in vitroでの興奮性細胞の応答を研究するために、このプロトコルでは、遺伝子操作されたテットオンスパイクHEK細胞の単純な興奮性細胞モデルでのエレクトロポレーションによる活動電位発生の変化、および関連パラメータの自動抽出による膜貫通電圧の変化の光学モニタリングについて説明します。
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in vitroでの興奮性細胞の応答を研究するために、このプロトコルでは、遺伝子操作されたテットオンスパイクHEK細胞の単純な興奮性細胞モデルでのエレクトロポレーションによる活動電位発生の変化、および関連パラメータの自動抽出による膜貫通電圧の変化の光学モニタリングについて説明します。
神経細胞や筋肉細胞などの興奮性細胞は、急速に出現するエレクトロポレーションベースの治療の主要な標的となる可能性があります。しかし、主要な標的ではない治療法でも電気パルスの影響を受けることがあり、これが有害な副作用を引き起こす可能性があります。したがって、興奮性組織と非興奮性組織のエレクトロポレーションベースの処理を最適化するには、興奮性細胞、そのイオンチャネル、および興奮性に対する電気パルスの影響を in vitroで研究する必要があります。この目的のために、遺伝子操作されたtet-onスパイクHEK細胞の単純な興奮性細胞モデル上でのエレクトロポレーションによる活動電位発生の変化を光学的にモニタリングするためのプロトコルが開発されました。蛍光ポテンショメトリック色素を使用して、膜貫通電圧の変化を蛍光顕微鏡で監視し、細胞応答の関連パラメーターをMATLABアプリケーションを使用して自動的に抽出しました。このようにして、さまざまな電気パルスに対する興奮性細胞の応答と、励起とエレクトロポレーションの相互作用を効率的に評価できます。
エレクトロポレーションでは、高電圧の電気パルスにより、他の方法では透過性が低い分子の原形質膜透過性が増加します1。エレクトロポレーションベースの技術は、今日、医学2、バイオテクノロジー3、および食品技術4のアプリケーションで広く使用されています。
神経細胞や筋肉細胞などの興奮性細胞は、心臓、脳、骨格筋5で急速に出現しているエレクトロポレーションベースの治療の主要な標的の一つです。さらに、主要な標的ではない治療でも電気パルスの影響を受けることがあり、痛み、筋肉のけいれん、神経損傷などの有害な副作用を引き起こす可能性があります6。つまり、電気パルスは興奮性細胞に電気刺激を引き起こす可能性があり、電位依存性イオンチャネルを活性化し、活動電位(AP)をトリガーします。しかし、より高い電界では、細胞の原形質膜が透過化され、細孔/欠陥を通る追加のイオン電流が発生します7。この追加のイオン電流は、励起とエレクトロポレーションの間の複雑な相互作用における細胞の興奮性に影響を与えます。したがって、興奮性組織と非興奮性組織のエレクトロポレーションベースの処理を最適化するには、興奮性細胞、そのイオンチャネル、および興奮性に対する電気パルスの影響を in vitroで研究する必要があります。
最近の研究8では、興奮性細胞のエレクトロポレーションを研究するための貴重なツールとして、Cohenらによって開発された遺伝子操作されたヒト胚性腎臓(HEK)細胞9,10を調査しました。これらの他の点では興奮性のない細胞では、興奮性に必要なナトリウムチャネルとカリウムチャネル(NaV1.5およびKir2.1)の最小限の補体が発現します。これらの細胞におけるKir2.1の発現は、ドキシサイクリン誘導性テットオンシステムによって制御されており、興奮性スパイキングS-HEK(NaV1.5およびKir2.1を含む)および非興奮性非スパイク性NS-HEK細胞(NaV1.5チャネルのみを含む)の2つの細胞変異体の確立を可能にします。これにより、同じ種類の細胞の興奮性変異体と非興奮性変異体に対する電気パルスの影響を比較することができます。単離された初代興奮性細胞、胚性または人工多能性幹細胞から分化した興奮性細胞、興奮性組織に由来する細胞株と比較して、S-HEK細胞には、取り扱い、培養、増殖が容易で、ナトリウムおよびカリウムチャネルが明確に定義されており、堅牢なAPを生成するなど、いくつかの利点があります8。
私たちは、蛍光電位差測定色素を使用して、異なる振幅の電気パルスによって引き起こされる膜貫通電圧(TMV)の変化を監視するためのプロトコルを設計しました。このようにして、エレクトロポレーションがS-HEK細胞のAP生成や、S-HEK細胞とNS-HEK細胞の両方でTMVの他の変化にどのように影響するかを調べることができます。簡単に言うと、S-HEKまたはNS-HEK細胞は2分ごとに100μsの電気パルスに1回さらされ、各パルスの塗布の周囲で蛍光の相対的な変化が約3秒間記録されます。印加されるパルスは電圧が上昇し、最初に細胞内のAPをトリガーし、より高い電界ではエレクトロポレーションをトリガーします。パルス印加間の2分間の間隔は、連続したパルスの累積的な影響を最小限に抑えながら、実験を細胞を劣化させない程度に短くするために選択されました。画像処理は、ポテンショメトリック色素の蛍光応答の関連パラメーターを抽出するために、カスタムMATLABアプリケーションを使用して自動化され、S-HEKおよびNS-HEK細胞のTMV(APおよびエレクトロポレーションによる持続的な脱分極)の変化を評価しました。
1. 試薬の調製と細胞培養
2. サンプル調製
3. 電気刺激およびエレクトロポレーション
4. データ分析
電気パルスによって 誘発されるin vitro の興奮性細胞のTMVの変化は、このプロトコルで光学的に監視でき、蛍光信号を分析して関連するパラメータを抽出することができます。
実験のセットアップを 図1Aに示します。実験で使用される100μsの電気パルスの典型的な信号を 図1Bに示します。顕微鏡下に置かれたチャンバー内の細胞は、通常、 図1C (明視野画像)および 図1D (蛍光画像)の細胞のように見えます。2分ごとに、電圧が上昇する電気パルスを同じ細胞に印加する実験を行います。2分間のインターパルス時間は、特に顕著なエレクトロポレーションに関連する最大振幅のパルスを使用する場合、細胞膜の完全な再封止および回収を可能にするのに十分な長さではない可能性があることに注意してください。したがって、パルスの累積的な影響が予想されます。これらの累積的な影響を避けるために、パルス間遅延を延長することができますが、その代償として、試験するパルス振幅の数を減らし、細胞を顕微鏡上に長時間保持することを避けます。
実験で蛍光画像を取得した後、カスタムMATLABアプリケーションで解析します。まず、ピクセルのしきい値を決定します(図2A)。下限閾値を調整すると、細胞の周りの膜の鮮明な画像(紫色)が得られ、高閾値を調整すると、破片の信号(緑)が除去されます。次に、アプリケーションは、送達された連続パルスごとにすべての閾値ピクセルの平均蛍光強度を決定し、蛍光F/F0の相対的な変化の時間依存的な信号を取得します。この信号は、パルスが印加されていない制御タイムラプス記録から決定されたFの線形減少の傾きを差し引くことにより、色素の光退色を補正します(図2B)。シグナルを補正した後、レスポンスのパラメータをアプリ内テーブルと補正した蛍光シグナルのグラフの形で抽出します(図2C)。まれに、アルゴリズムが明らかなピークを検出しなかったり、スプリアスノイズ信号を誤検出として検出したりすることがあります。このような場合、ユーザーは、蛍光シグナルの対応するポイントをピークとして手動で選択するか、検出された偽ピークを除去するかを選択できます(図2D-電気パルスが印加される前に異常に検出された小さなピークの除去)。
MATLABアプリケーションを使用すると、興奮性S-HEK(図3A)と非興奮性NS-HEK細胞(図3B)の両方で、電気パルスに対するTMV応答の画像を取得できます。ピーク数(NoPeaks)、平均ピークtoピーク時間(複数のピークが検出された場合、MPPT)、最大応答(MR)、最初のピークまでの時間(TtFP)、ピークから25%、50%、75%、90%の回復までの時間(それぞれT25、T50、T75、T90)の応答パラメータが抽出されます(表1)。これらのパラメータにより、さまざまな電気パルスに対する応答の評価(たとえば、異なるEの電気パルスによってトリガーされるピークの数を決定する、 図3C)や、励起とエレクトロポレーションの相互作用を評価できます。

図1:セットアップ、波形、およびS-HEK細胞(A)顕微鏡ステージ上のチャンバーの画像。(B)研究で使用したパルスの波形の例(経時的な電圧(U))。(C、D)S-HEK細胞((C):明視野、(D):蛍光)、スケールバー:100μmの画像。 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:データ分析アプリケーション。 (A)アプリケーションインターフェースのイメージ - しきい値処理。(B)蛍光変化の生シグナルと補正シグナルのグラフ。(C)アプリケーションインターフェースの画像-抽出されたデータ。(D)ピーク検出の手動補正(電気パルスが印加される前に異常に検出された小さなピークの除去、赤い矢印でマーク)。 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3:代表的な結果 (A、B)興奮性S-HEKおよび(B)非興奮性NS-HEKにおけるTMVのトリガー変化を、異なる振幅の100μs電気パルスで、代表的な実験から得られた結果。わかりやすくするために、適用されたパルスシーケンスで選択したパルスに対する応答のみが表示されます。(C)異なる振幅の100μsパルスによってトリガーされるTMV応答のパラメータ:例はピークの数を示しています。結果は平均±SE、実験数:N = 13として表されます。 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。
| インデックス | E-ストレングス (V/cm) | ピークなし (-) | MPPTの (ミリ秒) | さん (-) | TTFPの (ミリ秒) | T25の (ミリ秒) | T50の (ミリ秒) | T75の (ミリ秒) | T90の (ミリ秒) |
| 1 | 0 | ||||||||
| 2 | 126 | 9 | 224 | 0.104 | 360 | 72 | 108 | 144 | 180 |
| 3 | 150 | 6 | 354 | 0.097 | 108 | 72 | 108 | 144 | 180 |
| 4 | 176 | 2 | 144 | 0.089 | 36 | 72 | 108 | 144 | 180 |
| 5 | 200 | 1 | 0.075 | 0 | 108 | 144 | 180 | 252 | |
| 6 | 250 | 2 | 396 | 0.064 | 0 | 108 | 216 | 432 | 2052 |
| 7 | 300 | 1 | 0.059 | 0 | 180 | 1188 | 2448 | ||
| 8 | 350 | 1 | 0.053 | 0 | 1008 | 2340 | |||
| 9 | 400 | 1 | 0.047 | 0 | 1512 |
表1:異なる振幅の100μsパルスによってトリガーされるTMV応答のパラメータ。
S-HEK細胞は、NaV1.5およびKir2.19という明確なナトリウムおよびカリウムチャネルを持つ単純な興奮性細胞モデルです。これにより、興奮性細胞が電気パルスの印加に対してどのように応答するかを深く研究し、S-HEK細胞で発現するチャネルのよく知られた理論的特性に基づいて、実験データを数理モデルと関連付けることができます。私たちの以前の研究8では、Eが増加する100μsパルスに対するこれらの細胞の応答を実験的および理論的に説明しました。Eが低いと、S-HEK細胞は単一または複数の活動電位で応答しますが、Eが高いと、APは延長され、持続的な脱分極に変わります。持続的な脱分極は、これらの細胞の非興奮性バージョン(NS-HEK)でもはっきりと見えるため、エレクトロポレーションとそれに伴う非選択的イオン電流の増加に起因します。
蛍光ポテンショメトリック色素の使用は、興奮性細胞のAPおよびエレクトロポレーションを研究するための非常に効果的な方法であることが証明されました。パッチクランプなどの従来の電気生理学的方法と比較して、光学測定ははるかに便利で時間効率が高く、特別な技術的スキルを必要としません。また、高電圧電気パルスの使用は、パッチクランプ測定12で問題となる可能性のある測定を妨げない。しかしながら、このプロトコルの主な欠点は、染料の性質に関連しています。その光退色のために、捕捉された蛍光シグナルは補正が必要です。色素は細胞内に自発的に拡散するため、メンブレンからのシグナルは時間とともに減少します。このため、この色素は、TMVの活動電位やその他の短期的な変化(これらの実験では~3秒)のモニタリングに適しています。この色素はレシオメトリックイメージング13を可能にするので、そのようなイメージングは、色素の拡散に関するいくつかの問題を回避することができるが、達成可能なイメージング速度の低下を犠牲にする。この実験構成では、レシオメトリックイメージングが遅すぎて、活動電位の形状を正しく捉えることができません。さらに、色素蛍光の測定された変化は、TMVの変化に関する定性的な情報を提供します。それにもかかわらず、染料を校正して定量的な測定を可能にすることができます。
カスタムMATLABアプリケーションを使用した自動画像解析により、大量のデータを解析し、TMV応答の貴重な特性を短時間で効率的に抽出することができます。このアプリケーションは、視野内のすべての細胞の膜から蛍光シグナルを捕捉するように構成されています。これにより、信号対雑音比は向上しますが、TMVが個々のセルレベルでどのように変化するかについての情報が失われるという犠牲を払っています。与えられた実験構成では、個々の細胞からのシグナルはノイズが多すぎて、有用な測定が可能ではありませんでした。また、隣接する細胞の膜は区別しづらかった。それにもかかわらず、HEK細胞は、電気的に結合したギャップ結合を内因的に発現します。前の研究8で提示された数学的モデリングは、それらの電気的接続により、視野内のセルがAPを同時にトリガーするのに十分近いことを実証しました。さらに、APは細胞単層に沿って高速で伝播する(約34mm/s、5倍の対物レンズ倍率でのイメージングに基づいて推定)8,9。視野の辺の長さ (~0.33 mm) を考慮すると、AP はこの長さを約 10 ミリ秒で移動することになり、これは画像取得時間よりも短くなります。したがって、この倍率と記録速度ではAPの伝搬効果は見られません。それにもかかわらず、電極から視野へのAPの伝播は、印加されたパルスと捕捉されたAPとの間に遅延を引き起こす可能性がある8。
先行研究8および本論文では、興奮性とエレクトロポレーションの相互作用に対する100μsのパルス持続時間の影響が記載されている。しかし、このプロトコルは、他のパラメータ(異なる持続時間、電圧、数、繰り返し率または形状)または他の興奮性細胞を用いた電気パルスの研究に適合させることができます。
著者は、利益相反を宣言しません。
この研究は、スロベニア研究イノベーション庁(ARIS)の研究プログラムP2-0249、インフラストラクチャプログラムI0-0022、および研究プロジェクトJ2-2503の支援を受けました。この研究は、ARISとリュブリャナ大学がスタートアップ研究プログラムへの資金提供を通じて一部支援しました。この作業の一部は、プロジェクトMN-0023内のNextGenerationEUおよびNOOの資金提供を通じて、欧州連合とARISによって支援されました。この研究は、ERC Starting Grant(No.101115323-REINCARNATION)とMarie Skłodowska-Curieフェローシップ(No.893077-EPmIC)を通じて、欧州連合によって部分的に支援されました。ただし、表明された見解や意見は著者のものであり、必ずしも欧州連合または欧州研究会議の見解を反映するものではありません。欧州連合も付与機関も、それらに対して責任を負うことはできません。著者らは、テットオンスパイクHEK細胞を提供してくださったハーバード大学のAdam E. Cohen氏と、細胞培養研究室でのDuša Hodžić氏に感謝しています。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 1.5 mLチューブ | Ratiolab | 5615000 | |
| 2ウェルNunc Lab-Tek IIチャンバー#1.5ドイツカバーグラスシステム | サーモフィッシャーサイエンティフィック | ||
| ADP305 差動電圧プローブ | Teledyne LeCroy | ||
| AP015 電流プローブ | Teledyne LeCroy | ||
| Blasticidin | サーモフィッシャーサイエンティフィック | ||
| CO2インキュベーター | PHCbi | MCO -230AICUV | |
| ドキシサイクリン | シグマ・アルドリッチ/メルク | D9891 | |
| ダルベッコのModifed Eagle's 中高グルコース増殖培地 | Sigma-Aldrich/Merck | D5671 | |
| ElectroFluor630 (Di-4-ANEQ(F)PTEA) | ポテンショメトリックプローブ | 31795 | |
| ウシ胎児血清 | Sigma-Aldrich/Merck | F2442 | |
| Geneticin | Thermo Fisher Scientific | ||
| グルタミン | Sigma-Aldrich/Merck | G7513 | |
| 層流フード | Iskra Pio | MC 15-2 | |
| MATLAB | Mathworks | ||
| ペニシリン–ストレプトマイシン | Sigma-Aldrich/Merck | P07681 | |
| ポリ-L-リジン臭化水素酸塩 | シグマ・アルドリッチ/メルク | P9155-5MG | |
| パルス発生器 | カスタムメイド | 参照11 | |
| Puromycin | Thermo Fisher Scientific | ||
| T25 25cm²組織培養フラスコ | TPP | 90026 | |
| Tet-on Spiking HEK cells | American Type Culture Collection ATCC | CRL-3479 | |
| Thunder Imager Live Cell system for fluorescence microscopy | ライカ マイクロシステムズ | ||
| トリプシン-EDTA溶液 | Sigma-Aldrich/Merck | T3924 | |
| WavePro 7300A オシロスコープ | Teledyne LeCroy |
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