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Research Article
Laura Kallay1, Vaibhavkumar S. Gawali1, Donatien Kamdem Toukam1, Debanjan Bhattacharya1, Andrew Jenkins2, Soma Sengupta3, Daniel A. Pomeranz Krummel3
1Department of Neurology and Rehabilitation Medicine, Division of Neuro-Oncology,University of Cincinnati College of Medicine, 2Department of Pharmaceutical Sciences, School of Pharmacy,University of Saint Joseph, 3The Vontz Center for Molecular Studies,University of Cincinnati College of Medicine
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
이온 채널의 약리학적 표적화는 고형 종양을 치료하는 유망한 접근 방식입니다. 암세포에서 이온 채널 기능을 특성화하고 암 생존력에 대한 이온 채널 조절제의 효과를 분석하기 위한 자세한 프로토콜이 제공됩니다.
이온 채널은 세포 발달과 세포 항상성 유지에 중요합니다. 이온 채널 기능의 섭동은 광범위한 장애 또는 채널병증의 발병에 기여합니다. 암세포는 이온 채널을 활용하여 자체 발달을 유도할 뿐만 아니라 종양으로 개선되고 다양한 비암성 세포를 포함하는 미세 환경에서 동화됩니다. 또한, 종양 미세 환경 내에서 성장 인자 및 호르몬 수준의 증가는 이온 채널 발현을 향상시켜 암세포 증식 및 생존에 기여할 수 있습니다. 따라서 이온 채널의 약리학적 표적화는 원발성 및 전이성 뇌암을 포함한 고형 악성 종양을 치료하는 유망한 접근 방식일 수 있습니다. 본원에서는 암 세포에서 이온 채널의 기능을 특성화하기 위한 프로토콜과 암 생존력에 미치는 영향을 결정하기 위해 이온 채널의 조절자를 분석하는 접근법을 설명합니다. 여기에는 이온 채널에 대한 세포 염색, 미토콘드리아의 편광 상태 테스트, 전기 생리학을 사용하여 이온 채널 기능 확립, 약물 효능을 평가하기 위한 생존력 분석 수행이 포함됩니다.
막 수송 단백질은 세포 간의 통신과 세포 항상성 유지에 중요합니다. 막 수송 단백질 중에서 이온 채널은 세포의 성장과 발달을 촉진하고 도전적이고 변화하는 환경에서 세포의 상태를 유지하는 역할을 합니다. 이온 채널은 또한 전신 및 중추신경계(CNS)에서 고형 종양의 발달을 유도하고 지원하는 것으로 보고되었습니다1,2. 예를 들어, KCa3.1 채널은 세포 주기 조절에 중요한 막 전위를 조절하고 세포 부피를 조절하는 역할을 합니다. 결함이 있는 KCa3.1 채널은 종양 세포의 비정상적인 증식에 기여하는 것으로 보고되었다3. 또한, 이온 채널은 암의 전이성 전파에 기여할 수 있습니다. 일시적인 수용체 전위 (TRP) 채널은 예를 들어 Ca2+ 및Mg2+ 유입에 관여하고; 이 유입은 종양을 둘러싼 세포외 기질을 조절하는 기능을 하는 여러 키나아제와 열 충격 단백질을 활성화시키며, 이는 차례로 암 전이를 시작하는 데 중요합니다4.
이온 채널은 암 발병에 기여할 수 있기 때문에 약물 관련 암 치료의 표적이 될 수도 있습니다. 예를 들어, 화학 요법 및 새로운 면역 요법을 포함한 치료 양식에 대한 내성은 이온 채널 기능 조절 장애와 관련이 있습니다 5,6,7. 또한, 이온 채널은 암의 성장과 발달을 방해하는 중요한 약물 표적으로 부상하고 있으며, 용도 변경 소분자(FDA 승인) 약물과 단클론 항체를 포함한 생체 고분자가 연구되고 있습니다 1,2,8,9. 이 분야에서 많은 진전이 있었지만 이온 채널 암 약물 발견은 아직 개발되지 않았습니다. 이것은 부분적으로 암세포에서 이온 채널을 연구하는 독특한 문제 때문입니다. 예를 들어, 느리게 작용하는 화합물에 대한 전기생리학 분석을 설정하는 데는 기술적 한계가 있고 채널 활성화 및 약물 작용의 시간적 차이가 있습니다. 또한, 화합물의 용해도는 또한 진행을 방해할 수 있는데, 이는 오늘날 일반적으로 사용되는 대부분의 자동화된 전기생리학 시스템이 소수성 기질을 사용하며, 이는 화합물 흡착의 결과로 인공물에 기여할 수 있기 때문입니다. 또한, 천연물, 펩타이드 및 단클론 항체와 같은 대형 생체 유기 분자 치료제는 기존의 전기생리학 분석법을 사용하여 스크리닝하기가 기술적으로 어렵다10. 마지막으로, 암세포의 생체 전기적 특성은 잘 알려져 있지 않다11.
한편, 이온 채널의 면역형광 염색은 종종 까다롭습니다. 이는 부분적으로 구조의 복잡성과 멤브레인의 맥락 때문이며, 이는 현미경 연구를 위해 항체를 생성하고 사용하는 능력에 영향을 미칩니다. 이온 채널을 염색하는 데 사용되는 항체의 특이성, 친화도 및 재현성을 검증하는 것이 특히 중요합니다. 이온 채널에 대한 상용 항체는 검증 전략 및 출판 기록에 따라 고려해야 합니다. 실험에는 표적 단백질의 녹다운 또는 녹아웃에 의한 비특이적 결합의 부족을 입증하기 위한 음성 대조군이 포함되어야 합니다. 대안적으로, mRNA 또는 단백질 결정에 기초하여 표적 단백질이 부재하거나 낮은 풍부도에 있는 세포주는 음성 대조군으로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 이 연구는 수모세포종 세포주(D283)에서 (GABA) 수용체 서브유닛 Gabra5의 국소화를 보여줍니다. siRNA 녹다운을 갖는 D283 세포 및 또 다른 소뇌 수모세포종 세포주인 Daoy 세포를 Gabra5에 대해 염색하였고, 눈에 띄는 염색을 나타내지 않았다 (데이터는 나타내지 않음).
여기에서는 이온 채널 기능뿐만 아니라 이온 채널 조절제가 암세포에 미치는 영향을 분석하고 분석하는 방법을 제시합니다. 프로토콜은 (1) 이온 채널에 대한 세포 염색, (2) 미토콘드리아의 편광 상태 테스트, (3) 전기생리학을 사용한 이온 채널 기능 확립, (4) 시험관 내 약물 검증을 위해 제공됩니다. 이러한 프로토콜은 A형 감마-아미노부티르산(GABAA) 수용체 2,12,13,14,15,16, 염화물 음이온 채널 및 주요 억제성 신경전달물질 수용체에 대한 연구를 강조합니다. 그러나 여기에 제시된 방법은 다른 많은 암세포 및 이온 채널을 연구하는 데 적용됩니다.
1. 배양된 세포의 면역표지 이온 채널
2. 미토콘드리아의 편광 상태 테스트
참고: 이 프로토콜은 TMRE(테트라메틸로다민, 에틸 에스테르) 분석을 사용하여 활성 미토콘드리아의 막 전위를 표시하여 음전하21,22를 유지합니다. TMRE는 상대적인 음전하로 인해 활성 미토콘드리아에 축적되는 세포 투과성, 적색-주황색, 양전하를 띤 염료입니다. 비활성 또는 탈분극된 미토콘드리아는 막 전위를 감소시키고 TMRE를 비례적으로 격리하지 못합니다. 산화 적 인산화 (OXPHOS)의 이오노 포어 언 커플러 인 FCCP (카르 보닐 시안화물 4- [트리 플루오로 메톡시] 페닐 히드라 존)는 미토콘드리아 막을 탈분극시켜 TMRE23의 축적 및 격리를 방지합니다. 이 내용은 그림 2에 나와 있습니다.
3. 전기생리학을 이용한 이온 채널 기능 확립
참고: 이 섹션의 절차에서는 자동 전기생리학 분석을 사용하여 암 세포주에서 테스트 화합물을 스크리닝하는 방법을 설명합니다(그림 3).
4. 체외 효능
참고: 이 절차에서는 약물 효능을 결정하기 위한 MTS 분석에 대해 자세히 설명합니다. One Solution Cell Proliferation Assay는 실험 화합물로 처리한 후 세포 생존율과 증식을 평가하기 위해 세포 배양 웰에 한 단계로 추가할 수 있는 준비된 용액에 필요한 모든 분석 시약을 결합합니다. 시약은 제조업체의 권장 사항( 재료 표 참조)에 따라 재구성되고 분취되어 -20°C에서 보관됩니다. 이 섹션에서는 특정 세포주에서 테스트 화합물의IC50 을 측정하기 위한 분석의 사용을 설명합니다(그림 4). 이 MTS 시약은 알려진 농도에서 많은 수의 화합물에 대한 고처리량 스크리닝에도 사용할 수 있습니다.
위는 암세포에서 이온 채널을 특성화하는 데 사용할 수 있는 선별된 절차입니다. 첫 번째 프로토콜은 이온 채널의 염색을 강조합니다. 자세히 설명했듯이 이온 채널 또는 세포외막에 존재하는 단백질을 염색할 때 많은 어려움이 있습니다. 도 1에 나타낸 것은 펜타머 GABAA 수용체의 서브유닛에 대한 염색이다. 두 번째 프로토콜은 암세포에서 미토콘드리아의 편광 상태를 테스트한 결과를 강조합니다. 미토콘드리아는 세포 생존력과 증식, 세포 사멸에 필수적인 역할을 합니다. 포유류 세포에서 미토콘드리아는 미토콘드리아 내막과 외막 사이에서 발견되는 Bcl-2 계열 단백질의 방출을 통해 세포 스트레스에 대한 반응으로 세포 사멸을 활성화합니다. 세포질에서 Bcl-2 계열 단백질은 프로그램된 세포 사멸을 매개하는 카스파아제 프로테아제를 활성화합니다. 원형질막 이온 채널 기능의 변화는 미토콘드리아 내의 이온 수준을 포함하여 세포 내 이온 항상성의 파괴를 초래할 수 있으며, 이는 막 전위의 손실로 이어질 수 있으며, 따라서 세포 사멸을 유발할 수 있습니다14. Ca2+, K+, Na+ 및 H+의 수준은 미토콘드리아 개시 세포 사멸을 유발할 수 있는 신호 전달 이벤트의 중요한 결정 요인입니다. 도 2에 나타낸 것은 음전하를 유지하는 활성 미토콘드리아에서 막 전위를 표지하고 이미지화하기 위해 세포 투과성, 양전하를 띤 염료 TMRE로 염색한것이다 21,22. TMRE는 상대적인 음전하 때문에 활성 미토콘드리아와 결합하는 적주황색 염료입니다. 탈분극되거나 비활성 미토콘드리아는 막 전위를 감소시켜 TMRE를 격리하지 못합니다. 이 실험에서 이오노포어 언커플러 FCCP는 미토콘드리아 막을 탈분극시켜 TMRE23의 축적을 방지하기 때문에 중요한 대조군입니다. 세 번째 프로토콜은 단일 세포 패치 클램프 전기 생리학을 강조합니다. 도 3에 나타낸 것은 환자 유래 수모세포종 세포주 D283으로부터 기록된 트레이스의 대표적인 기록이다. 마지막으로, 네 번째 프로토콜은 암세포의 증식 상태를 결정하는 분석을 강조합니다. 그림 4에는 MTS 분석의 작동 방식에 대한 세부 정보와 연구 중인 암세포의 생존력을 손상시키는 약제(이 경우 DAOY)와 함께 배양했을 때의 플레이트 및 판독값이 나와 있습니다.

그림 1: 이온 채널에 대한 세포 염색. (A) D283 수모세포종 암세포에서 GABAA 수용체의 서브유닛인 단백질 Gabra5의 염색. (B) DNA에 결합하는 형광 염색 4′,6-디아미디노-2-페닐인돌(DAPI)로 처리된 고정 세포. (C) Gabra5 및 DAPI 모두에 대해 염색된 수모세포종 암세포의 병합. 스케일 바 = 10 μm. 이 그림은 Kallay et al.14에서 발췌한 것입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 미토콘드리아의 편광 상태 테스트 . (a) 생D283 수모세포종 암세포는 증가하는 농도의 약물 QH-II-066으로 치료된다. 그런 다음 세포는 양전하를 띤 세포 투과성 TMRE(테트라메틸로다민, 에틸 에스테르)로 처리되며, 이는 활성(음전하를 띤) 미토콘드리아에 축적됩니다. 탈분극되거나 비활성 인 미토콘드리아는 막 전위가 감소하여 TMRE 염료를 유지하지 못합니다. 결과적으로 낮은 형광 신호를 나타냅니다. 형광 현미경으로 이미지화; FCCP (카르 보닐 시안화물 4- [트리 플루오로 메톡시] 페닐 히드라 존). 피크:λex, 549 nm; λem, 575 nm입니다. 스케일 바 = 10 μm. (B) 소프트웨어 플랫폼을 사용한 TMRE 염색 정량화 (패널 A에 표시된 이미지). 데이터는 평균의 평균 및 표준 오차로 표시됩니다. 이 그림은 Kallay et al.14에서 발췌한 것입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 전기생리학을 이용한 이온 채널 기능 확립 . (a) 표시된 것은 패러데이 케이지(a), 기록 챔버(b) 및 흡입 장치(c, 오른쪽)로 구성된 Port-a-Patch 설정 또는 장비입니다. (B) 관류 입구(a), 출구(b) 및 기준 전극(c)이 장착된 녹음 챔버를 강조하는 Port-a-Patch 장비의 평면도. (C) Port-a-Patch는 자동 및 수동 작동 모드와 용액 저장소가 있는 신속한 용액 교환 관류 시스템에 연결됩니다. (D) Port-a-Patch rig(Nanion) 및 D283 수모세포종 암 세포를 사용하여 기록한 전체 세포 패치 클램프 전기생리학의 대표적인 전류 추적. GABA (10 μM)는 -80 mV의 유지 전위로 5 초 동안 적용되었다. (E) GABA(1μM)와 GABAA 수용체 작용제(전신 마취제) 프로포폴(50μM)의 동시 적용과 함께 Port-a-Patch rig(Nanion) 및 D283 수모세포종 암 세포를 사용하여 전체 세포 패치 클램프 전기생리학 기록의 대표적인 전류 추적, 이는 GABA 단독에 의해 유도된 전류를 강화합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 약물 효능을 평가하기 위한 MTS 분석. (A) 세포 증식 감소에 의해 반영된 바와 같이 제제의 효능을 평가하는 데 사용되는 "MTS 분석"의 기초가 되는 화학 반응. 생존 가능한 세포에 의한 MTS 테트라졸륨의 환원, 염료 포르마잔 생성. (B) 약물 농도가 증가함에 따라 MTS 분석의 비색 결과를 보여주는 96웰 플레이트. 이 실험에서 DAOY 수모세포종 암세포는 GABAA 수용체의 양성 알로스테릭 조절제인 전임상 약물인 KRM-II-08의 농도를 증가시켜 치료합니다. (C) MTS 분석으로 생성된 용량-반응 곡선(96웰 플레이트의 정량화로부터). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 수동 | 반/완전 자동화 | |
| 처리량 | 낮다 | 높다 |
| 빠른 솔루션 교환 | 가능한 | 예 |
| 비용 | 높다 | 낮다 |
| 연산자 | 경험을 가진 | 초급/중급 |
| 세포 유형 | 모든 세포; 조직 | 1차 단일세포; 세포주 |
| 필요한 휴대폰 번호 | 최소* | 높다* |
| 약물/용액 부피 | 높다 | 낮다 |
| 자원/유틸리티 | 높다 | 낮다 |
| 정비 | 높다 | 낮다 |
| 실험 관리 | 아주 좋아요 | 좋다 |
| 라이브 셀 이미징 | 예 | 아니요 |
| *예를 들어, Port-a-Patch는 녹음을 위해 최소 백만 개의 셀/mL가 필요하지만 수동 설정에는 일반적으로 커버슬립에 수백 개의 셀이 필요합니다. |
표 1: 수동 대 반자동 및/또는 완전 자동 전기생리학 설정 비교.
D.A.P.K.는 Amlal Pharmaceuticals Inc.의 공동 창립자, 사장 겸 CEO이며, Amlal Pharmaceuticals Inc.의 공동 설립자이며 Bexion Pharmaceuticals, Inc.의 의약품 안전 모니터링 위원회에 소속되어 있습니다.
이온 채널의 약리학적 표적화는 고형 종양을 치료하는 유망한 접근 방식입니다. 암세포에서 이온 채널 기능을 특성화하고 암 생존력에 대한 이온 채널 조절제의 효과를 분석하기 위한 자세한 프로토콜이 제공됩니다.
저자는 Thomas E. & Pamela M. Mischell Family Foundation에서 S.S.에 대한 지원과 Harold C. Schott Foundation이 UC 의과 대학의 Harold C. Schott 기부 의장에게 자금을 지원했음을 인정합니다.
| ABS SpectraMax 플레이트 리더 | 분자 장치 | ABS | |
| Accutase | Invitrogen | 00-4555-56 | |
| Alexa Flor 488 | Invitrogen | A32723 | 염소 항 토끼 |
| 항생제 - 항진균제 | Gibco | 15240-062 | 100x |
| B27 보충제 | Gibco | 12587-010 | 비타민 A |
| 생물 안전성 부족 캐비닛 | LABCONCO | 302381101 | Class II, Type A2 |
| 소 혈청 알부민 | Fisher Scientific | BP1606-100 | |
| CO2 인큐베이터 | Fisher Scientific | 13-998-211 | Heracell VIOS 160i |
| 염화칼슘 | Fisher Scientific | C7902 | 이수화물 |
| 세포 배양 접시, 150mm | Fisher Scientific | 12-600-004 | 세포 배양 처리 |
| 세포 배양 플라스크, 75 cm2 | Fisher Scientific | 430641U | 세포 배양 처리 |
| 세포 배양 플레이트, 6 웰 | Fisher Scientific | 353046 | 세포 배양 처리 |
| 세포 배양 플레이트, 96 웰 | Fisher Scientific | 353072 | 세포 배양 처리 |
| 원심분리기 | Eppendorf | EP-5804R | 냉장 |
| Corning CoolCell | Fisher Scientific | 07-210-0006 | |
| 커버슬립, 22 x 22 mm | Fisher Scientific | 12-553-450 | Corning 브랜드 |
| D283 Med | ATCC | HTB-185 | |
| DABCO 마운팅 미디어 | EMS | 17989-97 | |
| D-Glucose | Sigma Life Sciences | D9434 | |
| Dimethyl 설폭사이드 | 시그마 Aldrich | D2650 | 세포 배양 등급 |
| DMEM/F12, 기본 매체 | Fisher Scientific | 11330-032 | 페놀 레드 |
| DMEM/F12 포함, 페놀 레드 무료 | Fisher Scientific | 21041-025 | |
| EGTA | 시그마 Aldrich | E4378 | |
| 표피 성장 인자 | STEMCELL | 78006.1 | |
| FCCP | Abcam | AB120081 | |
| 소 태아 혈청, 자격을 갖춘 | Gibco | 10437-028 | |
| 섬유아세포 성장 인자, 기본 | Millipore | GF003 | |
| GARBA5 항체 | Aviva | ARP30687_P050 | Rabbit Polyclonal |
| Glutamax | Gibco | 35050-061 | |
| 글리세롤 장착 매체 | EMS | 17989-60 | with DAPI+DABCO |
| 혈구계 | Millipore Sigma | ||
| Heparin | STEMCELL | 7980 | |
| HEPES | HyClone | SH3023701 | Solution |
| HEPES | Fisher Scientific | BP310-500 | Solid |
| ImageJ | 피지 플러그인이 있는 | 개방형 플랫폼 | |
| 면역 마운트 DAPI | EMS | 17989-97 | |
| KRM-II-08 | 실험 화합물은 상용 소스에서 사용할 수 없음 | ||
| Leica Application Suite X | Leica Microsystems | ||
| Leukemia Inhibitory Factor | Novus | N276314100U | |
| L-Glutamine | Gibco | 25030-081 | |
| Magnesium Chloride | Sigma Aldrich | M9272 | Hexahydrate |
| 현미경, 컨포칼 | 라이카 | SP8 | |
| 현미경, 광 | VWR | 76382-982 | DMiL 반전 |
| MTS - Promega One Step | Promega | G3581 | |
| 다중 채널 피펫, 0.5-10 &마이크로; L | Eppendorf | Z683914 | |
| 멀티채널 피펫, 10-100 &마이크로; L | Eppendorf | Z683930 | |
| 멀티채널 피펫, 30-300 &마이크로; L | Eppendorf | Z683957 | |
| Nest-O-Patch | Heka | ||
| Neurobasal-A Medium | Gibco | 10888022 | 비타민 A 없음 |
| Neurobasal-A Medium | Gibco | 12348-017 | 페놀 레드 프리 |
| 비필수 아미노산 | Gibco | 11140-050 | |
| NOR-QH-II-66 | 실험 화합물 아님 상업용 소스에서 사용 가능 | ||
| Parafilm | Fisher Scientific | 50-998-944 | 4인치 너비 |
| 파라포름알데히드 | EMS | RT-15710 | |
| PATHCHMASTER | Heka | ||
| 페니실린-스트렙토마이신 | Gibco | 15140-122 | |
| 관류 시스템 | Nanion | 4000120 | |
| PFA | EMS | RT-15710 | |
| 인산염 버퍼 식염수 | Fisher Scientific | AAJ75889K2 | 시약 등급 |
| Poly-D-Lysine | Fisher Scientific | A3890401 | |
| Poly-L-Lysine | Sigma Life Sciences | P4707 | |
| Port-A-Patch | Nanion | 21000072 | |
| Potassium Chloride | Sigma Life Sciences | P5405 | |
| 1차 항체 | Invitrogen | MA5-34653 | Rabbit Monoclonal |
| Prism | GraphPad | ||
| Propofol | Fisher Scientific | NC0758676 | 상용 소스에서 사용할 수 없는 1mL 앰플 |
| QH-II-66 | 실험 화합물 | ||
| 시약 저장용기 | VWR | 89094-664 | Sterile |
| Slides, 75 x 25 mm | Fisher Scientific | 12-544-7 | 서리로 덥은 단면 |
| 중탄산나트륨 | 코닝 | 25-035-Cl | |
| 염화나트륨 | Fisher Scientific | S271-3 | |
| 피루브산나트륨 | Gibco | 11360-070 | |
| Synth-a-Freeze 매체 | Gibco | R00550 | 극저온 보존 |
| TMRE | Fisher Scientific | 50-196-4741 | 시약 |
| TMRE 키트 | Abcam | AB113852 | Kit |
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | NC0704309 | |
| Trypan Blue | Gibco | 15-250-061 | 솔루션, 0.4% |
| Trypsin/EDTA | Gibco | 25200-072 | 솔루션, 0.25% |
| Vortex Mixer | VWR | 97043-562 | |
| Whatman 여과지 | 피셔사이언티픽 | 09-927-841 |