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Verma et al. unterstrichen kürzlich die Bedeutung der Entwicklung eines Systems, das den Hohen Durchsatzvorteil der Durchflusszytometrie mit den Daten- und Bildspeichervorteilen der Bildanalyse35kombiniert. Der in vitro MN-Assay MIFC, der in diesem Artikel beschrieben wird, erfüllt dieses Zitat und hat das Potenzial, viele der oben genannten Herausforderungen in der Mikroskopie und Durchflusszytometrie zu meistern. Das hier beschriebene Protokoll zeigt, dass sowohl Zytotoxizität als auch Genotoxizität mit MIFC bewertet werden können. Probenvorbereitung, zelluläre Färbung und Datenerfassung sind einfach, aber es gibt einige wichtige Schritte im Protokoll, die immer implementiert werden sollten. Die Zugabe von Kaliumchlorid (KCl) zu den Zellen ist entscheidend, um die Zellen anzuschwellen, wodurch eine Trennung zwischen den Hauptkernen entsteht. Dadurch wird sichergestellt, dass der Maskierungsalgorithmus alle einzelnen Kerne in BNCs und POLY-Zellen (POLY-Zellen) identifizieren kann, die für ihre Aufzählung erforderlich sind. Darüber hinaus bietet KCL die Trennung zwischen Kernen und MN, was für eine genaue MN-Maskierung und Quantifizierung unerlässlich ist. Darüber hinaus verhindert die Verwendung von Formalin nach Zugabe von KCl, dass Zellen während der Zentrifugation lysieren. Die Zugabe von Cytochalasin B bewirkt, dass TK6-Zellen, die mehr als eine nukleare Teilung durchlaufen haben, ziemlich groß sind. Dadurch wird das Zytoplasma zerbrechlich und kann lyse, wenn die Zentrifugation unmittelbar nach der Zugabe von KCl durchgeführt wird. Darüber hinaus ist es sehr wichtig, Hoechst in die Probe nach der Anzahl der Zellen in der Probe und nicht nach einer endgültigen Konzentration einzuführen. Eine Endkonzentration von 10 g/ml von Hoechst färbt z. B. eine Probe von 1 x 106 Zellen gleichmäßig, kann aber eine Probe mit 5 x 106 Zellen nicht ausreichend färben und kann zu vielen Zellen mit dunkel gefärbten Kernen führen, was die Analyse erschwert. Es ist auch wichtig zu beachten, dass Hoechst durch einen anderen DNA-Farbstoff wie DAPI ersetzt werden kann, wenn der MIFC mit dem 405 nm Anregungslaser oder DRAQ5 ausgestattet ist, wenn der MIFC mit dem Anregungslaser 488 nm und/oder 642nm ausgestattet ist. Bei der Änderung des nuklearen Flecks ist es wichtig, den Fleck zu tittifizieren, um die entsprechende Konzentration für die erforderliche/gewünschte Laserleistung zu finden.
Beim Sammeln von Daten auf der MIFC ist es wichtig, die optimalen Regionsgrenzen für die Gradient RMS-Features zu bestimmen. Die in diesem Protokoll dargelegten Grenzen erfordern möglicherweise aufgrund geringfügiger Abweichungen zwischen MIFC-Instrumenten eine Anpassung. Die Anwendung dieser Funktion während der Datenerfassung ist wichtig, um sicherzustellen, dass hochkonzentrierte Bilder erfasst werden. Wenn Datendateien viele verschwommene oder unfokussierte Bilder enthalten, ist es wahrscheinlich, dass die Maskierungsalgorithmen in der Analysesoftware fälschlicherweise Färbeartefakte in den verschwommenen Bereichen hervorheben, was dazu führt, dass eine hohe Anzahl falsch positiver Artefakte als MN bewertet wird. Obwohl die hier beschriebenen Bildverarbeitungstechniken schwierig sein können, ermöglicht die Batchverarbeitung, sobald eine Analysevorlage in der MIFC-Software entwickelt wurde, die automatische Analyse von Datendateien, wodurch Benutzereingriffe und damit Vorurteil. Wenn für den Test eine andere Zelllinie als TK6-Zellen verwendet wird, müssen die Masken und Regionsgrenzen geändert werden, da sich die morphologischen Eigenschaften (z. B. Größe) von Zellen von denen von TK6-Zellen unterscheiden.
Die hier vorgestellten Ergebnisse (Abbildung 5) zeigen statistisch signifikante Zunahmen der MN-Induktion, wenn TK6-Zellen verschiedenen Dosen von Mitomycin C und Colchicin aussetzen. Statistisch signifikante Erhöhungen der MN-Frequenz im Vergleich zu Lösungsmittelkontrollen wurden bei mehreren Dosen in beiden Chemikalien beobachtet. Darüber hinaus induzierte keine Dosis von Mannitol eine Zytotoxizität von über 30%, noch eine statistisch signifikante Erhöhung der Häufigkeit von MN im Vergleich zu Lösungsmittelkontrollen, wie erwartet. Das in diesem Dokument beschriebene Protokoll, das MIFC zur Durchführung des In-vitro-MN-Assays verwendet, liefert erwartete Ergebnisse sowohl aus positiven als auch aus negativen Kontrollchemikalien. Es ist sehr wichtig, eine Reihe von Experimenten mit Lösungsmittelkontrollen und Negativkontrollchemikalien durchzuführen, um Basiswerte sowohl der MN-Frequenz als auch des Cytokinesis Block Proliferation Index (CBPI) zu entwickeln. Bei der Genotoxizität werden statistisch signifikante Erhöhungen der MN-Frequenz durch Vergleich mit Basis-MN-Frequenzen bestimmt, die für den verwendeten Zelltyp bekannt sein müssen. Darüber hinaus basieren alle Zytotoxizitätsberechnungen auf dem CBPI der Kontrollproben, so dass die Basisraten von MONO-, BNCs- und POLY-Zellen in Kontrollen gut quantifiziert werden müssen.
Die Verwendung von MIFC im Rahmen des MN-Assays wurde in früheren Arbeitenbeschrieben 29,32. Die Haupteinschränkungen betreffen niedrigere MN-Frequenzen im Vergleich zur Mikroskopie, was wahrscheinlich sowohl auf die mangelnde Flexibilität bei der Implementierung der Bewertungskriterien in der Analysesoftware als auch auf die begrenzte Schärfentiefe der MIFC resultiert. Gut konturierte Masken können erstellt werden, um die Hauptkerne genau zu identifizieren, aber MN, die die Hauptkerne berühren (oder sehr nahe) berühren, können innerhalb der BNC-Maske erfasst werden. Darüber hinaus werden sehr kleine MN, die mit Mikroskopie ziemlich leicht bewertet werden können, wahrscheinlich fälschlicherweise übersehen, wenn MIFC verwendet wird, da der Flächenparameter der MN-Maske unter der Grenze liegt, um das Erzielen kleiner Artefakte zu vermeiden. Zusätzlich zu den Schwierigkeiten bei der bildbasierten Datenanalyse erhält MIFC aufgrund seines Designs zweidimensionale Projektionsbilder dreidimensionaler zellulärer Objekte. Dies führt wahrscheinlich dazu, dass einige MN in einer anderen Konzentrationstiefe erfasst werden, die die beiden Haupt-MN, so dass sie sehr dim und un-scorable mit Maskierung erscheinen. Darüber hinaus könnte ein kleiner Bruchteil von MN hinter einem der beiden Hauptkerne liegen, was sie unmöglich macht, zu visualisieren und zu punkten. Daher ist angesichts dieser Schwierigkeiten Vorsicht geboten, wenn man signifikante Erhöhungen der MN-Frequenz bei niedrigen Dosen interpretiert.
Trotz dieser Unzulänglichkeiten bietet die hier beschriebene MIFC-Methode mehrere Vorteile gegenüber anderen Techniken. Fenech et al. schlugen Kriterien und Leitlinien vor, die bei der Entwicklung automatisierter Systeme und Methoden für MN-Assays berücksichtigt werden sollten36. Dazu gehören unter anderem die direkte Visualisierung der Hauptkerne und des Zytoplasmas, die Bestimmung der Häufigkeit von MN aus verschiedenen Dosen der zu prüfenden Chemikalie oder des zu prüfenden Mittels sowie die Fähigkeit, die Morphologie zu quantitieren und die Position aller Kerne und MN, um sicherzustellen, dass sie sich innerhalb des Zytoplasmas befinden. Dieses Papier zeigt, dass die MIFC-Methode, die entwickelt wurde, um den In-vitro-MN-Assay durchzuführen, diese Kriterien erfüllt (oder das Potenzial besitzt, sie zu erfüllen). Insbesondere können Bilder der Kerne und MN von den fluoreszierenden Lasern erfasst werden, während zytoplasmatische Bilder mit der BF-LED erhalten werden können. Bilder von Zellen mit normaler kernatischer Morphologie können automatisch von Zellen mit unregelmäßiger Morphologie mit einer Kombination aus erweiterten Masken und Features unterschieden werden. Die ergebnissegezeigten Ergebnisse für Colchicin und Mitomycin C (Abbildung 5) zeigen, dass sowohl Genotoxizität als auch Zytotoxizität im Vergleich zu Lösungsmittelkontrollen in verschiedenen Dosen bewertet werden können und dass statistisch signifikante MN-Frequenzen beobachtet werden, wenn erwartet. Darüber hinaus empfiehlt die OECD-Testleitlinie 487, 2.000 BNCs pro Testkonzentration zu bewerten, um das Vorhandensein von MN zu bewerten, um die Genotoxizität zusammen mit mindestens 500 Zellen pro Testkonzentration zu bestimmen, um die Zytotoxizität9zu bestimmen; Dies kann über 1 h mit der manuellen Mikroskopie dauern. Das Protokoll und die Ergebnisse dieses Beitrags zeigen, dass durchschnittlich etwa 6.000 BNCs, 16.000 MONO-Zellen und 800 POLY-Zellen erfasst und pro Testkonzentration in etwa 20 min bewertet wurden. Die schnelle Rate der Datenerfassung und die hohe Anzahl von Kandidatenzellen, die in so kurzer Zeit erzielt wurden, verdeutlichen einen weiteren wichtigen Vorteil, indem MIFC für den In-vitro-MN-Test verwendet wird.
Obwohl die in diesem Papier vorgestellten Ergebnisse ermutigend sind, sind sie repräsentativ für eine frühe Proof-of-Concept-Methode. Diese Arbeit sollte durch eine gründlichere Untersuchung eines größeren, vielfältigeren chemischen Satzes, der mehrere Klassen und Mechanismen der Genotoxizität und Zytotoxizität abdeckt, wie sie von Kirkland et al. vorgeschlagen werden, weiterverfolgt werden.37 Die Durchführung solcher Studien ist zeitaufwändig und arbeitsintensiv, und fallen außerhalb des Rahmens dieses Papiers, werden diese größeren Studien jedoch wertvolle Einblicke in die Fähigkeit der Methode, schwach genotoxische Wirkstoffe zuverlässig zu identifizieren. Die hier vorgestellte Methodik wurde noch nicht auf ein Mikrowell-Format miniaturisiert, was ein schnelleres und effizienteres Screening über einen größeren Dosisbereich ermöglichen würde. Daher eignet sich der hier vorgestellte MIFC-basierte In-vitro-MN-Assay in seiner jetzigen Form am besten für arbeitsintensive Nachuntersuchungen oder die Erforschung guter Laborpraktiken. Die Methode wird jedoch weiterhin optimiert und validiert und verfügt über das Potenzial, eine größere Flexibilität beim Nachweis chemischer Ereignisse im Zusammenhang mit der Morphologie zu ermöglichen, wie z. B. eine Aneugen-Exposition, die den Anteil der Zellen mit nicht-kreisförmige Kerne, die noch versenkbar sind38. Schließlich bietet die MIFC-Methode die Möglichkeit, zusätzliche Biomarker in den MN-Assay einzuführen (z. B. Kinetochore-Färbung), um einen umfassenderen Überblick über den Mechanismus der MN-Induktion zu geben.