細菌性生物発光遺伝子カセットを発現する哺乳動物細胞（ルクス）自律的に光を生成する。化学露光により得られた生物力学を容易に高スループット自動化に適合させることができる安価な、連続的なリアルタイム毒性スクリーニングツールこれらの細胞を作り、細胞の成長および代謝に対する治療効果を反映することが実証されている。
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この記事について
サマリー
要約
哺乳動物細胞ベースのインビトロアッセイは、広く毒性試験のための動物実験の代替として用いられているが、原因ホタルルシフェラーゼに基づくスクリーニング法の破壊的な性質のために必要とされる並列の試料調製の高い金銭的および時間コストに限定されている。このビデオは、目的の化合物の細胞毒性効果を監視するための安価で容易な方法としては、ルシフェリン基質の破壊的な添加を必要としない自律的に生物発光哺乳動物細胞の利用が記載されている。安定的に完全な細菌の生物発光（luxCDABEfrp）遺伝子カセットを発現する哺乳動物細胞は、自律的に高価であり、おそらくは干渉ルシフェリン基板と、外部エネルギー源による励起、又は伝統的である試料の破壊を添加せずにピークが490nmでその光信号を生成する光学イメージング手順の間に行われるS。外部刺激からのこの独立性は結果の信号のみをアクティブ代謝中に検出されていることを意味し、もっぱら細胞上の生物発光反応を維持するための負担を配置します。生物生産の変化は細胞の成長と代謝に悪影響を示すものであるので、この特徴は、 ルクス発現細胞株細胞毒性に対するbiosentinelとして使用するための優れた候補になります。同様に、必要なサンプル破壊の自律的な性質や不足が毒物曝露の期間を通じて、リアルタイムで同じサンプルを繰り返しイメージングを可能にし、自動化された方法で、既存の画像処理装置を使用して複数のサンプル間で実行することができます。
概要
彼らは食品医薬品局（FDA）によって、消費者の使用が承認される前に米国では、人間の消費のために意図された医薬品やその他の製品は、広範な評価を必要とする。このテストを実行するための負担は、実質的に新規化合物の開発コストを増加させ、したがって、消費者にとってコストの上昇につながり現像剤1上に配置されている。伝統的にずっとこのスクリーニングのが人間のホストのプロキシとして機能するように、動物の科目を利用しているが、これはADME / Toxの（吸着、分布、代謝、排泄、および毒性に毎年費やさ推定28億ドルで、大規模な財政負担であることが証明された）2のみをスクリーニングし、動物モデルは確実に人間の毒性応答3を予測できないことを示唆している証拠。したがって、in vitroでのヒト細胞培養ベースのテストでは 、その相対的に低いの過去20年間の人気を得ているコスト、高スループット、および人間の生物学的利用能及び毒物学4のより良い表現。現在、細胞培養系毒性スクリーニング法は、細胞生存5を評価するために、細胞膜の完全性をプロービング、内因的に利用可能な細胞質酵素の活性のスクリーニング、またはミトコンドリアの活性のレベルを追跡し、そのようなATPレベルを測定するなどの様々なエンドポイントを採用、6。測定は、従って、単一の時点でデータを生成し、取り出すことができる前に、しかし、関係なく選択されたエンドポイント、これらの方法は、すべてのサンプルの破壊を必要とする。結果として、多数の試料を調製し、基本的な毒物学的動態研究のため、並列に処理し、再度新たな化合物の開発に要するコストと労力を添加する必要がある。また、使用したアッセイは、そのようなガウルシフェラーゼ7、 ウミホタル属ルシフェラーゼ8、 型Metridiaルシフェラーゼ9としてルシフェラーゼ分泌細胞溶解の必要性を排除し、エンドポイント測定用媒体の一部を必要とするが開発されてきたが、これらは依然として所定の時点でのサンプリングに限定されるものではなく外因性の光活性化基質の添加を必要としている。
基材のコストを排除するだけでなく、必要なサンプル破壊の不利益を回避するために、ヒト細胞株は同様である生きた細胞の連続的な監視を可能にするために完全な細菌の生物発光（ ルクス ）遺伝子カセット（luxCDABEfrp）を発現する遺伝子操作されている蛍光染料ベースのライブセルイメージングに、追加光子活性化と微視的調査手続きなし。この細胞株は、このように試料の破壊を回避し、構成的に外部刺激を必要とせずに連続的な、直接検出するための光信号を生成することができる。機構的に、これらの細胞から発生する生物発光シグナルが発生S luxAB形成されたルシフェラーゼ酵素が減少リボフラビンリン酸塩の存在（FRP遺伝子によってFMNからリサイクルさFMNH 2、中長鎖脂肪酸アルデヒド（内在性基質を用いたluxCDE遺伝子産物によって合成され、再生）の酸化を触媒するとき製品）と酸素分子10。宿主細胞中での発現カセットルクスしたがって、細胞破壊又は外因性基質を添加せずに製造され、検出される光が可能となる。同様に、 ルクス遺伝子および内因的に利用できるFMNとの間の相互作用、およびO 2補基質、及びFMNH 2〜FMNの変換をサポートすることができる環境を維持するための要件は、得られた生物発光信号のみが生きているから検出できることを保証、代謝的に活性な細胞。
これらの要件は、以前にそのルクス -BASを実証するために利用されていますED生物発光出力は、携帯人口規模11とその毒性化合物の曝露用量反応ファッション12 autobioluminescent生産を損なうと強く相関している。ここでは、毒性試験のためのautobioluminescent哺乳類細胞のアプリケーションを検証する代表例として知られているDNA損傷活性ブレオマイシンファミリーの抗生物質の自動毒性スクリーニングを実証するために以前に特徴付けautobioluminescentヒト胎児腎臓（HEK293）細胞ライン11を使用しています。
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プロトコル
1。細胞調製
- 液体窒素凍結ストックから生物発光HEK293細胞のバイアルを回収し、10％ウシ胎児血清を補充したダルベッコ変法イーグル培地（DMEM）、抗生物質、抗真菌1×0.01 mMの非必須アミノ酸、およびT、0.01 mMのピルビン酸ナトリウムでそれらを成長させる37℃、5％CO 2で75組織培養フラスコ。
注：メディアと補足コンポーネントが細胞株によって異なりますので、それに応じて選択する必要があります。 - リフレッシュ中に到達するまで2〜3日ごとに〜80％合流。
注：必要な細胞の量は、実験計画に基づいて行われます。必要に応じて、より多くの細胞を継代培養することにより得ることができる。 - テストのために細胞を回収。
- 培地を除去し、リン酸塩で細胞を洗浄するには、優しく、フラスコを渦巻くことで緩衝生理食塩水（PBS）、その後破棄はPBSを過ごした。
- 2分間37℃でトリプシンとインキュベートを追加し、あるいは細胞までフラスコから切り離されました。
- PBS中剥がれた細胞を収集し、クリーンな遠心管に移す。
注：非接着細胞株を使用する場合は、遠心分離により細胞を分離し、PBSで1回洗浄する。
- 血球計または他の細胞カウントシステムを使用して総細胞数を決定します。
- 5分間300 xgで細胞懸濁液を遠心。上清を捨て、新鮮な、温めておいた培地で細胞を再懸濁します。
- 不透明なマルチウェルプレートの各ウェルへの細胞のシード同数。ブラック24ウェルプレートの各ウェルに、1mlの容積のこの例では、プレート5×10 5細胞。ネガティブコントロールとして機能する3つのウェル中の培地のプレートが等量。
注：各ウェルに播種細胞数が柔軟であり、個々の実験のために最適化することができる。各生物発光細胞株については、実験的に細胞数とbiolumiとの間の関係を決定するnescent出力だけでなく、最小限の検出可能な細胞は、前に、毒性試験に数える。標準化された撮像条件で人口サイズの広い範囲（例えば、1×10 3〜1×10 6細胞）を横切ってこの、メジャー生物発光をしています。 - 以下のように化合物（複数）のテストで細胞を扱う。
2。化学準備
- 濃厚原液としてテストされている化学物質を準備します。この例では、100mgの/ブレオマイシンファミリーの抗生mlの原液を使用しています。
注：有機溶剤、化学添加するための車両として使用されている場合は特に、潜在的な車両ベース毒性影響を最小限にするため、それは株式の濃度は、少なくとも1,000倍希望ポストアプリケーション濃度にすることをお勧めします。 - 細胞に直接製造化学株式を追加します。この例では、線量の最終濃度100、200、300、および400μgのトリ/ mlとその他の抗生物質井戸をひだのある。対照として未処理細胞の三井戸のままにしておきます。
注意：ターゲット化学物質の最終濃度は、特定の実験的な目標に基づいて選択されるべきである。広範囲の濃度は、通常、毒性作用の完全なスペクトルを得るためにテストされる。
3。イメージングとデータ解析
- すぐに化学添加後、画像取得と生物発光測定のために適切な機器のイメージングチャンバー内にプレートを配置。
- 生物発光、各読書のため10分の積分時間を使って24時間にわたり15分毎に測定します。
注：この例で使用される積分時間ごとのプレート単位であり、任意の他のルミノメーターを用いごとウェルに基づいて測定のために調整することができる。積分時間は、選択された生物細胞株に基づいて調整することができる。生物発光は、細胞破壊や任意の外部刺激せずに自律的に生産されているので、読んでイングスは、具体的な実験の目的を達成するために任意の所望の時点で採取することができる。 - 互換性のあるソフトウェアを使用して関心領域を識別することにより各ウェルから生物発光強度を定量化する。全光束（光子/秒）または各サンプルの平均輝度（フォトン/センチメートル/秒2 / steridian）のいずれかとして光出力を表示します。
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結果
本研究では、autobioluminescent HEK293細胞の動態を、抗生物質露光（ 図1）に応答して24時間かけて連続的にモニターした。に結合し、DNA 13を切断することにより、生きた細胞を殺すことが知られているブレオマイシンファミリーのメンバーであり、この抗生物質の毒性効果は、擬似カラー画像から直接可視化することができる未処理の細胞と比較して生物生産の減少を介して実証された（ 図2）。簡単な用量反応分析のための任意の時点で異なる濃度の比較のために許可された様々な処理条件の下で試料を繰り返し並列スクリーニングを可能にし、これらの細胞の性質autobioluminescent、。例えば、生物発光は、18時間、15時間後に細胞から産生され、処置の20時間の増大は、その抗生物質治療のresulを示す、 図3の化学物質濃度に対してプロットした用量反応的に生物生産の減少でテッド。
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ディスカッション
この方法は、生きた細胞が継続的に生涯にわたって監視することができインビトロ細胞毒性スクリーニングアッセイとして自律的に生物発光哺乳類細胞の使用方法を示します。このプロトコルは柔軟性があり、必要に応じて具体的な実験条件に適応するように変更することができる。例えば、ここに示された実験は、急性毒性を追跡するのに適しているが、増加した時間間隔（ すなわち、24時間毎）に繰り返し撮影により遅効性または長期的な効果を評価するように適合さとの間の標準的な培養条件下で細胞を維持することができる朗読。また、積分時間は、生物細胞株に基づいて調整することができる。種々の積分時間で撮像予備実験は、最適な読取窓を決定するために行うことができる。この例で使用される10分の統合は、すべてのトリートメントを横切る生物生産のダイナミックレンジを強調するために選ばれたtの条件は、しかしながら、より短いリーディングフレームは、アプリケーションに応じて適用することができる。 24ウェルプレートを、この例で実証するために使用されている同様に、96 - 又は384ウェルプレートは、より高いスループットアプリケーション置換する...
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開示事項
DM閉じる、SA RIPP、およびGS Sayler 490バイオテクノロジー社の創設者と所有者である
謝辞
これらの研究活動は、化学、バイオ、環境、受賞番号CBET-0853780とCBET-1159344と国立衛生研究所、国立環境健康科学研究所（NIEHS）の下で輸送（CBET）システムの国立科学財団部門によってサポートされていました下の賞番号1R43ES022567-01、国立がん研究所、がんイメージングプログラム賞番号CA127745-01アンダー。本研究で使用IVISルミナ機器は米軍国防大学研究計測プログラムから得られた。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| IVIS Lumina | PerkinElmer | 他のIVISモデルとPMTベースのプレートリーダーも使用できます | |
| Living Imaging 2.0 | PerkinElmer | このソフトウェアの新しいアップデートが利用可能です | |
| 75 cm2細胞培養処理フラスコ | Corning | 430641 | |
| 6ウェル組織培養処理プレート | Costar | 07-200-83 | |
| ブラック24ウェルプレート | Greiner Bio-One | 662174 | 96ウェルまたは384ウェルプレートは、ハイスループットアプリケーションに使用できます |
| リン酸緩衝生理食塩水 | ハイクロン | SH30910 | |
| ダルベッコのモディファイドイーグルスミディアム(DMEM)、フェノールレッドフリー | ハイクロン | SH30284 | |
| ウシ胎児血清 | ハイクロン | SH3091003 | |
| 非必須アミノ酸、100x | Life Technologies | 11140050 | |
| Antibiotic-antimycotic, 100x | Life Technologies | 15240062 | |
| ピルビン酸ナトリウム, 100mM | Life Technologies | 11360070 | |
| Zeocin, 100 mg/ml | Life Technologies | R25001 | |
| Tripsin, 0.05% | Life Technologies | 25300062 |
参考文献
- U.S. Food and Drug Administration. Is it really FDA approved? FDA Consumer Health Information. 2, (2009).
- Hartung, T. Toxicology for the twenty-first century. Nature. 460, 208-212 (2009).
- Olson, H., et al. Concordance of the toxicity of pharmaceuticals in humans and in animals. Regul. Toxicol. Pharmacol. 32, 56-67 (2000).
- Stacey, G. Current developments in cell culture technology. Adv. Exp. Med. Biol. 745, 1-13 (2012).
- Li, A. P. Screening for human ADME/Tox drug properties in drug discovery. Drug Discov. Today. 6, 357-366 (2001).
- Li, A. P. In vitro approaches to evaluate ADMET drug properties. Curr. Top. Med. Chem. 4, 701-706 (2004).
- Tannous, B. A. Gaussia luciferase reporter assay for monitoring biological processes in culture and in vivo. Nat. Protoc. 4, 582-591 (2009).
- Thompson, E. M., Nagata, S., Tsuji, F. I. Cloning and expression of cDNA for the luciferase from the marine ostracod Vargula hilgendorfii. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 86, 6567-6571 (1989).
- Lupold, S. E., Johnson, T., Chowdhury, W. H., Rodriguez, R. A real time Metridia luciferase based non-invasive reporter assay of mammalian cell viability and cytotoxicity via the beta-actin promoter and enhancer. PLoS ONE. 7, (2012).
- Meighen, E. A. Molecular biology of bacterial bioluminescence. Microbiol. Rev. 55, 123-142 (1991).
- Close, D. M., et al. Autonomous bioluminescent expression of the bacterial luciferase gene cassette (lux) in a mammalian cell line. PLoS ONE. 5, e12441(2010).
- Determining toxicant bioavailability using a constitutively bioluminescent human cell line. Close, D. M., Hahn, R. E., Ripp, S. A., Sayler, G. S. Biomedical Sciences and Engineering Conference (BSEC), Mar 15-17, Knoxville, TN, , 1-4 (2011).
- Oliva-Trastoy, M., Defais, M., Larminat, F. Resistance to the antibiotic Zeocin by stable expression of the Sh ble gene does not fully suppress Zeocin-induced DNA cleavage in human cells. Mutagenesis. 20, 111-114 (2005).
- Close, D. M., Webb, J. D., Ripp, S. A., Patterson, S. S., Sayler, G. S. Remote detection of human toxicants in real time using a human optimized bioluminescent bacterial luciferase gene cassette bioreporter. Proc. SPIE 8371, Sensing Technologies for Global Health, Military Medicine, Disaster Response, and Environmental Monitoring II; and Biometric Technology for Human Identification IX. 837117, (2012).
- Close, D. M., Hahn, R. E., Patterson, S. S., Ripp, S. A., Sayler, G. S. Comparison of human optimized bacterial luciferase, firefly luciferase, and green fluorescent protein for continuous imaging of cell culture and animal models. J. Biomed. Opt. 16, e12441(2011).
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