活细胞成像能够提供单个细胞或整个细胞群体的丰富信息,而这些信息仅通过固定细胞成像无法获得。本文描述了在使用抗有丝分裂药物紫杉醇处理后,通过活细胞成像技术评估细胞命运决定的实验方案。
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活细胞成像能够提供单个细胞或整个细胞群体的丰富信息,而这些信息仅通过固定细胞成像无法获得。本文描述了在使用抗有丝分裂药物紫杉醇处理后,通过活细胞成像技术评估细胞命运决定的实验方案。
活细胞成像是一种强大的技术,可用于在长时间内直接观察单个细胞中的生物学现象。在过去十年中,新兴且创新的技术显著提升了活细胞成像的实用性。如今,细胞可在维持37 °C和5% CO2的细胞培养条件下保持聚焦并持续成像数天。此外,可同时获取代表不同实验条件的多个视野图像,从而提供高通量的实验数据。与固定细胞成像相比,活细胞成像具有显著优势,能够直接可视化并进行动态细胞事件的时间定量分析。活细胞成像还能识别单个细胞行为的差异,而这些差异在基于群体的检测中可能被忽略。本文中,我们描述了通过活细胞成像评估细胞在抗有丝分裂药物紫杉醇处理后命运决定的实验方案。我们展示了可视化有丝分裂阻滞细胞是直接从有丝分裂死亡还是滑脱回间期的方法。我们还介绍了如何利用基于荧光泛素化的细胞周期指示系统(FUCCI)来评估由有丝分裂滑脱产生的间期细胞中能够重新进入细胞周期的比例。最后,我们描述了一种用于识别核膜破裂事件的活细胞成像方法。
抗有丝分裂药物长期以来已被用于多种实体瘤的化疗方案中,且通常表现出显著疗效1,2,3。从作用机制上看,这些药物会破坏正常的有丝分裂进程,促使快速增殖的癌细胞发生有丝分裂阻滞。然而,细胞在有丝分裂阻滞后的命运具有高度变异性:一部分细胞会直接从有丝分裂期进入细胞死亡,而另一些细胞则会退出有丝分裂,以四倍体细胞的形式返回间期(该过程称为有丝分裂逃逸)4,5,6,7,8。这些进入间期的细胞可能执行凋亡、发生永久性细胞周期阻滞,甚至重新进入细胞周期4,5,6,7,8,9,10,11。因此,那些通过逃逸进入间期并能在药物去除后重新进入细胞周期的细胞,可能促成癌细胞群体的再次出现。此外,从有丝分裂中逃逸的细胞为四倍体,而四倍体已知可促进染色体不稳定性,进而驱动肿瘤复发12,13,14,15。因此,明确调控抗有丝分裂药物处理后细胞命运的因子,对于优化现有治疗策略至关重要。
在本实验方案中,我们描述了直接观察和研究细胞在抗有丝分裂药物紫杉醇作用下发生长期有丝分裂阻滞命运的方法。紫杉醇是一种临床上已确立的治疗药物,在多种肿瘤类型中均显示出高度疗效,包括乳腺癌、卵巢癌和肺癌16,17,18,19,20。紫杉醇是一种从红豆杉树皮中提取的植物碱,能够稳定微管,从而抑制其动态性21,22。尽管紫杉醇对微管动态性的抑制并不影响细胞从G1期到G2期的细胞周期进程,但该药物会通过阻碍动粒-微管的连接,导致有丝分裂过程中纺锤体组装检查点持续激活(详见综述23,24)25。因此,经紫杉醇处理的细胞无法启动后期,导致长期的有丝分裂阻滞。
本方案将首先介绍在活细胞成像实验中识别有丝分裂细胞的方法。在贴壁培养的组织细胞中,有丝分裂可通过两个明显的细胞生物学变化进行观察。第一,在核膜破裂前,染色体立即发生高度凝缩。虽然使用标准的相差显微镜通常可检测到染色体凝缩现象,但通过荧光标记染色体的标签可更清晰地检测该过程。例如 荧光标记的组蛋白)。其次,有丝分裂细胞还可通过细胞变圆所引起的显著形态学变化来识别。
本方案将演示如何利用活细胞成像技术来追踪经历长期有丝分裂阻滞的细胞命运。阻滞在有丝分裂期的细胞会经历三种不同的命运之一。第一,细胞可能在有丝分裂过程中发生细胞死亡。这一现象可通过光学显微镜清晰观察到,因为正在死亡的细胞会出现收缩、起泡和/或破裂。第二,细胞可能退出有丝分裂并返回间期,而不发生染色体分离或胞质分裂,此过程称为有丝分裂滑脱(mitotic slippage)。染色体去凝集和/或有丝分裂细胞变扁平可明确识别该过程。从有丝分裂滑脱的细胞通常还表现出不规则的多叶状细胞核,并常含有多个微核5。第三,阻滞在有丝分裂的细胞可能在经历较长延迟后启动后期并完成有丝分裂。尽管在较高药物浓度下这种情况较少见,但该行为提示这些被阻滞的细胞可能已满足纺锤体组装检查点,或该检查点功能部分减弱或存在缺陷。通过活细胞成像观察染色体分离及随后的胞质分裂,可直观识别后期的启动。
本文还将介绍用于追踪通过有丝分裂滑脱(mitotic slippage)逃逸有丝分裂期细胞死亡的细胞命运的活细胞成像方法。经历有丝分裂滑脱的细胞,可能在随后的间期死亡,或触发持久的G1期细胞周期阻滞,或重新进入细胞周期并启动新一轮细胞分裂4。本文将描述一种利用FUCCI(基于荧光泛素化的细胞周期指示系统,fluorescent ubiquitination-based cell cycle indicator)的方法,用于确定在有丝分裂滑脱后重新进入细胞周期的细胞比例。FUCCI系统可直接可视化G1/S期转换,并可用于体外(in vitro)和体内(in vivo)的长期活细胞成像26,27。该系统利用两种荧光标记蛋白——人源Cdt1(hCdt1,染色质许可与DNA复制因子1)和人源Geminin(hGeminin)的截短形式,其蛋白水平随细胞周期时相呈周期性波动。与红色荧光蛋白融合的hCdt1在G1期高水平表达,促进DNA复制的启动许可;而在S/G2/M期,该蛋白被E3泛素连接酶SCFSkp2泛素化并降解,以防止DNA的重复复制26。相反,与绿色荧光蛋白融合的hGeminin是hCdt1的抑制因子,其水平在S/G2/M期达到峰值,而在有丝分裂末期及整个G1期被E3泛素连接酶APCCdh1泛素化并降解26。因此,FUCCI系统可提供直观的荧光信号以指示细胞周期时相:细胞在G1期呈现红色荧光,在S/G2/M期呈现绿色荧光。相较于其他识别增殖细胞的方法(如溴脱氧尿苷染色),FUCCI是一项重要进步,因其无需固定细胞,且可在无需额外药物处理以同步细胞群体的情况下实现单细胞水平的成像。尽管本实验方案未予详述,但目前已开发出其他多种活细胞传感器用于监测细胞周期进程,包括用于G1期的解旋酶B传感器28、用于S期的DNA连接酶-RFP传感器29和PCDNA-GFP传感器30,以及近期开发的FUCCI-4传感器,可检测细胞周期的所有阶段31。
最后,将介绍一种用于检测核膜破裂的活细胞成像方法。近期研究表明,癌细胞的核膜不稳定,容易发生破裂,从而导致核质与细胞质内容物相互混合。这一现象被称为核膜破裂,可促进DNA损伤并激活先天免疫反应32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44。尽管核膜破裂的根本原因尚未完全阐明,但已知核结构的形变与核膜破裂发生频率升高相关42。紫杉醇处理的一个广为人知的效应是,在有丝分裂后产生显著异常的核结构;因此,本文将描述一种利用活细胞成像来定量核膜破裂的方法,并进一步探讨紫杉醇处理是否会增加核膜破裂事件的发生频率。核膜破裂可通过观察到核靶向荧光蛋白从细胞核泄漏至细胞质来检测(例如,串联二聚体重复的RFP与核定位信号融合的蛋白,TDRFP-NLS)。这种泄漏在显微镜下肉眼即可清晰识别,从而实现对破裂事件的简便定量。
本方案需要配备编码载物台和自动对焦软件的宽场落射荧光显微镜。编码载物台可实现向指定X-Y坐标的精确定位自动移动,而自动对焦软件可在整个成像期间保持细胞处于焦点状态。此外,本方案还需要配备将细胞维持在37 °C并提供加湿5% CO2环境的设备。这可以通过将整个显微镜置于温控和气控环境中实现,也可以通过使用载物台顶部的局部温控和环境控制装置来实现。本方案中使用的相差物镜为10倍平场荧光物镜,数值孔径为0.30。然而,20倍物镜也足以在单个焦平面上识别出呈圆形的有丝分裂细胞和扁平的间期细胞。如果进行相差成像(如本方法所述),盖玻片可以是玻璃或塑料材质。如果使用微分干涉差(DIC)显微镜,则必须使用玻璃盖玻片,以防止光的去偏振化。
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本方案重点介绍使用非转化且染色体稳定的视网膜色素上皮(RPE-1)细胞系进行活细胞成像实验。然而,只要根据需要调整细胞培养条件,本方案也可适用于任何贴壁细胞系。所有操作必须遵守所在机构的生物安全、伦理准则及相关法规。
1. 活细胞成像前的细胞准备
2. 为活细胞成像设置显微镜
3. 视频分析以鉴定紫杉醇处理下的细胞命运
4. 视频分析以确定有丝分裂逃逸后的细胞命运
5. 视频分析以确定核膜破裂频率
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采用上述方案,对表达 H2B-GFP 的 RPE-1 细胞用抗有丝分裂药物或对照溶剂(DMSO)处理,并通过活细胞成像进行分析。分析结果显示,100% 的对照组有丝分裂 RPE-1 细胞在进入有丝分裂后平均 22 分钟启动后期(图 1A,1D)。相比之下,经紫杉醇处理的 RPE-1 细胞表现出显著的有丝分裂阻滞,持续数小时(图 1D)。成像结果显示,48% 的有丝分裂阻滞细胞发生了有丝分裂期细胞死亡(图 1B,1E),而其余 52% 的细胞则发生了有丝分裂逃逸(图 1C,1E)。
为评估经历有丝分裂滑脱的RPE-1细...
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长期活细胞成像最关键的方面是确保被成像细胞的健康状态。必须尽量减少细胞暴露于各种额外的环境应激因素,例如温度、湿度和/或CO2浓度的非理想条件。同时,限制荧光激发光照引起的光损伤也非常重要,因为已知成像过程中的光照应激会影响细胞行为50。限制光损伤可通过多种方式实现,具体方法在其他文献中有详细描述48。通常情况下,最佳策略是使用最短的曝光时间,以获得足够明亮的荧光信号,从而有效追踪细胞,进而降低光毒性。然而,如果细胞每10–20分钟才成像一次,则通常可以耐受较长的曝光时间(接近像素饱和水平),尽管这一参数需针对每种荧光染料和细胞类型通过实验确定。由于被成像的细胞对环境和成像相关的应激均敏感,在活细胞成像实验中必须始终设置对照细胞,并对其进行监测,以确认其增殖行为正常。
长期活细胞成像的一个局限性在于,需要为现有显微镜配备能够维持温度和5%加湿CO2环境的培养箱,或配备同样可维持适当温度和气体环境的载台式培养室。虽然持续通入CO2
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作者无任何利益冲突需要披露。
AFB、MAV 和 NJG 感谢 Ryan Quinton 对手稿的评论,以及 Adrian Salic 提供 TDRFP-NLS 载体。AFB 和 MAV 由 NIGMS 生物分子药理学培训基金 5T32GM008541 资助。NJG 是 Shamim 和 Ashraf Dahod 乳腺癌研究实验室成员,获得美国国立卫生研究院(NIH)基金 GM117150 和 CA-154531、Karin Grunebaum 基金会、Smith 家族奖励计划、Searle 学者计划以及黑色素瘤研究联盟的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 无酚红DMEM:F12培养基 | Hyclone | SH3027202 | |
| 10% 胎牛血清(FBS) | Gibco | 10438026 | |
| 100 IU/mL 青霉素和100 mg/mL 链霉素 | Gibco | 15070063 | |
| PBS | Gibco | 10010049 | |
| 0.25% 胰蛋白酶/EDTA | Gemini | 50-753-3104 | |
| 12孔玻璃底成像培养皿 | Cellvis | P12-1.5H-N | |
| 紫杉醇 | TSZ Chem | RS036 | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | Sigma | NC0215085 | |
| 环境培养室 | In Vivo Scientific | ||
| 5% CO2 | Airgas | Z03NI7432000201 | |
| 15 mL 圆锥形离心管 | Fisherbrand | 05-539-12 | |
| 10 cm 聚苯乙烯组织培养板 | Falcon | 08772E | |
| 10 mL 一次性移液管 | Fisherbrand | 4488 | |
| 5804R 15安培离心机 | Eppendorf | 97007-370 | |
| 1000 微升移液器 | Gilson | Pipetman Classic | |
| 20 微升移液器 | Gilson | Pipetman Classic | |
| p1000 移液器吸头 | Sharp | p1126 | |
| p20 移液器吸头 | Sharp | P1121 | |
| RPE-1 细胞 | ATCC | CRL-4000 | |
| Galaxy 170S 培养箱 | Eppendorf | CO17011005 | |
| Pipette Boy 移液辅助器 | Integra | 156401 | |
| 血细胞计数板 | Fisher Scientific | 0267110 | |
| 用于活细胞成像的Nikon Ti-E-PFS倒置显微镜 | Micro Video Instruments, Inc. | MEA53100 | |
| Prior X-Y 载物台系统与白光LED照明器 | Micro Video Instruments, Inc. | 500-H117P1N4 | |
| 带编码器的Prior Proscan 3 XYZ控制器 | Micro Video Instruments, Inc. | 500-H31XYZE | |
| Andor 数字相机 | Micro Video Instruments, Inc. | D10NLC | |
| Nikon NIS Elements AR 软件 | Micro Video Instruments, Inc. | MQS31000 | |
| 用于荧光成像的SOLA LED照明器 | Micro Video Instruments, Inc. | SOLA-E | |
| 带CO2流量控制的InVivo环境培养室 | Micro Video Instruments, Inc. | Ti-IVS-100 | |
| Ti-ND6-PFS 电动物镜转盘(完美聚焦系统) | Micro Video Instruments, Inc. | MEP59391 | |
| Ti-C 系统聚光镜转盘 | Micro Video Instruments, Inc. | MEL51000 | |
| 用于系统聚光镜转盘的Ti-C LWD长工作距离镜头组件 | Micro Video Instruments, Inc. | MEL56200 | |
| Te-C LWD Ph1 模块 | Micro Video Instruments, Inc. | MEH41100 | |
| CFI Plan Fluor DLL 10X 物镜,数值孔径0.3,工作距离16 mm | Micro Video Instruments, Inc. | MRH10101 | |
| CFI Super Plan Fluor ELWD 20xc ADM 物镜 | Micro Video Instruments, Inc. | MRH48230 |
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