Method Article
אנו מתארים מתודולוגיה המשלבת culturing תא אוטומטי עם דימות גבוהה תוכן כדי לחזות ולכמת תהליכים תאיים רבים ומבנים, באופן תפוקה גבוהה. שיטות כאלה יכולות לסייע ביאור תפקודית נוספת של הגנום, כמו גם לזהות את הגן למחלה רשתות מטרות סמים פוטנציאליים.
The functional annotation of genomes, construction of molecular networks and novel drug target identification, are important challenges that need to be addressed as a matter of great urgency1-4. Multiple complementary 'omics' approaches have provided clues as to the genetic risk factors and pathogenic mechanisms underlying numerous neurodegenerative diseases, but most findings still require functional validation5. For example, a recent genome wide association study for Parkinson's Disease (PD), identified many new loci as risk factors for the disease, but the underlying causative variant(s) or pathogenic mechanism is not known6, 7. As each associated region can contain several genes, the functional evaluation of each of the genes on phenotypes associated with the disease, using traditional cell biology techniques would take too long.
There is also a need to understand the molecular networks that link genetic mutations to the phenotypes they cause. It is expected that disease phenotypes are the result of multiple interactions that have been disrupted. Reconstruction of these networks using traditional molecular methods would be time consuming. Moreover, network predictions from independent studies of individual components, the reductionism approach, will probably underestimate the network complexity8. This underestimation could, in part, explain the low success rate of drug approval due to undesirable or toxic side effects. Gaining a network perspective of disease related pathways using HT/HC cellular screening approaches, and identifying key nodes within these pathways, could lead to the identification of targets that are more suited for therapeutic intervention.
High-throughput screening (HTS) is an ideal methodology to address these issues9-12. but traditional methods were one dimensional whole-well cell assays, that used simplistic readouts for complex biological processes. They were unable to simultaneously quantify the many phenotypes observed in neurodegenerative diseases such as axonal transport deficits or alterations in morphology properties13, 14. This approach could not be used to investigate the dynamic nature of cellular processes or pathogenic events that occur in a subset of cells. To quantify such features one has to move to multi-dimensional phenotypes termed high-content screening (HCS)4, 15-17. HCS is the cell-based quantification of several processes simultaneously, which provides a more detailed representation of the cellular response to various perturbations compared to HTS.
HCS has many advantages over HTS18, 19, but conducting a high-throughput (HT)-high-content (HC) screen in neuronal models is problematic due to high cost, environmental variation and human error. In order to detect cellular responses on a 'phenomics' scale using HC imaging one has to reduce variation and error, while increasing sensitivity and reproducibility.
Herein we describe a method to accurately and reliably conduct shRNA screens using automated cell culturing20 and HC imaging in neuronal cellular models. We describe how we have used this methodology to identify modulators for one particular protein, DJ1, which when mutated causes autosomal recessive parkinsonism21.
Combining the versatility of HC imaging with HT methods, it is possible to accurately quantify a plethora of phenotypes. This could subsequently be utilized to advance our understanding of the genome, the pathways involved in disease pathogenesis as well as identify potential therapeutic targets.
1. תרבות אוטומטי חסיד תא התהליך (איור 1) 20
2. shRNA הייצור וירוס ציפוי לתוך צלחות assay (הזמן הנדרש: 6 ימים)
3. התמרה lentiviral והבחנה עצבית של SH-SY5Y תאים (זמן נדרש: 6 ימים)
4. Immunostaining אוטומטי של לוחיות assay (הזמן הנדרש: 2 ימים)
איכות התמונה היא paramount לניהול HCS רגיש ואמין. נזק monolayer הסלולר בשל pipetting מדויק יכול להוביל איכות התמונה ירודה תוצאות irreproducible. כדי למזער את שכבת נזק לתאים, immunostaining נערך באמצעות תחנת רובוטית. הליך זה דומה לזה אשר תוארה קודם לכן 26 אך הותאם אישית כדי להגדיל את התפוקה ולצמצם את השימוש מתכלים.
5. תוכן תמונה גבוהה ניתוח הרכישה התמונה (הזמן הנדרש: 5 ימים)
6. נתונים נורמליזציה ניתוח
7. נציג תוצאות
מוטציות בתוך DJ1 להצמיח מוקדם התפרצות-רצסיבי פרקינסון 21, אך לא ברור איך אובדן DJ1 מעורר פנוטיפ המחלה. ידוע כי התאים לקוי של DJ1 רגישים יותר מוות שנגרמו עקב מתח חמצוני התא בתגובה סטרס חמצוני, DJ1 translocates מן הציטופלסמה של המיטוכונדריה 29, 30. על ידי בניית מבחני בג"צ לפקח פנוטיפים אלה, אנו יכולים לזהות גנים המווסתים או להשפיע על פנוטיפים הקשורים DJ1. גישה זו יכולה לעזור לפענח את המסלולים שבתוכה DJ1 פונקציות וזה יכול להיות מעורב בהיווצרות המחלה.
דוגמה של אינטראקציה עם epistatic DJ1 (איור 5): מציאה של DJ1 בתאים שנחשפותוצאות רעלן לאובדן גדול יותר של כדאיות התא (BAR-B: image-B), לעומת תאים נגועים עם מקושקשות lentivirus (בר: image-A). מציאה של גן המטרה יש השפעה דומה לזו שנצפתה תאים עם מציאה DJ1 (BAR-C: image-C). מציאה של DJ1 וגם גן היעד התוצאות הפסד גדול משמעותית של כדאיות התא מאשר אובדן של גן אחד בלבד (BAR-D: image-D). הדבר מצביע על אינטראקציה בין epistatic DJ1 היעד גנים א
דוגמה של גן ויסות DJ1 טרנסלוקציה (איור 6): כאשר תאים נחשפים רעלן, DJ1 translocates מן הציטופלסמה של המיטוכונדריה, אשר לכמת במקדם חפיפה גבוהה בין DJ1 ואת בר המיטוכונדריה (: תמונה לעומת BAR-C: תמונה ג'). בתאים שבהם הגן B היעד הושתק, פחות DJ1 translocates את המיטוכונדריה כאשר תאים נחשפים הרעלן. הדבר מצביע על כך הגן B היעד הוא מעורב להובלת DJ1 אל המיטוכונדריה. (BAR-B: תמונה B ו-BAR-D: D תמונה)
דוגמה של גן מעורב תולדה העצבית (איור 7): מציאה של C היעד גנים בר SH-SY5Y סוג התוצאות תאים לגידול משמעותי באורך neurite (BAR-B: image-B), לעומת תאים נגועים עם lentivirus להביע מקושקשות shRNA (בר: תמונה א '). אפקט זה הוא איבד בתאים מודגרות עם רעלן (BAR-C ו-D).
דוגמה של גן מעורב מורפולוגיה המיטוכונדריה (איור 8): זיהום של בר SH-SY5Y תאים סוג עם shRNA גן מיקוד תוצאות D לירידה בשווי SER-Ridge המיטוכונדריה פילוח (איור 8, תמונה C ו-D), כאשר בהשוואה ל תאים נגועים עם מקושקשות lentivirus (איור 8, תמונה A ו-B).
איור 1 מתאר פרוטוקול תא אוטומטיות תרבות.:
ילדה = "jove_content">
באיור 3. Composite תמונות של תאים נרכשה על ידי בג"צ הדמיה. א) בתאים שלא טופלו, ב) תאים שטופלו H 2 O 2. DJ1 מסומן בירוק, המיטוכונדריה באדום הגרעינים בכחול. מכתים Neurite לא מסומן.
איור 4. כימות של תכונות הסלולר מספר המתקבלים HCS. לספירה) מטופל SH-SY5Y תאים. EH) H 2 O 2 שטופלו SH-SY5Y תאים. A, E) פילוח גרעינים ההגדרה של ROI, B, ו) זיהוי וכימות של המיטוכונדריה, ההחזר על ההשקעה ב: C, G) זיהוי DJ1, יעד הערוץ השני; D, G) זיהוי חישוב אורך neurite הממוצע. תאים קרוב לקצה של התמונה אינם נכללים בניתוח. תמונות הבלעה הם תמונות לפני ניתוח.
איור 5. זיהוי של גן ב epistasis עם DJ1 (אותיות על הסורגים מתאימות האותיות על התמונות). תמונות A עד D הם SH-SY5Y תאים שכותרתו עם Mitotracker CMXRos (אדום) ששימש כימות של בריאות התא.
איור 6. זיהוי של גן ויסות DJ1 טרנסלוקציה (אותיות על הסורגים מתאימות האותיות על התמונות). תמונות A עד D הם SH-SY5Y תאים שכותרתו עבור DJ1 (ירוק), מיטוכונדריה (אדום) גרעינים (כחול) ששימשו כימות של טרנסלוקציה DJ1 אל המיטוכונדריה.
איור 7. זיהוי של גנים המעורבים תולדה העצבית (אותיות על הסורגים מתאימות האותיות על התמונות). תמונות A עד D הם SH-SY5Y תאים שכותרתו עבור טובולין β-III (ירוק) גרעינים (כחול) אשר שימשו כימות אורך neurite.
איור 8. זיהוי של גנים המעורבים בוויסות מורפולוגיה המיטוכונדריה. תמונה A ו-C הם תמונות המשולב של SH-SY5Y תאים נגועים עם shRNA מקושקשות או מיקוד shRNA גן D בהתאמה. המיטוכונדריה הם בצבע אדום בעוד הגרעינים נצבעים בכחול. תמונה B ו-D הם חזותיים של כימות SER-רכס.
עם הפחתת עלויות של HT / HC מערכות הסלולר ההקרנה, בשילוב עם הזמינות של הגנום כולו כלים חזקים כדי לשנות את תפקוד הגן, HT / HC המסכים הופכים דבר שבשגרה באקדמיה. הגישה כבר הותקן בהצלחה בתחומים מגוונים של מחקר כגון זיהוי של מטרות התרופה לסרטן 9, 31-33 ו - 34-36 התפתחות עוברית ואפילו יש פוטנציאל ליישום בפענוח המסלולים המעורבים הפרעות נוירופסיכיאטריות 37,38. עם זאת יישום של מערכת כזו דורשת השקעה משמעותית של זמן ומאמץ עם אופטימיזציה של תהליך לעתים קרובות לקחת מינימום של 6 חודשים. כל השלבים, כמו פעמים trypsinization, מהירויות pipetting וצפיפות זריעת צריך להיות מותאם, על מנת להבטיח כי תאים בריאים לצמוח בעקביות. מניעת זיהום חיידקי הוא אחד האתגרים הקשים ביותר מול תרבית תאים אוטומטית עם פרוטוקולי ניקוי שבועי גombination עם שטיפה מתמדת של כל הקווים נושאות נוזל עם 70% אתנול להיות הכרחי תרבויות זיהום בחינם. זה יהיה גם צורך לשפר את הרובוטיקה, כך מכשירים נוספים, כגון מיקרוסקופים confocal עבור רזולוציה גבוהה יותר ו -80 ° C מקפיאים לאחסון המתחם יכול להיות משולב.
יש גם מגבלות צורך לטפל על מנת לשפר את מהירות רגיש, השירות של שיטה זו ללמוד רשתות גנים ולזהות גנים המעורבים מסלולים מולקולריים פתוגניים.
כדי לנהל מסך HT / HC ולהבטיח כי נתונים אמינים נאסף, כמה היבטים צריך להיות מותאם. ראשית, אמינות המדידה היא מעל לכל תלוי חוסנו ואת הרגישות של assay. למשל, מבחני המתוארים לעיל מתאימים המסכים קטנים יותר, אבל קשה ליישם בקנה מידה רחב הגנום, בשל עיבוד מספר צעדים נדרשים לפני רכישת התמונה.לפיכך, אפשר היה לבנות שורות תאים יציבות לבטא את הגן הכתב, אשר יאפשר הדמיה ישירה להוביל וריאציה ירד בשל מספר מופחת של מדרגות עיבוד. נכון לעכשיו, תכנון assay מתאר במדויק ובאמינות מכמת פנוטיפ של עניין הוא צוואר הבקבוק העיקרי בתהליך המיון HC.
מסכי רבים שנערכו בתאי יונקים שונים באמצעות ספריות RNAi, אשר כולם סובלים מחוץ יעד אפקטים, יעילות מוגבלת להשתקת גנים בגנום כיסוי שלם. לפיכך ספריות צריך להתבצע אשר הם ספציפיים יותר, חזק ויש לי כיסוי טוב יותר. נערכים מאמצים ליצור כזה הוא קיווה במאמצים כזה ישפר את שחזור של HT / HC scre en להיטים.
הגבלה של רבים בקנה מידה גדול תא מסכי מבוססות כי הם נערכים בתאי נוירובלסטומה כי הם יכולים להיות מניפולציות גנטיות ותרבותי על מספרים גדולים בקלות יחסית. עם זאת, את הרלוונטיות של "להיטים" מזוהה לשעבר התרבות מודלים vivo תא בתפקוד vivo מוטלת בספק, במיוחד כאשר המוח מורכב של סוגי תאים מאוד מיוחדים אשר יוצרים רשת צפופה ומסובכת של קשרים סינפטיים לתפקד כיחידה משולבת מאוד. כתוצאה מכך, מקובל שפוגע מזוהה באמצעות גישה ההקרנה שתוארו לעיל, הן תוקף משני מסכי שימוש בטכניקות נוספות של מודלים רלוונטיים יותר פיזיולוגיים 39. כדי לשפר את בתרגום של להיטים המזוהים במהלך HCS, נציג מודלים מתוחכמים יותר, כגון תאים ראשוניים התמיינות בתאי גזע או תרבות משותפת מערכות צריך להיות מפותחות המותאמות HT / HC גישות.
"ntent> עם שילוב של culturing תא אוטומטיות HC הדמיה אחד יכול במהירות לקבל תובנות חדשות על איך הנוירונים פונקציה ולקבוע אילו מסלולים חשובים להתפתחות המחלה. שילוב HCS / HTS נתונים עם מידע המופק גישות אחרות" omics ', זה יהיה אז ניתן יהיה לבנות סקירה מערכות הביולוגיה של מחלות במוח, ובכך להקל על התפתחות טיפולית.אין לנו שום דבר לגלות
אנו מודים המילטון מתכנתים ומומחי תמיכה מתמשכת Blaas אווה לקבלת סיוע טכני. עבודה זו נתמכה על ידי שני מענקים NWO השקעה (911-07-031 ו 40-00506-98-10011), ביאטריקס Prinses Fonds Wetenschapsprijs 2009 ואת קמפוס Neuroscience אמסטרדם; ש"י נתמך על ידי TI-פארמה: T5-207.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
שם מגיב | חברה | מספר קטלוגי | |
AI.CELLHOST | המילטון | http://www.hamiltonrobotics.com/en-uk/applications/cellomics/ | |
OPTI-ממ | Invitrogen | 31985-054 | |
Retinoic חומצה | Sigma-Aldrich | R2625 | |
OMNITRAY צלחות | NUNC | 465219 | |
96 תרבות צלחות WELL | גרנייה | 655086 | |
DJ1 N20 נוגדן | סנטה קרוז | SC27004 | |
BETA-III טובולין נוגדן | Sigma-Aldrich | T3952 | |
MITOTRACKER CMXROS | Invitrogen | M-7512 | |
Hoechst-33342 | Invitrogen | H1399 | |
מי חמצן | Sigma-Aldrich | 216,763, 100 מ"ל | |
טריפסין | Invitrogen | 25050014 | |
פוספט'S DULBECCO בופר | Invitrogen | 14190086 | |
PROMEGA אשף MAGNESIL TFX | PROMEGA | A2380 | |
SHRNA שיבוטים | OPEN BioSystems | http://www.openbiosystems.com / RNAi / shRNALibraries / TRCLibraryDetails / | |
CELLOMICS BIOAPPLICATIONS | תרמו פישר | http://www.thermo.com/hcs |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved