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Article de méthode

Imagerie chimique bioorthogonale du métabolisme cellulaire régulé par les acides aminés aromatiques

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DOI :

10.3791/65121

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12 mai 2023

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1Shu Chien-Gene Lay Department of Bioengineering, University of California San Diego

* These authors contributed equally

Dans cet article

Résumé

Nous présentons un protocole pour visualiser directement les activités métaboliques dans les cellules régulées par les acides aminés à l’aide de la microscopie à diffusion Raman stimulée sondée (DO-SRS) à oxyde de deutérium (eau lourde D2O), intégrée à la microscopie à fluorescence d’excitation à deux photons (2PEF).

Résumé

Les acides aminés aromatiques essentiels (AAA) sont des éléments constitutifs pour synthétiser de nouvelles biomasses dans les cellules et maintenir des fonctions biologiques normales. Par exemple, un approvisionnement abondant en AAA est important pour que les cellules cancéreuses maintiennent leur croissance et leur division rapides. Avec cela, il y a une demande croissante pour une approche d’imagerie hautement spécifique et non invasive avec une préparation minimale des échantillons pour visualiser directement comment les cellules exploitent les AAA pour leur métabolisme in situ. Ici, nous développons une plate-forme d’imagerie optique qui combine le sondage d’oxyde de deutérium (D2O) avec la diffusion Raman stimulée (DO-SRS) et intègre DO-SRS avec fluorescence d’excitation à deux photons (2PEF) dans un seul microscope pour visualiser directement les activités métaboliques des cellules HeLa sous régulation AAA. Collectivement, la plateforme DO-SRS fournit une résolution spatiale et une spécificité élevées des protéines et des lipides nouvellement synthétisés dans des unités cellulaires HeLa uniques. En outre, la modalité 2PEF peut détecter les signaux d’autofluorescence du nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) et de la flavine d’une manière sans marqueur. Le système d’imagerie décrit ici est compatible avec les modèles in vitro et in vivo , ce qui est flexible pour diverses expériences. Le flux de travail général de ce protocole comprend la culture cellulaire, la préparation des milieux de culture, la synchronisation cellulaire, la fixation cellulaire et l’imagerie d’échantillons avec les modalités DO-SRS et 2PEF.

Introduction

Étant des acides aminés aromatiques essentiels (AAA), la phénylalanine (Phe) et le tryptophane (Tryp) peuvent être absorbés par le corps humain pour synthétiser de nouvelles molécules pour maintenir des fonctions biologiques normales1. Phe est nécessaire pour la synthèse des protéines, de la mélanine et de la tyrosine, tandis que Tryp est nécessaire pour la synthèse de la mélatonine, de la sérotonine et de la niacine 2,3. Cependant, une consommation excessive de ces AAA peut réguler positivement la cible mammifère de la voie de la rapamycine (mTOR), inhiber la protéine kinase activée par l’AMP et interférer avec le métabolisme mitochondrial, modifiant collectivement la biosynthèse des macromolécules et conduisant à la production de précurseurs malins, tels que les espèces réactives de l’oxygène (ROS) dans les cellules saines 4,5,6. La visualisation directe de la dynamique métabolique altérée sous une régulation excessive des AAA est essentielle pour comprendre les rôles des AAA dans la promotion du développement du cancer et la croissance des cellules saines 7,8,9.

Les études traditionnelles de l’AAA reposent sur la chromatographie en phase gazeuse (CG)10. D’autres méthodes, telles que l’imagerie par résonance magnétique (IRM), ont des résolutions spatiales limitées, ce qui rend difficile l’analyse cellulaire et sous-cellulaire d’échantillons biologiques11. Récemment, la désorption/ionisation laser assistée par matrice (MALDI) a été développée pour élucider le rôle des AAA dans les synthèses lipidiques et protéiques dans la prolifération du cancer avec des biomarqueurs non invasifs12,13,14. Cependant, cette technique souffre encore de faibles profondeurs d’imagerie, d’une faible résolution spatiale et d’une préparation extensive des échantillons. Au niveau cellulaire, les isotopes stables non toxiques, tels que l’azote 15 et le carbone 13, peuvent être tracés avec l’imagerie multi-isotopique et la spectrométrie de masse d’ions secondaires à l’échelle nanométrique pour comprendre leur incorporation dans les macromolécules. Cependant, ces méthodes sont destructrices pour les échantillons biologiques vivants15,16. La microscopie à force atomique (AFM) est une autre technique puissante qui permet de visualiser la dynamique métabolique17. La vitesse lente de balayage pendant l’imagerie AFM, en revanche, peut provoquer une distorsion de l’image du résultat de la dérive thermique.

Nous avons développé une modalité d’imagerie biorthogonale non invasive en couplant la microscopie à diffusion Raman stimulée (DO-SRS) à l’oxyde de deutérium (D2O) et la microscopie à fluorescence à excitation à deux photons sans marquage (2PEF). Cette modalité permet d’obtenir une résolution spatiale et une spécificité chimique élevées lors de l’imagerie d’échantillons biologiques 18,19,20,21,22,23,24. Ce protocole introduit les applications de DO-SRS et 2PEF pour examiner la dynamique métabolique des changements de lipides, de protéines et de ratios redox au cours de la progression du cancer. D2Oétant une forme isotopique stable de l’eau, les biomolécules cellulaires peuvent être marquées avec du deutérium (D) en raison de sa compensation rapide avec l’eau corporelle totale dans les cellules, formant des liaisons carbone-deutérium (C-D) par échange enzymatique21. Les liaisons C-D dans les macromolécules nouvellement synthétisées, y compris les lipides, les protéines, l’ADN / ARN et les glucides, peuvent être détectées dans la région silencieuse cellulaire du spectre Raman 20,21,22,25,26,27. Avec deux impulsions laser synchronisées, les liaisons C-D des lipides et des protéines nouvellement synthétisés peuvent être affichées sur des cellules individuelles via l’imagerie hyperspectrale (HSI) sans les extraire ou les marquer avec des agents cytotoxiques. En outre, la microscopie SRS a la capacité de construire des modèles tridimensionnels (3D) de régions d’intérêt sélectionnées dans des échantillons biologiques en capturant et en combinant un ensemble d’images en coupe transversale22,26. Grâce à l’imagerie volumétrique hyperspectrale et 3D, DO-SRS peut obtenir des distributions spatiales de macromolécules nouvellement synthétisées dans des cellules individuelles, ainsi que le type d’organites qui facilitent le processus de promotion de la croissance du cancer en vertu de la réglementation AAA22. De plus, en utilisant 2PEF, nous pouvons obtenir des signaux d’autofluorescence de flavine et de nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) avec une haute résolution, une profondeur de pénétration profonde et des dommages de faible niveau dans des échantillons biologiques21,23,24. Les signaux d’autofluorescence flavine et NADH ont été utilisés pour caractériser l’homéostasie redox et la peroxydation lipidique dans les cellules cancéreuses22,26. En tant que tel, non seulement le couplage de DO-SRS et 2PEF fournit une analyse subcellulaire de la dynamique métabolique régulée par l’AAA dans les cellules cancéreuses avec une distribution spatiale élevée, des informations de spécificité chimique et une préparation minimale des échantillons, mais la méthode réduit également le besoin d’extraire ou de marquer des molécules endogènes avec des réactifs toxiques. Dans ce protocole, nous présentons d’abord les procédures de préparation de D2O et d’acides aminés, ainsi que la culture de cellules cancéreuses. Ensuite, nous montrons les protocoles d’imagerie DO-SRS et d’imagerie 2PEF. Enfin, nous présentons les résultats représentatifs de l’imagerie SRS et 2PEF, qui démontrent des changements métaboliques régulés par l’AAA des lipides et des protéines, et des changements de ratio redox dans les cellules cancéreuses. Une illustration détaillée du processus est mise en évidence à la figure 1.

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Protocole

1. Préparation des médias

  1. Préparer 10 mL de contrôle et d’AAA en excès dans le milieu Eagle modifié (DMEM) de Dulbecco contenant 50 % deD2O.
    1. Pour le milieu témoin, mesurer et mélanger 10 mg de poudre de DMEM avec 4,7 mL d’eau bidistillée (ddH2O) dans un tube conique de 15 mL. La poudre DMEM contient tous les acides aminés à des concentrations standard. Bien vorter et inverser le tube pour s’assurer que la solution est bien mélangée. Ajouter 4,7 mL deD2O, 0,5 mL de sérum bovin fœtal (FBS à 5 %) et 0,1 mL de pénicilline/streptomycine (1 %). Bien vorter et inverser le tube pour s’assurer que la solution est bien mélangée.
    2. Pour le milieu de traitement 15x PHE, mesurer et mélanger 10 mg de poudre de DMEM avec 4,7 mL de ddH2O, 0,5 mL de FBS (5%) et 0,1 mL de pénicilline/streptomycine (1%) dans un tube conique de 15 mL. Bien vorter et inverser le tube pour s’assurer que la solution est bien mélangée. Ajouter l’excès de poudre de Phe à une concentration de 924 mg/L dans le milieu. Bien vorter et inverser le tube pour s’assurer que la solution est bien mélangée.
    3. Pour le milieu de traitement Tryp 15x, mesurer et mélanger 10 mg de poudre DMEM avec 4,7 mL deddH2O, 0,5 mL de FBS (5%) et 0,1 mL de pénicilline/streptomycine (1%) dans un tube conique de 15 mL. Bien vorter et inverser le tube pour s’assurer que la solution est bien mélangée. Ajouter l’excès de poudre de tryp à une concentration de 224 mg/L dans le milieu. Bien vorter et inverser le tube pour s’assurer que la solution est bien mélangée.
    4. Ajouter de la méthionine et de la thréonine à 30,0 mg/mL et 95,0 mg/mL, respectivement, à tous les tubes coniques des étapes précédentes. Vortex complet et inverser le tube. Il n’est pas nécessaire d’ajouter du pyruvate de sodium au milieu de culture.
    5. Filtrer le milieu de contrôle et de traitement avec un filtre à seringue de 25 mm avec des filtres à membrane en polyéthersulfone de 0,22 μm.
    6. Sceller tous les tubes coniques contenus dans le média avec un parafilm et conserver à 4 °C jusqu’à 3 semaines. Avant de traiter les cellules avec des milieux, réchauffer tout le média à 37°C.
      NOTA : Les réactifs en poudre et liquides doivent être mesurés et combinés en fonction du volume total du milieu de traitement et de contrôle.

2. Préparation de l’échantillon de cellules

  1. Maintenir les cellules cancéreuses du col de l’utérus (HeLa) dans un flacon de culture (c.-à-d. T10, T25, etc.) en utilisant du DMEM standard complété par 10 % de FBS et 1 % de pénicilline/streptomycine à 37 °C et 5 % de dioxyde de carbone (CO2).
  2. Sous-culture des cellules HeLa à un rapport fractionné de 1:10 jusqu’à ce qu’elle atteigne 80% ou plus de viabilité cellulaire.
  3. Une fois que les cellules atteignent une confluence de 80% ou plus, procéder à l’ensemencement de 2 x 10 5 cellules par puits sur une plaque de 24 puits en utilisant du DMEM complété par0,5 % FBS et 1% de pénicilline / streptomycine.
    1. Avant l’ensemencement cellulaire, préparez une plaque de 24 puits avec des lamelles rondes stérilisées, recouvertes de poly-d-lysine, enrobées de laminine, de 12 mm de diamètre. Plongez les lamelles de couverture dans de l’éthanol à 70 % et séchez-les doucement à l’aide de lingettes non pelucheuses. Placez les lamelles de couverture propres dans les puits appropriés de la plaque.
    2. Une fois que les cellules atteignent 80% de confluence à l’étape 2.2, lavez les cellules une fois avec 1x solution saline tamponnée au phosphate (PBS) sans ions magnésium et calcium.
    3. Ajouter 0,25% de trypsine pour dissocier les cellules adhérentes du ballon et incuber à 37 °C et 5% deCO2 pendant 3 min.
    4. Ajouter le DMEM complété par 10% FBS et 1% de pénicilline/streptomycine, pipeter doucement de haut en bas et recueillir les cellules par centrifugation à 300 x g à température ambiante (TR) pendant 3 min.
    5. Resuspendre les cellules dans le DMEM supplémenté avec 0,5% FBS et 1% de pénicilline / streptomycine.
    6. Compter les cellules à l’aide d’un hémocytomètre, d’un microscope optique et d’un bleu de trypan, et ensemencer une densité de 2 x 105 cellules par puits d’une plaque de 24 puits. Alternativement, un compteur de cellules automatisé peut être utilisé pour compter les cellules.
    7. Remettez les cellules dans l’incubateur à 37 °C et 5% de CO2, et agitez doucement la plaque pour répartir les cellules uniformément.
  4. Après 8 h, remplacer les anciens milieux de culture par 50% D 2 O/milieu Phe en excès ou 50%D2O/milieu tryp en excès. Remettre les cellules dans l’incubateur à 37 °C et 5% de CO2 pendant 36 h.
  5. Après 36 h, fixez les cellules sur des lames de microscope.
    1. Avant la fixation, préparez les lames de microscope avec des espaceurs d’imagerie de 9 mm de diamètre et placez 15 μL de 1x PBS complété par des ions calcium et magnésium.
    2. Rincer les cellules avec 1x PBS complété par des ions calcium et magnésium.
    3. Ajouter 0,5 mL de solution de paraformaldéhyde (PFA) sans méthanol à 4 % et laisser la plaque sous la hotte de biosécurité pendant environ 15 minutes.
    4. Aspirer la solution de PFA et rincer deux fois avec 1x PBS supplémenté en ions calcium et magnésium.
    5. Ajouter 1,5 mL de 1x PBS complété par des ions calcium et magnésium dans chaque puits.
    6. Utilisez une pince à épiler stérile pour saisir délicatement les lamelles de couvercle de chaque puits. Inverser et placer le côté contenant la cellule des lames de couverture sur les entretoises d’imagerie pour entrer en contact avec le PBS préparé à l’étape 2.5.1. Assurez-vous que le côté non contenant des cellules est exposé à l’air.
    7. À l’aide de vernis à ongles transparent, scellez la couche externe de la lamelle de couverture avec l’entretoise d’imagerie.
  6. Conservez les lames de microscope à 4 °C lorsqu’elles ne sont pas en imagerie.

3. Mesure spontanée par spectroscopie Raman (Figure 2)

  1. Utiliser un microscope Raman confocal pour obtenir des spectres Raman spontanés (Figure 2A).
  2. Allumez le laser en tournant la clé sur la position ON .
  3. Double-cliquez sur l’icône du logiciel LabSpec6 pour ouvrir le logiciel d’acquisition.
  4. Chargez l’échantillon biologique sur le porte-échantillon directement sous la lentille de l’objectif.
  5. Sur le logiciel, cliquez sur l’icône Caméra pour allumer la caméra vidéo.
  6. Ajustez le plan de mise au point pour identifier une région d’intérêt avec l’objectif objectif 50x. Déplacez le joystick pour contrôler la translation de la raboteuse de l’étage XY et faites pivoter le joystick pour modifier la profondeur de champ.
  7. Après avoir choisi la position de mesure, passez à l’objectif 100x avec une puissance d’excitation de 40 mW. Cliquez sur l’icône rouge Arrêter pour éteindre la caméra vidéo.
  8. Sélectionnez un réseau de 1800 lignes/mm et définissez la plage d’acquisition de 400 cm-1 à 3 150 cm-1.
  9. Réglez le temps d’acquisition sur 90 s, l’accumulation sur 3 et le binning sur 4 pour le moins de bruit et le spectre le plus précis.
    REMARQUE : Ces paramètres d’imagerie peuvent être optimisés pour s’adapter à l’expérience.
  10. Cliquez sur l’icône Flèche pour activer l’affichage en temps réel.
  11. Réglez le décalage Raman (cm-1) sur une valeur de choix pour affiner le plan de mise au point.
    REMARQUE: Dans cette expérience, le laser Raman a été concentré sur les gouttelettes lipidiques, qui contenaient une forte concentration de liaisonsCH2 . Par conséquent, un décalage Raman de 2 850 cm-1 correspondant aux modes d’étirement de la liaison CH2 a été sélectionné à cet effet.
  12. Ajustez le plan de mise au point avec le joystick pour optimiser le meilleur rapport signal/bruit.
  13. Après avoir choisi le plan de mise au point, cliquez sur l’icône rouge Arrêter pour un affichage en temps réel.
  14. Sélectionnez l’icône Cercle pour démarrer l’acquisition du spectre.
  15. Une fois la région cellulaire prise, utilisez le même plan de mise au point pour mesurer l’arrière-plan avec PBS. Soustrayez le spectre de fond de chaque spectre cible subcellulaire à l’aide d’une application logicielle distincte, telle qu’Origin (Figure 1B).

4. Expériences d’imagerie avec 2PEF et SRS

NOTE: Des descriptions détaillées de l’alignement laser SRS peuvent être trouvées dans un rapport antérieur28. Ce protocole se concentre sur le fonctionnement d’un système d’imagerie multimodal SRS et 2PEF (Figure 2C, D).

  1. Cliquez sur Démarrer pour réchauffer le laser.
  2. Suivez l’ordre pour régler les interrupteurs principaux de l’unité de commande et du moniteur sur: 1) appuyez sur l’interrupteur principal du boîtier de commande IX3-CBH sur On, 2) appuyez sur l’interrupteur principal du contrôleur de l’écran tactile sur On, 3) appuyez sur l’interrupteur principal de l’adaptateur secteur de l’alimentation pour LD OBIS 6 Laser Remote connecté au combinateur laser principal FV31-SCOMB sur On, et 4) appuyez sur l’interrupteur principal de l’adaptateur secteur de l’alimentation pour LD OBIS 6 Laser Remote connecté au combinateur laser FV31-SCOMB sur On.
  3. Appuyez sur les interrupteurs principaux du détecteur de photodiodes Si et de l’amplificateur de verrouillage On.
  4. Réglez le faisceau Stokes à 1 031 nm, la largeur d’impulsion à 6 ps et le taux de répétition à 80 MHz.
  5. Couplé au microscope, réglez le système picoEmerald fourni avec le faisceau de pompe synchronisé avec une longueur d’onde accordable de 720 à 990 nm, une largeur d’impulsion de 5 à 6 ps et un taux de répétition de 80 MHz. La puissance d’excitation moyenne de la pompe et de Stokes est de 450 mW. Optimisez la puissance d’excitation pour minimiser les photodommages pour l’échantillon.
  6. Utilisez un condenseur d’huile à grande ouverture numérique (NA) (c.-à-d. 1,4 NA) pour recueillir les faisceaux de Stokes et de pompe où l’échantillon est monté en émettant quelques gouttes sur le condenseur.
  7. Montez l’échantillon sur l’huile et placez une grosse gouttelette d’eau sur la lame du microscope où l’échantillon est fixé. Ceci est pour la lentille objectif d’immersion dans l’eau.
  8. Réglez l’amplificateur de verrouillage sur 20 MHz. Traitez l’image maintenant à l’aide du module logiciel super-résolution.
  9. Sélectionnez 512 pixels x 512 pixels et 80 μs/pixel pour le temps d’arrêt.
  10. Une fois que la région cellulaire souhaitée est correctement focalisée, acquérir l’image. À l’aide du logiciel d’acquisition du microscope, enregistrez les images en tant que fichier graphique .oir Olympus.
  11. Acquérir une image d’arrière-plan à 1 900 cm-1 et la soustraire de toutes les images cellulaires.
  12. Pour effectuer une imagerie 2PEF, utilisez le même laser picoseconde accordable et réglez l’autofluorescence sans marquage de Flavin et de NADH sur 800 nm et 780 nm, respectivement.
  13. Utilisez un cube filtrant de 460 nm/515 nm pour recueillir l’émission rétrodiffusée par autofluorescence de Flavine et de NADH.
  14. Ajustez le temps de séjour à 8 μs/pixel et la taille des pixels à 512 pixels x 512 pixels. Réglez le paramètre de puissance de l’obturateur laser sur 150 mW.
  15. Pour la reconstruction d’images 3D, réglez la perte Raman stimulée à 2 850 cm-1 (797 nm).
  16. Une fois que les cellules individuelles souhaitées ont été identifiées, enregistrez le laser pour balayer à partir du plan de mise au point supérieur afin de détecter les couches supérieure et inférieure de ces cellules.
    Remarque : Les modèles 3D sont générés et enregistrés en tant que fichiers .oir.

5. Analyse des spectres et des images

  1. Analyse spectrale
    1. Utilisez le logiciel Origin ou d’autres applications pertinentes pour soustraire le spectre de fond de tous les spectres cibles subcellulaires.
    2. Utilisez les opérations de modélisation mathématique de MATLAB pour traiter les spectres Raman avec les fonctions intégrées du logiciel. Python peut également être utilisé pour le traitement des spectres.
      1. Le prétraitement spectral commence par la conversion des fichiers en tableau. Les spectres sont interpolés à chaque centimètre réciproque.
      2. Pour la validation, représentez graphiquement les données brutes. Effectuez la correction de ligne de base sur les spectres bruts à l’aide de la fonction intégrée msbackadj dans MATLAB. En bref, la fonction intégrée estime les points de référence aux valeurs d’unité de séparation identifiées par les utilisateurs et renvoie la distance entre les fenêtres adjacentes. À partir des points de référence, estimez et tracez une droite de régression. Appliquez le lissage pour lisser la droite de régression afin de soustraire la ligne de base de chaque spectre brut individuel.
      3. Effectuer une normalisation min-max en divisant l’intensité Raman de la protéine à 2 930 cm-1 par l’intensité de chaque décalage Raman. Le signal de 2 930 cm-1 est généralement l’intensité la plus élevée du spectre Raman. Avec cette normalisation, la valeur maximale est transformée en 1 tandis que la valeur minimale est transformée en 0. Toutes les autres valeurs sont transformées en une décimale entre 0 et 1.
      4. Faire la moyenne des spectres individuels de la même condition en un seul spectre pour réduire le bruit.
    3. Une fois traité, utilisez des applications, telles que Origin, pour afficher tous les spectres simultanément. Les pics affichés dans les spectres représentent une liaison chimique ou un groupe fonctionnel spécifique.
  2. Analyse d’images 3D de gouttelettes lipidiques
    1. Utilisez le logiciel FIJI-ImageJ pour traiter toutes les images 3D
    2. Exécutez les fonctions Bandpass Filters et Smoothing pour les piles d’images 3D.
    3. Pour l’analyse d’images 3D, attribuez chaque gouttelette lipidique à un score sphérique calculé en mesurant la distance entre son centre de masse et la surface. Comparez chaque score sphérique avec un score sphérique d’une sphère parfaite sur le même plan euclidien. Jetez les gouttelettes lipidiques avec de faibles scores sphériques et évaluez les gouttelettes lipidiques restantes pour leur volume et leur nombre.
    4. Analyser le volume et le nombre de gouttelettes lipidiques entre différents traitements pour la signification statistique sur une application logicielle statistique appropriée. Ici, GraphPad Prism a été utilisé.
  3. Analyse d’images hyperspectrales 2D
    1. Utilisez le logiciel FIJI-ImageJ pour traiter toutes les images hyperspectrales 2D.
    2. Sélectionnez la couche 2 930 cm-1 pour créer une image de masque contenant les valeurs 0 et 1. Affectez l’arrière-plan à 0 et la région cellulaire à 1.
    3. Soustrayez le canal protéique marqué au deutérium (2 175 cm-1) au canal de fond (1 900 cm-1) pour éliminer les effets fluorescents.
    4. Divisez le canal protéique marqué au deutérium résultant par le canal protéique (2 930 cm-1) pour obtenir des images ratiométriques du taux de renouvellement des protéines.
    5. Ensuite, multipliez l’image de masque réalisée à l’étape 5.3.2 par les images ratiométriques pour supprimer les bruits de fond restants. Par conséquent, un arrière-plan sombre est généré dans chaque image ratiométrique.
    6. Utilisez l’outil Sélection à main levée de FIJI-ImageJ pour segmenter et calculer manuellement l’intensité des pixels affichée sur des cellules individuelles. Les intensités de pixels correspondent aux concentrations de la liaison chimique visualisée.
    7. Analysez les intensités de pixels pour la signification statistique sur une application logicielle statistique appropriée. Ici, GraphPad Prism a été utilisé. Répétez cette analyse avec l’analyse ratiométrique restante.

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Résultats

L’ajout d’un excès d’AAA à des concentrations de 15x dans les milieux de culture cellulaire contenant 50 % de D2O a produit des bandes Raman C-D distinctes de lipides et de protéines nouvellement synthétisés dans les cellules HeLa (Figure 2B). Des expériences antérieures ont été réalisées avec différents niveaux de concentration, tels que 2x et 5x, et bien que les données ne soient pas présentées, la concentration 15x a produit les bandes Raman C-D les plus distinctes de lipides e...

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Discussion

L’imagerie DO-SRS et 2PEF a été appliquée pour étudier la dynamique métabolique dans divers modèles ex vivo, y compris la drosophile et les tissus humains 21,22,23,24,26,27,33. La modalité d’imagerie utilisée dans cette étude intègre la microscopie DO-SRS et 2PEF, qui peut devancer ...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont pas d’intérêts financiers concurrents ou d’autres conflits d’intérêts.

Remerciements

Nous remercions le Dr Yajuan Li et Anthony Fung pour leur soutien technique, et le laboratoire Fraley pour la lignée cellulaire. Nous reconnaissons les fonds de démarrage de UCSD, NIH U54CA132378, NIH 5R01NS111039, NIH R21NS125395, NIHU54DK134301, NIHU54 HL165443 et Hellman Fellow Award.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Pipettes sérologiques de 10 ml  ;Avantor (by VWR)75816-100https://us.vwr.com/store/product?keyword=75816-100
Tube à centrifuger conique de 15 mLVWR89039-664https://mms.mckesson.com/product/1001859/VWR-International-89039-664
16 % de formaldéhyde, sans méthanolThermoFisher Scientific28906https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/28906
plaqueà 24 puitsFisherbrandFB0112929https://www.fishersci.com/shop/products/24-well-tc-multidish-100-cs/FB012929#?keyword=FB012929
Filtre à seringue de 25 mm, 2 & m PESFoxx Life Sciences381-2216-OEMhttps://www.foxxlifesciences.com/collections/pes-syringe-filters/products/381-2216-oem?variant=16274336003
460 nm Filtre CubeOlympusOCT-ET460/50M32
Adaptateurs secteur de l’alimentation pour LD OBIS 6 Laser RemoteOlympusAlimentation du laser
passe-bandeFiltre KR ElectronicsKR27248 MHz
Terminaison BNC 50 Ohm  ;Mini CircuitsSTRM-50
Câble BNCThorlabs2249-CCâble coaxial, BNC mâle/mâle
Miroir diélectrique à large bandeThorlabsBB1-E03750 - 1100 nm
Centrifugeuse
CondenseurOlympus
Cover GlassCorning2850-25https://ecatalog.corning.com/life-sciences/b2b/NL/en/Glassware/Cover-Glass/Corning%C2%AE-Square-%231%C2%BD-Cover-Glass/p/2850-25
Alimentation DCTopWard6302D
Dichroïque MountThorlabsKM100CL
Dimethyl Sulfoxide Cell Culture Reagentmpbio  ;196055https://www.mpbio.com/0219605525-dimethyl-sulfoxide-cf
l’aigle modifié de Dulbecco s Medium sans méthionine, thréonine et pyruvate de sodiumMilliporeSigma38210000https://www.usbio.net/media/D9800-22/dulbeccorsquos-mem-dmem-wsodium-bicarbonate-wo-methionine-threonine-sodium-pyruvate-powder
Avec du bicarbonate de sodium et sans méthionine, thréonine et pyruvate de sodium.
Dulbecco' s Aigle modifié' s MediumCorningMT10027CVhttps ://www.fishersci.com/shop/products/dmem-dulbecco-s-modified-eagle-s-medium-4/MT10027CV# :~ :text=Dulbecco’s %20Modified %20Eagle’s %20Medium %20
FIJI ImageJImageJVersion 1.53t 24 août 2022https://imagej.net/software/fiji/downloads
Eau lourde (oxyde de deutérium)Cambridge Isotope Laboratories, Inc.7732-18-5https://shop.isotope.com/productdetails.aspx?itemno=DLM-4-1L
Hela CellsATCCCCL-2https://www.atcc.org/products/ccl-2
HémocymètreMilliporeSigmaZ359629-1EAhttps://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/z359629?gclid=Cj0KCQiA37KbBhDgARIsAI
zce15A5FIy0WS7I6ec2KVk
QPXVMEqlAnYis_bKB6P6lr
SIZ-wAXOyAELIaAhhEEAL
w_wcB& gclsrc=aw.ds
Filtre passe-bande à haute ouvertureChroma TechnologyET890/220mFiltrer le faisceau de Stokes et transmettre le faisceau de pompe
HyClone Fetal Bovin Serum (FBS)Cytiva  ;SH300880340https://www.fishersci.com/shop/products/hyclone-fetal-bovine-serum-u-s-standard-4/SH300880340
HyClone Trypsine 0,25 % (1x) SolutionCytivaSH30042,02https://www.cytivalifesciences.com/en/us/shop/cell-culture-and-fermentation/reagents-and-supplements/cell-disassociation-reagents/hyclone-trypsin-protease-p-00445
Système laser SRS intégréPhysique appliquée & Électronique, Inc.picoEMERALDpicoEMERALD fournit une impulsion de sortie à 1031 nm avec une largeur d’impulsion de 6 ps et un taux de répétition de 80 MHz, qui sert de faisceau de Stokes.  ; Le faisceau doublé de fréquence à 532 nm est utilisé pour amorcer de manière synchrone un oscillateur paramétrique optique picoseconde (OPO) afin de produire un train d’impulsions à mode verrouillé avec une largeur d’impulsion de cinq ~ 6 ps (le faisceau de renvoi de l’OPO est bloqué par un filtre interférométrique). La longueur d’onde de sortie de l’OPO est réglable à partir de 720&ndash ; 950 nm, qui sert de faisceau de pompe. L’intensité du faisceau Stokes de 1031 nm est modulée de manière sinusoïdale par une EOM intégrée à 8 MHz avec une profondeur de modulation supérieure à 90 %. Le faisceau de la pompe est superposé spatialement avec le faisceau de Stokes en utilisant un miroir dichroïque à l’intérieur de picoEMERALD. Le chevauchement temporel entre la pompe et les impulsions de Stokes est obtenu à l’aide d’un étage de retard intégré et optimisé par le signal SRS de D2O pur au microscope.
Microscope à balayage laser inverséOlympusFV1200MPE
IX3-CBH Boîtier de commandeOlympusContrôler le microscope à balayage laser
Monture miroir cinématiqueThorlabsPOLARIS-K1-2AH2 Ajusteurs hexagonaux à profil bas
L-PhenalynineSigmaP5482-25Ghttps://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/p5482
L-TryptophaneSigmaT8941-25Ghttps://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/t8941
LabSpec 6Horiba XploRAN/AAmplificateur https://www.horiba.com/gbr/scientific/products/detail/action/show/Product/labspec-6-spectroscopy-suite-software-1843/
Lock-InZurich InstrumentsN/Ahttps://www.zhinst.com/americas/en/products/shfli-lock-in-amplifier
Séparateur de faisceau dichroïque passe-longSemrockDi02-R980-25x36980 nm laser BrightLine séparateur de faisceau dichroïque plat laser-unilatéral
MATLABMathWorksVersion : R2022bhttps://www.mathworks.com/products/new_products/latest_features.html
Lames de microscopeFisherbrand12-550-003https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-selectfrost-microscope-slides-9/12550003#?keyword=12-550-003
Logiciel d’imagerie microscopiqueOlympusFluoView
MPLN 100x, OlympusOlympusMPLAPONhttps://www.olympus-ims.com/en/microscope/mplapon/#!cms[focus]=cmsContent11364
MPLN 50x, OlympusOlympusMPLAPON  ;https://www.olympus-ims.com/en/microscope/mplapon/#!cms[focus]=cmsContent11363
Condenseur d’huile NAOlympus  ;6-U130https://www.hitechinstruments.com/Product-Details/olympus-achromatic-aplanatic-high-na-condneser
Vernis à onglesWet n WildB01EO2G5O4https://www.amazon.com/dp/B01EO2G5O4/ref=cm_sw_r_api_i_E609VVDWW
HHQP38FXXDC_0
OriginOriginLabOrigin 2022b (9.95)https://www.originlab.com/index.aspx?go=PRODUCTS/Origin
ParafilmFisherScientific S37440https://www.fishersci.com/shop/products/parafilm-m-wrapping-film-3/p-2379782
PBS 1x (solution saline tamponnée au phosphate de Dulbecco)Thermofischer - Gibco14040117https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/14040117?SID=srch-hj-14040117
Pénicilline/StreptomycineThermofischer - Gibco15140122https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/15140122
PeriscopeAssembly ThorlabsRS99Comprend les unités supérieure et inférieure, & Oslash ; Poteau de 1" et fourche de serrage.
picoEmerald SystemA.P.EN/A
Boîtier blindé https://www.ape-berlin.de/en/cars-srs/ avec connecteurs BNC PomonaElectronics2902Boîtier en aluminium avec couvercle, détecteur de photodiodes BNC femelle/femelle
Si Construità la maisonN/ADYI
Entretoises de plaquettes
Grace Bio-Labs654008https://gracebio.com/product/secureseal-imaging-spacers-654008/
Spectroscopie Raman spontanéeHoriba XploRAN/Ahttps://www.horiba.com/int/products/detail/action/show/Product/xploratm-plus-1528/
Microscopie à diffusion Raman stimuléeConstruit à domicileN/A
Touch  ; Contrôleur de panneauOlympusContrôlez la direction X-Y du microscope à balayage laser
Trypan Blue 0,4 % (0,85 % NaCl)  ;Lonza17-942Ehttps://bioscience.lonza.com/lonza_bs/US/en/Culture-Media-and-Reagents/p/000000000000181876/Trypan-Blue%2C-0-4%25-Solution"
Pince à épilerKaverme - AmazonB07RNVXXV1https://www.amazon.com/Precision-Anti-Static-Electronics-Laboratory-Jewelry-Making/dp/B07RNVXXV1"
Microscopie à fluorescence à excitation à deux photons Papier de peséeN/Aà la maison
  ;VWR12578-165https://us.vwr.com/store/product/4597617/vwr-weighing-paper
Zurich LabOneQ SoftwareZurich InstrumentsContrôler l’amplificateur à verrouillage de Zurich
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Références

  1. Wu, G. Functional amino acids in nutrition and health. Amino Acids. 45 (3), 407-411 (2013).
  2. Wei, Z., Liu, X., Cheng, C., Yu, W., Yi, P. Metabolism of amino acids in cancer. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 8, 603837(2020).
  3. Parthasarathy, A., et al. A three-ring circus: Metabolism of the three proteogenic aromatic amino acids and their role in the health of plants and animals. Frontiers in Molecular Biosciences. 5, 29(2018).
  4. Wang, H., et al. l-tryptophan activates mammalian target of rapamycin and enhances expression of tight junction proteins in intestinal porcine epithelial cells. The Journal of Nutrition. 145 (6), 1156-1162 (2015).
  5. Saxton, R. A., Sabatini, D. M. mTOR signaling in growth, metabolism, and disease. Cell. 168 (6), 960-976 (2017).
  6. Mossmann, D., Park, S., Hall, M. N. mTOR signalling and cellular metabolism are mutual determinants in cancer. Nature Reviews. Cancer. 18 (12), 744-757 (2018).
  7. Kimura, T., Watanabe, Y. Tryptophan protects hepatocytes against reactive oxygen species-dependent cell death via multiple pathways including Nrf2-dependent gene induction. Amino Acids. 48 (5), 1263-1274 (2016).
  8. Ma, Q., et al. Dietary supplementation with aromatic amino acids decreased triglycerides and alleviated hepatic steatosis by stimulating bile acid synthesis in mice. Food and Function. 12 (1), 267-277 (2021).
  9. Cheng, C., et al. Treatment implications of natural compounds targeting lipid metabolism in nonalcoholic fatty liver disease, obesity and cancer. International Journal of Biological Sciences. 15 (8), 1654-1663 (2019).
  10. Lubes, G., Goodarzi, M. GC-MS based metabolomics used for the identification of cancer volatile organic compounds as biomarkers. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 147, 313-322 (2018).
  11. Di Gialleonardo, V., Wilson, D. M., Keshari, K. R. The potential of metabolic imaging. Seminars in Nuclear Medicine. 46 (1), 28-39 (2016).
  12. Bowman, A. P., et al. Evaluation of lipid coverage and high spatial resolution MALDI-imaging capabilities of oversampling combined with laser post-ionisation. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 412 (10), 2277-2289 (2020).
  13. Murphy, R. C., Hankin, J. A., Barkley, R. M. Imaging of lipid species by MALDI mass spectrometry. Journal of Lipid Research. 50, 317-322 (2009).
  14. Pirman, D. A., et al. Changes in cancer cell metabolism revealed by direct sample analysis with MALDI mass spectrometry. PLoS One. 8 (4), e61379(2013).
  15. Li, Z., et al. Single-cell lipidomics with high structural specificity by mass spectrometry. Nature Communications. 12 (1), 2869(2021).
  16. Miyagi, M., Kasumov, T. Monitoring the synthesis of biomolecules using mass spectrometry. Philosophical Transactions. Series A, Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 374 (2079), 20150378(2016).
  17. Wang, T., Shogomori, H., Hara, M., Yamada, T., Kobayashi, T. Nanomechanical recognition of sphingomyelin-rich membrane domains by atomic force microscopy. Biochemistry. 51 (1), 74-82 (2012).
  18. Fung, A. A., Shi, L. Mammalian cell and tissue imaging using Raman and coherent Raman microscopy. Wiley Interdisciplinary Reviews. Systems Biology and Medicine. 12 (6), e1501(2020).
  19. Shi, L., Fung, A. A., Zhou, A. Advances in stimulated Raman scattering imaging for tissues and animals. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 11 (3), 1078-1101 (2021).
  20. Yamakoshi, H., et al. Imaging of EdU, an alkyne-tagged cell proliferation probe, by Raman microscopy. Journal of the American Chemical Society. 133 (16), 6102-6105 (2011).
  21. Shi, L., et al. Optical imaging of metabolic dynamics in animals. Nature Communications. 9 (1), 2995(2018).
  22. Bagheri, P., Hoang, K., Fung, A. A., Hussain, S., Shi, L. Visualizing cancer cell metabolic dynamics regulated with aromatic amino acids using DO-SRS and 2PEF microscopy. Frontiers in Molecular Biosciences. 8, 779702(2021).
  23. Li, Y., et al. Direct imaging of lipid metabolic changes in drosophila ovary during aging using DO-SRS microscopy. Frontiers in Aging. 2, 819903(2022).
  24. Li, Y., Zhang, W., Fung, A. A., Shi, L. DO-SRS imaging of metabolic dynamics in aging Drosophila. Analyst. 146 (24), 7510-7519 (2021).
  25. Zhang, L., et al. Spectral tracing of deuterium for imaging glucose metabolism. Nature Biomedical Engineering. 3 (5), 402-413 (2019).
  26. Fung, A. A., et al. Imaging sub-cellular methionine and insulin interplay in triple negative breast cancer lipid droplet metabolism. Frontiers in Oncology. 12, 858017(2022).
  27. Li, Y., Zhang, W., Fung, A. A., Shi, L. DO-SRS imaging of diet regulated metabolic activities in Drosophila during aging processes. Aging Cell. 21 (4), e13586(2022).
  28. Shi, L., Wei, M., Min, W. Highly-multiplexed tissue imaging with raman dyes. Journal of Visualized Experiments. (182), e63547(2022).
  29. Rysman, E., et al. De novo lipogenesis protects cancer cells from free radicals and chemotherapeutics by promoting membrane lipid saturation. Cancer Research. 70 (20), 8117-8126 (2010).
  30. Lisec, J., Jaeger, C., Rashid, R., Munir, R., Zaidi, N. Cancer cell lipid class homeostasis is altered under nutrient-deprivation but stable under hypoxia. BMC Cancer. 19 (1), 501(2019).
  31. Thiam, A. R., Dugail, I. Lipid droplet-membrane contact sites - from protein binding to function. Journal of Cell Science. 132 (12), (2019).
  32. Schott, M. B., et al. Lipid droplet size directs lipolysis and lipophagy catabolism in hepatocytes. The Journal of Cell Biology. 218 (10), 3320-3335 (2019).
  33. Hoang, K., et al. Subcellular resolution DO-SRS and 2PEF imaging of metabolic dynamics regulated by L-methionine in amyotrophic lateral sclerosis. Optical Biopsy XXI: Toward Real-Time Spectroscopic Imaging and Diagnosis. SPIE. 1237303, 6-13 (2023).
  34. Jang, H., et al. Super-resolution stimulated Raman scattering microscopy with A-PoD. bioRxiv. , (2022).
  35. Li, Y., et al. Optical metabolic imaging uncovers sex- and diet-dependent lipid changes in aging drosophila brain. bioRxiv. , (2022).
  36. Zhang, W., et al. Multi-molecular hyperspectral PRM-SRS imaging. bioRxiv. , (2022).
  37. Wei, M., et al. Volumetric chemical imaging by clearing-enhanced stimulated Raman scattering microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences. 116 (14), 6608-6617 (2019).
  38. Chang, T., et al. Non-invasive monitoring of cell metabolism and lipid production in 3D engineered human adipose tissues using label-free multiphoton microscopy. Biomaterials. 34 (34), 8607-8616 (2013).
  39. Leica TCS SP8 CARS CARS Microscope - Label Free Imaging. Leica Microsystems. , Available from: https://www.leica-microsystems.com/products/confocal-microscopes/p/leica-tcs-sp8-cars/downloads/ (2023).

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