このプロトコルは、膜電位の変化を測定することによって電気発生膜タンパク質を研究するための方法を記載しています。このアッセイは、上皮細胞株で内因的に発現する複数のイオンチャネルの機能的読み出しのためのプラットフォームを提供します。
方法論記事
このプロトコルは、膜電位の変化を測定することによって電気発生膜タンパク質を研究するための方法を記載しています。このアッセイは、上皮細胞株で内因的に発現する複数のイオンチャネルの機能的読み出しのためのプラットフォームを提供します。
蛍光ベースの研究は、培養中の細胞のハイスループットプレートリーダーアッセイに適しています。これらは、HEK-293細胞などの細胞で過剰発現している組換えイオンチャネルタンパク質を標的とする創薬キャンペーンに一般的に使用されています。しかし、低分子介入の効果を研究するための組織関連細胞株の使用にますます重点が置かれています。以下のプロトコルは、上皮細胞株において内因的に発現されるイオンチャネルの研究のための蛍光ベースの膜電位アッセイの適応を記載する。膜電位アッセイでは、一般的に研究されている2つの上皮細胞株であるCaco-2とCalu-3における嚢胞性線維症膜貫通コンダクタンスレギュレーター(CFTR)の塩化物チャネル活性のハイスループットアッセイについて詳しく説明しています。さらに、この論文では、同じ上皮細胞株でハイスループットフォーマットで上皮ナトリウムチャネル(ENaC)の活性を測定するためのこのシステムの新しいアプリケーションについて説明します。これらの蛍光ベースのアッセイを組み合わせることで、低分子モジュレーターを研究するための堅牢で柔軟なプラットフォームが提供され、関連する細胞コンテキストで2つの上皮チャネルを標的としています。
組換えチャネルタンパク質の蛍光ベースのハイスループット活性アッセイは、将来の治療法になる可能性のある低分子モジュレーターを特定するのに非常に効果的です1、2、3、4。イオンチャネルモジュレーター用の低分子ライブラリーをスクリーニングする一般的な方法の1つは、膜電位の変化を測定することです。典型的には、これらのスクリーニングは、HEK-293細胞5、6、7などの細胞株において異質に発現する組換えチャネルを用いて実施される。
ただし、関連する細胞型における「ヒット」の検証が必要です。我々は、目的のチャネルを内因的に発現する関連細胞株における二次スクリーニングが望ましいことを提案する。このような二次スクリーニングは、アクセスしにくい一次ヒト組織に依存する最終検証アッセイにおいて有効である可能性が最も高いモジュレーターを特定するであろう。
また、同じ組織タイプ内の複数のイオンチャネルターゲットの活性を報告する柔軟性を備えたアッセイシステムも必要です。たとえば、CFTRとENaCが機能的に相互作用するという概念を支持する実質的な公開文献があります8,9,10。いくつかのよく研究された上皮細胞株がCFTRおよびENaCの両方を発現することが知られているが、今日まで、両方をハイスループット様式で研究するためのアッセイ条件は記載されていない。
この蛍光ベースの膜電位アッセイは、CFTRおよびENaCの機能を測定するために外因性の化学プローブを採用し、遺伝的にコードされたプローブの必要性をバイパスするため、用途が広い11。原理の証明として、CFTRとENaCの両方のチャネル活性を測定するために必要な重要なステップを強調するために、一般的に使用される2つの上皮細胞株が例として研究されています。
1. 細胞のプレーティングと分化
2. CFTRファンクショナルアッセイバッファー溶液の調製
3. CFTRファンクショナルアッセイ
4. ENaC機能アッセイバッファー溶液調製
5. ENaC機能アッセイ
CFTRチャネル活性を測定するために、高分化した接着細胞を、膜電位感受性色素を含むゼロ塩化物細胞外溶液中でインキュベートする。CFTR機能は、フォルスコリン刺激後の膜脱分極として一貫して検出されます。 塩化物流出は、ビヒクル制御と比較して蛍光の急激な増加として検出される。蛍光シグナルはCFTR阻害剤(CFTRInh172)を添加するまで持続し、Caco-2細胞で見られるように蛍光強度の急速な低下をもたらし(図1A)、Caco-2細胞とCalu-3細胞の両方で再現性があります(図1B)。フォルスコリンまたはDMSO(ビヒクル)後の蛍光の最大変化の差としてのCFTR活性の評価。個々の点は±平均フォルスコリン刺激(黒点)またはDMSO対照(灰色点)から3標準偏差の範囲であり、Z'係数0.586に対応していた。この優れたスコアは、このアッセイの再現性を示した(図1C)。ベースラインに軽微なドリフトがある場合、活性化後、阻害剤添加点までのトレース全体でベースラインを外挿することにより、ドリフトの影響を最小限に抑えることができます。応答は曲線下の面積として定量化でき、下限は外挿された線で定義されます。
ENaC活性は、96ウェルプレートで増殖したコンフルエントな気道および結腸上皮細胞においても測定することができる。CFTRチャネル活性のアッセイとは対照的に、これらの細胞は高ナトリウム含有溶液に沈められ、ENaCを介したナトリウム吸収を可能にします。アミロリドの急性添加により、ナトリウムの取り込みが遮断され、細胞は相対的な膜過分極を経験する。これは、低濃度(10 μM)(図2A)と高濃度(50 μM)の両方のCaco-2細胞(図2A、B)と、高濃度のアミロリド(50 μM)のCalu-3細胞(図2B)で示されています。ENaCアッセイは384ウェルプレートフォーマットに拡張され、ENaC阻害において高い再現性を示しました。同様に、個々の点は、平均アミロリド阻害(黒点)またはDMSO対照(灰色点)から±3標準偏差の範囲であった。Calu-3細胞におけるENaC応答は、アミロライド(50μM)を用いた急性治療で0.629のZ'係数を報告し(図2C)、これらのパラメータがハイスループットスクリーニングをサポートすることを示しています。

図1:Caco-2およびCalu-3細胞における膜脱分極の変化としてのCFTRチャネル測定 。 (A)Caco-2細胞におけるフォルスコリン(1 μM)およびDMSOコントロールによるCFTR刺激の代表的な痕跡。(B)Caco-2およびCalu-3細胞におけるフォルスコリン刺激のボックスおよびウィスカープロット(**** P < 0.0001、n > 3生物学的反復、n > 3技術的反復)。生物学的複製は独立した細胞株継代です。テクニカルレプリケートとは、マルチウェルプレートの独立したウェルを指します。箱ひげ図は中央値を表します。境界はIQRを表し、ウィスカは最小値と最大値を定義します。(C)Caco-2細胞におけるDMSOコントロールと比較したフォルスコリン刺激による再現可能なCFTR応答のブランド-アルトマンプロット。黒い点は、フォルスコリン刺激に応答した蛍光の最大絶対変化を表します。灰色の点は、DMSO制御に応答した蛍光の変化を表す。略語:CFTR =嚢胞性線維症膜貫通コンダクタンスレギュレーター;DMSO = ジメチルスルホキシド;IQR =四分位範囲;Fsk = フォルスコリン;ΔF/F0 = 蛍光の変化。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:Caco-2およびCalu-3細胞における膜過分極によるENaC阻害測定。 (A)Caco-2細胞におけるDMSOコントロールに対するアミロライド(10 μM)によるENaC阻害の代表的な痕跡。(B)Caco-2およびCalu-3細胞におけるアミロライド阻害のボックスおよびウィスカープロット(**** P < 0.0001、n > 3生物学的複製、n > 3技術的複製)。(C)Calu-3細胞におけるDMSOコントロールと比較したアミロリド阻害による再現可能なENaC応答のブランド-アルトマンプロット。黒い点は、アミロライド阻害に応答した蛍光の最大絶対変化を表す。灰色の点は、DMSO制御に応答した蛍光の変化を表す。略語:ENaC =上皮ナトリウムチャネル;DMSO = ジメチルスルホキシド;アミル。=アミロリド;ΔF/F0 = 蛍光の変化。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
| 名前 | 濃度 |
| NMDG(N-メチル-D-グルカミン) | 150ミリメートル |
| グルコン酸ラクトン | 150ミリメートル |
| グルコン酸カリウム | 3ミリメートル |
| ヘペス | 10ミリメートル |
表1:ゼロナトリウムおよび塩化物を用いたCFTR機能アッセイのための試薬およびそれに対応する濃度。 略語:CFTR =嚢胞性線維症膜貫通コンダクタンスレギュレーター。
| 名前 | 濃度 |
| グルコン酸ナトリウム | 150ミリメートル |
| グルコン酸カリウム | 3ミリメートル |
| ヘペス | 10ミリメートル |
表2:高ナトリウム、ゼロ塩化物を含むENaC機能アッセイバッファーの試薬およびそれに対応する濃度。 略称:ENaC =上皮性ナトリウム(Na)チャネル。
ここでは、上皮性大腸癌細胞株Caco-2およびヒト上皮性肺癌細胞株Calu-3におけるCFTRおよびENaC活性を測定するための蛍光ベースの方法について説明しました。上皮細胞株におけるこれらの膜電位アッセイは、初代患者由来の上皮培養における最終的な in vitro 検証の前に、異種発現系で以前に同定された低分子モジュレーター化合物の有効性を確認するために使用できます。
上記の測定値が関心のあるチャネルに適切に起因することを確認することが不可欠です。例えば、CFTRに起因する測定は、CFTRタンパク質発現およびフォルスコリンおよび阻害剤CFTRInh-172によって調節される塩化物の電気化学的駆動力への依存性を示すはずである。同様に、10 μMアミロライドによって引き起こされる膜電位の変化は、ENaCタンパク質の発現と内向きのナトリウム駆動力に依存している場合、ENaCに起因する可能性があります。我々は、ENaC 2の3つのサブユニットすべてでトランスフェクションした後、MDCK細胞におけるENaCのこれらの特性を確認しましたが、Caco-2およびCalu-3細胞で測定されたアミロリド応答がENaCによって付与されることはまだ正式に確認されていません。アミロリドはENaC13に加えてナトリウム - プロトン交換体NHE3の機能を調節することができるので、これは特に重要である。おそらく、このアッセイで観察されたアミロリド誘発過分極は、他のチャネルに対する細胞内酸性化の間接的な影響を部分的に反映している可能性があります。.この膜電位感受性色素を用いて測定したアミロリド誘発過分極が、上記の細胞株やiPS細胞由来組織などのより複雑な細胞系においてENaCによって付与されることを確認するために、これらの系統の偏性ENaCサブユニット(β)をノックアウトすることにより、この活性が失われることを確認しています。
これらのアッセイの成功には、いくつかの要因に注意を払う必要があります。第一に、上皮培養物はコンフルエントでよく分化していなければなりません。CFTRおよびENaC機能の測定には、96ウェルプレートではウェルあたり約145,000細胞、384ウェルプレートではウェルあたり約45,000セルをプレーティングする必要があります。上皮細胞がコンフルエントに達したら(メッキから3〜4日以内)、2〜5日間の分化を待ちます。このタイミングは、イムノブロッティングによる最大CFTRタンパク質発現に基づいて予め決定した14。同様に、Calu-3およびCaco-2の両方の細胞株における機能的ENaC発現について最適なタイミングが決定された。
非コンフルエントな単分子膜または細胞の異常増殖は、技術的な反復全体での再現性の低下につながります。個々のウェル内の細胞が同時にコンフルエントに達しない場合は、これらのプレートを廃棄する必要があります。さらに、不安定なベースライン測定値または刺激応答の欠如は、細胞品質の低下を示している可能性があり、分析から除外する必要があります。CFTRアクチベーターであるフォルスコリン、またはENaC阻害剤であるアミロリドに対する応答の低下は、過剰に継代された細胞の使用を反映している可能性があります15。Calu-3およびCaco-2細胞では問題ではありませんが、他の細胞または組織がプレートにうまく接着しない可能性があり、ウェルのプレコーティングが必要になる場合があります。例えば、以前の研究では、2D胆管細胞培養物をコラーゲンコーティング16を用いてプレートに付着させた。あるいは、2D腸組織の接着を、Poly-L-リジン2を用いて増加させた。
さらに、蛍光ベースのアッセイを用いて低分子によるイオンチャネルの調節を試験する際には、低分子の蛍光特性によって生じる潜在的なアーチファクトに対処することが重要である。機能的応答の特異性を確認するために、膜電位アッセイは、Ussing研究17などの従来の電気生理学的方法を使用してさらに検証することができる。
膜電位感受性色素によって検出される応答が目的のチャネルによって特異的に付与されることを確認した後、これらのアッセイは、関連する細胞状況において上皮イオンチャネルの有望なモジュレーターを検証する大きな可能性を秘めています。このプラットフォームは、異種発現システムにおけるハイスループットモジュレータースクリーンと、アクセスが困難な一次組織における時間のかかる生体電気測定との間のギャップを埋めることができます。
著者は競合する利益を宣言しません。
著者らは、CFTRとENaCを測定する膜電位アッセイの実施に協力してくれた病気の子供のための病院のChristopher FladdとSPARC BioCentreに感謝したいと思います。この作業は、CFITカナダとシックキッズ財団から提供された資金提供を受けて、CFITプログラムによってサポートされました。この研究は、Genome CanadaとOntario Genomics Institute(OGI-148)を通じてカナダ政府から資金提供を受けた。この研究はオンタリオ州政府によって資金提供されました。S.X.は、カナダ消化器病学会(CAG)博士号奨学金の支援を受けました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Amiloride | Spectrum Chemical | TCI-A2599-5G | DMSO に溶解し、-20 °Cで保存。C |
| CFTRInh-172 | CF Foundation Therapeutics | DMSOに溶解し、-20°Cで保存。C | |
| EMEM、1xs | Wisent | 320-005-CL | |
| ウシ胎児血清 (FBS) | Wisent | 080-450 | |
| FLIPR 膜電位色素 | 分子デバイス | R8042 | 4 °C;C |
| Forskolin | Sigma-Aldrich | F3917 | DMSOに溶解し、-20°Cで保存。C |
| グルコン酸ラクトンまたは(D-(+)-グルコン酸 δ-ラクトン) | Sigma-Aldrich | G4750 | 室温で保存 |
| HEPES | Bioshop | HEP001.5 | 室温で保存 |
| ヒト気管支腺癌細胞株 (Calu-3) | ATCC | HTB-55 | |
| ヒト上皮結腸直腸腺癌細胞株 (Caco-2) | ATCC | HTB-37 | |
| N-メチル-D-グルカミン (NMDG | Sigma-Aldrich | M2004 | 室温で保存 |
| ペニシリン-ストレプトマイシン溶液 | Wisent | 450-200-EL | |
| リン酸緩衝生理食塩水 (PBS) | Wisent | 311-010-CL | |
| グルコン酸カリウム | Sigma-Aldrich | P1847 | 室温で保存 |
| グルコン酸ナトリウム | Sigma-Aldrich | G9005 | 室温で保存 |
このJoVE記事のテキストまたは図の再利用許可をリクエスト
許可をリクエスト