このプロトコルは、長鎖および超長鎖飽和脂肪酸のBODIPY-C12およびBODIPY-C16蛍光類似体による刺激時に内皮細胞における細胞脂質取り込みを測定するためのin vitroアッセイを詳述する。この方法は効率的で他の細胞型にも適応できるため、脂質代謝を研究するための有用なアプローチを提供します。
方法論記事
このプロトコルは、長鎖および超長鎖飽和脂肪酸のBODIPY-C12およびBODIPY-C16蛍光類似体による刺激時に内皮細胞における細胞脂質取り込みを測定するためのin vitroアッセイを詳述する。この方法は効率的で他の細胞型にも適応できるため、脂質代謝を研究するための有用なアプローチを提供します。
内皮細胞 (EC) は、血流から代謝組織への脂肪酸 (FA) 輸送を調節する上で中心的な役割を果たしていますが、信頼性とスケーラブルな方法で EC FA の取り込みを定量化するツールは依然として限られています。ここでは、蛍光FA類似体(BODIPY-C12 およびBODIPY-C16)を使用してECにおけるFA取り込みを測定するための迅速で定量的かつ費用対効果の高いアッセイを提示し、96ウェルプレートフォーマットでの鎖長特異的取り込みダイナミクスの調査を可能にします。このプロトコルには、陽性 (3-ヒドロキシイソ酪酸、乳酸) および陰性 (ニクロサミド) コントロールが組み込まれており、一次 (HUVEC) と不死化 (EA.hy926) の両方の EC ラインで検証されています。このアッセイは、時間および用量依存のFA取り込みを検出し、結果はHoechst核染色を使用して細胞数に正規化され、適切なコントロールを使用してバックグラウンドで補正されます。生細胞イメージングやパルスチェイス形式など、さまざまな細胞タイプ、イメージングモダリティ、実験条件に適応できます。従来の脂質染色や放射性標識トレーサーと比較して、この方法は、生細胞での動的な FA 取り込みを捕捉しながら、安全性、速度、多用途性を向上させます。このアッセイは、内皮脂質輸送の調節と代謝性疾患への寄与を研究するための堅牢なプラットフォームを提供します。
脂質などの血液由来の栄養素が骨格筋などの代謝組織に入るためには、まず毛細血管の壁を構成する内皮細胞(EC)関門を通過する必要があります。脂肪酸(FA)は単にこの障壁を越えて拡散して下にある組織に到達すると長い間信じられていましたが、新たな証拠は、ECが疎水性分子を水性細胞外および細胞内の世界に移動するように進化した特殊な輸送メカニズムを通じてこのプロセスを積極的に調節することを示唆しています1。
血流中では、FAはアルブミン結合遊離脂肪酸(FFA)として存在するか、カイロミクロンや超低密度リポタンパク質(VLDL)などのトリグリセリドに富むリポタンパク質(TRL)内にパッケージ化されています2。ECの管腔表面では、リポタンパク質リパーゼ(LPL)がTRLを加水分解してFFAを放出し、取り込みを行います。FA輸送には、細胞へのFAの実際の取り込みを実行するCD36を含む、さまざまなタンパク質が関与しています。ベクター輸送を媒介する脂肪酸輸送タンパク質(FATP)およびアシルCoA合成酵素(ACSL)。親油性シャペロンとして作用する脂肪結合タンパク質(FABP)、および無数の他のタンパク質、まだ発見および分類されていないものもあります2,3。下にある組織も同様のメカニズムを使用して輸送された脂肪を取り込みますが、存在する特定のアイソフォームは細胞の種類によって異なることがよくあります。
最近の研究では、ECがパラクリンシグナル伝達を介して隣接する細胞と協調し、標的組織へのFA輸送を調節することが示されています。たとえば、骨格筋細胞は、3-ヒドロキシイソ酪酸(3-HIB)、血管内皮増殖因子B(VEGFB)、アペリンなどのパラクリン因子の集まりを分泌して、近くの内皮によるFA輸送を促進します4,5,6。興味深いことに、インスリンが脂肪細胞を刺激して乳酸を放出し、ECがFAを取り込むように刺激する場合のように、内分泌系も関与している可能性があります7。
したがって、EC は脂肪の調節ゲートキーパーとして機能し、心血管疾患や 2 型糖尿病などの脂質代謝障害において重要な役割を果たしていることを示唆しています。最近の証拠は、EC自体が脂肪過負荷に応答して脂質滴(LD)を蓄積し、下にある組織への脂肪酸送達を調節する緩衝液として機能する可能性があることを示しています8,9。現代の食事の場合のように、脂肪を大量に摂取する場合、これらのLDの過剰な蓄積は、血管機能障害や高血圧を含む病気の一因となる可能性があります10。全体として、ECがFAをどのように取り込み、輸送するかをよりよく理解することは、脂質媒介性疾患に対処するための新しい治療法を提供する可能性があります。
この研究では、蛍光長鎖 FA 類似体 BODIPY-C12 および BODIPY-C16 を使用して、内皮 FA 取り込みを測定するための、シンプルで迅速かつ費用対効果の高いアッセイについて説明します。これらの試薬は、特に細胞脂肪取り込みの測定に伝統的に使用されてきた放射性または重同位体標識FAと比較して、かなり安価で非常に安全です11,12。これらの試薬は、細胞の疎水性領域、主にLDに受動的に蓄積する非共役「遊離」BODIPY色素とは異なることに注意することが重要です13。対照的に、BODIPYを脂肪族FA鎖(例えば、C12またはC16)に結合させると、天然の長鎖FAを構造的に模倣する分子が生成されます。この修飾により、細胞内脂質の貯蔵や液滴形成を反映するのではなく、細胞への動的脂肪酸取り込みの特異的な測定が可能になります。
このアプローチの主な強みは、その柔軟性です。研究者は、他の細胞型、可変インキュベーション時間、およびさまざまなBODIPY結合FA類似体を使用して、鎖長依存性の取り込み、またはシスパリナル脂肪酸14などの天然蛍光脂質を研究できます。全体として、このプロトコルは、研究者に複数の条件下で細胞FA取り込みをテストする簡単な方法を提供し、脂質代謝、内皮生物学、および代謝性疾患における基本的な質問に答える道を開きます(図1)。
この研究で使用されたすべてのヒト由来内皮細胞 (HUVEC) は、ヒト生物学的材料の倫理的使用に関する機関およびベンダーのガイドラインに従って、市販の匿名化された供給源から入手されました。すべてのステップは、層流フードの下の無菌環境で実行します。すべての試薬と機器のリストについては、 材料表 を参照してください。
1. 96ウェルプレートのゼラチンコーティング
2. 細胞播種
3. 処理試薬の調製と応用
4. BODYPY-FA: BSA複合体の調製と応用
5. 蛍光消光と細胞内シグナル検出
6.細胞正規化のためのヘクスト核染色
7. 統計分析
図1に示すように、このアッセイでは、ECをウェルに直接シードする96ウェルプレートフォーマットを使用します。BODIPY標識FAはウシ血清アルブミン(BSA)に結合し、実験ウェルと対照ウェルの両方に適用されます。FA治療の前に、ECは、siRNAトランスフェクションやCRISPR遺伝子編集などの薬理学的治療または遺伝的摂動によって操作できます。重要なことに、このような操作により、アッセイの信頼性を確保するために適切なポジティブコントロールとネガティブコントロールを含めることも可能になります。
HUVECとEA.hy926細胞の両方で、BODIPY-C12を0.5 μM、1 μM、および2 μMで1分、5分、および10分間インキュベートした後、細胞内BODIPY-C926シグナルの明確な用量依存性および時間依存性の増加が観察されました(図2)。ウェルあたりの細胞数の潜在的な変動を説明するために、BODIPY-C12値をHoechst核染色に正規化し、蛍光で測定しました。バックグラウンドの自家蛍光は、no-BODIPY および no-Hoechst コントロールウェルを使用して補正されました。
アッセイの再現性と範囲を検証するために、BODIPY-C12 を使用してEA.hy926 ECで脂肪酸代謝の既知のモジュレーターをテストしました(図3)。乳酸(0 mM、5 mM、20 mM)または3-HIB(0 mM、5 mM、20 mM)の濃度を増加させた1時間の処理は、用量依存的にBODIPY-C12 の取り込みを促進し、FA取り込みの正の調節因子としての役割を確認しました。逆に、化学ニクロサミドがミトコンドリア脱共役 を介して 脂肪酸の取り込みを阻害できることが以前に実証されています15。実際、ニクロサミド(1 μM)による30分間の処理により、ビヒクルコントロールと比較してBODIPY-C12 シグナルが大幅に減少し、ネガティブコントロールとしての有用性が検証されたため、同様の結果がここで再現されました。これらのデータは、細胞数の違いを説明するためにヘクストに正規化されていますが、これらの処理はいずれも細胞生存率やヘクスト蛍光値を変化させませんでした。
さまざまな脂肪酸類似体に対するアッセイの適応性を評価するために、非常に長鎖脂肪酸のプロキシと見なすことができるBODIPY-C16をHUVECに投与し、5分間のインキュベーション後にその取り込みを測定しました(図4)。乳酸処理(0 mM、10 mM、20 mM)は用量依存的にBODIPY-C16 シグナルを増加させ、ニクロサミド(1 μM)はシグナルを減少させ、BODIPY-C12で観察された結果を反映していることが観察されました。
全体として、このアッセイにより、一次 (HUVEC) および不死化 (EA.hy926) EC の両方における FA 取り込みの堅牢で再現性のある定量化が可能になりました。さらに、これらの発見は、さまざまな鎖長の FA にわたるアッセイの多用途性を実証するだけでなく、ポジティブ コントロールとネガティブ コントロールの両方の妥当性を示しています。

図1:BODIPY標識脂肪酸を用いた脂肪酸取り込みアッセイの概略図。 内皮細胞を黒色の透明な底の96ウェルプレートに播種し、BODIPY共役脂肪酸(FA)類似体とインキュベートして細胞内取り込みを可能にします。インキュベーション後、細胞外蛍光をトリパンブルーで消光し、ボトムリード蛍光マイクロプレートリーダーを使用して細胞内シグナルを測定します。蛍光測定後にヘヒスト核染色を適用して、正規化のための細胞数を定量化します。BODIPY-FA インキュベーションの前に、薬理学的治療または遺伝的摂動を適用できます。 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。

図2:初代内皮細胞および不死化内皮細胞におけるBODIPY-C12取り込みの定量化。 (A)0.5 μM、1 μM、および2 μM BODIPY-C12で1分、5分、および10分間インキュベーションした後のHUVECにおけるBODIPY-C12取り込みの時間および濃度依存性の増加は、それぞれ0.25 μM、0.5 μM、および1 μMのFAフリーBSAに複合体化した。(B)EA.hy926細胞は、同一条件下で同様の時間依存性および用量依存性のBODIPY-C12取り込みを示しました。平均蛍光強度は、Hoechst染色核(細胞数)およびBODIPYなしのコントロールに正規化されました。データは平均± SD として示されます。統計分析は、二元配置分散分析を使用して実行され、時間、集中力、およびそれらの相互作用の影響を評価し、続いて多重比較のために Tukey の事後検定が行われました。時間(p < 0.0001)、濃度(p < 0.0001)、およびそれらの相互作用(p = 0.0443)について有意な主効果が観察されました。Tukeyの検定によって特定された統計的に有意なペアワイズ比較は、棒グラフに次のように示されます:*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、および****p < 0.0001。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:EA.hy926のポジティブコントロールとネガティブコントロールを使用したアッセイの検証。 (A)1時間の乳酸処理(0 mM、5 mM、20 mM)は、用量依存的にBODIPY-C12 の取り込みを増加させました。(B)1時間の3-HIB処理(0 mM、5 mM、20 mM)は、同様にFA取り込みを増加させました。(C)30分間のニクロサミド処理(1 μM)は、ビヒクルコントロール(DMSO)と比較してBODIPY-C12 の取り込みを有意に抑制しました。平均蛍光強度は、Hoechst染色核(細胞数)およびBODIPYなしのコントロールに正規化されました。データは平均±SDとして示されています。2 μM BODIPY-C12 (1 μM脂肪酸フリーBSAに複合体化)をすべての実験で5分間インキュベートしました。(A)と(B)の統計量は、多重比較にはダネット検定の一元配置分散分析を使用し、Cについてはスチューデントの対応のない両側 T検定を使用して決定されました。p < 0.0001。 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4:HUVECにおけるBODIPY-C16 を使用したアッセイ検証。 (A)乳酸処理(0 mM、10 mM、20 mMを1時間)は、用量依存的にBODIPY-C16 の取り込みを増強しました。(B)ニクロサミド処理(1 μMで1時間)は、ビヒクル処理対照と比較してBODIPY-C16 シグナルを有意に減少させました。平均蛍光強度は、Hoechst染色核(細胞数)およびBODIPYなしのコントロールに正規化されました。データは平均±SDとして示されています。2 μM BODIPY-C16 (1 μM脂肪酸フリーBSAに複合体化)をすべての実験で5分間インキュベートしました。(A)の統計量は、多重比較のためにダネットの検定で一元配置分散分析を使用して決定され、Bについてはスチューデントの対応のない両側 T検定を使用して決定されました。*p < 0.05、***p < 0.001、****p < 0.0001。 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。
このアッセイは、96ウェルプレートベースのフォーマットと蛍光長鎖FA類似体を使用して、ECにおけるFA取り込みを測定するための迅速で定量的かつ費用対効果の高い方法を提供します。このプロトコルは、ポジティブコントロールとネガティブコントロールの両方を組み込み、一次 (HUVEC) および不死化 (EA.hy926) EC 全体で検証することにより、堅牢性、再現性、および幅広い適用性を実証します。
蛍光ベースの分析は、前述のように、内皮脂質輸送のパラクリン調節因子を明らかにするのに役立ちました4,5,7。これらの例は、標準化されたシステムが、制御されたin vitro設定で脂質輸送の代謝物主導の調節を確実に解明し続ける方法を強調しています。ここで説明するプロトコルは、複数の濃度(0.5〜2 μM)でのBODIPY-C12およびBODIPY-C16の使用およびインキュベーション時間(1分、5分、および10分)を含む、信頼性の高いFA取り込み測定のための重要なパラメータを確立します。また、3-HIBと乳酸に反応した取り込みの増加と、ニクロサミドによる治療後の取り込みの減少を効果的に検出し、その感度とダイナミックレンジの両方を確認しました。このアッセイはEC用に最適化されていますが、BODIPY:BSA比と治療条件を調整することで、脂肪細胞、筋管、肝細胞などの他の細胞型に容易に適応できます。また、互換性のあるプレートを使用した生細胞イメージング用に変更したり、パルスチェイス形式に適合させて、細胞内FAの保持、代謝、または流出を評価することもできます。
他のアプローチと比較して、この方法には、スケーラブルで定量的であり、さまざまな FA チェーン長に適応できるという明確な利点があります。さらに、費用対効果が高く、ほんの一握りのステップしか含まず、一般的なマイクロプレートリーダーよりも複雑ではない機器を必要とするため、学生を含む新規ユーザーがこのプロトコルをすばやく習得できます。最後に、累積脂質含有量を反映する定性的顕微鏡ベースの方法やオイルレッドOのようなエンドポイント染色とは異なり、このプロトコルは、固定や溶解を必要とせずにリアルタイムのFA取り込みをキャプチャします。
それにもかかわらず、いくつかの制限に注意する必要があります。2D静的培養システムの使用は、血管環境の生理学的複雑さを完全に要約するものではありません。せん断応力やLPLを介した脂肪分解、内皮と実質の相互作用などの重要な要因は、この単純化されたモデルには存在しません。マイクロ流体またはオルガノイドベースの3D共培養などの高度なシステムは、より優れた技術的専門知識とインフラストラクチャを必要としますが、in vivoアーキテクチャとシグナル伝達をよりよく模倣します16,17。たとえば、マイクロ流体バイオリアクターは、ECが微小血管系の形成を模倣し、他の組織タイプと相互作用できる環境を提供し、研究者がより生理学的な設定でパラクリンダイナミクスをモデル化できるようにします18。さらに、最近の研究は、3Dヒドロゲル培養19でライブ蛍光イメージングを実行するための特殊なシステムを開発できることを示しています。このような進歩により、このアッセイがいつかより生理学的に代表的な細胞培養システムに適応できるという確信が得られますが、最適化を実行する必要があります。
要約すると、このアッセイは、さまざまな条件下での細胞 FA 取り込みを調査するための柔軟でアクセスしやすく、再現性のあるプラットフォームを表しています。メカニズムの in vitro 研究に最適ですが、このシステムから得られた洞察は、内皮脂質輸送のより生理学的に関連するモデルを使用した将来の研究に役立つ可能性があります。
著者らは、利益相反は存在しないと宣言している。
タニシャ・チョードリーは、ノースカロライナ大学チャペルヒル校の学部研究室からの夏期学部研究フェローシップによって資金提供されました。ボア・キムは、NHLBI(R56HL162660)とAHA(24CDA1264317)の支援を受けました。アヨン・イブラヒムは、ユニオン・カレッジの教員研究基金の支援を受けました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 3-ヒドロキシイソブチレート(3-HIB) | ケイマン・ケミカルズ | 26105 | 陽性コントロール、最終濃度5または20 mM。 |
| 96枚の黒い透明底ポリスチレンマイクロプレート | シグマ・オルドリッチ | CLS3603-48EA | プレートセルのアッセイのために |
| ボディピー FL C12(ボディピー-FA) | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | D3822 | 緑色蛍光長鎖脂肪酸 |
| ボディピーFL C16(ボディピー-FA) | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | D3821 | 緑色蛍光の非常に長鎖脂肪酸 |
| 牛血清アルブミン溶液 | シグマ・オルドリッチ | A9205-50ML | ボディピー:BSA複合体の準備に使われます |
| ジメチルスルホキシド(DMSO) | シグマ・オルドリッチ | D2650 | 医薬品株の溶剤 |
| 使い捨てピペット貯水池 | VWR | 89094-680 | 細胞にピペットで送り込むさまざまな溶液を含んでいます |
| ダルベッコ改良イーグルS Medium | コーニング・ライフサイエンス | 10-013-CV | EA.hy926セル用のメディア |
| EA.hy926 セル | ATCC | CRL-2922 | 不死化内皮細胞ハイブリッド系統 |
| EGM-2 内皮細胞成長培地-2 BulletKit | ロンザ | CC-3162 | HUVEC用メディア |
| 胎児用牛血清(FBS) | VWR | 97068-085 | EGM-2およびDMEMに10%の補足 |
| 蛍光マイクロプレートリーダー | 様々な | 該当なし | 蛍光測定が可能なマイクロプレートリーダーは |
| ゼラチン溶液 | シグマ・オルドリッチ | G1393-100ml | 0.1%の作業濃度でプレートをコーティングするために使われます |
| Hoechst 33342 ソリューション | 生命科学 | 62249 | 細胞正規化のための核染色(4 & μ;M) |
| ヒト臍帯静脈内皮細胞(HUVECs) | ロンザ | C2519A | 一次ヒト内皮細胞 |
| マルチチャネルピペット | VWR | 76627-768 | 96ウェルプレートへのピペッティング用 |
| ニクロスアミド | ミリポール・シグマ | N3510-50G | ネガティブコントロール、1μM 最終集中 |
| PBS、カルシウムとマグネシウム配合 | フィッシャー・サイエンティフィック | 21031CV | 処理の準備や洗浄バッファー(BSA使用)に使用されます。 |
| カルシウムとマグネシウムなしのPBS | ジェネシー・サイエンティフィック | 25-508 | ゼラチン希釈、ホエスト染色、一般的な洗浄用 |
| ペニシリン/ストレプトマイシン | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 15140122 | EGM-2およびDMEMに1%のサプリメントが加えられています |
| L-乳酸ナトリウム | シグマ・オルドリッチ | L7022-5G | 陽性コントロール、最終濃度5または20 mM。 |
| トリパンブルー溶液 | シグマ・オルドリッチ | T8154-20ML | 細胞外蛍光消光に0.08%で使用 |
| 真空ろ過システム、500ml PES膜、0.45µm | ジェンクローン | 25-227 | ゼラチン溶液を滅菌するために |
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