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Method Article
ここでは、蛍光寿命イメージング顕微鏡(FLIM)を使用して、生きたがん細胞培養における細胞代謝と原形質膜粘度を順次イメージングする方法を示します。代謝評価は、内因性蛍光を検出することによって行われます。粘度は、蛍光分子ローターを使用して測定されます。
粘度は、生細胞の形態学的および生理学的状態を調節するための重要なパラメータの1つであるため、生体膜の重要な物理的特性です。腫瘍細胞の原形質膜は、その組成、構造、および機能特性に有意な変化があることが知られています。グルコースと脂質の代謝の調節不全に加えて、これらの特定の膜特性は、腫瘍細胞が敵対的な微小環境に適応し、薬物療法に対する耐性を発達させるのを助けます。ここでは、蛍光寿命イメージング顕微鏡(FLIM)を使用して、生きたがん細胞培養における細胞代謝と原形質膜粘度を順次イメージングする方法を示します。代謝評価は、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドNAD(P)Hや酸化フラビンなどの内因性代謝補因子の蛍光を検出することによって行われます。粘度は、合成粘度感受性色素である蛍光分子ローターを使用して測定され、蛍光寿命は身近な環境の粘度に強く依存します。これらの技術を組み合わせることで、がん細胞の膜状態と代謝プロファイルとの関連をより深く理解し、化学療法によって誘発される変化を視覚化することができます。
細胞の悪性形質転換は、それらの形態学的および生理学的状態における複数の変化を伴う。がん細胞の急速かつ制御不能な増殖には、エネルギー生産と生合成に関与する生化学的経路の根本的な再編成が必要です。がん代謝の特徴的な特徴は、正常な酸素濃度の下でも解糖速度の向上(ワールブルグ効果)、代替燃料としてのアミノ酸、脂肪酸、乳酸の使用、高い抗酸化レベルの存在下での高ROS産生、および脂肪酸の生合成の増加です1,2.がん細胞の代謝は非常に柔軟性があり、それによりがん細胞が不利で不均一な環境に適応することができ、生存率がさらに向上することが現在では認められています3。
代謝の変化は、腫瘍細胞の膜の特定の組織と組成をサポートします。がん細胞の原形質膜の脂質プロファイルは、非がん細胞とは定量的に異なります。リピドームの主な変化は、ホスファチジルイノシトール、ホスファチジルセリン、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルコリンなどのリン脂質のレベルの増加、スフィンゴミエリンのレベルの低下、コレステロールの量の増加、脂肪酸の不飽和度の低下です4,5,6.したがって、膜の粘度、流動性の逆など、膜の物理的特性は必然的に変化します。粘度は生体膜の透過性を決定し、膜結合タンパク質(酵素、トランスポーター、受容体)の活性を制御するため、その恒常性調節は細胞機能に不可欠です。同時に、膜脂質プロファイルの調整による粘度の修飾は、細胞の遊走/浸潤や条件付き変化による生存にとって重要です。
蛍光寿命イメージング顕微鏡(FLIM)は、内因性蛍光プローブまたは外因性プローブ7を使用して、生細胞内の複数のパラメーターを非侵襲的に評価するための強力なアプローチとして登場しました。FLIMは、一般的に多光子レーザー走査型顕微鏡で実現され、(サブ)セル分解能を提供します。TCSPC(Time-Correlated Single-Photon Counting)モジュールを搭載しているため、蛍光の時間分解測定を高精度に行うことができます8。
FLIMによる細胞代謝のプローブは、デヒドロゲナーゼの内因性補因子、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(リン酸)NAD(P)H、および酸化フラビン-フラビンアデニンジヌクレオチドFADおよびフラビンモノヌクレオチドFMNの蛍光測定に基づいており、これらは多くの生化学反応で電子キャリアとして機能します7,9,10.NAD(P)Hの検出された蛍光は、NADHとそのリン酸化型であるNADPHからのものであり、スペクトル的にはほぼ同一です。通常、NAD(P)Hとフラビンの蛍光減衰は双指数関数に適合します。NAD(P)Hの場合、第1の成分(~0.3-0.5 ns、~70%-80%)は解糖系に関連する遊離状態に起因し、第2の成分(~1.2-2.5 ns、~20%-30%)はミトコンドリア呼吸に関連するタンパク質結合状態に起因します。フラビンの場合、短い成分(~0.3-0.4 ns、~75%-85%)をFADの消光状態に、長い成分(~2.5-2.8 ns、~15%-25%)を消光されていないFAD、FMN、およびリボフラビンに割り当てることができます。解糖、グルタミン分解、酸化的リン酸化、および脂肪酸合成の相対レベルの変化は、補因子の短寿命および長期寿命画分の変化をもたらします。また、これらの蛍光色素の蛍光強度比(酸化還元比)は、細胞の酸化還元状態を反映しており、代謝指標としても利用されています。酸化還元比は、蛍光寿命と比較して単純な指標を示しますが、データ取得の点では、蛍光寿命は蛍光色素の本質的な特性であり、特に組織における励起電力、光退色、集束、光散乱および吸収などの要因にほとんど影響されないため、FLIMはNAD(P)HおよびFADを推定するのに有利です。 放出強度とは異なります。
微生物レベルで生細胞および組織中の粘度をマッピングする便利な方法の1つは、蛍光パラメータが局所粘度11,12に強く依存する小さな合成粘度感受性色素である蛍光分子ローターの使用に基づくものである。粘性媒体では、分子内のねじれまたは回転が遅くなるため、ローターの蛍光寿命が長くなります。分子ローターの中で、ホウ素ジピロメテン(BODIPY)の誘導体は、生理学的粘度範囲での蛍光寿命の良好なダイナミックレンジ、温度依存性、単指数関数的な蛍光減衰により、簡単なデータ解釈、十分な水溶性、および低い細胞毒性13,14で蛍光寿命の良好なダイナミックレンジを備えているため、生体システムの粘度を検出するのに適しています。.BODIPYベースのローターとFLIMを使用した微小粘度の定量的評価は、以前にin vitroの癌細胞、多細胞腫瘍スフェロイド、およびin vivoのマウス腫瘍で実証されています15,16。
ここでは、FLIMによるin vitro でのがん細胞の細胞代謝と原形質膜粘度の研究のためのシーケンシャルプロービング方法論について詳しく説明します。比較的弱い内因性蛍光がBODIPYベースのローターの蛍光による汚染を避けるために、NAD(P)HとFADの蛍光を最初にイメージングして、同じ細胞層のイメージングを順次実行します。補因子の蛍光寿命は細胞質で測定され、ローターの蛍光寿命は、関心領域として対応するゾーンを手動で選択することにより、細胞の原形質膜で測定されます。このプロトコルは、さまざまながん細胞株の代謝状態と粘度を相関させ、化学療法後の変化を評価するために適用されました。
FLIMサンプル調製のプロトコルは、共焦点蛍光顕微鏡のプロトコルと変わりません。データを取得したら、主なタスクは生データから蛍光寿命を抽出することです。プロトコールの性能は、HCT116(ヒト結腸直腸癌)、CT26(マウス結腸癌)、HeLa(ヒト子宮頸癌)、およびhuFB(ヒト皮膚線維芽細胞)細胞を使用して実証されています。
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1. FLIMを実行するための最小限のセットアップの説明
2. 顕微鏡観察用細胞の調製
3. 代謝補因子のFLIM
4. 蛍光分子ローターによる細胞の染色
注:細胞は、室温(~20°C)で洗浄せずに蛍光分子ローター溶液中でイメージングされ、ローターの内在化を遅らせます。膜の粘度は、以前の研究19,20で示されたように、温度に依存します。顕微鏡の温度制御ステージは、事前に、つまりローターを細胞に追加する前にオフにする必要があります。私たちのセットアップでは、ステージの冷却に約10分かかります。
5. 細胞内蛍光分子ローターのFLIM
注:BODIPY 2の蛍光スペクトルは内因性補因子NAD(Р)HおよびFAD 12,17,18の発光と重なるため、代謝補因子のFLIMの後に常に蛍光分子ローターのFLIMを実行してください。
6. データ分析
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ここで説明するプロトコルを使用して、FLIMを使用して生きた培養細胞の代謝補因子と顕微鏡的膜粘度を視覚化しました。測定は、ヒト結腸直腸癌HCT116、マウス結腸癌CT26、ヒト子宮頸癌HeLa Kyoto、およびヒト皮膚線維芽細胞huFBなど、さまざまな癌細胞株で行われています。
蛍光強度に基づく酸化還...
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このプロトコルは、がん細胞のマルチパラメトリック、機能、および生物物理学的分析のためのFLIMの可能性を示しています。内因性蛍光に基づく光学代謝イメージングと、蛍光分子ローターによる外因性標識を用いた原形質膜粘度の測定を組み合わせることで、細胞培養中の生きたがん細胞におけるこれら2つのパラメータ間の相互接続を特徴付け、化学療法に対す?...
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著者は何も開示していません。
代謝イメージングのプロトコルの開発は、ロシア連邦保健省(政府割り当て、登録番号АААА-А-А20-120022590098-0)によって支援されました。粘度の研究は、ロシア科学財団(プロジェクト番号20-14-00111)の支援を受けました。著者は、ビデオ制作に協力してくれたAnton Plesshanov(PRMU)に感謝しています。
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
Item/Device | |||
Cell culture incubator | Sanyo | 37°C, 5% CO2, humidified atmosphere | |
Centrifuge 5702 R | Eppendorf | 5703000010 | |
imageJ 1.53c | Wayne Rasband (NIH) | ||
FLIM module Simple Tau 152 TCSPC (in LSM 880) | Becker & Hickl GmbH | ||
Laminar flow hood | ThermoFisher Scientific | ||
Leica microscope DFC290 | Leica Microsystems | ||
LSM 880 confocal microscope | Carl Zeiss | ||
Ti:Sapphire femtosecond laser Mai Tai | Spectra Physics | ||
Microscope incubator XLmulti S DARK LS | PeCon GmbH | 273-800 050 | |
Mechanical pipettor | Sartorius mLINE | volume 0.5-10 μL; 20-200 μL; 100-1000 μL | |
Oil-immersion objective C-Apochromat 40×/1.2 NA W Korr (in LSM 880) | Carl Zeiss | 421767-9971-790 | |
Power-Tau 152 module with the detector HPM-100-40 | Becker&Hickl GmbH | ||
SPCImage software | Becker & Hickl GmbH | SPC 9.8; SPCImage 8.3 | |
ZEN software | Carl Zeiss | ZEN 2.1 SP3 (black), Version 14.0.0.201 | |
Reagent/Material | |||
5-fluorouracil | Medac GmbH | 3728044 | |
DMEM | Gibco, Life Technologies | 31885023 | |
DMSO | PanEco | F135 | |
FBS | Hyclone | A3160801 | |
FluoroBright DMEM | Gibco, Life Technologies | A1896701 | |
Hank’s solution without Ca2+/Mg2+ | Gibco, Life Technologies | 14175 | |
l-Glutamine | PanEco | F032 | |
Mammalian cells | HCT116, CT26, HeLa Kyoto, huFB | ||
Molecular rotor BODIPY 2 | Synthesized and Supplied by Marina Kuimova Group, Imperial College London | ||
Penicillin/streptomycin | PanEco | A065 | |
Tissue culture dish with cover glass-bottom FluoroDishes | World Precision Instruments, Inc | ||
Trypsin- EDTA 0.25% | PanEco | P034 | |
Versen buffer | PanEco | R080p |
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