この記事の目的は、メタボロミクス分析のために培養した付着細胞からの水性代謝産物の抽出のためのプロトコルを記述することであり、特に、毛細管電気泳動-質量分光法。
この記事の目的は、メタボロミクス分析のために培養した付着細胞からの水性代謝産物の抽出のためのプロトコルを記述することであり、特に、毛細管電気泳動-質量分光法。
メタボロミクス分析は、正常細胞と比較してがん細胞の特定の代謝調節を理解するだけでなく、早期癌の発見や化学療法の反応予測のためのバイオマーカーの同定にも有望なオミクスアプローチです。癌患者メタボロミクス分析のための均一サンプルの準備は解決されるべき重大な問題である。ここでは、毛細血管電気泳動質量分析 (CE-MS) を用いたメタボロミクス解析のために、培養した付着細胞からの水性代謝物を抽出するための簡単で信頼性の高いプロトコルを紹介します。培養細胞からの水性代謝産物は、細胞の培養および洗浄、メタノールによる細胞の処理、代謝物の抽出、および CE MS 分析のためのスピンカラムを用いたタンパク質および高分子の除去によって分析されます。ビステアリルエチレンジアミドで処理された肺癌細胞株を用いた代表的な結果は、酸化的試薬であり、酸化ストレス下の細胞の明確に観察可能な代謝シフトを示す。この記事は、メタボロミクス研究に携わる学生や研究者にとって、CE MS による分析のために細胞株から代謝物を採取することが初めての場合に特に有益です。
オットー・ウォーバーグは、癌細胞がグルコースを取り、十分な酸素の存在下で乳酸を産生するために発酵する異常な能力を獲得することを観察した—ウォーバーグ効果または好気性解糖体1,2として呼ばれる現象。ミトコンドリア呼吸欠損は、癌細胞3における好気性解糖系の基礎として推測されている。実際、ウォーバーグ効果は、臨床実践4,5で広く使用されている fluorodeoxyglucose (FDG)-陽電子放射断層撮影 (PET) による腫瘍イメージングの基礎となっています。好気性解糖系の高い割合は癌の重要な特徴と考えられており、Hanahan やワインバーグ6で説明されているように、最近ではよく知られている「がんの特徴」の一つとして採用しています。癌遺伝子および腫瘍抑制遺伝子における体性変異— HRAS/KRAS/NRAS、 EGFR、 BRAF、 MYC、 TP53、isocitrate 脱水素酵素 (IDH)、およびフマル酸プロホルモンコンバターゼ (FH) —癌細胞における特定の代謝変化にリンクされており、ウォーバーグ効果7の結果であると考えられる。
メタボロミクス分析は、がん細胞における代謝調節を理解するだけでなく、早期のがんバイオマーカーや化学療法の反応予測を明らかにするための有望なアプローチでもあります。抗癌化合物を有する感受性または抵抗性の癌細胞の治療に続いて、それらの代謝応答の追跡は、癌患者における特定の抗癌治療の有効性を予測する代謝バイオマーカーの同定を容易にする8 、9、10、11。この記事では、ビステアリルエチレンジアミドで処理されたEGFR突然変異を伴う肺腺癌 (酸化ストレスを引き起こす) に由来する癌細胞株をメタボロミクス分析のためのモデルとして使用した。キャピラリー電気泳動質量分析 (CE-MS) を使用したこの分析方法の利点は、質量範囲m/z 50-100012,13で荷電代謝物を包括的に測定できることです。この記事の目的は、初心者のために、培養癌細胞およびその後のメタボロミクス分析、特に CE MS による水性代謝産物の調製のための詳細なステップワイズ視覚プロトコルを提供することである。
1. 細胞培養1日目
注: 代謝物抽出の各サンプルは、適度ではあるが完全にコンフルエントではない単一の 100 mm 組織培養皿から調製する必要があります (約2〜500万個の細胞を含む)。アッセイに必要な皿の数を計算し、それに応じて準備します。
2. 試薬の調製
3. 予洗浄用遠心フィルターユニット
4. 2 日目の細胞培養
5. 培養細胞からの代謝物の抽出
6. 細胞抽出物の限外濾過
7. 試料の蒸発
8. メタボロミクス分析 (CE MS)
癌細胞 (pmol/106 細胞) における代謝産物濃度は生存細胞数に対して正規化されているので、実験条件は、条件間の生存細胞数の変動を最小限に抑えるように注意して設定すべきである。例えば、ビステアリルエチレンジアミド処理は、比較的高濃度 (250 μ m) であったが、短時間で全ての細胞ができるだけ等しく成長することを可能にするために、分析された生存細胞の数を等しくする。これらの実験条件下では、HCC827 および PC-9 細胞は3時間均等に成長した (図 1)。PBS 処理 (対照) 細胞と比較してビステアリルエチレンジアミド処理された細胞の CE-MS 分析は、HCC827 および PC-9 細胞においてそれぞれ175および150の差動代謝物を明らかにした。これらの中で、ペントースリン酸経路 (PPP) のいくつかの中間体および上部解糖系は両方の細胞株においてビステアリルエチレンジアミド処理状態において有意に高かったが、一方、少数のトリカルボン酸 (TCA) サイクル中間体は、治療条件 (図 2および図 3)。
この PPP は、還元性ニコチン酸ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸塩 (NADPH) の形態で還元当量を生成し、これは、15のレドックスホメオスタシスの恒常性維持および脂肪酸生合成に使用される。ビステアリルエチレンジアミド治療後、グルコン酸のレベル-酸化されたグルコース-HCC827 細胞で12倍増加し、PC 9 細胞で10倍;同様に、ビステアリルエチレンジアミド治療に続いて、6-リン酸塩 (G6P は) のグルコースレベル (リン酸化グルコースおよび最初のヘキソキナーゼ-触媒解糖系製品) も、それぞれ HCC827 および PC-9 細胞において 6.3-および3.5 倍増加した (図 4)。さらに、ビステアリルエチレンジアミド治療後、phosphogluconate (6PG) のレベルは、PPP における最初の中間体であり、PBS コントロールに見られるレベルと比較して、HCC827 細胞では89倍、PC-9 細胞では231倍に増加した (図 4)。対照的に、果糖 6-リン酸塩 (F6P) およびフルクトース 1, 6-ビスホスフェート (F1, 6P) のような他の解糖系中間体のレベルは、ビステアリルエチレンジアミド実験条件において変化しなかった (図 4)。総ニコチン酸アミドアデニンニコチンアミドアデニンジヌクレオチド (NADP+) レベルは、ビステアリルエチレンジアミド処理と PBS 制御条件 (図 4) の間でほぼ同等であり、グルコースが PPP を介して主に異化したことが示唆された。

図 1.ビステアリルエチレンジアミド処理時に未変更のセル番号。250 μ m のビステアリルエチレンジアミドに対する細胞増殖応答をトリパンブルー染色法を用いて測定した。(A) HCC827 および (B) PC-9 細胞のうち PBS (青色) またはビステアリルエチレンジアミド (赤; 250 μ m) を1または 3 h で処理したセル番号が示されている。データは平均値± SD (n = 6) として表示されます。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 2.代謝産物の代表的な MS ピーク。Electropherograms は、(A) グルコン酸、(B) グルコース6−リン酸 (g6p は)、(C) 6 − Phosphogluconate (6PG)、及び (D) ニコチン酸アミドアデニンニコチンアミドアデニンジヌクレオチド燐酸 (NADP+) として注釈付けされた、CE − MS 分析によって得られる。各行は細胞株 (固体、HCC827、点線、PC-9) および治療 (青色、PBS、赤色、ビステアリルエチレンジアミド) を示している。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 3.細胞内代謝産物のメタボロームプロファイル(A) HCC827 および (B) ビステアリルエチレンジアミドで処理した PC-9 細胞における代謝産物の倍変化は、LOG2(ビステアリルエチレンジアミド/PBS) として示されている。合計で、175および150代謝産物は、それぞれ HCC827 および PC-9 細胞において注釈付けされた。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 4.ビステアリルエチレンジアミド処理時の PPP のアップレギュレーションビステアリルエチレンジアミドによる治療後の解糖系およびリン酸ペントース (PPP)に関与する主要代謝物質の細胞内濃度 (pmol/106 細胞) が示されている。代謝物は、PBS (blue) またはビステアリルエチレンジアミド (赤、250μ m) で処理された HCC827 および PC-9 細胞から30分間、グルコン酸、グルコース 6-リン酸 (g6p は)、フルクトース 6-リン酸 (F6P)、6などの代表的な代謝産物を抽出した。− phosphogluconate (6PG)、及びリン酸アミドアデニンニコチンアミドアデニンジヌクレオチド (NADP+) が示されている。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
ここでは、メタボロミクスをベースとした培養がん細胞から代謝物を調製するための、広くアクセス可能な方法論について述べる。このプロトコルの中で最も重要なポイントの1つは、測定された代謝物濃度が生存細胞数に対して正規化しているため、がん細胞を適切に調製することです。細胞数の正確な推定のためには、メタボロミクス分析のための代謝産物の抽出と並行して生存細胞数を数えるために実験群ごとに少なくとも1つの追加培養皿を調製する必要がある。さらに、同じ数の細胞は、反復のために、そして数えるための皿の各皿で播種されるべきです。将来的には、これは、同じ料理が生存細胞をカウントし、代謝物を抽出するために使用されることを可能にする迅速かつストレッサー (例えば、トリプシンフリーの) 細胞計数プロトコルによって助けられるであろう。細胞が食器の表面から剥離しないように、洗浄中は注意が必要です。重度の細胞毒性試験および細胞接着を減少させる他の実験は、洗浄手順の間の細胞の潜在的な損失によるこの抽出プロトコルには不適当であり得る。
PBS のような塩ベースのバッファーは、メタボロミクス分析を妨害し、測定に悪影響を及ぼすため、CE MS ベースのメタボロミクス分析のために培養細胞から代謝物を抽出するための洗浄バッファーとして、5% のマンニトール溶液を使用することが重要です。
2つまたは3つの皿は個々の皿からの代謝物をそれぞれ抽出し、次にサンプルをプールすることによって単一のサンプルとして結合することができる;しかし、複数の皿を組み合わせることは、抽出された代謝産物溶液中の残留マンニトールを増加させることが多い。これはまた、CE-MS によるメタボロミクス分析を妨げる可能性があります。したがって、単一のサンプルとして複数の料理や井戸を使用しないことをお勧めします。
このメタボロミクス分析法は、50 ~ 1000 Da の分子量を持つ荷電分子を包括的に測定するために開発されました。従って、この議定書は水様の、低分子量の混合物の抽出のために最大限に使用される。したがって、このプロトコールは、タンパク質および核酸のような脂質または高分子のような疎水性代謝産物の抽出には適さない。培養細胞試料の包括的脂質分析またはリピドミクスの要求が高まっていることから、親水性および疎水性代謝産物の同時抽出のための簡便で効果的なプロトコールの開発が必要とされている。
代謝物抽出の最初のステップ—培地の吸引と細胞をマンニトールで洗浄すること—細胞の代謝プロファイルへの変化を最小限に抑えるために、できるだけ早く行う必要があります。マンニトールによる洗浄後のメタノールによる細胞の治療は、タンパク質を変性させ、酵素がさらに代謝反応を触媒するのを防ぐことを前提としています。しかし、メタノール処理後でも、酸化還元反応、いくつかの脱カルボキシル化プロセス、チオール結合などの非酵素的化学反応が起こることがあります。このように、このプロトコルによって測定されたこれらの反応に関与する代謝物の任意の濃度は慎重に解釈する必要があります。このメタボロームは、ゲノムやトランスクリプトームとは対照的に、さまざまな化学的性質を持つ分子で構成されています。したがって、単一のプロトコルでは、損失や乱れなしにすべての代謝産物を抽出することはできません。このような反応性の高い代謝物をより正確に測定するためには、fractionations と derivatizations を必要とする特定の代謝産物群を抽出するように特別に設計されたプロトコルに相談する必要があります。ここで提示されるプロトコールは、CE − MS によるメタボロミクス分析のための培養細胞試料からの水性代謝産物の簡便かつ迅速な抽出を説明する。本稿では、現在の原稿の焦点が異なるので、CE を詳細に設定する方法については説明できませんでしたが、CE-MS をセットアップするための詳細な手順を説明するには、別の専用の記事が必要かもしれません。
作者は何も開示することはありません。
庄内地域産業振興センターの皆様のご協力に感謝いたします。この作品は、国立がん研究開発基金 (助成番号 28-9) による山形県と鶴岡市の研究資金によって部分的に支えられ、日本学術振興会 (科研費) によって助成17K07189」に HM。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 自動セルカウンター | Thermo Scientific | AMQAX1000 | Countess II 自動セルカウンター |
| 自動統合ソフトウェア | Agilent Technologies | MassHunter G3335-60041 | version B.02.00 |
| CEシステム | Agilent Technologies | Agilent 7100 CEシステム | |
| CE/MSアダプターキット | Agilent Technologies | G1603A | |
| CE-ESI-MS 噴霧器キット | Agilent Technologies | G1607A | |
| 細胞計数チャンバースライド | Thermo Scientific | C10282 | Countess 細胞計数チャンバースライド |
| 遠心フィルター装置、5 kDa | Human Metabolome Technologies | ULTRAFREE MC PLHCC、UFC3LCCNB-HMT | |
| 円錐形滅菌ポリプロピレンチューブ、15 ml | Thermo Scientific | N339651 | |
| 円錐形滅菌ポリプロピレンチューブ、50 ml | Thermo Scientific | N339653 | |
| Costar ストライペット、10 ml | Corning | 4488 | |
| Costar ストライペット、5 ml | Corning | 4487 | |
| D(-)-Mannitol | Wako | 133-00845 | 500 g |
| ダルベッコリン酸緩衝生理食塩水 (DPBS) | Sigma-Aldrich | D8537-500ML | |
| 電気泳動バッファー | ヒトメタボロームテクノロジー | H3301-1001 | 陽イオン分析用 |
| 電気泳動バッファー | ヒトメタボロームテクノロジー | H3302-1021 | 陰イオン分析用 |
| ウシ胎児血清 | バイオウエスト | S1780 | |
| フィルターチップ、1000 μl | Watson | 124P-1000S | |
| フィルターチップ、20 μl | Watson | 124P-20S | |
| フィルターチップ、200 μl | Watson | 1252-703CS | |
| 溶融シリカキャピラリー | Polymicro Technologies | TSP050375 | 50 μm i.d. ×全長80cm |
| HCC827 | アメリカンタイプカルチャーコレクション | CRL-2868 | |
| 内部標準液 | ヒトメタボロームテクノロジー | ズ H3304-1002 | |
| アイソクラティックポンプ | アジレントテクノロジー | アジレント1100シリーズ アイソクラティックポンプ | |
| メタノール | ワ | コー138-14521 | 1L、LC/MSグレード |
| マイクロチューブ、1.5ml | ワトソン | 131-415C | |
| 操作ソフト | Agilent Technologies | ChemStation | G2201AA version B.03.01 for CE |
| PC-9 | 理研バイオリソースセンター | RCB4455 | |
| RPMI-1640 | Sigma-Aldrich | R8758-500ML | |
| 無菌組織培養皿 100mm | コーニング | 430167 | |
| 飛行時間型質量分析計 | アジレントテクノロジー | Agilent G1969A Time-of-Flight LC/MS | |
| トリパンブルー溶液、0.4% | Thermo Scientific | T10282 | |
| トリプシン-EDTA 溶液 | Sigma-Aldrich | T4049-100ML | |
| 超純水 | Merck | Milli-Q 水 | 18.2 MΩ·cm純水 |
| メスフラスコ 50ml | いわき | 5640FK50E | TE-32 |