由于ALDH1A1是干性的重要生物标志物,因此在活细胞中检测其活性的方法在癌症研究中至关重要。在本研究中,我们采用了一种亚型选择性荧光探针,用于测定五种卵巢癌细胞系中ALDH1A1活性的相对水平。
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方法文章
* These authors contributed equally
由于ALDH1A1是干性的重要生物标志物,因此在活细胞中检测其活性的方法在癌症研究中至关重要。在本研究中,我们采用了一种亚型选择性荧光探针,用于测定五种卵巢癌细胞系中ALDH1A1活性的相对水平。
癌症治疗后的复发通常归因于一类被称为癌症干细胞(CSCs)的肿瘤细胞亚群的持续存在,这类细胞具有极强的肿瘤起始能力和自我更新能力。根据肿瘤来源的不同(例如卵巢),CSC的表面生物标志物谱可能存在显著差异,这使得通过免疫组织化学染色来鉴定这些细胞成为一项具有挑战性的工作。相反,醛脱氢酶1A1(ALDH1A1)因其在几乎所有前体细胞(包括CSCs)中保守的表达模式,已成为识别CSCs的优良标志物。ALDH1A1同工酶属于一个包含19种酶的超家族,负责将多种内源性和外源性醛类氧化为相应的羧酸产物。Chan等人近期开发了AlDeSense,这是一种针对ALDH1A1活性的同工酶选择性“开启型”探针,同时还合成了非反应性的匹配对照试剂(Ctrl-AlDeSense),以排除脱靶染色的干扰。该同工酶选择性工具已通过检测K562骨髓性白血病细胞、乳腺球及黑色素瘤来源的CSC异种移植模型中的ALDH1A1活性,被证明是一种多功能的化学工具。本文通过额外的荧光测定、共聚焦显微镜和流式细胞术实验,展示了该探针的应用价值,并测定了五种卵巢癌细胞系中ALDH1A1活性的相对水平。
肿瘤干细胞(CSCs)是一类具有类似干细胞特性的肿瘤细胞亚群1。与非癌变的干细胞类似,CSCs 具有自我更新和增殖的非凡能力。此外,由于其内在机制(如 ATP 结合盒转运蛋白的上调),CSCs 常能逃避免疫清除,在初始手术减瘤以及后续辅助治疗中得以存活2。由于 CSCs 在治疗耐药3、复发4和转移5中起着关键作用,已成为癌症研究的重点。尽管存在多种可用于识别 CSCs 的细胞表面抗原(例如 CD133)6,但利用细胞质中醛脱氢酶(ALDHs)的酶活性已成为一种有吸引力的替代方法7。ALDHs 是由 19 种酶组成的超家族,负责催化内源性和外源性活性醛类氧化为相应的羧酸产物8。
一般来说,醛类解毒对于保护细胞免受不利的交联反应和氧化应激至关重要,这些损伤可能破坏干细胞的完整性9此外,1A1 亚型调控视黄酸代谢,进而影响细胞干性 通过 视黄醛信号传导10. AlDeSense11,12一种小分子活性依赖性传感(ABS)探针 recently developed,可选择性检测 ALDH1A1 活性。ABS 设计通过化学变化而非结合事件实现分析物检测,从而实现高选择性并降低脱靶响应13,14,15,16异构体选择性荧光探针的设计原理依赖于供体光诱导电子转移(d-PeT)淬灭机制17,源于醛基官能团,该基团可抑制探针的荧光信号18在ALDH1A1介导转化为羧酸后,辐射跃迁被激活,从而生成高度荧光的产物。由于d-PeT淬灭从未达到100%效率,在建立该检测方法时,已通过开发Ctrl-AlDeSense(一种具有匹配光物理特性(如量子产率)和相同细胞质染色模式的非响应性试剂)来考虑残余荧光可能导致假阳性结果的问题。当两者联合使用时,这一独特配对可可靠地区分ALDH1A1活性高与活性低的细胞。 通过 荧光测定法、分子成像和流式细胞术。相较于传统的免疫组织化学方法,使用亚型选择性可激活染料具有多项关键优势。例如,人们推测肿瘤干细胞(CSCs)可能深藏于肿瘤内部,因此小分子相比大分子抗体更易于接近这些细胞19此外,翻转的荧光产物不会共价修饰任何细胞组分,因此可被轻易去除 通过 洗涤循环以使CSC保持未修饰状态。最后,该开启响应仅能识别活细胞及其功能,这一点与MTT实验类似,因其依赖于NAD+ 辅因子

图1:AlDeSense 荧光开启的示意图。 异构体选择性染料可被ALDH1A1激活,可用于鉴定卵巢癌细胞中升高的ALDH1A1活性 通过 荧光测定法、分子成像和流式细胞术。 请点击此处以查看此图的放大版本。
在以往的研究中,亚型选择性荧光探针检测法已成功将K562人慢性白血病细胞、MDA-MB-231人乳腺癌细胞以及B16F0小鼠黑色素瘤细胞中的醛脱氢酶高表达(ALDH+)细胞与低表达(ALDH-)细胞区分开来。这一点非常重要,因为对于许多癌症类型而言,ALDH1A1蛋白的高表达意味着更差的临床预后20。这基于一个假设:ALDH1A1水平升高提示存在癌症干细胞(CSCs),这些细胞能够逃避治疗、产生耐药性并在全身扩散。然而,在卵巢癌中,已有研究报道了相反的结果(ALDH1A1高表达与患者生存期延长相关)21,22,23,24。尽管这在初看之下似乎相互矛盾,但基因或蛋白的表达水平并不一定与酶活性直接相关,后者可能受到肿瘤微环境变化(如pH波动、氧浓度梯度)、辅因子NAD+或醛类底物的可及性、羧酸水平(产物抑制)以及可改变酶活性的翻译后修饰等因素的影响25。此外,卵巢癌可分为五种主要组织学类型(高级别浆液性、低级别浆液性、子宫内膜样、透明细胞和黏液性),我们推测这些类型中ALDH1A1的酶活性水平将存在差异26。为了探究卵巢肿瘤中ALDH1A1的酶活性,本研究采用亚型选择性荧光探针检测法,对属于上述不同组织学类型的五种卵巢癌细胞系中的ALDH1A1+细胞亚群进行了鉴定。本研究所检测的细胞系包括BG-1、Caov-3、IGROV-1、OVCAR-3和PEO4细胞,涵盖了透明细胞和浆液性组织类型。本文展示了该探针的多功能性与普适性,可为希望在其他永生化癌细胞系及患者样本中开展类似研究的研究人员提供识别癌症干细胞的有效工具。AlDeSense的使用将有助于揭示复杂组织微环境中癌症干细胞维持所涉及的生化通路,并有望成为评估预后和衡量癌症侵袭性的临床工具。
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1. 测定卵巢癌细胞匀浆中总ALDH1A1活性 通过 荧光测定法
2. 使用荧光显微镜对高ALDH1A1活性的细胞进行成像
3. 应用流式细胞术鉴定具有高ALDH1A1活性的细胞
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卵巢癌细胞匀浆中总ALDH1A1活性
本实验测得各细胞系的平均诱导倍数分别为:BG-1(1.12 ± 0.01);IGROV-1(1.30 ± 0.03);Caov-3(1.72 ± 0.06);PEO4(2.51 ± 0.29);以及OVCAR-3(10.25 ± 1.46)(图2)。

图2:通过荧光测定法测量各卵巢癌细胞系匀浆中亚型选择性染料的荧光增强倍数(均值 ± 标准差)(n = 3)。
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广谱选择性是许多醛脱氢酶探针的主要局限;然而,近期已有若干种亚型选择性探针的实例被报道32,33,34,35,36,37,38,39,40,41本研究中使用的亚型选择性荧光探针是首个经过合理设计的探针,即使在存在大量竞争性酶的情况下,仍仅与ALDH1A1亚型发生反应。11,
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我们披露了一项关于 AlDeSense 技术的待批准专利(US20200199092A1)。
本工作由美国国立卫生研究院(R35GM133581,授予 JC)和伊利诺伊州癌症中心研究生奖学金(授予 SG)资助。JC 感谢卡米尔和亨利·德雷福斯基金会提供的支持。作者感谢 Thomas E. Bearrood 博士在制备 AlDeSense 和 AlDeSense AM 储液过程中的初期贡献。感谢 Oliver D. Pichardo Peguero 先生和 Joseph A. Forzano 先生在制备多种合成前体方面的协助。感谢 Erik Nelson 教授(伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校分子与整合生理学系)提供 Caov-3、IGROV-1 和 PEO4 细胞。感谢 Paul Hergenrother 教授(伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学系)提供 BG-1 细胞。感谢卡尔·R·沃斯基因组生物学研究所核心设施提供蔡司 LSM 700 共聚焦显微镜及相应软件的使用权限。感谢流式细胞术设施提供 BD LSR II CMtO 分析仪的使用权限。感谢 Sandra McMasters 博士和细胞培养基设施在细胞培养基制备方面的协助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 不含钙、镁和碳酸氢钠的HBSS中的0.25%胰蛋白酶和0.1%EDTA | 康宁 | 25-050-CI | |
| 1×磷酸盐缓冲液 | 康宁 | 21-040-CMX12 | |
| AccuSpin Micro 17R | Fisher Scientific | 13-100-675 | |
| AlDeSense | 自行合成 | ||
| BG-1 | 由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 Paul Hergenrother 教授实验室提供 | ||
| BioLite 25 cm2 烧瓶 | 赛默飞世尔科技 | 130189 | |
| 生物安全柜 1300 系列 A2 | 赛默飞世尔科技 | ||
| Caov-3 | 由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 Erik Nelson 教授实验室提供 | ||
| 细胞匀浆器 | Fisher Scientific | ||
| Centrifuge 5180R | Eppendorf | 22627040 | |
| 对照-AlDeSense | 自行合成 | ||
| DMEM,10% FBS,1% P/S | 由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校细胞培养基实验室制备 | ||
| Falcon 圆底聚苯乙烯试管,带细胞滤网 snap 盖,5 mL | 康宁 | 352003 | |
| FCS Express 6 | 由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 CMtO 提供 | ||
| 荧光显微镜 | EVOS | ||
| 荧光计 | Photon Technology International | ||
| Forma Series II 水套式 CO2 培养箱 培养箱 | Fisher Scientific | 3110 | |
| IGROV-1 | 由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 Erik Nelson 教授实验室提供 | ||
| ImageJ | 美国国立卫生研究院 | ||
| Innova 42R 恒温摇床 | |||
| LSM 700 | Zeiss | ||
| LSR II | BD | ||
| Nunc Lab-Tek 带孔 #1.0 硼硅酸盐盖玻片培养系统 | 赛默飞世尔科技 | 155383 | |
| OVCAR-3 | ATCC | HTB-161 | |
| PEO4 | 由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 Erik Nelson 教授实验室提供 | ||
| Pierce蛋白酶抑制剂片剂 | 赛默飞世尔科技 | A32963 | |
| 聚-L-赖氨酸 | Cultrex | 3438-100-01 | |
| 摇床 | VWR | ||
| RPMI,10% FBS,1% P/S | 由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校细胞培养基实验室制备 | ||
| RPMI,20% 胎牛血清,1% 青霉素-链霉素,0.01 mg/mL 胰岛素 | 由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校细胞培养基实验室制备 |
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