不死化された癌細胞株は、3次元細胞培養物、生物学的研究のための貴重なモデルとして成長させることができる。このプロトコルは、サンプル調製プラットフォームの改善を含む、三次元細胞培養物の質量分析イメージングを記述する。このプロトコルの目的は、質量分析イメージング解析のために3次元細胞培養物を調製するためにユーザーに指示することである。
不死化された癌細胞株は、3次元細胞培養物、生物学的研究のための貴重なモデルとして成長させることができる。このプロトコルは、サンプル調製プラットフォームの改善を含む、三次元細胞培養物の質量分析イメージングを記述する。このプロトコルの目的は、質量分析イメージング解析のために3次元細胞培養物を調製するためにユーザーに指示することである。
三次元細胞培養は、生物学的研究にとって魅力的なモデルです。細胞培養の柔軟性と費用対効果を、組織の空間的および分子的複雑さの一部と組み合わせます。例えば、多くの細胞株は、適切なin vitro条件で3D構造を形成します。結腸がん細胞株は、無血管性腫瘍結節をin vitroで模倣した3D細胞培養スフェロイドを形成します。免疫組織化学やその他の古典的なイメージング法は、特定の分析種の分布をモニタリングするために一般的ですが、質量分析イメージングは、分子のクラスの分布を偏りなく調べます。 MALDI質量分析イメージングは、もともとヒトまたは動物モデルから得られたサンプルを調べるために開発されましたが、このレポートでは、サンプル調製戦略の改善を含むin vitro 3次元細胞培養の分析について説明しています。ここでは、マトリックス支援レーザー脱離イオン化質量分析(MALDI-MS)イメージングによる3D細胞培養の増殖、回収、切片化、洗浄、および分析の方法について説明します。 大腸がんの3D細胞培養をモデルシステムとして用いたこのプロトコルは、MALDI-MSIを用いて3D細胞培養システム全体で分析物を偏りなくモニタリングする能力を示しています。
質量分析イメージング(MSI)は、対象サンプル間の分子種の分布を調べるための強力な技術です。 研究者たちは、この技術を用いて、動物全体から単一細胞までの生物学的サンプルを画像化してきました。1–4 MSIを使用すると、従来の共焦点顕微鏡法のための追加の蛍光色素の開発や組織学のための染色を必要とする単一基質技術ではなく、一度に数百の分析物をイメージングできます。5–7 さらに、MSIはターゲットを絞った方法または発見ベースの方法で使用することができるため、化学種の分布間の重複を調べる魅力的なアプローチとなっています。 ここでは、三次元多細胞細胞培養の小さなサンプル(直径~1 mm)の増殖、調製、およびマトリックス支援レーザー脱離イオン化/脱着(MALDI)イメージングの方法を紹介します。8-11
3D細胞培養は、従来の単層培養とin vivo腫瘍との間の仲介者として、生物学的コミュニティにとって特に興味深いものです。 その名前が示すように、3D細胞培養は、小さな無血管腫瘍結節で観察される微小環境の化学的勾配の多くを含む不均一な細胞凝集体であり、単層培養よりも天然の腫瘍環境にとってより現実的なモデルシステムとなっています。10 結腸、乳房、卵巣、前立腺、腎臓、肺組織に由来する細胞株など、多くのヒト細胞株を3D培養として増殖させることができます。10 三次元細胞培養のイメージングには、質量分析イメージングに一般的に使用される多くのサンプルよりも小さいため、慎重なサンプル調製が必要であるという固有の課題があります。7 ただし、これらの扱いやすいモデルシステムの利点は、動物モデルと比較して低コストで、成長と解析時間が短いことです。その結果、3次元細胞培養を含む研究は、従来の動物研究よりもハイスループットになる可能性があります。12-14
>jove_content<これらの利点の全てが、生物学研究における三次元細胞培養の人気を高める結果となりました。これらのシステムにおける分子の組成と空間分布の両方を探索するための新しい分析戦略を開発する必要があります。12,15–21 この原稿の目的は、質量分析イメージング法とサンプル調製の三次元細胞培養への適応について説明することです。イメージング用1. 3D細胞培養と準備
2.アガロース被覆96ウェルプレートを準備します
三次元培養を3シードとなりがち
注:複数またはより少ない細胞が関与培養の要件に応じて播種することができるが、それはこれらの条件は、培養の10〜14日後に直径約1mmの三次元細胞培養構造をもたらすことが判明した(データは示していない) 。
4.収穫の3D細胞培養
ゼラチン5.埋め込みの3D細胞培養
6.スライスと解凍マウント番目質量分析イメージング用の電子ゼラチン包埋3D細胞培養
7.マトリックスアプリケーションおよびMALDIイメージング用サンプル調製
MALDI-TOFシステムを用いた8 MALDI-MSI分析( すなわち、オートフレックスIII)
注:このセクションでは、MALDI-TOFイメージング実験のためのパラメータを設定するための指示やアドバイスが含まれています。アドインによってはtrumentメーカーやソフトウェア使用、プロセスが異なる場合があります。
9.オプションデータ解析手法
MSI画像は、3D細胞培養物中の多数の異なる分子量分布を明らかにする可能性がある。上記で概説した方法を用いて、小分子( 図1)からの大きなタンパク質( 図2)の種は、培養にわたって追跡することができる。これらの結果は、MSiReader図32の結果は、関心領域全体走査領域のいずれかで可視化ソフトウェアで3D細胞培養を横切る単一の注目イオンを分析することができる無料のツールと単一イオンの視覚化を示す。さらに、ほとんどのソフトウェアは自動的に発見の努力を支援する可能性がある、ユーザーが設定した一定の閾値を超えるイオンを可視化します。単一イオンマップが得られると、ほとんどのソフトウェアは、イオンの共局在を表示するために画像をオーバーレイする能力を含む。いずれかのアプローチを発見ベースまたは標的化様式で、質量分析イメージングは、3次元細胞培養物を分析するための強力なツールである。

図3D細胞培養増殖および切片。左)収穫前に14日目に見て、無傷の結腸直腸HCT-116三次元細胞培養構造の光学画像の1代表的な結果 。右大腸3D細胞培養雪解けの約赤道スライスの)光学画像は、撮影用のITO被覆スライド上にマウントした。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

低質量(小分子)の範囲でα-CHCAを用いて達成図3D細胞培養の赤道部分の小分子MALDI-MSIの2。代表的な結果。トップ)の平均質量スペクトル。の下)代表的な画像単一の質量:主に3次元細胞培養及び主に3D細胞培養の縁に局在429.7 メートル/ zの内部に局在327.8 メートル/ zの 。破線は回転楕円体のおおよそのエッジを示します。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3D細胞培養。トップ)は、より高い(タンパク質)の質量範囲内シナピン酸を用いて達成さの平均質量スペクトルの赤道部分のMALDI-MSIによるタンパク質イメージングの3代表的な結果 。ボトム)単一の質量の代表的な画像:主に回転楕円体の端に局在10871 メートル/ z、およびより多くの回転楕円体の内部に向かってローカライズされた12184 メートル/ zの 。破線は回転楕円体のおおよそのエッジを示し。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
上記に概説した方法を用いて、三次元細胞培養物を増殖させ、MALDI-MSIを分析することができる。ときに適切。9,10ケア、すなわち、何回も通過した低継代番号がされていない細胞を培養するために取られるべきで培養多くの不死化細胞株は、3D構造を形成する。一般的に、10および下部の継代数を有する細胞は、3次元細胞培養物を成長させるために最適である。従来のアガロース支持体に3次元細胞培養物を成長させることは、このシステムを試して三次元細胞培養物中の興味の研究グループのための費用効果の高い方法を提供する。この方法は、ほとんどの哺乳動物細胞培養室でない既にいくつかのコンポーネントを利用する。 3D細胞培養物は大きさや形状が一致しているように、細心の注意を払うことが、成長のためのアガロースプレートの準備に支払わなければならない。細心の注意を必要とするいくつかの態様は、気泡を混合物に捕捉されていないことを確認し、適切なメニスカスがそれぞれワットの底部に形成されていることが挙げられるエル。メニスカスが正常に形成されない場合、細胞は、非回転楕円形状又は小塊に成長することができる。また、ケアはスフェロイドとゼラチンにPBSを配置しないように注意する必要があります。この問題が発生した場合は、200μlのピペットを用いて、ゼラチンの上部からPBSを削除します。コストが要因ではない場合には、超低結合丸底プレートは、市販されており、これらの工程の簡略化を提供する。他の組織に埋め込む方法も費用がかかり、非質量分析両立させることができる一方で、ゼラチン - 埋め込みは、安価で汎用性の両方であることが示されている。上に概説準備戦略は、最高品質のデータを取得する3次元の細胞培養のために最適化されている。ゼラチン埋め込み質量分析と適合性であることが示されているが、このプロセスは、共結晶化に使用可能なマトリックスを狭めない。凍結したら、三次元細胞培養物は、それらが凍結融解されないようにヶ月間安定である。ゼラチンは凍結時に不透明になり、3Dセル培養は、類似した色であるので、スライスを補助するために、3D細胞培養の配置を記録するため、凍結前に推奨される。
スライドを調製する場合、マトリックスは、いくつかの異なる方法で適用することができるが、それはいくつかのマトリクスが使用できなくサンプルをレンダリングする、そのようなフェルラ酸として、ゼラチンと共結晶化さが分かっていることに留意すべきである。小さなマトリックス結晶は、より一貫性のある質量スペクトルを生成する。 handspottingマトリックスアプリケーションの最も単純な方法であるが、より大きな溶媒容量は、大きな結晶サイズと有意な分析物の移行をもたらすことができる。
質量分析計では、最初の分析に必要な専門知識が低下しているMALDI-MSIの技術の進歩。データ収集と分析は、初心者でもITO被覆スライドから高品質の情報を取得することができ、ほとんどのシステムでは単純である。近くの非画像値する3D細胞culturに最適化された機器パラメータを慎重に選択、エスは、高品質のデータを得るために重要である。例えば、レーザパワーを大きくするとピーク強度を増加させることができるが、レーザパワーの減少は、解像度を向上させ、より対称的なピーク形状を与えることができる。三次元細胞培養物は、最適なサンプルの品質を確保するためにスライスした後すぐに使用されるべきである。タンパク質シグナルの劣化(20 kDaの上記)、特に高質量領域において、適切なストレージ(デシケータ/ -80°Cの冷凍庫)なしで週以内に見ることができる。による需要のために、多くの異なる可視化ソフトウェアプログラムが開発され、研究公衆に自由にされている。ほとんどのイメージング質量分析計は、それぞれの機器で使用して独自のフォーマットを持つ単一の塊を可視化するために必要なソフトウェアがインストールされている。これらのソフトウェアプログラムは、単一の質量の画像を取得し、データをエクスポートするために使用することができる。ほとんどのソフトウェアはまた、目的の2つ以上の質量のオーバーレイを可能にする。さらに、MSIデータのための多くの異なった視聴者は、そのようなMSiReader ANとして、ダウンロードして無料ですのdバイオマップ。得32,33質量分析データは、最前線に有用な情報をもたらし、容易に取得後に処理することができる。
医薬品からの脂質へのタンパク質の、上記で概説したシステムは、三次元細胞培養構造全体で目的の分子の分布を評価するためのデータの迅速な取得を可能にする。連続切片は、3D細胞培養のスライスの各2D画像から構築することにより、画像全体の三次元構造をとることができる。プロトコルにおける技術やノートは、単層培養および動物モデル間のブリッジとしての三次元細胞培養を開始したい研究者に使用されるであろう。一度習得し、これらの技術は、彼らが選択したいずれかのサンプル画像への研究を可能にする、三次元細胞培養物、組織、および細胞培養物の複数のタイプに適用することができる。
この記事は、Bruker Biospinが後援するマルチモーダル前臨床イメージングに関する特集号の一部です。 代表的な結果を得るために使用したMALDI-TOFシステムは、ブルカーAutoFlex IIIです。
この研究は、ノートルダム大学(DARW)のハーパーがん研究所への基礎がん研究の推進プログラムと、ピッツバーグ分析化学者協会(ABH)からの2011年のスターターグラントの下で、ワルサーがん財団によって支援されました。また、貴重な議論をしてくれた質量分析・プロテオミクスファシリティのスタッフにも感謝します。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| HCT116 細胞株 | ATCC | ATCC CCL-247 | 潜在的な危険性、取り扱いには注意 |
| が必要 McCoy's 5A 培地 | Gibco | 16600-108 | |
| ウシ胎児血清 | HyClone | SH30071.03 | |
| 0.25% Trypsin-EDTA solution | Gibco | 25200-056 | |
| Agarose | Sigma-Aldrich | A9539 | |
| Phosphate緩衝生理食塩水 | ギブコ | 10010049 | |
| ゼラチン、無香気ノ | ックス | ほとんどの食料品店で シングルパケットの | |
| ITOコーティングガラススライド | デルタテクノロジーズ、リミテッド | CG-90IN-S115 | |
| α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸(CHCA) | Sigma-Aldrich | C8982 | |
| シナピン酸 | Sigma-Aldrich | 85429 | |
| 0.3 mm 重力供給デュアルアクション エアブラシ ペイント スプレー ガン キット セット | RoyalMax エアブラシ | Amazon.com などのサイトで利用できる多くのオプション |