本文提出了一种高含量显微镜工作流程,用于同时定量细胞内ROS水平,以及线粒体膜电位和形态 - 共同称为线粒体形态功能 - 使用细胞透过性荧光报告分子5-(和 - 6) - 氯甲基-2',7'-二氯二氢荧光素二乙酸酯,乙酰酯(CM-H 2 DCFDA)和四甲基罗丹明甲酯(TMRM)。
方法文章
本文提出了一种高含量显微镜工作流程,用于同时定量细胞内ROS水平,以及线粒体膜电位和形态 - 共同称为线粒体形态功能 - 使用细胞透过性荧光报告分子5-(和 - 6) - 氯甲基-2',7'-二氯二氢荧光素二乙酸酯,乙酰酯(CM-H 2 DCFDA)和四甲基罗丹明甲酯(TMRM)。
活性氧(ROS)调节基本细胞过程,包括基因表达,迁移,分化和增殖。然而,过量的ROS水平诱导氧化应激状态,伴随着对DNA,脂质和蛋白质的不可逆的氧化损伤。因此,ROS的定量为细胞健康状况提供了直接依据。由于线粒体是ROS的主要细胞来源和靶标,所以在同一细胞中线粒体功能和ROS产生的联合分析对于更好地了解病理生理条件的互连至关重要。因此,开发了基于高含量显微镜的策略,用于同时定量细胞内ROS水平,线粒体膜电位(ΔΨm)和线粒体形态。它是基于自动化的宽场荧光显微镜和生物贴壁细胞的图像分析,生长在多孔板和staine中d与细胞可渗透的荧光报告分子CM-H 2 DCFDA(ROS)和TMRM(ΔΨm和线粒体形态)。与荧光测定法或流式细胞术相反,该策略允许在实验刺激前后具有高时空分辨率的个体细胞水平的亚细胞参数的定量。重要的是,该方法的基于图像的性质允许除了信号强度之外还提取形态学参数。组合特征集用于探索和统计多变量数据分析,以检测亚群,细胞类型和/或治疗之间的差异。在此,提供了测定的详细描述,以及证明其在化学扰动之后在细胞状态之间明确区分的潜力的示例性实验。
通过ROS产生和ROS消除系统之间的动态相互作用,精细调节细胞内ROS的浓度。两者之间的不平衡引起氧化应激状态。线粒体的主要来源之一是线粒体1 。鉴于它们在细胞呼吸中的作用,它们负责大量的细胞内超氧化物(O 2 · - )分子2 。这主要是由于电子传输链的复合物1在强的负内线粒体膜电位(Δψm), 即线粒体超极化的条件下,电子泄漏到O 2 。另一方面,线粒体去极化也与增加的ROS生产相关,指向多种作用模式3,4,5 ,> 6,7,8 。此外,通过裂解融合机理的蛋白质的氧化还原修饰,ROS共调节线粒体形态9。例如,碎片与增加的ROS产生和凋亡相关, 10,11 ,而丝状线粒体已经与营养物质饥饿和保护相关mitophagy 12 。鉴于细胞ROS和线粒体形态功能之间的复杂关系,两者应理想地在活细胞中同时量化。为了做到这一点,基于自动化宽视野显微镜和用荧光探针CM-H 2 DCFDA(ROS)和TMRM(线粒体Δψm和形态)染色的贴壁细胞培养物的图像分析开发了高含量成像测定。高含量成像是指提取sp关于使用多个互补标记和自动图像分析的细胞表型的信息丰富( 即大量描述性特征)。当与自动显微镜组合时,可以并行筛选许多样品( 即高通量),从而增加测定的统计学功能。实际上,协议的主要资产是它允许在同一个信元中同时量化多个参数,而这对于大量的信元和条件来说是可以的。
协议分为8个部分(以下协议详细描述):1)96孔板中的播种细胞; 2)储备溶液,工作溶液和成像缓冲液的制备; 3)设置显微镜; 4)用CM-H 2 DCFDA和TMRM装载细胞; 5)首次实时成像测量基础ROS水平和线粒体形态功能; 6)加入叔丁基后进行第二次活体成像过氧化物(TBHP)测量诱导的ROS水平; 7)自动图像分析; 8)数据分析,质量控制和可视化。
该测定法最初是针对正常人皮肤成纤维细胞(NHDF)开发的。由于这些细胞是大而平坦的,它们非常适合于评估2D宽幅图像13,14 中的线粒体形态。然而,通过轻微修改,该方法适用于其他贴壁细胞类型。此外,在CM-H 2 DCFDA和TMRM的组合之后,工作流程符合各种具有不同分子特异性的荧光染料对1,15。
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对于NHDF细胞和使用材料文件中指定的多孔板,描述了下面的方案。有关工作流程的总体概述,请参见图1 。
1.试剂的制备
2.设置显微镜和采集协议(±15分钟)
注意:使用配有自动化舞台和百叶窗的宽视野显微镜以及使用20X空气计划校正物镜(NA = 0.75)和EM-CCD摄像机的基于硬件的自动对焦系统执行图像采集。当首次设置测定时,使用含有根据方案说明书染色的对照细胞的测试板来校准XY阶段并优化采集设置。如果采集设置已经确定,可以使用空板进行校准。
3 。 96孔板中的接种细胞(45-90分钟,取决于不同细胞系的数目)
4.用CM-H 2 DCFDA和TMRM装载细胞(±45分钟)
注意:实验当天可以在无菌环境(生物安全柜)中进行细胞处理,但这并不是强制性的,因为细胞将在测定后直接丢弃或固定。
5.首次实时成像测量基础ROS水平和线粒体形态功能(±15分钟)
6.添加TBHP后测量诱导的ROS水平(±20分钟)后的第二次实时成像
图像处理与分析(±30分钟/96孔板)
注意:所有图像处理都在FIJI(http://fiji.sc)中执行,该版本是ImageJ免费软件的封装版本。编写了专门的脚本,用于自动分析细胞内ROS和线粒体信号,以及形态参数(RedoxMetrics.ijm,可根据要求提供)。基础算法在Sieprath 等人 1 。
8.数据分析,质量控制(QC)和可视化
原始数据的处理和分析使用R统计免费软件(http://www.rproject.org - 版本3.3.2)和RStudio(http://www.rstudio.com/ - 版本1.0.44)完成。为了快速获取和可视化结果,已经设想出了一个直观的Shiny应用程序17 (可根据要求提供),它集成和可视化加热图和箱体图中的数据,并进行统计分析。一般而言,工作流程包括两个连续的步骤。首先,每96孔板处理和检查数据以检测异常数据点。其次,将给定实验的所有板的策划数据组合并使用非参数多分析变量测试18和主成分分析。
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该测定已经使用几个对照实验进行了基准测试,其结果在Sieprath et al。 1 。简而言之,CM-H 2 DCFDA和TMRM的荧光响应分别定量分析了细胞内ROS和Δψm的变化,以确定其动态范围。对于CM-H 2 DCFDA,当用10μM至160μM范围内的增加的TBHP浓度处理时,NHDF显示出荧光信号的线性增加。同样,对于TMRM,当用1〜10μg/μL范围内增加浓度的寡霉素(其诱导Δψm超极化)处理时,NHDF细胞显示线粒体荧光线性增加。相反,实时添加诱导Δψm去极化的抗生素缬氨霉素导致逐渐的,定量的TMRM荧光的最终降低。
该测定法也用于各种实验,以揭示细胞类型或治疗之间的氧化还原状态差异1,15。为了说明这一点,结果显示了用HIV蛋白酶抑制剂沙奎那韦(SQV)处理NHDF的实验(
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本文介绍了用于同时定量NHDF中细胞内ROS水平和线粒体形态功能的高含量显微镜方法。通过对SQV处理的NHDF的案例研究证明其性能。结果支持早期的文献证据,其中在用1型HIV蛋白酶抑制剂治疗后已经观察到ROS水平升高或线粒体功能障碍,尽管在单独的实验19,20,21,22,23,24,25中。重要的区别是所描述的测定能够在相同的活细胞中同时测量这些参数,以及形态学数据。这种方法的主要优点在于它们在空间和t上的两个因素的明确确定ime,它允许精确定位因果关系。执行主成分分析,其允许产生特定扰动的敏感氧化还原谱。然而,更高级的数据挖掘技术和(监督)聚类算法也可以用于提取的数据,以实现预测氧化还原分析。这可能是数字病理学中诊断或预后分类工具的重要特征,也可用于筛选治疗靶点, 例如,一旦产生了强大的分类模型,可以筛选小分子文库以发现治疗候选物以抵消氧化应激,类似于最近的一个屏幕,有希望导致人类线粒体疾病的治疗发展。
该测定是针对NHDF而设计的,但可适用于其他贴壁细胞类型。这需要优化染色方案和报道染料浓度。数量r必须最小化载体染料,因为过载会导致由于淬火引起的...
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作者指出,没有竞争的经济利益或其他利益冲突。相应的作者还确保所有作者被要求披露任何和所有的利益冲突。
这项研究得到了安特卫普大学 (TTBOF/29267, TTBOF/30112)、根特大学特别研究基金(项目 BOF/11267/09)、NB-Photonics(项目代码 01-MR0110)和荷兰科学研究组织 (NWO;编号:CSBR09/013V)。本手稿的部分内容改编自另一出版物1,并已获得 Springer 的许可。作者感谢 Geert Meesen 对宽视场显微镜的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>试剂 | |||
| 四甲基罗丹明、甲酯、高氯酸盐 (TMRM) | ThermoFisher Scientific | T668 | |
| CM-H2DCFDA(一般氧化应激指示剂) | ThermoFisher Scientific | C6827 | |
| 二甲基亚砜 | Sigma)Aldrich | D8418 | |
| MatriPlate 96 孔玻璃底微孔板 630 µL-黑色 0.17 mm 低玻璃盖 | Brooks 生命科学系统 | MGB096-1-2-LG-L | |
| HBSS 不含酚红 500 mL | Lonza | BE10-527F | |
| 含 L-谷氨酰胺的 DMEM 高葡萄糖 | Lonza | BE12-604F | |
| 不含钙和镁的磷酸盐水 (PBS) | Lonza | BE17-516F | |
| HEPES 1 M 500 mL | Lonza | 17-737F | |
| 胰蛋白酶-Versene (EDTA) 溶液 | Lonza | BE17-161E | |
| Cy3 AffiniPure F(ab')2 片段 驴抗兔 IgG (H+L) | Jackson | 711-166-152 | 抗体,用于采集平场图像 |
| Alexa Fluor 488 AffiniPure F(ab')2 片段 驴抗兔 IgG (H+L) | Jackson | 711-546-152 | 抗体,用于采集平场图像 |
| 名称 | 公司 | 目录号 | 注释 |
| 设备 | |||
| 尼康Ti日食宽视场显微镜 | 尼康 | ||
| 完美对焦系统(PFS) | 尼康 | 硬件自动对焦系统 | |
| CFI Plan Apo Lambda 20X 物镜 | 尼康 | ||
| 名称 | 公司 | 目录号 | 评论 |
| >软件 | |||
| NIS Elelements Advanced Research 4.5 with JOBS module | 尼康 | 该软件用于控制显微镜并编程/执行自动图像采集 prototocol | |
| ImageJ (FIJI) 版本 2.0.0-rc-43/1.50g | |||
| RStudio 版本 1.0.44 | Rstudio | ||
| R 版本 3.3.2 |
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