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Method Article
A lipofagia é uma forma seletiva de autofagia que envolve a degradação de gotículas lipídicas. Disfunções nesse processo estão associadas ao desenvolvimento do câncer. No entanto, os mecanismos precisos ainda não são totalmente compreendidos. Este protocolo descreve abordagens quantitativas de imagem para entender melhor a interação entre autofagia, metabolismo lipídico e progressão do câncer.
A macroautofagia, comumente referida como autofagia, é um processo celular altamente conservado responsável pela degradação dos componentes celulares. Este processo é particularmente proeminente em condições como jejum, estresse celular, danos às organelas, danos celulares ou envelhecimento dos componentes celulares. Durante a autofagia, um segmento do citoplasma é encerrado dentro de vesículas de membrana dupla conhecidas como autofagossomos, que então se fundem com os lisossomos. Após essa fusão, o conteúdo dos autofagossomos sofre degradação não seletiva em massa facilitada pelos lisossomos. No entanto, a autofagia também exibe funcionalidade seletiva, visando organelas específicas, incluindo mitocôndrias, peroxissomos, lisossomos, núcleos e gotículas lipídicas (LDs). As gotículas lipídicas são envolvidas por uma monocamada de fosfolipídios que isola os lipídios neutros do citoplasma, protegendo as células dos efeitos nocivos do excesso de esteróis e ácidos graxos livres (AGL). A autofagia está implicada em várias condições, incluindo doenças neurodegenerativas, distúrbios metabólicos e câncer. Especificamente, a lipofagia - a degradação dependente da autofagia de gotículas lipídicas - desempenha um papel crucial na regulação dos níveis intracelulares de FFA em diferentes estados metabólicos. Essa regulação suporta processos essenciais, como síntese de membrana, formação de moléculas de sinalização e balanço de energia. Consequentemente, a lipofagia prejudicada aumenta a vulnerabilidade celular a estímulos de morte e contribui para o desenvolvimento de doenças como o câncer. Apesar de sua importância, os mecanismos precisos que governam o metabolismo das gotículas lipídicas reguladas pela lipofagia em células cancerígenas permanecem pouco compreendidos. Este artigo tem como objetivo descrever protocolos de aquisição de imagens confocais e análise quantitativa de imagens que possibilitam a investigação de lipofagias associadas a alterações metabólicas em células cancerígenas. Os resultados obtidos por meio desses protocolos podem lançar luz sobre a intrincada interação entre autofagia, metabolismo lipídico e progressão do câncer. Ao elucidar esses mecanismos, novos alvos terapêuticos podem surgir para combater o câncer e outras doenças metabólicas.
Autofagia é um termo geral usado para descrever processos catabólicos nos quais a célula transporta seus componentes para o lisossomo para degradação. Até o momento, três tipos de autofagia foram identificados: microautofagia, macroautofagia e autofagia mediada por chaperonas 1,2,3. A macroautofagia, doravante denominada autofagia, é uma via essencial para regular a homeostase celular. A ruptura desse equilíbrio pode levar ao desenvolvimento de condições patológicas4.
A autofagia é um processo complexo que envolve várias etapas. O primeiro passo é a indução da autofagia, desencadeada por vários estímulos, como a retirada de fatores de crescimento (insulina e fatores de crescimento semelhantes à insulina), infecções patogênicas, redução dos níveis de energia celular (ATP), estresse extracelular ou intracelular (por exemplo, hipóxia, estresse do retículo endoplasmático (RE), estresse oxidativo) e deficiência de nutrientes (aminoácidos, glicose)5. A segunda etapa envolve a formação do fagóforo, onde o isolamento da membrana é iniciado a partir do RE, da membrana plasmática e das mitocôndrias. A formação de novo envolve a maquinaria conservada de proteínas citosólicas que são recrutadas sequencialmente6, como o complexo Ser/Thr quinase Unc-51-like kinase-1 (ULK1: ATG1 em levedura), Beclin-1 e VPS347. Após a formação do complexo ULK1, o complexo I da fosfatidilinositol 3-quinase classe III (PI3K) é recrutado para a membrana isolada (IM), que funciona no sequestro inicial das cargas8. Além disso, o complexo ULK1 tem a capacidade de recrutar ATG9 para a membrana de isolamento (IM), uma etapa essencial, uma vez que as vesículas ATG9 são reconhecidas como portadoras de membrana que facilitam a expansão IM9.
Dois sistemas de conjugação semelhantes à ubiquitina (Ubl) são críticos para o processo de expansão: o sistema de cadeia leve 3 da proteína 1 associada aos microtúbulos (LC3-I) e o sistema ATG1210. Antes da conjugação, o precursor LC3 sofre clivagem. A LC3-I citosólica é então conjugada à fosfatidiletanolamina (PE) para produzir a LC3-PE associada à membrana (LC3-II), o que facilita a formação de autofagossomos11. A carga deve ser internalizada no autofagossomo de membrana dupla em formação durante este processo. A autofagia pode internalizar alvos aleatórios para degradação ou capturar cargas seletivas por meio de receptores específicos de autofagia, como p62 / SQSTM112. A última etapa é a fusão do autofagossomo formado com os lisossomos, levando à formação do autolisossomo. Embora o mecanismo preciso para a formação de autolisossomos permaneça indefinido, complexos de amarração de membrana, a proteína de ligação ao GTP relacionada ao RAS e as proteínas solúveis N-etilmaleimida-sensível ao fator de ligação (SNARE) estão envolvidas neste processode fusão 13. Além disso, o sistema de citoesqueleto de microtúbulos é essencial para o tráfego de autofagossomos e lisossomos maduros de locais de iniciação aleatórios em direção à área perinuclear para a formação de autolisossomos14 , 15 , 16 . No autolisossomo, as cargas sequestradas aleatoriamente ou seletivamente são degradadas proteoliticamente por proteases lisossômicas17.
O processo de autofagia é conservado em todos os organismos eucarióticos e é crucial na regulação das condições intracelulares por meio da renovação citoplasmática. Ele remove proteínas mal dobradas ou agregadas, elimina patógenos intracelulares e limpa organelas danificadas. Várias organelas, incluindo o retículo endoplasmático, mitocôndrias, peroxissomos, lisossomos, núcleo e LDs, foram relatadas como alvos de autofagia 16,18,19,20,21,22. Os LDs se originam do RE e são organelas de armazenamento essenciais centrais para a homeostase lipídica e energética. Sua arquitetura distinta consiste em um núcleo hidrofóbico de lipídios neutros envolto por uma monocamada de fosfolipídios incorporada a proteínas específicas. Essas gotículas podem interagir com várias organelas celulares por meio de locais de contato com a membrana23. Além disso, a autofagia ajuda a reciclar recursos primários para manter as condições celulares ideais. Por exemplo, a degradação de LDs pode levar à produção de ATP por meio da oxidação β de ácidos graxos24.
A autofagia está associada a várias doenças, incluindo doenças neurodegenerativas, distúrbios metabólicos e câncer17. A autofagia pode promover ou inibir o crescimento tumoral no câncer, dependendo do contexto25,26. Por exemplo, os camundongos Beclin 1 +/- exibem uma alta incidência de linfomas espontâneos e carcinomas em órgãos como pulmão, fígado e tecido mamário. Por outro lado, a perda do gene Atg7 relacionado à autofagia nas células epiteliais intestinais atenua o crescimento tumoral impulsionado pela perda do supressor tumoral primário no câncer colorretal, a polipose adenomatosa do cólon (APC)27,28. Assim, a perda de genes relacionados à autofagia pode ter efeitos opostos no crescimento do tumor.
As células cancerígenas devem produzir energia para sustentar seu crescimento, divisão e sobrevivência29. Possuem alta avidez por lipídios, que são utilizados para a biossíntese de componentes estruturais e produção de energia30. As células cancerígenas podem adaptar seu metabolismo às condições ambientais. Por exemplo, quando a glicólise é suprimida em células HeLa derivadas do câncer do colo do útero, a fosforilação oxidativa é aumentada para obter o ATP necessário para a sobrevivência31. Os lipídios em uma célula não existem como FFAs não esterificados devido à sua potencial citotoxicidade em altas concentrações. Em vez disso, as células armazenam FFAs e colesterol como biomoléculas neutras e inertes, como ésteres de esteróis e triglicerídeos em LDs32. Consequentemente, a lipofagia pode contribuir para o metabolismo do câncer, fornecendo AGLs para produzir energia, um campo emergente na pesquisa do câncer. No entanto, as vias que regulam positivamente a oxidação mitocondrial de FA em células cancerígenas permanecem pouco compreendidas. A captação e o acúmulo de AGLs demonstraram aumentar a agressividade de diferentes tipos de câncer 33,34,35. A reprogramação do metabolismo lipídico é uma marca registrada da reprogramação metabólica do câncer, desempenhando um papel fundamental como uma resposta adaptativa para gerenciar cenários fisiológicos adversos no microambiente tumoral36,37. De fato, o acúmulo de DLs foi observado em muitos cânceres humanos, incluindo câncer de pulmão, mama e próstata, e está associado à agressividade e ao mau prognóstico clínico 38,39,40.
Dada a relevância da autofagia e dos LDs no metabolismo do câncer e os mecanismos pouco compreendidos, é essencial estabelecer protocolos para estudar sua contribuição para o desenvolvimento do câncer. Este estudo descreve um protocolo para avaliar a lipofagia por meio de protocolos de aquisição de imagens confocais e análise quantitativa de imagens para investigar alterações metabólicas lipídicas em células cancerígenas.
Este estudo foi realizado usando células HeLa de adenocarcinoma epitelial (CCL2, ATCC). O protocolo se concentra no estudo de gotículas lipídicas (LDs) durante a indução de lipofagia em células vivas para quantificar o curso do tempo de variação do número de LD e interações LD-autofagossomo em células que expressam o tipo selvagem (p62 / SQSTM1-S182S) e dois mutantes específicos do local do receptor de autofagia p62 / SQSTM116. A expressão de uma forma fosfo-defeituosa (p62 / SQSTM1-S182A) aumenta o número de LDs, enquanto a expressão de uma forma fosfo-imitadora (p62 / SQSTM1-S182E) reduz o número de LDs16. Primeiro, é descrito um método para analisar LDs em células vivas usando microscopia confocal. Em seguida, o protocolo para aquisição e análise de imagens imparciais e totalmente automatizadas é explicado usando um microscópio confocal robotizado. Os detalhes dos reagentes e equipamentos usados neste estudo são fornecidos na Tabela de Materiais.
1. Imagem confocal de células vivas
2. Aquisição de imagens confocais totalmente automatizada e análise de imagens em células fixas
NOTA: Este método permite avaliar várias condições e desenvolver medições triplicadas para cada condição, melhorando a confiança nos valores médios medidos e permitindo a determinação do desvio padrão ou erro padrão para diferenciação estatística entre experimentos. O fluxo de trabalho do método é representado no fluxograma mostrado na Figura 1.
Imagem confocal de células vivas
Os LDs são dinâmicos e interagem transitoriamente com autofagossomos positivos para p62 / SQSTM1. Quando a lipofagia é induzida, essas interações diminuem o número de LDs e sua intensidade fluorescente total. Este protocolo usou versões fosfo-mutantes do receptor de autofagia p62 / SQSTM1 para examinar esses efeitos16.
O número e a intensidade de fluorescência dos LDs são r...
Técnicas de imagem quantitativa, como microscopia confocal e protocolos de análise de imagem, forneceram informações valiosas sobre a dinâmica dos LDs durante a lipofagia 16,42,43. Essas tecnologias permitem a visualização e quantificação em tempo real dos LDs, permitindo a análise de seu número, tamanho e interações com outras organelas16. No entanto, uma da...
Os autores não têm conflitos de interesse a divulgar.
O microscópio confocal robotizado Opereta foi financiado pelo Fondo de Equipamiento Mediano (FONDEQUIP) N° EQM220072 bolsa. C.L. foi apoiado pela Vicerrectoria de Investigación y Doctorados (VRID), bolsa de doutorado da Universidad San Sebastian. C.S. foi apoiado pela bolsa da Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID). D.T. e J.C. foram apoiados pela bolsa N°1221374 do Fundo Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (FONDECYT).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
35 mm glass-bottom dishes | MatTek | P35G-1.5-14-C | |
Bafilomycin A1 | Tocris | 1334 | 200 nM |
BODIPY 493/503 | Invitrogen | D3922 | 0.5 mM |
CaCl2 | Merck | 102378 | 0.1 mM |
ComDet V Plugin | ImageJ | ImageJ FIJI | |
DAPI | Invitrogen | D1306 | 125 mg/mL |
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM) | Gibco | 12800017 | |
ES-qualified HEPES buffer | Cytiva HyClone AdvanceSTEM | SH3085101 | 10 mM |
Etomoxir | SigmaAldrich | E1905 | 100 mM |
Fetal Bovine Serum | Cytiva HyClone AdvanceSTEM | SH3039603 | 10% v/v |
Forma Series II Water-Jacketed CO2 Incubator | Thermo Scientific | 3111 | 37 °C, 5% CO2 |
Harmony Phenologic software | Revvity | image analysis software | |
HeLa cells | ATCC | CCL-2 | Maintain cells at a low passage number, ideally between 8 and 10, to ensure optimal cellular characteristics. |
HEPES | Merck | 110110 | 10 mM |
High-speed clinical centrifuge | DLAB | DM0412 | |
Immersion Oil | Leica | 11513859 | |
MgCl2 | Merck | 814733 | 1 mM |
Operetta CLS Live spinning-disk microscope | Revvity | HH16000020 | |
Optical bottom 96-well plates | Thermo Scientific | 165305 | |
Paraformaldehyde | Electron Microscopy Sciences | 157-8 | 4%v/v |
penicillin/streptomycin/Amphotericin B | Biological Industries | 030331b | (1000 µ/mL, 100 mg/mL, 100 mg/mL) |
Phosphate-buffered saline (PBS) | Sartorius | 020235A | 1x |
Red-phenol free DMEM | Gibco | 31053028 | |
T863 | Merck | SML0539 | 50 mM |
TCS SP8 Leica confocal microscope | Leica Microsystems | ||
TransIT-LT1 Transfection Reagent | Mirus | MIR 2304 | |
Triton X-100 | Merck | T9284 | 0.20% |
Trypsin/EDTA | Gibco | 252000056 | 0.25% v/v |
UNO-TEMP controller | Okolab | OK-H401-T-CONTROLLER | 37 °C |
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