我们开发了一种可重复的方法,以高细胞分辨率可视化非水解性荧光三磷酸腺苷(ATP)(一种ATP类似物)的内化过程。我们使用独立的实验验证了该方法 体外 和 体内 人肿瘤细胞系和移植人肿瘤组织的免疫缺陷小鼠的检测。
方法文章
* These authors contributed equally
我们开发了一种可重复的方法,以高细胞分辨率可视化非水解性荧光三磷酸腺苷(ATP)(一种ATP类似物)的内化过程。我们使用独立的实验验证了该方法 体外 和 体内 人肿瘤细胞系和移植人肿瘤组织的免疫缺陷小鼠的检测。
三磷酸腺苷(ATP),包括细胞外ATP(eATP),已被证明在肿瘤发生发展的多个方面发挥重要作用,例如药物耐药性、上皮-间质转化(EMT)以及转移。肿瘤内eATP的浓度比正常组织高出103至104倍。eATP不仅作为信使分子激活嘌呤能信号通路以诱导EMT,还可通过癌细胞上调的大胞饮作用(一种特殊的内吞作用)被摄入细胞内,从而执行多种生物学功能。这些功能包括为依赖ATP的生化反应提供能量、在信号转导过程中提供磷酸基团,以及作为转录共因子促进或加速基因表达。ATP易于获取,其在癌症及其他领域的研究无疑将持续增长。然而,eATP的研究仍处于早期阶段,在全面揭示eATP及其被内化后的细胞内ATP所发挥的重要而多样的生物学活性之前,仍有许多未解的问题有待解答。
这些作者的实验室在早期细胞外ATP(eATP)研究中的贡献包括:利用非水解型荧光标记ATP结合高分子量与低分子量荧光葡聚糖(分别作为巨胞饮和内吞作用的示踪剂),并联合多种内吞抑制剂,通过显微成像技术对eATP的内化过程进行监测与表征。该成像方法被应用于肿瘤细胞系以及移植了人源肿瘤的免疫缺陷小鼠模型,以研究eATP的内化行为。 体外 和 体内本文描述了这些 体外 以及在 体内 方案,重点在于调整和优化检测条件,以确保在不同体系中成功开展由大胞饮作用/内吞作用介导的eATP内化检测。
肿瘤内细胞外(即ie)营养物质的 opportunistically 摄取最近被认定为癌症代谢的一个关键特征1。其中一种重要的营养物质是ATP,因为肿瘤内细胞外ATP(ieATP)的浓度比正常组织高出103至104倍,浓度范围可达数百µM至低mM水平2,3,4,5。作为一种关键的能量和信号分子,ATP在癌细胞和正常细胞的细胞代谢中均发挥核心作用6,7,8。细胞外ATP不仅参与促进癌细胞生长,还可增强药物耐药性9。最近还发现了ATP此前未被认知的功能,例如其水溶性促进活性(hydrotropic activity),提示ATP可能参与阿尔茨海默病等疾病的发生发展10。事实上,目前我们对ATP在癌细胞、正常细胞及其他病变细胞中的功能理解仍远未完善。然而,由于ATP在细胞内的不稳定性及其高周转率,从技术上监测ATP跨细胞膜进入细胞内的动态过程仍具有较大挑战性。
为了解决这一问题并填补该研究领域的空白,已开发出一种使用不可水解的荧光标记ATP(NHF-ATP)的方法(图1被用作替代物以可视化ATP的内化过程,并观察内化ATP的细胞内空间定位 体外 和 体内11,12NHF-ATP 已被证明可用于替代内源性 ATP,以研究 ATP 在动物细胞膜上的转运,该研究已在癌细胞系以及移植于免疫缺陷小鼠体内的人类肿瘤组织中开展。11,12此外,向细胞施用巨胞饮抑制剂可阻断细胞外ATP的内化,表明细胞外ATP的细胞内摄取涉及巨胞饮机制。9,11,12该方案允许针对细胞特异性蛋白进行免疫共标记,从而确定哪种细胞类型内化了NHF-ATP。使用 体内 肿瘤异种移植和高分辨率显微镜技术可实现NHF-ATP在组织样本中的空间可视化,甚至可在单个细胞内进行观察。这些方法还支持定量分析,例如细胞摄取百分比、巨胞饮囊泡数量以及内化动力学。本文详细描述了NHF-ATP单独或与内吞示踪荧光葡聚糖联用时的操作方法13,14,15,16可用于不同的实验条件下,研究ATP进入细胞后的内化过程及其在细胞内的定位。

图 1:不可水解荧光 ATP 与四甲基罗丹明标记的高分子量荧光葡聚糖的结构。(A)NHF-ATP 的结构。(B)HMWFD 的示意图。缩写:ATP = 腺苷三磷酸;NHF-ATP = 不可水解荧光 ATP;TMR = 四甲基罗丹明;HMWFD = 高分子量荧光葡聚糖。请点击此处查看此图的放大版本。
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本文报告的所有操作均按照俄亥俄大学动物护理和使用委员会(IACUC)以及美国国立卫生研究院(NIH)的规定进行。
1. 选择非水解性荧光ATP(NHF-ATP)和葡聚糖
2. ATP 定位研究, 体外 (图2)

图2:检测ATP内化的体外实验流程。 该示意图展示了利用荧光显微镜观察培养的癌细胞中胞外ATP内化过程的实验方案。请点击此处查看该图的放大版本。
3. 肿瘤中ATP的内化,ex vivo(图3)

图3: 体内 检测ATP内化的实验步骤 利用冷冻切片和荧光显微镜观察肿瘤异种移植体内细胞外ATP内化的实验流程示意图 请点击此处以查看此图的放大版本。
4. 肿瘤内ATP的内化,体内
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体外研究
通过观察NHF-ATP与HMWFD或LMWFD的共定位,证明了NHF-ATP的细胞内吞作用(图4)。该实验成功的关键主要在于使用适当浓度的NHF-ATP和葡聚糖,并确定合适的葡聚糖类型(聚赖氨酸型与中性型)。例如,在研究巨胞饮作用时,应选择HMWFD,因其仅被巨胞饮小体所内吞13,14,15,16。相反,若研究网格蛋白和/或小窝蛋白介导的内吞作用,则应选择LMWFD,因为这些内吞相关内体体积较小,仅能摄取LMWFD14,15,16。荧光标...
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开发了一种用于分析非水解性ATP细胞内化作用的空间、时间和定量特征的方法。该方法可广泛适用于多种生物系统,包括各类肿瘤发生模型,并提供了相应的技术指导和代表性数据。为获得可解读的数据,在 体内 ATP内化研究(方案第4部分)中,从瘤内注射葡聚糖到冷冻包埋所经历的实验时间必须严格控制。在荧光显微镜成像前,对肿瘤切片后的组织切片进行固定是必要步骤。这两个关键步骤共同确保肿瘤细胞在成像过程中保留已内化的ATP。在分析ATP内化时另一个重要考虑因素是异种移植瘤的异质性。由于不同癌细胞类型的成瘤过程存在差异,可能需要针对该方法的某些环节进行优化,以确定适用于不同癌细胞的理想实验条件。为全面评估肿瘤中ATP的大胞饮作用,必须对整个肿瘤的不同区域进行组织切片成像,因为不同区域的驻留细胞及其内化胞外ATP(eATP)的能力可能存在差异。事实上,该方法在未来的研究中可能揭示不同癌细胞/肿瘤细胞间eATP内化机制的差异。
需要注意的是,NHF-ATP仅可用于取代非结合型ATP或放射性ATP进行内化研究,不能用于其他研究(如代谢研究),因为一旦NHF-ATP从细胞内的巨胞饮体和/或内体...
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作者声明无竞争利益。
冰冻切片在俄亥俄大学组织病理学核心实验室现场完成。本工作部分由启动资金(俄亥俄大学文理学院)资助。 & 科学) 致 C Nielsen;NIH 资助 R15 CA242177-01 和 RSAC 奖项致 X Chen。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| A549 细胞,人肺上皮细胞,癌 | 美国国家癌症研究所 | n/a | 成本较低的来源 |
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| 葡聚糖,可被赖氨酸固定的,高分子量(HMW) | 英潍捷基公司 | D1818 | 分子量 = 70,000,四甲基罗丹明标记 |
| 葡聚糖,中性,高分子量(HMW) | 英潍捷基公司 | D1819 | |
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| 计时器 | 费希尔科技公司 | 14-649-17 | |
| 组织培养皿,直径 100 × 15 mm | 费希尔科技公司 | 08-757-100D | |
| 组织培养瓶,225 cm2 | 赛默飞世尔科技 | 159933 | |
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| 组织包埋模具,不锈钢 | Tissue Tek 公司 | 4161 | |
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| 胰蛋白酶-EDTA(乙二胺四乙酸),0.25% | 吉布科公司 | 25200072 | |
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