Crescimento anaeróbico e manutenção de linhas de células de mamíferos

Resumo

Aqui, descrevemos um novo método que permite o cultivo de longo prazo anaeróbico de linhagens celulares estabelecidas. O tempo máximo de sobrevivência que foi testado é 17 dias. Este método é adequado para o teste de agentes citotóxicos e explorando a fisiologia da anoxically replicação de células.

Resumo

Mais superfícies mucosas, juntamente com os pontos médios em tumores e nichos de células-tronco são áreas geográficas do corpo que são anóxica. Estudos anteriores mostram que a incubação em normoxic (5% CO₂ no ar) ou hipóxia condições (baixos níveis de oxigênio) seguiram por um resultados de incubação anóxica (ausência de oxigênio livre) na viabilidade limitada (2 – 3 dias). Uma nova metodologia foi desenvolvida que permite a um cultivo celular anóxica (pelo menos 17 dias, o tempo máximo testado). O aspecto mais importante desta metodologia é garantir que não há oxigênio é introduzido no sistema. Isso é obtido, a desgaseificação de mídia e por tubos de irrigação, pratos, balões e pipetas com uma mistura de gás anaeróbio (H₂, CO₂, N₂) seguido por permitir que os materiais para equilibrar ao ambiente anóxico (não-oxigênio) antes do uso. Cuidados adicionais devem ser exercido quando adquirir fotomicrografias para garantir que as micrografias obtidas não contêm artefatos. Na ausência de oxigênio, a morfologia celular é significativamente alterada. Dois morfotipos distintos são anotados para todas as células cultivadas anaerobicamente. A capacidade de crescer e manter pilhas mamíferas na ausência de oxigênio pode ser aplicada à análise da fisiologia celular, interações polymicrobial e a caracterização das vias biossintéticas para desenvolvimento de drogas câncer romance.

Introdução

Existem células de tumores sólidos, nichos de células-tronco e aqueles que revestem as superfícies mucosas em ambientes que experimentam níveis reduzidos de oxigênio, incluindo anóxia^1,2,3,4. Em Estados fisiológicos normais, oxigenação varia além da hipóxia, anóxia (completa ausência de oxigênio)^5,6. A realização que oxigênio atmosférico afeta negativamente a replicação de células de mamíferos e o crescimento de células em vitro pode ser otimizado sob condições de oxigênio empobrecido foi relatada na década de 1970. Richter et al . ⁷ mostrou que 1-3% dos níveis de oxigênio (hipóxia) reforçada chapeamento eficiência em comparação com o oxigênio atmosférico (20%). A expectativa de vida de célula diploide humana também é estendida na cultura hipóxica condições⁸.

In vivo, hipóxicos condições ocorrem quando oxigênio lojas estão esgotados (por exemplo, durante o exercício intenso), no qual a produção de ATP é alternada no músculo esquelético da respiração aeróbia de fermentação (respiração anaeróbia) com o produto final de ácido láctico⁹. Patologicamente, em tumores cancerosos, o interior do tumor, massa é hipóxica para anóxica devido à pobre vascularização¹⁰. O efeito da perfusão limitada no interior do tumor independente é validado pelos interiores de tumor colonizadas por anaeróbios obrigatórios¹. Mecanicamente, a sobrevivência de células de tumor em hipóxia é pensada para ser unicamente dependente da expressão do gene hypoxia-inducible factor 1-alfa (HIF1-alfa), que é a resposta inicial espontânea de hipóxia^{4,11 , 12}. HIF1-alfa é induzida em condições de hipóxicos por proteínas de choque do calor que ligam o HIF1-alfa promotor e upregulate de transcrição do gene¹². Estas proteínas de choque do calor são acreditadas para ajudar na indução dos vários fenótipos visto no microambiente hipóxico do tumor. Estes fenótipos apresentam um aumento da expressão dos transportadores de glicose a membrana celular e a taxa de glicólise (o efeito Warburg)¹³. O resultado é um interruptor da fosforilação oxidativa mitocondrial para fermentação de lactato.

Anóxica sobrevivência também pode utilizar alternativas para glicose para apoiar o fenômeno de sobrevivência^14,15. O melhor exemplo de mamíferos estudado é a toupeira, que podem sobreviver por quase 20 min sem oxigênio através de uma fermentação glicolítico orientado a frutose via¹⁴. Uma alternativa adaptação ocorre em certos peixes (por exemplo, carpa [SP.Carassius ], que pode sobreviver por significativamente mais períodos de tempo usando a glicólise com etanol como subproduto o terminal)¹⁵. Em ambos os casos, a fermentação impulsiona o metabolismo, permitindo a sobrevivência na ausência de oxigênio. A hipótese atual para sobrevivência anóxica é que tanto tempo como HIF1-alfa é ativado durante a hipóxia, respiração mitocondrial, sem a necessidade de oxigênio, ocorre sob condições anaeróbicas¹⁶. Além disso, postula-se que o uso de uma via fermentativa para sobrevivência hipóxica/anóxica aumenta sobrevivência do tumor, desde que as células evitar stress oxidativo que poderia para ser prejudicial para a célula de sobrevivência¹⁷. Este postulado é suportado por um estudo recente que mostra que em cardiomyocytes, hipóxia reduz o estresse oxidativo, colocado sobre o tumor de célula¹⁷.

Até à data, a natureza essencial de uma via fermentativa para a sobrevivência da pilha mamíferas anóxica tem sido entranhada na literatura, devido, em grande parte, a uma incapacidade de células de mamíferos de cultura na ausência completa de oxigênio por mais de 3 dias. No entanto, uma alternativa à glicólise para a sobrevivência anaeróbica ocorre em bactérias. Em certas bactérias, nitrogênio ou sulfato (entre outros compostos) pode servir como aceitadores de electrões terminal para o sistema do citocromo oxidase na ausência de oxigênio¹⁸. Embora a evolução bacteriana e eucariótica ocorreu em paralelo desde divergindo o último ancestral comum universal, estima-se que as mitocôndrias foram fornecendo energia para as células para 1,542 milhões de anos antes da oxigenação dos oceanos¹⁹ . Desde que os pesquisadores têm mostrado que as mitocôndrias isoladas podem produzir ATP na ausência de oxigênio, com nitrito como o aceitador terminal do elétron, é razoável supor que as células poderiam funcionar por períodos de tempo mais de 3 dias na ausência de oxigênio ^{20 , 21 , 22 , 23}. a metodologia descrita neste estudo tem uma utilidade para o crescimento da pilha mamífera anaeróbico de numerosas linhas de célula.

Protocolo

1. preparar a mídia para cultura anaeróbia de várias linhas de células de mamíferos

1. Fazer o meio de PS-74656 completo para uma cultura de célula anóxica²⁵.
   1. Faça a solução estoque de nitrito estéril (5m; x 100) dissolvendo 17,25 g de nitrito em 50 mL de água destilada deionizada e, em seguida, filtrar para esterilizá-lo.
   2. Adicionar 0,5 mL da solução estoque de nitrito por 50 mL de glicose baixa DMEM (1 g/L de glicose) com 110 mg/L de L-glutamina, 584 mg/L de piruvato de sódio e 10% de soro fetal bovino (FBS; inactivadas pelo calor).
      Nota: O uso de concentrações de FBS maiores do que 10% são tóxicos. Digno de nota, uma linhagem de células de câncer testada tinha uma baixa tolerância à mídia com nitrito (MDA-MB-231, linha de células de câncer de mama) e, assim, foi cultivada na ausência de nitrito. Além disso, embora o PS-74656 médio suportado o crescimento de todas as linhas de células que foram testadas (n = 9), certas linhas de células (por exemplo, células Vero) exibiram concentrações mais elevadas de célula e uma maior viabilidade no PS-74656 com glicose alta (4,5 g/L) DMEM ²⁵.
   3. Coloca 20 mL do meio em um tubo de centrifuga conico estéril 50 mL. Não aperte a tampa; deve ser solto.
   4. De gás do meio, colocando o tubo em uma redoma de vidro a vácuo em um ângulo de 45 ° aproximadamente, para maximizar a área de superfície média.
   5. Aplica um vácuo usando uma bomba de vácuo, ou seu equivalente, à temperatura ambiente. Manter o vácuo até que as bolhas já não são observadas (24-48 h).
   6. Retire o tubo do frasco e fechar imediatamente a tampa, vedação do tubo para minimizar a introdução de ar no meio de.
   7. Coloca o tubo na câmara anaeróbica comercial.
   8. Solte a tampa do tubo e permitir que a atmosfera no tubo para equilibrar com o da mistura de gás anaeróbio na câmara pelo menos 24 h.
      Nota: O meio deve permanecer na câmara até é usado. Para acelerar o processo de descarga, tubo de pelo menos 3 x com a mistura de gás anóxica usando uma pipeta de transferência estéril cheia de gás anóxico, que consiste de H₂, CO₂e N_2.
   9. Desgaseifica todos os tubos (10-15 min) colocados na câmara anaeróbica, como descrito acima, antes da selagem do tubo e colocar na câmara. Antes da utilização, nivelá-lo com a mistura de gás anaeróbio usando pipetas de transferência de 1,5-2 mL ou pontas de pipetas que tem sido lavadas com anóxica gás pelo menos 3x.
   10. Enquanto na câmara anaeróbica, remover 100 µ l do meio de um tubo estéril de microcentrífuga desgaseificado e testá-lo para o oxigênio dissolvido usando uma sonda de oxigênio dentro da câmara.
       Nota: O eletrodo de oxigênio é calibrado por prévia de protocolo do fabricante para usar. Leituras da mídia mistura gás anaeróbio corretamente desgaseificado e equilibrada são 0.
       Atenção: Se as leituras estiverem acima de 0,3 ppm de oxigênio, continue a incubar os meios de comunicação na câmara anaeróbica, já que mais uma vez para equilibrar o meio é necessária.

2. anóxico cultivo de várias linhas de células de mamíferos

1. Designado dia -1
   1. Desenvolvem-se células (37 ° C, 5% CO₂) num balão T150 a confluência de 90% para o controle de cultura anóxica e normoxic fornecer um número suficiente de células para três placas de 24 poços (80% confluência).
      Nota: Para este estudo, foram utilizadas células HeLa 229 e Vero. Este protocolo também foi testado e provou ser bem sucedido para o crescimento e a manutenção de sete outras células linhas²⁵.
   2. Remover o meio do balão por aspiração e lavá-lo com 10 mL de HBSS.
   3. Substitua o meio com 5 mL de tripsina. Agite o frasco até que as células visualmente desanexar do plástico. Aspire a maior parte da tripsina, em seguida, toque o balão para desalojar as células aderentes. Adicionar 10 a 15 mL de glicose alta DMEM (4,5 g/L de glicose, 110 mg/L de L-glutamina, 10% FBS, 50 µ g/mL de gentamicina) para inactivar a tripsina.
   4. Triture as células usando uma pipeta de 25 mL, até que todos os grupos de célula são rompidos.
   5. Contar as células e determinar a viabilidade usando o padrão hemocytometer e o método de exclusão do corante azul de Tripan ou o equivalente automatizado.
   6. Suspenda as células a glicose alta DMEM como mencionado acima, a densidade celular de 2,24 x 10⁵ células/mL.
   7. Adicione 1 mL da suspensão celular aos poços de uma placa de cultura de tecido de 24 poços (2,24 x 10⁵ células/poço; 80% confluência). Placa de semente 1 para a cultura anóxica e outro para uma cultura de normoxic de controle.
   8. Incube as células a 37 ° C em condições de normoxic (5% CO₂) por 24 h.
      Nota: As células podem ser chapeadas em várias placas bem dimensionadas. No entanto, semear as células de crescimento anóxica em balões corre o risco de introdução de oxigênio no sistema, a menos que cuidado para limpar completamente o gás atmosférico.
2. Designado dia 0
   1. Após 24h de incubação a normoxic, colocar as placas para o crescimento anóxica na câmara anaeróbia (uma câmara anaeróbica comercial; A Figura 1).
   2. Imediatamente altere o meio para sem antibióticos de intoxicar médio PS-74656 que tem sido aclimatado para 24h à câmara anaeróbica. Colocar a placa em um recipiente com uma toalha úmida e vagamente fechá-lo para manter a umidade.
      Nota: As placas de crescimento normoxic são manipuladas com a exceção de que todos os tratamentos são feitos sob condições atmosféricas de maneira idêntica.
3. Designado dia 1
   1. 1 dia de incubação anaeróbica inicia após 24h de incubação na câmara anaeróbica comercial que contém a mistura de gás anaeróbio padrão de 10% H₂, 10% CO₂e 80% N₂.
   2. Incube as celulas por vários períodos de tempo.
   3. Monitore o meio anaeróbio para a mudança de cor ao longo do tempo.
      Nota: Uma mudança de cor do vermelho-alaranjado para magenta sinaliza o tempo para mudar o meio. Isto pode demorar até 2 semanas para ocorrer. Uma mudança de cor no meio de vermelho-laranja para amarelo indica a presença de uma contaminação bacteriana.
   4. Quando o meio muda de vermelho para magenta, remova as células runagate por aspiração.
   5. Lugar aspirada mídia gastava com as células runagate desgaseificado e anaeróbia gás incubado tubos de microcentrífuga, feche os tubos ao mesmo tempo certificando-se que o selo é seguro e em seguida centrifugá-los (326 x g; à temperatura ambiente durante 10 minutos). Substitua imediatamente os meios de comunicação aspirados no poço com 1 mL de meio de PS-74656 desgaseificado novo.
   6. Coloca o tubo de microcentrífuga com células peletizadas na câmara anaeróbia antes de abri-lo. Aspirar o gasto médio e substituí-lo por meio de PS-74656 desgaseificado fresco para um volume total de 1 ml no tubo de microcentrífuga.
   7. Retorno as células do tubo para um poço na placa de cultura de tecidos de 24-bem.

3. avaliação da diferenciação fenotípica celular pela microscopia de pilhas cultivadas anaerobicamente

1. Enquanto na câmara anaeróbica, colocar a placa numa caixa resealable liberada com a mistura de gás anaeróbio e fechar a caixa.
   Nota: A caixa deve conter uma toalha de papel úmida para fornecer a umidade e impedir que a placa de secagem. Para a microscopia, sacos do sanduíche o melhor trabalham desde que eles são finos.
   1. Para observar as células sob o microscópio, completamente selar o saco e removê-lo da câmara.
   2. Cuidadosamente esticar o saco de plástico sobre a placa, examinar células usando um microscópio de contraste de fase invertido com o acessório de câmera e levar fotomicrografias em várias ampliações.
   3. Devolve a chapa no saco selado para a câmara e continuar a incubação, conforme descrito na etapa 2.3.3.
   4. Para analisar separadamente as células runagate que estão em suspensão, siga as etapas descritas na etapa 2.3.5.
      Nota: Estas células podem ser usadas para o teste aeróbio ou podem ser devolvidas à câmara anaeróbia para o teste desta população específica.

Resultados

A força deste protocolo encontra-se em seu apoio a longevidade e o crescimento de várias linhagens celulares e o reconhecimento de que há uma alteração profunda e divergência na morfologia celular²⁵. O elemento mais crítico deste estudo é a transferência e a manutenção das células sob anaerobiose estrita. Isto requer uma câmara anaeróbica organizada para maximizar o protocolo (Figura 1) e a garantia de que as células rem...

Discussão

Este método representa pela primeira vez células mamíferas que foram cultivadas por longos períodos de tempo na ausência de oxigênio. Baseado nas observações atuais, o crescimento anóxica capacidade através de um caminho não-fermentativa parecem ser universal entre linhas de células de mamíferos²⁸, onde o crescimento anaeróbico resultou em divergência de fenótipo. Isto foi observado para todas as linhas celulares testadas. Com o cultivo de anaeróbio, aumentar as proporç?...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Whitney A35 anaerobic chamber	Don Whitley Scientific	Microbiology International	The ability to remove the front of the chamber makes it easy to put instruments inside without concern about getting them through the portals.
CO2 incubator	Fisher Scientific	3531
Tissue Culture Hood	Labconco	DO55735
pipet aid	Drummond	4-000-100
sterile transfer pipets	Santa Cruz	sc-358867
50 cc sterile conical centrifuge tubes	DOT	451-PG
vaccum jar	Nalgene 111410862889	BTA-Mall 5311-0250
DMEM high glucose (4.5 g/L)	CellGro	10-017-CM
DMEM low glucose (1 g/L)	CellGro	10-014-CV
FBS	VWR	1500-500
HBSS	VWR	20-021-CV
trypsin	VWR	25-052-CI
gentamicin	Gibco	15750-060
sterile pipets	CellTreat	229210B, 229205B
Tissue culture flask (T75 or T150)	Santa Cruz	sc-200263, sc-200264
24 well tissue culture treated dishes	DOT	667124
glad ziplock sandwich bags	Ziploc	Costco
inverted phase microscope (10, 20 40x objectives with camera mont)	Nikon Eclipse	TS100
trypan blue	Invitrogen	T10282
hemocytometer	Invitrogen	C10283
Countess Automated Cell Counter	Life Technologies	AMQAF1000
Rainin microtiter pipets	Mettler Toledo	Rainin Classic Pipette PR-100
microtiter tips	Santa Cruz Biotechnology	sc-213233 & sc-201717
test tube rack (50cc tubes)	The Lab Depot	HS29050A
sodium nitrite	Sigma	https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigald/237213?lang=en&region=US
clear boxes with lids	Rosti Mepal	Rubber maid
paper towels	In House
cell scraper	CellTreat	229310
PBS	In house prepared
70% Ethanol	Fisher Scientific	64-17-5
microcentrifuge tubes sterile	Santa Cruz	sc-200273
biohazard bags with holder (desktop)	Heathrow Scientific	HS10320
Nitrile Gloves	VWR	89428
oxygen electrode	eDAQ	EPO354
pH meter	Jenway	3510
pH paper/ pHydrion	Sigma Aldich	Z111813