本文展示了如何利用荧光寿命成像显微技术(FLIM),在活体癌细胞培养物中依次成像细胞代谢和质膜黏度。代谢评估通过检测内源性荧光实现,黏度则使用荧光分子转子进行测量。
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本文展示了如何利用荧光寿命成像显微技术(FLIM),在活体癌细胞培养物中依次成像细胞代谢和质膜黏度。代谢评估通过检测内源性荧光实现,黏度则使用荧光分子转子进行测量。
黏度是生物膜的一个重要物理特性,因为它是调控活细胞形态和生理状态的关键参数之一。已知肿瘤细胞的质膜在其组成、结构和功能特性方面存在显著改变。除了葡萄糖和脂质代谢失调外,这些特定的膜特性还帮助肿瘤细胞适应恶劣的微环境,并对药物治疗产生耐药性。在此,我们展示了如何利用荧光寿命成像显微技术(FLIM)在活体癌细胞培养中依次成像细胞代谢和质膜黏度。通过检测内源性代谢辅因子(如还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 NAD(P)H 和氧化型黄素)的荧光来评估代谢状态。黏度则使用一种荧光分子转子——一种合成的黏度敏感性染料——进行测量,该染料的荧光寿命对其所处环境的黏度具有强烈依赖性。结合这两种技术,使我们能够更深入地理解癌细胞膜状态与其代谢特征之间的关联,并可视化化疗所诱导的变化。
细胞的恶性转化伴随着其形态和生理状态的多种改变。癌细胞的快速且不受控制的生长需要对负责能量产生和生物合成的生化通路进行根本性的重组。癌症代谢的典型特征包括:即使在正常氧浓度下糖酵解速率也增强(即瓦伯格效应)、利用氨基酸、脂肪酸和乳酸作为替代燃料、在抗氧化物水平较高的情况下仍产生大量活性氧(ROS),以及脂肪酸生物合成增加1,2。目前人们认识到,癌细胞的代谢具有高度可塑性,这使其能够适应不利且异质性的微环境,从而获得额外的生存优势3。
代谢的改变支持肿瘤细胞膜的特定结构与组成。癌细胞质膜的脂质谱在定量上不同于非癌细胞。脂质组的主要变化包括磷脂水平升高,如磷脂酰肌醇、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰胆碱;鞘磷脂水平降低;胆固醇含量增加;以及脂肪酸不饱和度降低等4,5,6。因此,膜的物理性质(如膜黏度,即流动性之倒数)不可避免地发生改变。由于黏度决定生物膜的通透性,并调控膜相关蛋白(酶、转运蛋白、受体)的活性,其稳态调节对细胞功能至关重要。同时,通过调节膜脂质谱来改变黏度,对于细胞在环境变化条件下的迁移/侵袭和存活也具有重要意义。
荧光寿命成像显微技术(FLIM)已成为一种强大的方法,可用于无创评估活细胞中的多种参数,其可通过内源性荧光或外源性探针实现7。FLIM通常在多光子激光扫描显微镜上实现,该系统可提供(亚)细胞分辨率。当配备时间相关单光子计数(TCSPC)模块时,能够以高精度进行荧光的时间分辨测量8。
利用荧光寿命成像(FLIM)探测细胞代谢的基础在于检测脱氢酶的内源性辅因子的荧光信号,这些辅因子包括还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(磷酸)NAD(P)H以及氧化型黄素类分子——黄素腺嘌呤二核苷酸FAD和黄素单核苷酸FMN,它们在多种生化反应中充当电子载体7,9,10。所检测到的NAD(P)H荧光信号来源于NADH及其磷酸化形式NADPH,因为二者在光谱上几乎完全相同。通常情况下,NAD(P)H和黄素类分子的荧光衰减曲线可拟合为双指数函数。对于NAD(P)H而言,第一个组分(约0.3–0.5 ns,占比约70%–80%)归因于其游离状态,与糖酵解相关;第二个组分(约1.2–2.5 ns,占比约20%–30%)则对应其与蛋白质结合的状态,与线粒体呼吸作用相关。对于黄素类分子,短寿命组分(约0.3–0.4 ns,占比约75%–85%)可归属于被淬灭的FAD状态,而长寿命组分(约2.5–2.8 ns,占比约15%–25%)则对应未被淬灭的FAD、FMN及核黄素。糖酵解、谷氨酰胺分解、氧化磷酸化以及脂肪酸合成等代谢途径相对水平的变化,会导致这些辅因子短寿命和长寿命组分比例的改变。此外,这些荧光团的荧光强度比值(即氧化还原比)反映了细胞的氧化还原状态,也被用作代谢状态的指标。尽管与荧光寿命相比,氧化还原比在数据采集上更为简便,但FLIM在评估NAD(P)H和FAD方面具有优势,因为荧光寿命是荧光团的内在特性,几乎不受激发光功率、光漂白、聚焦、光散射和吸收等因素的影响,尤其是在组织样本中,而发射光强度则容易受到这些因素的干扰。
在微观尺度上对活细胞和组织中的黏度进行成像,一种便捷的方法是利用荧光分子转子——一类小分子合成的黏度敏感性染料,其荧光参数强烈依赖于局部黏度11,12在黏性介质中,由于分子内扭转或旋转运动减缓,分子转子的荧光寿命会延长。在各类分子转子中,二氟化硼二吡咯甲烷(BODIPY)衍生物特别适用于生物体系中黏度的检测,因其在生理相关黏度范围内具有良好的荧光寿命动态响应范围、不受温度影响、呈现单指数荧光衰减特性从而便于数据解析,同时具备足够的水溶性和低细胞毒性。13,14基于BODIPY的分子转子结合荧光寿命成像显微技术(FLIM)对癌细胞微黏度的定量评估此前已有报道 体外多细胞肿瘤球体和小鼠肿瘤 在体15,16.
本文详细介绍了用于研究癌细胞细胞代谢和质膜黏度的连续探针检测方法 体外 通过荧光寿命成像显微镜(FLIM)进行检测。为避免相对较弱的内源性荧光受到基于BODIPY的分子转子荧光的干扰,需对同一层细胞依次成像,首先采集NAD(P)H和FAD的荧光信号。辅酶的荧光寿命在细胞质中测定,而转子的荧光寿命则通过手动选择相应区域作为感兴趣区,在细胞质膜中测定。该方案已应用于不同癌细胞系的代谢状态与黏度的相关性分析,并用于评估化疗后的变化。
FLIM样品制备方案与共聚焦荧光显微镜的样品制备方案并无差异。一旦获取数据,主要任务是从原始数据中提取荧光寿命。本方案的实施效果通过HCT116(人结肠直肠癌细胞)、CT26(小鼠结肠癌细胞)、HeLa(人宫颈癌细胞)和huFB(人皮肤成纤维细胞)进行展示。
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1. 执行荧光寿命成像(FLIM)的最小配置说明
2. 显微镜观察用细胞的制备
3. 代谢辅因子的荧光寿命成像
4. 使用荧光分子转子对细胞进行染色
注意:在室温(约 20 °C)下,将细胞置于荧光分子转子溶液中成像,不进行洗涤,以减缓转子的内化过程。膜黏度具有温度依赖性,这一点在我们之前的研究中已有证明19,20。应在向细胞加入转子之前提前关闭显微镜的温控载物台。以我们的设备为例,载物台冷却约需 10 分钟。
5. 细胞中荧光分子转子的荧光寿命成像(FLIM)
注意:由于BODIPY 2的荧光光谱与内源性辅因子NAD(P)H和FAD的发射光谱重叠12,17,18,因此必须在完成代谢辅因子的荧光寿命成像(FLIM)之后,再进行荧光分子转子的FLIM检测。
6. 数据分析

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利用本文所述方案,我们通过荧光寿命成像技术(FLIM)对活体培养细胞中的代谢辅因子及微观膜黏度进行了可视化观察。实验在不同癌细胞系中进行,包括人结直肠癌细胞HCT116、小鼠结肠癌细胞CT26、人宫颈癌细胞HeLa Kyoto以及人皮肤成纤维细胞huFB。
基于荧光强度的氧化还原比率 FAD/NAD(P)H 以及 NAD(P)H 和 FAD 的荧光寿命可用于评估细胞代谢状态(图1, 图2)。NAD(P)H 和 FAD 主要定位于细胞的细胞质中。本研究中不同类型的细胞表现出相似的 NAD(P)H 和黄素类荧光寿命,以及相似的短寿命和长寿命组分贡献,这可能表明它们具有相似的代谢状态 体外 条件。荧光寿命及游离态(τ1,一个1)以及蛋白质结合态(τ2,一个<...
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本方案展示了荧光寿命成像显微镜(FLIM)在癌细胞多参数、功能性和生物物理分析中的应用潜力。通过结合基于内源性荧光的光学代谢成像与利用外源性荧光分子转子标记进行的细胞质膜黏度测量,我们能够在细胞培养条件下对活体癌细胞中这两个参数之间的相互关系进行表征,并追踪其对化疗的响应变化。
双光子激发荧光寿命成像显微技术(FLIM)是一种具有前景的技术,可用于对活细胞和组织的功能状态进行无创、灵敏、定量且高分辨率的评估。目前已有基于荧光寿命检测的荧光化学传感器和基因编码传感器,可用于可视化多种生理及物理化学参数,包括离子浓度、pH值、酶活性、缺氧状态、细胞周期、黏度、膜电位等。此外,FLIM还可利用NAD(P)H和黄素辅因子的内源性荧光来捕捉细胞的代谢特征。与荧光强度不同,荧光寿命能够克服因荧光探针浓度未知和/或不稳定、光漂白、仪器配置(例如,激发光强度、照明不均和光程长度)以及吸收和散射事件所带来的困难23。由于具备从单一样品中测量多个参数的能力,FLIM在生物医学应用中正成为一种日益流行的成像模式。
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作者无任何利益冲突需要披露。
代谢成像方案的开发得到了俄罗斯联邦卫生部(政府任务,注册号 АААА-А20-120022590098-0)的支持。黏度研究得到了俄罗斯科学基金会(项目编号 20-14-00111)的资助。作者感谢 Anton Plekhanov(PRMU)在视频制作方面提供的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>项目/设备 | |||
| 细胞培养箱 | Sanyo | 37°37°C、5% CO2、湿润环境 | |
| Centrifuge 5702 R | Eppendorf | 5703000010 | |
| ImageJ 1.53c | Wayne Rasband (美国国立卫生研究院) | ||
| FLIM 模块 Simple Tau 152 TCSPC(用于 LSM 880) | 贝克尔 & Hickl GmbH | ||
| 层流罩 | 赛默飞世尔科技 | ||
| Leica 显微镜 DFC290 | Leica Microsystems | ||
| LSM 880 共聚焦显微镜 | 卡尔·蔡司 | ||
| Ti:Sapphire飞秒激光器Mai Tai | Spectra Physics | ||
| 显微镜培养箱 XLmulti S DARK LS | PeCon GmbH | 273-800 050 | |
| 移液器 | 赛多利斯 mLINE | 体积 0.5–10 μL;20-200 μL;100-1000 μL | |
| 油浸式物镜 C-Apochromat 40×/1.2 NA W Korr (在 LSM 880 中) | 卡尔·蔡司 | 421767-9971-790 | |
| Power-Tau 152 模块与 HPM-100-40 探测器 | 贝克尔&Hickl GmbH | ||
| SPCImage 软件 | 贝克尔 & Hickl GmbH | SPC 9.8;SPCImage 8.3 | |
| ZEN 软件 | 卡尔·蔡司 | ZEN 2.1 SP3(黑色版),版本 14.0.0.201 | |
| <强>试剂/材料 | |||
| 5-氟尿嘧啶 | Medac GmbH | 3728044 | |
| DMEM | Gibco,Life Technologies | 31885023 | |
| DMSO | PanEco | F135 | |
| FBS | Hyclone | A3160801 | |
| FluoroBright DMEM | Gibco,Life Technologies | A1896701 | |
| 汉克’不含 Ca²⁺/Mg²⁺ 的溶液 | Gibco,Life Technologies | 14175 | |
| L-谷氨酰胺 | PanEco | F032 | |
| 哺乳动物细胞 | HCT116、CT26、HeLa Kyoto、huFB | ||
| 分子转子 BODIPY 2 | 由伦敦帝国理工学院Marina Kuimova课题组合成并提供 | ||
| 青霉素/链霉素 | PanEco | A065 | |
| 带盖玻片底的荧光培养皿 | World Precision Instruments, Inc | ||
| 0.25% 胰蛋白酶-EDTA | PanEco | P034 | |
| Versen缓冲液 | PanEco | R080p |
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