Method Article
Le but de cet article est de décrire un protocole pour l’extraction de métabolites aqueux de cellules adhérentes cultivées pour l’analyse métabolomique, en particulier, l’électrophorèse capillaire-spectrométrie de masse.
L’analyse métabolomique est une approche de l’omiques prometteuse non seulement pour comprendre la régulation métabolique spécifique dans les cellules cancéreuses par rapport aux cellules normales, mais aussi pour identifier les biomarqueurs pour la détection précoce du cancer et la prédiction de la réponse à la chimiothérapie dans patients atteints de cancer. La préparation d’échantillons uniformes pour l’analyse métabolomique est une question cruciale qui reste à traiter. Ici, nous présentons un protocole facile et fiable pour l’extraction de métabolites aqueux de cellules adhérentes cultivées pour l’analyse métabolomique par électrophorèse capillaire-spectrométrie de masse (CE-MS). Les métabolites aqueux des cellules cultivées sont analysés par la culture et le lavage des cellules, le traitement des cellules avec du méthanol, l’extraction de métabolites, et l’élimination des protéines et des macromolécules avec des colonnes de spin pour l’analyse CE-MS. Les résultats représentatifs utilisant des lignées cellulaires de cancer du poumon traitées avec le diamide, un réactif oxydatif, illustrent le déplacement métabolique clairement observable des cellules sous le stress oxydatif. Cet article serait particulièrement utile pour les étudiants et les enquêteurs impliqués dans la recherche sur la métabolomique, qui sont nouveaux à récolter des métabolites de lignées cellulaires pour analyse par CE-MS.
Otto Warburg a observé que les cellules cancéreuses acquièrent la capacité inhabituelle de prendre du glucose et de la fermenter pour produire du lactate en présence d’oxygène adéquat — un phénomène appelé effet de Warburg ou glycolyse aérobie1,2. Les anomalies de la respiration mitochondriale sont spéculé comme base sous-jacente pour la glycolyse aérobie dans les cellules cancéreuses3. En effet, l’effet de Warburg est la base de l’imagerie tumorale par le fluorodésoxyglucose (FDG)-tomographie par émission de positrons (PET), qui est largement utilisée dans la pratique clinique4,5. Un taux élevé de glycolyse aérobie est considéré comme une caractéristique clé du cancer et a été récemment adopté comme l’un des «poinçons du cancer bien connus», comme décrit par D. Hanahan et B. Weinberg6. Les mutations somatiques dans les oncogènes et les gènes suppresseurs tumoraux — tels que HRAS/Kras/nras, EGFR, BRAF, myc, TP53, isocitrate déshydrogénase (IDH) et fumarate hydratase (FH ) — ont été liés à des changements métaboliques spécifiques dans les cellules cancéreuses, censés être le résultat de l’effet de Warburg7.
L’analyse métabolomique est une approche prometteuse non seulement pour comprendre la régulation métabolique dans les cellules cancéreuses, mais aussi pour identifier les biomarqueurs du cancer au stade précoce et la prédiction de la réponse chimiothérapique. Après le traitement des cellules cancéreuses sensibles ou résistantes avec des composés anticancéreux, le suivi de leurs réponses métaboliques facilite l’identification des biomarqueurs métaboliques pour prédire l’efficacité des thérapies anticancéreuses spécifiques chez les patients cancéreux8 ,9,10,11. Dans cet article, les lignées cellulaires cancéreuses dérivées d’un adénocarcinome pulmonaire avec une mutation EGFR traitée avec du diamide — qui provoque un stress oxydatif — ont été utilisées comme modèles pour l’analyse métabolomique. L’avantage de cette méthode analytique utilisant l’électrophorèse capillaire-spectrométrie de masse (ce-ms) est sa mesure complète des métabolites chargés avec la gamme de masse m/z 50-100012,13. Le but de cet article est de fournir aux novices un protocole visuel détaillé par étapes pour la préparation des métabolites aqueux des cellules cancéreuses cultivées et l’analyse métabolomique subséquente, en particulier par CE-MS.
1. culture cellulaire au jour 1
Note: chaque échantillon d’extraction de métabolite doit être préparé à partir d’un seul plat de culture tissulaire de 100 mm qui est modérément mais pas entièrement anastomosé (contenant approximativement 2 à 5 millions de cellules). Calculez le nombre de plats nécessaires au dosage et préparez-les en conséquence.
2. préparation des réactifs
3. prélavage des unités de filtration centrifuge
4. culture cellulaire au jour 2
5. extraction des métabolites des cellules cultivées
6. ultrafiltration des extraits cellulaires
7. évaporation de l’échantillon
8. analyse métabolomique par CE-MS
Étant donné que les concentrations de métabolites dans les cellules cancéreuses (pmol/106 cellules) sont normalisées au nombre de cellules viables, des conditions expérimentales devraient être établies avec précaution afin de minimiser la variation du nombre de cellules viables entre les conditions. Par exemple, le traitement diamide était à une concentration relativement élevée (250 μM), mais pendant une courte période pour permettre à toutes les cellules de croître aussi équitablement que possible, ce qui équivaut à égaliser le nombre de cellules viables analysées. Dans ces conditions expérimentales, les cellules HCC827 et PC-9 ont augmenté également pendant 3 h (figure 1). L’analyse CE-MS des cellules traitées au diamide par rapport aux cellules traitées par PBS (témoins) a révélé des métabolites différentiels 175 et 150 dans les cellules HCC827 et PC-9, respectivement. Parmi ceux-ci, plusieurs intermédiaires dans la voie du pentose phosphate (PPP) et dans la glycolyse supérieure étaient significativement plus élevés dans les conditions traitées au diamide dans les deux lignées cellulaires, alors que quelques intermédiaires du cycle de l’acide tricarboxylique (TCA) étaient plus faibles dans les conditions (figure 2 et figure 3).
Le PPP génère des équivalents réducteurs sous la forme d’une réduction de nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADPH), qui est utilisé pour l’entretien de l’homéostasie redox et la biosynthèse des acides gras15. Après traitement diamide, le niveau d’acide gluconique — un glucose oxydé — a augmenté de 12 fois dans les cellules HCC827 et de 10 fois dans les cellules PC-9; de même, après un traitement diamide, le taux de glucose 6-phosphate (G6P) — un glucose phosphorylé et le premier produit de glycolyse catalysé par l’hexokinase — a également augmenté de 6,3 et de 3,5 fois dans les cellules HCC827 et PC-9, respectivement (figure 4). De plus, après traitement diamide, les concentrations de 6-phosphogluconate (6PG) — le premier intermédiaire en PPP — ont considérablement augmenté de 89 dans les cellules de HCC827 et de 231 fois dans les cellules PC-9 comparativement aux concentrations observées dans les contrôles du PBS (figure 4). En revanche, les concentrations d’autres intermédiaires glycolytiques, comme le fructose 6-phosphate (F6P) et le fructose 1,6-bisphosphate (F1, 6P), n’ont pas changé dans la condition expérimentale diamide (figure 4). Les concentrations totales de nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP+) étaient presque équivalentes entre le traitement diamide et les conditions de contrôle du PBS (figure 4), suggérant que le glucose était principalement catabolisé via le PPP.
La figure 1. Nombre de cellules inchangé sur traitement diamide. Les réponses de croissance cellulaire à 250 μm de diamide ont été mesurées à l’aide d’une coloration bleue trypane. Les nombres cellulaires de (A) HCC827 et (B) les cellules PC-9 traitées avec PBS (bleu) ou diamide (rouge; 250 μM) pendant 1 ou 3 h sont affichées. Les données sont affichées comme la moyenne ± SD (n = 6). S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
La figure 2. Les pics représentatifs de la SEP des métabolites. Electropherogrammes annotés comme (A) acide gluconique, (B) glucose 6-phosphate (G6P), (C) 6-phosphogluconate (6PG), et (D) nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP+) obtenu par analyse ce-ms. Chaque ligne indique la ligne de la cellule (solide, HCC827; pointillé, PC-9) et le traitement (bleu, PBS; rouge, diamide) utilisé. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
La figure 3. Profils métabolome des métabolites intracellulaires. Les changements de pli des métabolites dans (A) HCC827 et (B) les cellules de PC-9 traitées aveclediamide sont montrées comme log2(diamide/PBS). Au total, 175 et 150 métabolites ont été annotés respectivement dans les cellules HCC827 et PC-9. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
La figure 4. Up-Regulation du PPP sur le traitement diamide. Les concentrations intracellulaires (pmol/106 cellules) des métabolites clés impliqués dans la glycolyse et la voie du pentose phosphate (PPP) après le traitement par le diamide sont montrées. Les métabolites ont été extraits des cellules HCC827 et PC-9 traitées avec du PBS (bleu) ou du diamide (rouge, 250 μM) pendant 30 min. métabolites représentatifs tels que l’acide gluconique, le glucose 6-phosphate (G6P), le fructose 6-phosphate (F6P), 6 -le phosphogluconate (6PG) et le nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP+) sont montrés. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Ici, nous décrivons une méthodologie largement accessible pour préparer les métabolites des cellules cancéreuses cultivées pour l’analyse métabolomique basée sur le CE-MS. Un des points les plus critiques dans ce protocole est la préparation appropriée des cellules cancéreuses, parce que les concentrations mesurées de métabolite sont normalisées au nombre de cellules viables. Pour une estimation précise du nombre de cellules, il est nécessaire de préparer au moins un plat de culture supplémentaire par groupe expérimental pour compter le nombre de cellules viables en parallèle avec l’extraction des métabolites pour l’analyse métabolomique. En outre, le même nombre de cellules doit être ensemencé dans chaque plat pour les répliques et dans le plat pour le comptage; à l’avenir, cela serait facilité par un protocole de comptage cellulaire rapide et sans stress (p. ex., sans trypsine) qui permet d’utiliser le même plat pour le comptage de cellules viables et l’extraction de métabolites. Les précautions doivent être prises pendant les lavages afin que les cellules ne se détachent pas de la surface des plats. Des tests de cytotoxicité sévère et d’autres expériences qui réduisent l’adhérence des cellules peuvent ne pas convenir à ce protocole d’extraction en raison d’une perte potentielle de cellules pendant la procédure de lavage.
Il est important d’utiliser une solution de mannitol à 5% comme tampon de lavage pour extraire les métabolites des cellules cultivées pour une analyse métabolomique basée sur le CE-MS, car les tampons à base de sel, tels que le PBS, interfèrent avec l’analyse métabolomique et nuisent à la mesure.
Deux ou trois plats peuvent être combinés en un seul échantillon en extrayant individuellement des métabolites de chaque plat, puis en regroupant des échantillons; Cependant, la combinaison de plusieurs plats augmente souvent le mannitol résiduel dans la solution de métabolite extrait. Cela peut également interférer avec l’analyse métabolomique par CE-MS. par conséquent, il est recommandé de ne pas utiliser plusieurs plats ou des puits comme un seul échantillon.
Cette méthode d’analyse métabolomique utilisant CE-MS a été développée pour la mesure complète des molécules chargées avec des poids moléculaires entre 50 et 1000 da; ainsi, ce protocole est optimisé pour l’extraction de composés aqueux, de faible poids moléculaire. Par conséquent, ce protocole ne convient pas à l’extraction de métabolites hydrophobes tels que les lipides ou les macromolécules telles que les protéines et les acides nucléiques. Étant donné qu’il y a une demande croissante d’analyses lipidiques complètes ou de lipidomique d’échantillons de cellules cultivées, le développement d’un protocole facile et efficace pour l’extraction simultanée de métabolites hydrophiles et hydrophobes est nécessaire.
La première étape de l’extraction du métabolite — milieu aspirant et cellules de lavage avec le mannitol — doit être effectuée aussi rapidement que possible pour minimiser les changements au profil métabolique des cellules. Le traitement des cellules avec le méthanol après le lavage avec le mannitol est supposé pour dénaturer les protéines et ainsi empêcher les enzymes de catalyser d’autres réactions métaboliques. Cependant, même après le traitement au méthanol, des réactions chimiques non enzymatiques — telles que des réactions redox, certains processus de décarboxylation et des liaisons THIOLÉES — peuvent avoir lieu. Ainsi, toutes les concentrations de métabolites impliqués dans ces réactions mesurées par ce protocole doivent être interprétées avec prudence. Contrairement au génome ou au transcriptome, le métabolome est constitué de molécules possédant une grande variété de propriétés chimiques; par conséquent, aucun protocole unique ne peut extraire tous les métabolites sans aucune perte ou perturbation. Pour des mesures plus précises de ces métabolites hautement réactifs, un protocole spécifiquement conçu pour extraire certains groupes de métabolites, qui nécessite des fractionnements et des dérivations, doit être consulté. Le protocole présenté ici, cependant, décrit une extraction simple et rapide de métabolites aqueux à partir d’échantillons de cellules cultivées pour l’analyse métabolomique par CE-MS. Dans ce document, nous ne pouvions pas décrire comment mettre en place CE-MS en détail parce que le présent manuscrit est différent, cependant, décrivant les étapes détaillées pour mettre en place CE-MS peut nécessiter un article distinct dédié.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Nous remercions tous les membres du centre de promotion de l’industrie régionale de Shonai pour leur aide. Ce travail a été appuyé en partie par des fonds de recherche de la préfecture de Yamagata et de la ville de Tsuruoka, par le Fonds national de recherche et de développement du centre du cancer [Grant number 28-A-9], et par la société japonaise pour la promotion de la science (JSPS) KAKENHI [Grant number 17K07189] à HM.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Automated cell counter | Thermo Scientific | AMQAX1000 | Countess II automated cell counter |
Automatic integration software | Agilent Technologies | MassHunter G3335-60041 | version B.02.00 |
CE system | Agilent Technologies | Agilent 7100 CE system | |
CE/MS adapter kit | Agilent Technologies | G1603A | |
CE-ESI-MS Sprayer kit | Agilent Technologies | G1607A | |
Cell counting chamber slide | Thermo Scientific | C10282 | Countess cell counting chamber slides |
Centrifugal filter device, 5 kDa | Human Metabolome Technologies | ULTRAFREE MC PLHCC, UFC3LCCNB-HMT | |
Conical sterile polypropylene tube, 15 ml | Thermo Scientific | N339651 | |
Conical sterile polypropylene tube, 50 ml | Thermo Scientific | N339653 | |
Costar stripette, 10 ml | Corning | 4488 | |
Costar stripette, 5 ml | Corning | 4487 | |
D(-)-Mannitol | Wako | 133-00845 | 500 g |
Dulbecco's phosphate buffered saline (DPBS) | Sigma-Aldrich | D8537-500ML | |
Electrophoresis buffer | Human Metabolome Technologies | H3301-1001 | for cation analysis |
Electrophoresis buffer | Human Metabolome Technologies | H3302-1021 | for anion analysis |
Fetal bovine serum | Biowest | S1780 | |
Filter tip, 1000 μl | Watson | 124P-1000S | |
Filter tip, 20 μl | Watson | 124P-20S | |
Filter tip, 200 μl | Watson | 1252-703CS | |
Fused silica capillary | Polymicro Technologies | TSP050375 | 50 μm i.d. × 80 cm total length |
HCC827 | American Type Culture Collection | CRL-2868 | |
Internal standard solution | Human Metabolome Technologies | H3304-1002 | |
Isocratic pump | Agilent Technologies | Agilent 1100 Series Isocratic Pump | |
Methanol | Wako | 138-14521 | 1 L, LC/MS grade |
Microtube, 1.5 ml | Watson | 131-415C | |
Operating Software | Agilent Technologies | ChemStation G2201AA | version B.03.01 for CE |
PC-9 | RIKEN Bio Resource Center | RCB4455 | |
RPMI-1640 | Sigma-Aldrich | R8758-500ML | |
Sterile tissue culture dish, 100 mm | Corning | 430167 | |
Time-of-flight mass spectrometer | Agilent Technologies | Agilent G1969A Time-of-Flight LC/MS | |
Trypan blue solution, 0.4% | Thermo Scientific | T10282 | |
Trypsin-EDTA solution | Sigma-Aldrich | T4049-100ML | |
Ultrapure water | Merck | Milli-Q water | 18.2 MΩ·cm pure water |
Volumetric flask, 50 ml | Iwaki | 5640FK50E | TE-32 |
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