我们描述了一种用于检测存在的化学元素的方法 原位 在人类细胞中以及它们的 体外 定量分析。该方法适用于任何细胞类型,尤其适用于单细胞水平的定量化学分析。 体外 金属氧化物纳米颗粒暴露
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我们描述了一种用于检测存在的化学元素的方法 原位 在人类细胞中以及它们的 体外 定量分析。该方法适用于任何细胞类型,尤其适用于单细胞水平的定量化学分析。 体外 金属氧化物纳米颗粒暴露
基于化学元素成像的微区分析技术能够实现细胞水平上化学成分的定位与定量。这些技术为生命系统的表征提供了新的可能性,尤其适用于检测、定位和定量生物样本及环境中金属氧化物纳米颗粒的存在。事实上,这些技术均满足以下关键要求:(i) 灵敏度高(干重范围内从1至10 µg·g-1),(ii) 空间分辨率达到微米量级,(iii) 可进行多元素同时检测。基于这些特点,微束化学元素成像技术可有效补充常规成像技术(如光学显微镜和荧光显微镜)的不足。本实验方案描述了如何对暴露于二氧化钛纳米颗粒的培养细胞(U2OS)进行核微探针分析。细胞必须生长并直接暴露于一种特殊设计的样品 holder 中,该 holder 可用于光学显微镜以及核微探针分析阶段。采用浸入式冷冻固定法对样品进行低温固定,可同时保持细胞结构和化学元素分布的原始状态。在样品上同步开展的核微探针分析(包括扫描透射离子显微术、卢瑟福背散射谱以及粒子激发X射线发射)可提供有关细胞密度、化学元素局部分布以及细胞内纳米颗粒含量的信息。生物学领域对这类分析工具的需求日益增长,尤其是在纳米毒理学和纳米医学迅速发展的背景下,亟需加深对纳米颗粒与生物样本之间相互作用的理解。特别地,由于核微探针分析无需对纳米颗粒进行标记,因此可在细胞群体中独立于其表面状态,实现单个细胞水平上的纳米颗粒丰度定量。
细胞稳态由不同微量元素(离子、金属、外源性无机化合物)的摄取调控、同化及细胞内定位所决定。这些成分常以痕量形式存在,但仍可能对系统生理产生显著影响。因此,在正常及病理/应激状态下研究细胞生物化学,是全面理解细胞代谢机制的关键步骤。为此,开发能够检测细胞内化学物质丰度、结构组织及其相关代谢功能的成像与分析技术变得十分必要。目前仅有极少数方法能够提供 原位 关于给定样品整体化学性质的定量信息。除了对块体形态样品进行分析的方法外, 原位 分析在不损失质量与结构信息的前提下,对生物样本进行整体性考察,从而保留其内含的化学物质(微量元素和离子)及蛋白质。此外,随着纳米科学的不断发展,有必要开发更先进的成像与分析方法,以实现细胞尺度下环境监测,观察并量化纳米物体的行为与相互作用。1
纳米颗粒(NPs)被定义为至少在一个维度上尺寸介于1至100 nm之间的物体。2 由于其独特的理化性质,纳米颗粒在工业中被广泛应用。纳米颗粒也被用于生物应用和纳米医学领域。3,4 尽管纳米颗粒具有多种理化特性,但其可能对人类健康和环境产生不良影响的风险。这种风险可能由不同浓度水平下的长期或重复暴露引起,但目前尚未明确证实。5,6,7,8 特别是,纳米颗粒在细胞内的归趋及其引发的细胞反应至今仍未被充分阐明。部分原因在于目前可用于在单个细胞中检测和定量内化纳米颗粒的方法仍然十分有限。9
用于估算纳米颗粒细胞剂量的经典分析工具包括显微技术、质谱法(MS)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)10,11以及液相色谱-质谱联用技术(LC-MS),但这些方法仅能在宏观尺度上提供有用信息。若不采用组分分离方法,它们均无法精确评估亚细胞结构中的纳米颗粒含量或其分布情况。因此,利用这些方法难以系统地进行剂量-效应评估,而基于原子光谱学的方法则具有优势,例如核微探针分析12,13、同步辐射X射线荧光显微技术14和二次离子质谱法(SIMS)15,16。这些方法尤为有价值,因为它们可补充荧光显微镜的观测结果,特别是在纳米颗粒无法用荧光分子标记、因而需以其原始状态进行研究的情况下。即使在纳米颗粒表面接枝了荧光探针的情形下,一方面每个颗粒的标记程度未知,导致定量仍然困难;另一方面,纳米颗粒表面的化学修饰可能改变其在细胞内的分布。
本文重点介绍一种基于核微探针技术组合的方法,旨在对生物样品的主要元素、次要元素和微量元素进行形态学及元素组成成像。
核微探针分析被证明特别适用于生物组织中痕量化学元素的测定。其束斑横向分辨率(0.3至1 µm)和化学元素检测灵敏度(1至10 µg·g⁻¹)均具有显著优势。-1 干质量)非常适合在细胞水平上开展研究。核微探针技术基于检测离子束(通常以兆电子伏特能量运行)与样品中存在原子相互作用后所发射的粒子(光子、电子、离子)。在细胞中发生的相互作用主要包括:1)原子被激发或电离,随后在原子返回基态时发射光子;2)入射粒子发生散射,导致其能量和方向发生变化。通过测量发射粒子的能量,可识别参与相互作用的原子种类。为实现元素分布成像,离子微束会在样品表面反复扫描,通常扫描区域约为100 × 100 µm2 包含多个细胞。检测发射出的粒子,并记录每个束斑位置下粒子的能量。根据束斑位置对粒子进行分类,从而确定产生这些粒子的结构,是数据处理的目标。本文将详细介绍一种基于荧光显微镜与核微探针分析的方法,用于在细胞及亚细胞尺度上检测并定量外源性纳米颗粒(NPs),以研究纳米颗粒与生物系统相互作用所产生的影响。我们将特别关注该方法在以下方面所提供的研究机遇 原位 二氧化钛纳米颗粒(TiO₂)的定量分析2 亚细胞水平的NPs聚集体
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1. 样品 holder 的制备
2. 在适当的样品 holder 中培养细胞。
注意:必须在生物安全型层流工作台(II级)中进行本方案,以排除污染性微生物。操作抗生素(例如青霉素、链霉素)时需佩戴手套。处理生物材料(细胞系、基因修饰来源的人类细胞)时应遵循最佳操作规范。
关键: 应检测所使用的细胞系,以确保其未被支原体(Mycoplasma)感染。
3. 纳米颗粒的制备与暴露
注意:荧光染料修饰的 TiO2 NPs 经设计、合成,并用四甲基罗丹明异硫氰酸酯(TRITC)进行化学修饰。20,21 这种表面修饰可实现纳米颗粒的检测、追踪与定位 原位 和 细胞内 在活细胞和固定细胞中,或在多细胞生物体中。12,13,18
注意:纳米材料和纳米颗粒必须小心处理。避免吸入、食入或与皮肤接触。为防止在空气中扩散,纳米颗粒需保存在溶液(超纯水)中。
4. 多聚甲醛固定与荧光显微镜观察。
5. "无浸入式冷冻"固定与脱水
6. 核微探针分析
注意:核微探针分析在AIFIRA(Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d'Ions en Région Aquitaine)的微束线站上进行,采用了互补的离子束分析技术——粒子激发X射线发射(µ-PIXE)和扫描透射离子显微术(µ-STIM)。该装置基于一台3.5 MV的粒子加速器,可提供能量在MeV范围内的轻离子束。22,23
暂停点:AIFIRA 是由波尔多大学主办的离子束设施,在对所提议的实验进行科学评估后,向法国国内及国际研究团队开放使用。
7. 数据分析
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细胞培养及荧光标记TiO的荧光成像2 NPs
我们设计了一种适用于细胞培养、细胞操作以及多模式分析的样品 holder。具体而言,该 holder 需能够支持常规光学显微镜观察以及核微探针分析与成像。此样品 holder 采用沉积在 PEEK 框架上的 2-µm 厚聚碳酸酯膜制成。细胞可直接在聚碳酸酯膜上生长,在无菌培养条件下培养数天后,可用于不同的实验设置,例如纳米颗粒(NPs)暴露实验。
化学表面修饰结合荧光染料(TRITC)实现了对TiO₂的检测2 纳米颗粒(NPs)及其 原位 和 体外 使用荧光显微镜在活细胞或经甲醛固定细胞中进行定位。细胞核和线...
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我们介绍一种方法,可提供超越其他成像技术所能获得的信息,尤其在亚细胞水平上具有显著优势。除了成像能力外,核微探针分析还能够对构成生物样品的化学元素进行定量分析。在本研究中,我们考察了人类细胞群体,并聚焦于单个暴露于TiO2纳米颗粒的细胞中特定感兴趣区域的分析。该技术与其他技术的结合,可同时提供细胞形态学成像以及元素化学组成的精确定量数据。
要成功应用核微探针分析,必须遵守以下要点以避免潜在问题。首先,必须采用低温固定方案来固定细胞,以保持其超微结构和生物化学完整性。其次,必须对厚度小于 20 µm 的薄样品进行分析。如有需要,可对冷冻固定的样品进行切片处理。样品必须始终保持冷冻状态。第三,还需注意,核微探针分析呈现的是生物样品的二维图像,因此所获得的化学元素分布为二维投影,可能引起误判。未来通过采用断层扫描采集技术,将有望克服这一局限性。
核微探针分析也存在局限性。必须强调的是,其主要限制在于需要在真空条件下进行分析。因此,必须采用能够保持细胞超微结构和生物化学完整性的细胞固定方案。因而...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢 Serge Borderes 对视频的执导与剪辑。法国国家科研署支持 TITANIUMS 研究项目(ANR CES 2010,编号° CESA 009 01)。法国国家科学研究中心(CNRS)和欧洲共同体作为整合性活动,通过欧盟合同编号° 227012。本工作得到了玛丽·居里行动—初始培训网络(ITN)的支持,作为“支持研究生在工业界实习及培训卓越的整合性活动”(SPRITE,D1.3)的一部分,欧盟合同编号为317169。C'NANO Grand Sud Ouest 和阿基坦大区支持了 TOX-NANO 研究项目(n°20111201003)和研究项目 POPRA(n° 14006636-034).
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>细胞培养 | |||
| U2OS | ATCC,LGC 标准品 | ATCC HTB-96 | |
| 不含L-谷氨酰胺的MCCOY 5A培养基 | Dominique DUTSCHER | L0211-500 | |
| FBS 500 mL | Dominique DUTSCHER | 500105U | |
| 青霉素/链霉素 | 赛默飞世尔科技 | 11548876 | |
| L-谷氨酰胺 200 mM,100 mL | Invitrogen | 25030024 | |
| 遗传霉素, 20 mL | 赛默飞世尔科技 | 10092772 | |
| 0.25% (v/v) 胰蛋白酶-EDTA 500 mL | 赛默飞世尔科技 | 11570626 | |
| Viromer Red | 脂萼 | VR-01LB-01 | |
| Matrix-roGFP 质粒 | AddGene | #49437 | |
| Hoechst 33342 | 赛默飞世尔科技 | H3570 | 小心操作 |
| <强>纳米颗粒制备 | |||
| TiO2 P25 AEROXIDE | 德固赛/赢创 | ||
| 四甲基罗丹明异硫氰酸酯(TRITC) | SIGMA-ALDRICH | T3163 | 纳米颗粒表面修饰 |
| <强>样品制备 | |||
| 聚碳酸酯箔 | Goodfellow | CT301020 | |
| 聚醚醚酮支架(PEEK) | Matechplast | A-239-4047 | |
| 乙醇,ACS 级,纯度 99.5% | SIGMA-ALDRICH | 02860-6x1L | |
| 氯仿,无水,99% | SIGMA-ALDRICH | 372978-1L | 注意:有毒 |
| Formvar 100 g | Agar Scientific | AGR1201 | 有害。使用浓度为10 µ克每毫升氯仿 |
| NaOH | SIGMA-ALDRICH | S5881-500G | |
| <强>样品固定 | |||
| 粉末,95% 多聚甲醛 | SIGMA-ALDRICH | 158127-500G | 注意:有毒。使用 PBS 中的 4% 溶液 |
| PBS(pH 7.4,不含 Ca²⁺ 和 Mg²⁺) | 赛默飞世尔科技 | 11503387 | |
| Prolong Gold 抗荧光淬灭试剂 | 赛默飞世尔科技 | P36934 | |
| Triton X-100 | SIGMA-ALDRICH | 93443 | 有害的 |
| <强>样品冷冻固定 | |||
| 液氮 | 液化空气医疗 | 有害的 | |
| 甲基丁烷 >=99% | SIGMA-ALDRICH | M32631-1L | 注意:有毒 |
| 铝制转移板 | 自制 | ||
| 蒸馏去离子水 | 自制 | 使用 Barnstead Smart2Pure 系统在实验室中制备 | |
| Parafilm | VWR | 52858-000 | |
| <强>仪器设备 | |||
| Barnstead Smart2Pure | 赛默飞世尔科技 | 50129870 | |
| II级生物安全柜 | 赛默飞世尔科技 | MSC-Advantage | |
| TC20 自动细胞计数仪 | 伯乐(Bio-Rad) | 145-0102SP | |
| 计数板 2 个孔 | 伯乐(Bio-Rad) | 1450016 | |
| PIPS探测器,25 mm²,12 keV能量分辨率 @5.5 MeV | 堪培拉 | PD25-12-100AM | |
| 高分辨率Si(Li)固态探测器,145 eV能量分辨率(@Mn-K)α | Oxford Instruments | ||
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| XRF校准标准品 钠或氯化物(以NaCl计) | 微物质 | 34381 | |
| XRF校准标准品 镁以氟化镁(MgF2)形式存在 | 微尺度物质 | 34382 | |
| XRF校准标准 铝作为Al金属 | 微物质 | 34383 | |
| XRF校准标准硅(以SiO计) | 微尺度物质 | 34384 | |
| XRF校准标准 硫以CuSx形式存在 | 微尺度物质 | 34385 | |
| XRF校准标准品 钙以CaF2形式存在 | 微物质 | 34387 | |
| XRF校准标准品 钛作为Ti金属 | 微物质 | 34388 | |
| XRF校准标准品 铁(以Fe金属形式) | 微物质 | 34389 | |
| 750W 超声波破碎仪 | 声学材料 | 11743619 | |
| 3MM 微型探针 | 生物阻断科技 | 220-05 | |
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| 光学显微镜 Zeiss AxioObserver Z1 | 卡尔·蔡司显微成像有限公司 | 431006-9901 | |
| 电动载物台 xy | 卡尔·蔡司显微成像有限公司 | 432031-9902 | |
| EC Plan-Neofluar 20X,NA 0.50 Ph2 M27 物镜 | 卡尔·蔡司显微成像有限公司 | 420351-9910 | |
| Plan-Apochromat 63倍,数值孔径1.40,Ph3M27物镜 | 卡尔·蔡司显微成像有限公司 | 420781-9910 | |
| 蔡司滤光片组 02 | 卡尔·蔡司显微成像有限公司 | 488002-9901 | |
| 蔡司滤光片组 38HE | 卡尔·蔡司显微成像有限公司 | 489038-9901 | |
| 蔡司滤光片组 31 | 卡尔·蔡司显微成像有限公司 | 000000-1031-350 | |
| 化学通风橱 | Erlab | Captair SD321 | |
| 粒子加速器 | HVEE | singletron | |
| <强>软件 | |||
| ImageJ 软件 | 美国国立卫生研究院 | ImageJ 1.51 | |
| SimNRA 软件 | 马克斯·普朗克研究所ü德国,马克斯·普朗克等离子体物理研究所 | SIMNRA 6.06 | |
| Gupix 软件 | 加拿大圭尔夫大学 | GUPIXWIN 2.2.4 |
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