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Method Article
Automatisierte Assays mit Multi-Well-Mikroplatten sind vorteilhafte Ansätze zur Identifizierung von Signalwegregulatoren, indem sie die Bewertung einer Vielzahl von Bedingungen in einem einzigen Experiment ermöglichen. Hier haben wir das etablierte Makropinosomen-Bildgebungs- und Quantifizierungsprotokoll an ein 96-Well-Mikroplattenformat angepasst und bieten einen umfassenden Überblick über die Automatisierung mit einem Multimode-Plattenleser.
Makropinozytose ist ein unspezifischer Flüssigkeitsphasenaufnahmeweg, der es Zellen ermöglicht, große extrazelluläre Fracht wie Proteine, Krankheitserreger und Zelltrümmer durch Bulk-Endozytose zu internalisieren. Dieser Signalweg spielt eine wesentliche Rolle bei einer Vielzahl von zellulären Prozessen, einschließlich der Regulierung von Immunantworten und des Stoffwechsels von Krebszellen. Angesichts dieser Bedeutung für die biologische Funktion kann die Untersuchung der Zellkulturbedingungen wertvolle Informationen liefern, indem Regulatoren dieses Signalwegs identifiziert und die Bedingungen für die Entdeckung neuartiger therapeutischer Ansätze optimiert werden. Die Studie beschreibt eine automatisierte Bildgebungs- und Analysetechnik unter Verwendung von Standardlaborgeräten und einem zellbildenden Multimode-Plattenleser zur schnellen Quantifizierung des makropinozytären Index in adhärenten Zellen. Die automatisierte Methode basiert auf der Aufnahme von hochmolekularem fluoreszierendem Dextran und kann auf 96-Well-Mikrotiterplatten angewendet werden, um die Beurteilung mehrerer Bedingungen in einem Experiment oder fester Proben auf Glasdeckgläsern zu erleichtern. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die Reproduzierbarkeit zu maximieren und die experimentelle Variation zu reduzieren, während er gleichzeitig zeitsparend und kostengünstig ist.
Der unspezifische endozytäre Weg der Makropinozytose ermöglicht es Zellen, eine Vielzahl von extrazellulären Komponenten, einschließlich Nährstoffen, Proteinen, Antigenen und Krankheitserregern, durch Massenaufnahme von extrazellulärer Flüssigkeit und ihren Bestandteilen zu internalisieren1. Obwohl wichtig für die Biologie zahlreicher Zelltypen, wird zunehmend beschrieben, dass der Makropinozytoseweg eine wesentliche Rolle in der Tumorbiologie spielt, wo Tumorzellen durch makropinozytäre Aufnahme in der Lage sind, in Gegenwart einer nährstoffarmen Mikroumgebung zu überleben und sich zu vermehren2,3. Die Aufnahme extrazellulärer Makromoleküle, einschließlich Albumin und extrazellulärer Matrix, sowie nekrotischer Zelltrümmer bietet eine alternative Nährstoffquelle für die Biomasseproduktion, indem Aminosäuren, Zucker, Lipide und Nukleotide durch Makropinosomen- und Lysosomenfusions-vermittelte Frachtkatabolismus erzeugt werden4,5,6,7,8.
Die Induktion und Regulation der Makropinozytose ist komplex und kann je nach zellulärem Kontext variieren. Bisher wurden mehrere Induktoren der Makropinozytose identifiziert und umfassen Liganden wie den epidermalen Wachstumsfaktor (EGF), den von Thrombozyten abgeleiteten Wachstumsfaktor (PDGF), Galectin-3 und Wnt3A9,10,11,12,13. Darüber hinaus können Kultivierungsbedingungen, die die Tumormikroumgebung nachahmen, die Aktivierung des Signalwegs auslösen. Tumoren des duktalen Adenokarzinoms (PDAC) der Bauchspeicheldrüse sind nährstoffarm, insbesondere für die Aminosäure Glutamin, die dazu führt, dass sowohl Krebszellen als auch krebsassoziierte Fibroblasten (CAFs) auf Makropinozytose angewiesen sind7,13,14,15. Darüber hinaus können Tumorbelastungen wie Hypoxie und oxidativer Stress diesen Fressweg aktivieren16. Zusätzlich zu den zahlreichen extrinsischen Einflussfaktoren, die Makropinozytose induzieren können, steuern eine Vielzahl von intrazellulären Signalwegen die Bildung von Makropinosomen. Die onkogene Ras-vermittelte Transformation reicht aus, um die makropinozytische Maschinerie zu initiieren, und mehrere Krebsarten weisen eine onkogene Ras-gesteuerte konstitutive Makropinozytose auf4,5,9,17. Alternativ wurden Wildtyp-Ras-Aktivierung und Ras-unabhängige Signalwege identifiziert, um makropinozytose in Krebszellen und CAFs zu aktivieren10,11,15,18. Die Verwendung verschiedener In-vitro-Modelle in Kombination mit Inhibitorbehandlungen hat zur Identifizierung mehrerer Makropinozytosemodulatoren geführt, darunter Natrium-Wasserstoff-Austauscher, die kleine GTPase Rac1, die Phosphoinositid-3-Kinase (PI3K), die p21-aktivierte Kinase (Pak) und die AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK)4,13,15 . Angesichts der Vielzahl der beschriebenen Faktoren und Bedingungen, die die Makropinozytose regulieren, ist es jedoch denkbar, dass noch viel mehr Modulatoren und Reize unentdeckt bleiben. Die Identifizierung neuartiger Modulatoren und Stimuli kann durch die automatisierte Bewertung einer Vielzahl von Bedingungen in einem einzigen Experiment erleichtert werden. Diese Methodik kann Aufschluss über die Faktoren geben, die an der Bildung von Makropinosomen beteiligt sind, und kann die Entdeckung neuartiger kleiner Moleküle oder Biologika ermöglichen, die auf diesen Signalweg abzielen.
Hier haben wir unser bisher etabliertes Protokoll zur Bestimmung des Ausmaßes der Makropinozytose in Krebszellen in vitro auf ein 96-Well-Mikroplattenformat und automatisierte Bildgebung und Quantifizierung angepasst19,20. Dieses Protokoll basiert auf der Fluoreszenzmikroskopie, die zu einem Standard auf dem Gebiet der Bestimmung der Makropinozytose in vitro und in vivo geworden ist4,5,6,7,9,10,11,12,13,15,16,17,18, 19,20,21,22. Makropinosomen können von anderen endozytären Signalwegen durch ihre Fähigkeit unterschieden werden, große Makromoleküle wie hochmolekulares Dextran (d.h. 70 kDa)2,3,4,20,21,22,23 zu internalisieren. Somit können Makropinosomen durch aufnahme von extrazellulär verabreichtem Fluorophor-markiertem 70 kDa Dextran definiert werden. Infolgedessen manifestieren sich makropinozytäre Vesikel als intrazelluläre Cluster fluoreszierender Punktika mit Größen von 0,2-5 μm. Diese Puncta können mikroskopisch abgebildet und anschließend quantifiziert werden, um das Ausmaß der Makropinozytose in der Zelle - den "makropinozytären Index" - zu bestimmen.
In diesem Protokoll werden die wesentlichen Schritte zur Visualisierung von Makropinosomen in adhärenten Zellen in vitro auf einer 96-Well-Mikroplatte und Deckgläsern mit Standardlaborgeräten beschrieben (Abbildung 1). Darüber hinaus werden die Anweisungen zur Automatisierung der Bildaufnahme und Quantifizierung des makropinozytären Index mit einem cell imaging Multimode-Plattenleser bereitgestellt. Diese Automatisierung reduziert Zeit, Kosten und Aufwand im Vergleich zu unseren zuvor beschriebenen Protokollen19,20. Darüber hinaus vermeidet es eine unbeabsichtigt verzerrte Bilderfassung und -analyse und erhöht dadurch die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit. Diese Methode kann leicht an verschiedene Zelltypen oder Plattenleser angepasst oder zur Bestimmung alternativer Makropinosomenmerkmale wie Größe, Anzahl und Position verwendet werden. Das hierin beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere für das Screening von Zellkulturbedingungen, die makropinozytose induzieren, die Identifizierung neuartiger Modulatoren oder die Optimierung von Wirkstoffkonzentrationen bekannter Inhibitoren.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des automatisierten Assays zur Bestimmung des "makropinozytären Index" in adhärenten Zellen. Erstellt mit BioRender. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
1. Vorbereitung der Materialien
2. Vorbereitung der Zellen
3. Makropinosomen-Kennzeichnung
Abbildung 2: Platzieren von Deckgläsern auf einem Objektträger mit Silikonisolatoren. (A) Silikonisolatoren werden gedrückt und auf einen Objektträger geklebt. (B) Der gesamte Objektträger kann mit insgesamt 3 Isolatoren bestückt werden, was zu einem gleichmäßigen Abstand und einer reproduzierbaren Lokalisierung der Deckgläser führt. (C) Fügen Sie für jeden Deckglas einen Tropfen Fluoreszenz-Montagemedien auf dem Objektträger im offenen Raum des Isolators hinzu. (D) Nehmen Sie mit einer Pinzette einen Deckglas von der 24-Well-Platte auf und legen Sie ihn verkehrt herum auf den Tropfen des Montagemediums. (E) Wenn zwischen dem Deckglas und dem Objektträger Blasen vorhanden sind, klopfen Sie vorsichtig mit einer geschlossenen Pinzette auf den Deckglas, um Blasen zu entfernen. Erstellt mit BioRender. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Spülen der 96-Well-Mikrotiterplatte, um die Fixierung vorzubereiten. (A) Entleeren Sie die Mikrotiterplatte des Mediums durch manuelles Streichen in ein 5-Liter-Becherglas. (B) Senkrecht und in einem leichten Winkel die Mikroplatte langsam in ein 2-Liter-Becherglas tauchen, das mit eiskaltem PBS gefüllt ist. (C) Entleeren Sie die Mikrotiterplatte von PBS durch manuelles Streichen in das 5-Liter-Becherglas. Wiederholen Sie die Waschschritte wie unter B beschrieben zweimal. (D) Nachdem Sie das PBS in der Mikroplatte zum letzten Mal entleert haben, geben Sie 100 μL 3,7% Formaldehyd in die Vertiefungen unter Verwendung einer Mehrkanalpipette. Erstellt mit BioRender. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
4. Automatisierte Makropinosom-Bildgebung
Bilder von Makropinosomen können mit einem Standard-Fluoreszenzmikroskop aufgenommen werden, wie zuvor beschrieben19,20. Ein solches Verfahren kann jedoch durch Automatisierung in Bezug auf die Effizienz verbessert werden, insbesondere bei der Beurteilung zahlreicher verschiedener Zellkulturbedingungen. Die Automatisierung der Bilderfassung kann über einen Cell Imaging Multi-Mode-Plattenleser erfolgen, der den Aufwand durch Die Reduzierung der Handhabungsverfahren verringert und vor allem die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Daten erhöht, indem Bilder unvoreingenommen erfasst werden. Mehrere Bildgebungssysteme sind kommerziell erhältlich, und die Richtungen unterscheiden sich zwischen den Instrumenten. Hier wird die Aufnahme von Bildern mit einem Cytation 5 beschrieben. Das folgende Protokoll kann jedoch auf jedes einzelne Instrument zugeschnitten werden, indem die folgenden Richtlinien eingehalten werden:
Abbildung 4: Optimierung der Bedingungen für die Bildaufnahme. (A) Erhöhung der Glycerinkonzentration erhöht die TMR-Dextran-Fluoreszenz, wie in AsPC-1-Zellen bestimmt, die mit EGF behandelt wurden. (B) Beispielkoordinaten von Bildbaken für die automatische Bilderfassung bei Verwendung der 24-Well-Platte mit Deckgläsern. Das Balkendiagramm zeigt die durchschnittliche relative Fluoreszenz mit REM von 5 Experimenten. Die statistische Signifikanz wurde durch zweiseitige ANOVA relativ zu PBS bestimmt. ** P < 0,01; P < 0,001. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Kontrollbedingungen für die Beurteilung der Makropinozytose in PDAC-Zellen. (A) AsPC-1-Zellen zeigen Makropinozytose als Reaktion auf 100 ng/ml EGF-Stimulation für 5 min oder Glutaminentzug für 24 h. Für die Bildaufnahme wurden Bilderrahmen von 4 x 4, 3 x 3, 2 x 3 oder 2 x 2 aufgenommen, um den Einfluss der Anzahl der Fotos auf die Datenqualität zu bestimmen. (B) MIA PaCa-2-Zellen zeigen eine konstitutive Makropinozytose, die durch eine 30-minütige Behandlung mit 75 μM EIPA oder eine 2-h-Behandlung mit 10 μM EHop-016 gehemmt wird. Bilderrahmen wurden wie in A aufgenommen. Maßstabsleiste = 25 μm. Balkendiagramme zeigen den durchschnittlichen relativen makropinozytischen Index mit SD von 1 Experiment mit 4 Replikaten. Die statistische Signifikanz wurde durch eine Bidirektionale ANOVA relativ zum +Q- oder Fahrzeugzustand bestimmt. p < 0,001 Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
5. Bestimmung des makropinozytären Index
Der "makropinozytische Index" ist das Ausmaß der zellulären Makropinozytose, das durch Quantifizierung der fluoreszierenden Dextranaufnahme pro Zelle mittels mikroskopischer Bildgebung bestimmt wird19. Zu diesem Zweck werden die aufgenommenen Bilder verwendet, um die Menge an internalisiertem Dextran zu bestimmen, indem die Gesamtfluoreszenzintensität oder fluoreszenzpositive Fläche und die Gesamtzahl der Zellen, wie durch DAPI-Färbung bestimmt, gemessen werden. Diese Analyse kann mit Open-Source-Bildverarbeitungs- und Analysesoftware wie Cell Profiler oder FIJI/ImageJ durchgeführt werden, wie zuvor beschrieben19,20. Bei der Arbeit mit einem Multimode-Plattenleser kann die mit dem Gerät gelieferte Software jedoch integrierte Analyseanwendungen enthalten, die zum Zwecke der Berechnung des makropinozytischen Index verwendet werden können. In einigen Fällen ist die integrierte Softwareanalyse-Pipeline für den Benutzer möglicherweise nicht vollständig ersichtlich. Es empfiehlt sich daher, die Software frühzeitig durch Vergleich mit einem nicht automatisierten Verfahren wie Cell Profiler oder FIJI/ImageJ zu validieren. Dieses Protokoll kann an andere Bildverarbeitungs- und Analysesoftwaretools angepasst werden, indem die folgenden allgemeinen Anweisungen eingehalten werden:
6. Zugabe von Behandlungen
Zellbehandlungen (kleine Moleküle, Biologika, Wachstumsfaktoren, Metaboliten usw.) können in jeder Phase des Protokolls integriert werden, und der genaue Zeitpunkt hängt von den Zielen und Zielen der Studie ab.
Abbildung 6: Durchführung einer Dosis-Wirkungs-Kurve für Makropinozytoseinhibitoren. Beispieldaten, die beim Testen bekannter Makropinozytoseinhibitoren in einer neuen Zelllinie erhalten wurden. PATU8998T-Zellen wurden für das 96-Well-Mikroplattenformat verwendet und für 2 h und 30 min mit den angegebenen Konzentrationen von (A) EHop-16 bzw. (B) EIPA behandelt. Der Vergleich der Ergebnisse, die durch Bildanalyse mit der Gen5-Software oder ImageJ erhalten wurden, zeigt keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Ansätzen, wie durch ns in (A) angegeben. Maßstabsleiste = 25 μm. Balkendiagramme zeigen den Durchschnitt und den SD eines einzelnen Experiments mit 4 Replikaten. Die statistische Signifikanz wurde durch ein- oder zweiseitige ANOVA im Vergleich zu unbehandelten Bedingungen bestimmt. * p < 0,05; P < 0,001. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Wenn die Schritte und die Anpassung des oben beschriebenen Protokolls entsprechend befolgt werden, sollten die endgültigen experimentellen Ergebnisse Informationen darüber liefern, ob die untersuchten Zellkulturbedingungen oder Inhibitoren die Makropinozytose in der interessierenden Zelllinie induzieren oder reduzieren. Um die Validität dieser Ergebnisse zu stärken, ermöglicht die Einbeziehung von Kontrollbedingungen die Überprüfung der Ergebnisse, um festzustellen, ob das Experiment erfolgreich abgeschlossen wurd...
Die Qualität der Experimente und der Datenerfassung hängt stark von der Qualität der Reagenzien, der Optimierung der Einstellungen und der Sauberkeit der Deckgläser und der Mikrotiterplatte ab. Die Endergebnisse sollten eine minimale Variation zwischen den Replikaten ergeben; Biologische Variationen kommen jedoch natürlich vor oder können anderweitig durch eine Reihe von Faktoren verursacht werden. Die Zelldichte kann dazu führen, dass Zellen mehr oder weniger auf Makropinozytose-Induktoren oder -inhibitoren reagi...
C.C. ist Erfinder eines erteilten Patents mit dem Titel "Cancer diagnostics, therapeutics, and drug discovery associated with macropinocytosis", Patent Nr.: 9,983,194.
Diese Arbeit wurde durch NIH/NCI-Zuschüsse (R01CA207189, R21CA243701) an C.C unterstützt. KMO.G. erhielt einen TRDRP Postdoctoral Fellowship Award (T30FT0952). Der BioTek Cytation 5 ist Teil des Sanford Burnham Prebys Cell Imaging Core, der finanzielle Unterstützung aus dem NCI Cancer Center Support Grant (P30 CA030199) erhält. Die Abbildungen 1-3 wurden mit BioRender erstellt.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.25% Trypsin | Corning | 25053CI | 0.1% EDTA in HBSS w/o Calcium, Magnesium and Sodium Bicarbonate |
1.5 mL Microcentrifuge tube | Fisherbrand | 05-408-129 | |
10-cm Tissue culture dish | Greiner Bio-One | 664160 | CELLSTAR |
15 mL Centrifuge tube | Fisherbrand | 07-200-886 | |
2 L Beaker | Fisherbrand | 02-591-33 | |
24-well Tissue culture plate | Greiner Bio-One | 662160 | CELLSTAR |
25 mL Reagent reservoir | Genesee Scientific Corporation | 28-121 | |
500 mL Beaker | Fisherbrand | 02-591-30 | |
6-cm Tissue culture dish | Greiner Bio-One | 628160 | CELLSTAR |
8-Channel aspiration adapter | Integra Biosciences | 155503 | |
8-Channel aspiration adapter for standard tips | Integra Biosciences | 159024 | |
95% Ethanol | Decon Laboratories Inc | 4355226 | |
Ammonia-free glass cleaner | Sparkle | FUN20500CT | |
Black 96-well high-content screening microplate | PerkinElmer | 6055300 | CellCarrier-96 Ultra |
Cotton-tipped applicator | Fisherbrand | 23-400-101 | |
Coverslips | Fisherbrand | 12-545-80 | 12 mm diameter |
Cytation 5 Cell Imaging Multi-Mode Reader | Biotek | CYT5FW | |
DAPI | Millipore Sigma | 5.08741 | |
Dextran 70 kDa - FITC | Life Technologies | D1822 | Lysine-fixable |
Dextran 70 kDa - TMR | Life Technologies | D1819 | |
DMSO | Millipore Sigma | D1435 | |
DPBS | Corning | 21031CV | Without Calcium and Magnesium |
Forceps | Fine Science Tools | 11251-20 | Dumont #5 |
Formaldehyde, 37% | Ricca Chemical | RSOF0010-250A | ACS Reagent Grade |
Glycerol | Fisher BioReagents | BP229-1 | |
Hardening fluorescence mounting media | Agilent Tech | S302380-2 | DAKO |
Hoechst 33342 | Millipore Sigma | B2261 | |
Hydrochloric acid (HCl) | Fisher Chemical | A144-212 | Certified ACS Plus, 36.5%–38.0% |
Lint-free wipes | Kimberly-Clark | 34155 | Kimwipes |
Miscroscope slides | Fisherbrand | 12-544-1 | Premium plain glass |
Multichannel pipette | Gilson | FA10013 | 8 channels, 0.5–10 µL |
Multichannel pipette | Gilson | FA10012 | 12 channels, 20–200 µL |
Multichannel pipette | Gilson | FA10011 | 8 channels, 20–200 µL |
Parafilm M | Pechiney | PM996 | |
Plastic wrap | Kirkland Signature | 208733 | Stretch-Tite |
Silicone isolators | Grace Bio Labs Inc | 664107 | 13 mm Diameter X 0.8 mm Depth ID, 25 mm X 25 mm |
Slide adapter | Biotek | 1220548 | |
Wash bottle | Fisherbrand | FB0340922C |
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