该方法结合了DNA双链断裂(DSBs)的定量分析、细胞周期分布和细胞凋亡检测,能够实现针对细胞周期特异性的DSB诱导与修复评估,以及修复失败所导致后果的分析。
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该方法结合了DNA双链断裂(DSBs)的定量分析、细胞周期分布和细胞凋亡检测,能够实现针对细胞周期特异性的DSB诱导与修复评估,以及修复失败所导致后果的分析。
本文所述方法或其稍作修改的版本已被设计用于研究临床肿瘤学中各种抗癌治疗的特定治疗反应及副作用。该方法能够对放射治疗和多种抗癌药物所诱导的基因毒性应激后的DNA损伤反应进行定量且纵向的分析。该方法涵盖了DNA损伤反应的各个阶段,可提供DNA双链断裂(DSBs)的诱导与修复、细胞周期阻滞以及在修复失败情况下通过凋亡导致的细胞死亡等终点指标。结合这些测量结果,可以获得有关细胞周期依赖性治疗效应的信息,从而深入研究细胞增殖与应对DNA损伤机制之间的相互作用。由于包括化疗药物和电离辐射在内的许多癌症治疗手段的效果局限于特定细胞周期阶段或在不同周期阶段中存在显著差异,因此相关性分析依赖于一种可靠且可行的方法,以细胞周期特异性的方式评估治疗对DNA的影响。单终点检测方法无法实现这一目标,而本文所述方法则具有这一重要优势。该方法不限于任何特定细胞系,已在多种肿瘤及正常组织细胞系中得到充分验证。除放射肿瘤学外,该方法还可广泛应用于肿瘤学的多个领域,作为全面的基因毒性检测手段,包括环境风险因素评估、药物筛选以及肿瘤细胞遗传不稳定性评价。
肿瘤学的目标是在不损害正常细胞的前提下杀死或灭活癌细胞。许多治疗方法会直接或间接地在癌细胞中诱导基因毒性应激,但同时在一定程度上也会影响正常细胞。化疗或靶向药物常与放射治疗联合使用,以提高照射肿瘤的放射敏感性1,2,3,4,5,从而可降低放射剂量,以尽量减少对正常组织的损伤。
电离辐射及其他基因毒性因子可诱导多种类型的DNA损伤,包括碱基修饰、链间交联以及单链或双链断裂。DNA双链断裂(DSBs)是最严重的DNA损伤类型,其产生是电离辐射及多种化疗药物在放化疗中杀伤细胞作用的关键。DSBs不仅损害基因组的完整性,还可促进突变的形成6,7。因此,在进化过程中形成了多种DSB修复通路,以及清除无法修复损伤细胞的机制(如细胞凋亡)。整个DNA损伤应答(DDR)由复杂的信号通路网络调控,该网络从识别DNA损伤并诱导细胞周期阻滞以促进DNA修复,到在修复失败时启动程序性细胞死亡或细胞失活,发挥全面的调控作用8。
本文介绍的流式细胞术方法旨在通过一项综合性检测,研究基因毒性应激后的DNA损伤应答(DDR),该检测涵盖DNA双链断裂(DSB)的诱导与修复,以及修复失败所导致的后果。该方法结合了广泛应用的DSB标志物γH2AX的检测、细胞周期分析,以及凋亡诱导的评估,后者通过经典的亚G1期分析及更特异的caspase-3活化检测来实现。
将这些检测指标整合于一个实验中,不仅减少了时间、人力和成本开支,还能实现对双链断裂(DSB)的诱导与修复以及caspase-3活化进行细胞周期特异性的测量。此类分析若采用独立实验无法实现,但对于全面理解基因毒性应激后的DNA损伤反应具有重要意义。许多抗癌药物(如细胞抑制类化合物)的作用靶点是分裂中的细胞,其疗效在很大程度上依赖于细胞周期阶段。双链断裂修复机制的可用性也受细胞周期阶段和修复通路选择的影响,而通路选择对修复的准确性至关重要,并进而决定细胞的命运9,10,11,12。此外,相较于混合分析,细胞周期特异性地检测双链断裂水平更为准确,因为双链断裂水平不仅取决于基因毒性化合物或辐射的剂量,还与细胞的DNA含量相关。
该方法已被用于比较不同放射疗法在克服胶质母细胞瘤耐药机制方面的疗效13,并解析电离辐射与靶向药物在骨肉瘤14,15和非典型畸胎样横纹肌样瘤16中的相互作用。此外,所述方法还被广泛用于分析放化疗对间充质干细胞的副作用17,18,19,20,21,22,23,24,这些细胞对于治疗所致正常组织损伤的修复至关重要,并在再生医学中具有潜在应用价值。
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1. 准备
2. 样品采集
3. 洗涤与染色
4. 测量
5. 数据评估
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采用4 Gy的光子或碳离子辐射照射人U87或LN229胶质母细胞瘤细胞。通过本文所述的流式细胞术方法,在照射后不同时间点(最长至48小时)检测细胞周期特异性的γH2AX水平及细胞凋亡情况(图3)。在两种细胞系中,与相同物理剂量的光子辐射相比,碳离子诱导的γH2AX峰值水平更高,下降更缓慢,并在照射后24至48小时仍显著升高(图4A)。这表明,碳离子比光子诱导了更高水平的DNA双链断裂(DSBs),且这些断裂的修复效率较低。对于两种辐射类型,G1期细胞中的γH2AX水平均最高,可能是因为在细胞周期的这一阶段,DSB修复仅限于非同源末端连接途径。
与更高的双链断裂(DSB)诱导率和更慢的修复动力学一致,碳离子比光子诱导出更强且持续时间更长的G2期细胞周期阻滞(图3B),并导致更高的凋亡率(图4
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该方法易于使用,可快速、准确且可重复地检测DNA损伤反应,包括双链断裂(DSB)的诱导与修复、细胞周期效应以及细胞凋亡。结合这些终点指标,相较于单独检测,能够更全面地揭示它们之间的相互关系。该方法可广泛应用于辐射生物学、放射治疗与防护领域,作为一种综合性遗传毒性检测手段,更普遍适用于肿瘤学研究(例如,用于环境风险因素评估、药物筛选以及肿瘤细胞遗传不稳定性评价)。
本方案中最关键的步骤是细胞的固定。为了获得干净的样本,明确界定细胞群体,并实现不同细胞周期时相的最佳分辨效果,必须给予贴壁细胞足够的时间从培养容器上脱离,并完全变为圆形。细胞应以单细胞悬液的形式转移至固定液中,避免细胞团块的存在。在困难情况下,需通过反复吹打或多次通过细针头来分离细胞。所有样本的固定时间应保持一致,且从开始固定到在70%乙醇中重悬细胞前的离心步骤为止,总时间不应超过20分钟。过长的固定时间将导致抗体结合所需的表位减少,从而降低信号强度和方法的灵敏度。
该技术的主要局限性在于,除了整个细胞核的强度外,无法提供有关γH2AX焦点质量的其他信息。特别大的γH...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢德国癌症研究中心(DKFZ)流式细胞术设施团队提供的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1,000 µL 滤芯吸头 | Nerbe plus | 07-693-8300 | |
| 100–1,000 µL 移液器 | Eppendorf | 3123000063 | |
| 12 mm × 75 mm 带细胞筛帽的试管,35 µm 网孔尺寸 | BD Falcon | 352235 | |
| 15 mL 试管 | BD Falcon | 352096 | |
| 200 µL 滤芯吸头 | Nerbe plus | 07-662-8300 | |
| 20–200 µL 移液器 | Eppendorf | 3123000055 | |
| 4’,6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI) | Sigma-Aldrich | D9542 | 溶于水,配制成 200 µg/mL 溶液,分装后于 -20 °C 保存 |
| Alexa Fluor 488 抗 H2A.X 磷酸化(Ser139)抗体,RRID: AB_2248011 | BioLegend | 613406 | 按 1:20 稀释 |
| Alexa Fluor 647 兔抗活化 Caspase-3 抗体,AB_1727414 | BD Pharmingen | 560626 | 按 1:20 稀释 |
| BD FACSClean 溶液 | BD Biosciences | 340345 | 用于测量后流式细胞仪的清洗程序 |
| BD FACSRinse 溶液 | BD Biosciences | 340346 | 用于测量后流式细胞仪的清洗程序 |
| Dulbecco’s 磷酸盐缓冲液(PBS) | Biochrom | L 182 | 溶于水,配制成 1× 浓度 |
| 含稳定谷氨酰胺的 Dulbecco 改良 Eagle 培养基 | Biochrom | FG 0415 | 本方案中示例细胞系的常规细胞培养材料 |
| 无水乙醇 | VWR | 20821.330 | |
| Excel 软件 | Microsoft | ||
| FBS Superior(胎牛血清) | Biochrom | S 0615 | 本方案中示例细胞系的常规细胞培养材料 |
| FlowJo v10 软件 | LLC | 在线订购 | |
| Fluoromount-G | SouthernBiotech | 0100-01 | 用于染色样本显微载玻片可选制备的封片介质 |
| 折叠纤维素滤膜,3hw 级 | NeoLab | 11416 | |
| LSRII 或 LSRFortessa 流式细胞仪 | BD Biosciences | ||
| MG132 | Calbiochem | 474787 | 可选药物,用于凋亡阳性对照 |
| Multifuge 3SR+ 离心机 | Heraeus | ||
| 多聚甲醛 | AppliChem | A3813 | 新鲜配制 4.5% 溶液。在通风橱中,将多聚甲醛溶于 PBS 并加热至 80 °C,缓慢搅拌。用铝箔覆盖烧瓶以防止热量散失。待溶液冷却至室温后定容,并通过纤维素滤膜过滤。 |
| 磷酸化组蛋白 H3(Ser10)(D2C8)XP 兔单克隆抗体(Alexa Fluor® 555 标记),RRID: AB_10694639 | Cell Signaling Technology | #3475 | 按 3:200 稀释 |
| PIPETBOY acu 2 移液控制器 | Integra Biosciences | 155 016 | |
| 血清移液管,10 mL | Corning | 4488 | |
| 血清移液管,25 mL | Corning | 4489 | |
| 血清移液管,5 mL | Corning | 4487 | |
| SuperKillerTRAIL(修饰型肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体) | Biomol | AG-40T-0002-C020 | 可选药物,用于凋亡阳性对照 |
| T25 细胞培养瓶 | Greiner bio-one | 690160 | 本方案中使用的示例细胞系的常规细胞培养材料 |
| 胰蛋白酶/EDTA | PAN Biotech | P10-025500 | 本方案中示例细胞系的常规细胞培养材料 |
| U87 MG 胶质母细胞瘤细胞 | ATCC | ATCC-HTB-14 | 本方案中使用的示例细胞系 |
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