PrimeScrip RT reagent Kit | TAKARA | RR047A | |
TB Green Premix Ex Taq | TAKARA | RR420A | |
TNF alpha Human | Prospec | CYT-223 | Recombinant protein |
TRIzo Reagent | Invitrogen | 15596018 | |
Trypsin-EDTA (0.25%), phenol red | Gibco | 25200072 |
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