tBHP를 이용한 HNM 조기 노화 유도 표준화 프로토콜, 성장 정지, SA-β-갈락토시다제 활성, SASP 인자 등 주요 노화 지표 분석의 표준화 프로토콜.
방법 논문
tBHP를 이용한 HNM 조기 노화 유도 표준화 프로토콜, 성장 정지, SA-β-갈락토시다제 활성, SASP 인자 등 주요 노화 지표 분석의 표준화 프로토콜.
자외선, 대기 오염, 담배 연기 등 환경적 스트레스 요인이 외부 피부 노화를 유발합니다. 이러한 외부 노화 요인에 노출되면 노화 세포가 축적되어 주름과 색소침착 장애가 형성됩니다. 일차 자외선 차단을 제공하는 멜라닌사이트는 나이가 들수록 활성이 감소합니다. 노화된 멜라닌 세포는 노화된 피부에 축적되어 노화 외관에 기여합니다; 그러나 멜라닌사이트 노화를 연구하는 모델은 거의 없으며, 이 연구는 추가 연구를 위한 재현 가능한 모델을 개발하는 것을 목표로 합니다. 본 연구에서는 잘 특성화된 산화 스트레스 유발제인 삼부틸 하이드로퍼옥사이드(tBHP)를 사용하여 인간 신생아 멜라닌세포(HNM)의 노화 모델을 제시합니다. tBHP는 세포의 항산화 방어를 소모시키고 과도한 생성을 촉진하여 산화환원 항상성을 방해하여 DNA와 단백질 손상을 초래합니다. 우리는 제한된 성장 잠재력, 형태학적 변화, SA-β-갈락토시다제 활성 등 확립된 노화 마커를 분석하여 tBHP 처리된 멜라닌세포의 노화 표현형을 특성화합니다. 이 모델은 멜라닌세포의 스트레스로 인한 조기 노화를 조사하는 데 유용한 도구를 제공하며, 외재성 피부 노화 및 색소침착 장애에서의 역할에 대한 통찰을 제공합니다.
피부 노화는 두 가지 뚜렷한 요인으로 구성됩니다: 내재성 노화와 외인성 노화 1,2. 내재 노화는 자연적인 시간 과정과 유전적 요인에 의해 발생하며, 외재적 노화는 주로 자외선과 같은 환경 스트레스 요인에 누적되어 발생하며, 이로 인해 노화 과정을 정상적인 시간 속도를 넘어 가속화됩니다 3,4. 환경 노출은 세포 내 항산화 방어를 압도하는 산화 스트레스를 발생시켜 DNA 손상, 단백질 산화, 지질 과산화를 초래합니다. 이러한 분자 변형은 지속적인 DNA 손상 반응과 세포 기능 장애를 유발하여 궁극적으로 조기 노화를 촉진합니다 5,6. 이러한 스트레스로 인한 노화는 주름, 고르지 않은 색소침착, 탄력 저하, 장벽 기능 저하 등 노화 피부의 임상적 특징에 기여합니다7.
멜라닌사이트는 기저 표피에 위치하며, 멜라닌을 합성하여 주변 각질세포로 전달함으로써 자외선 손상에 대한 피부의 주요 방어 역할을 합니다. 역설적으로, 이러한 보호 역할 때문에 외재 노화 중 산화 스트레스와 조기 노화에 특히 취약하다. 멜라노생성 과정 자체는 티로시나아제 촉매화 반응의 부산물로 상당한 양의 활성산소 종을 생성하며, 이는 자외선과 오염과 같은 환경 노출에 의해 더욱 증폭되는 고유한 산화 부담을 만듭니다10,11. 그 결과, 만성 환경 스트레스는 산화 손상, 미토콘드리아 기능 장애, 궁극적으로 세포 노화를 유발할 수 있습니다12. 중요함에도 불구하고, 멜라닌세포 노화를 조절하는 분자 경로와 산화 스트레스가 이 과정을 어떻게 시작하는지에 관한 핵심 질문들이 남아 있습니다. 더불어, 노화 멜라닌사이트가 주변 피부 미세환경에 미치는 영향은 특히 SASP 인자 분비를 통해 노화 관련 피부 변화의 원인으로 알려져 있으나,13,14.
멜라닌사이트는 특히 산화 스트레스로 인한 노화에 취약하지만, 이 과정을 연구할 수 있는 실험 모델은 여전히 제한적입니다15,16. 대부분의 노화 연구는 섬유아세포에서 복제 또는 스트레스 유발 노화 모델에 계속 의존하지만, 이러한 접근법은 멜라노세포의 독특한 생물학이나 이웃 세포와의 교차 상호작용을 통한 피부 노화 영향을 포착하지 못한다17. 이 격차는 환경 스트레스 요인에 대한 멜라닌사이트의 생리적 반응과 인간 피부 노화에 대한 기여를 보다 정확하게 반영하는 멜라노사이트 특이적 노화 모델의 필요성을 강조합니다18,19.
스트레스 유발 노화 접근법이 있음에도 불구하고, 원발성 인간 멜라닌사이트에서의 적용은 기술적으로 여전히 어렵고 상당한 변동성과 연관되어 있습니다. 멜라닌사이트는 산화 스트레스에 특히 민감하여 효과적인 노화 유도와 과도한 세포독성 사이의 실험적 창이 좁습니다. 또한, 기증자 의존적 1차 세포 준비 차이는 연구 간 결과의 불일치에 기여합니다. 이러한 문제들은 종종 과소보고되며, 프로토콜은 충분히 표준화되어 있지 않아 재현성이 제한됩니다. 본 프로토콜은 최적화되고 재현 가능한 치료 요법, 정의된 투여 일정, 표준화된 측정 결과를 제공하여 원발성 인간 멜라닌세포의 노화 유도 및 평가를 신뢰성 있게 제공합니다.
테르트-부틸 하이드로퍼옥사이드(tBHP)는 활성산소 종을 생성하고 세포의 항산화 방어를 감소시켜 노화를 촉진하는 잘 알려진 산화 스트레스 유발제입니다. 이 약물은 피부 섬유아세포에서 노화를 유도하는 데 널리 사용되어 왔으며, 세포 생존력을 유지하면서 특징적인 노화 마커를 유발합니다20,21. tBHP는 정의된 생화학적 경로를 통해 지속적인 산화 스트레스를 발생시키기 때문에, 산화 스트레스로 인한 노화를 연구하고 산화 손상과 노화 과정의 분자 메커니즘을 연구할 수 있는 재현 가능하고 접근 가능한 시스템을 제공합니다22,23. 자외선 기반 모델과 달리, tBHP는 조사 매개변수와 무관하고 특수 장비 없이도 통제되고 재현 가능한 산화 스트레스 유도가 필요할 때 특히 유리합니다.
HNM은 외재적 노화 메커니즘을 연구하는 데 적합한 모델을 제공합니다24. 포피에서 유래한 1차 세포로서 스트레스 반응 경로를 온전히 유지하며 유전자 변형이나 불멸화와 관련된 인공물을 피합니다25. 신생아 멜라닌세포는 최소한의 기초 손상을 보여 환경 스트레스 유발 노화 경로를 명확히 평가할 수 있어 최적의 실험 모델을 제공합니다26,27.
본 연구는 tBHP 유도 산화 스트레스를 원발 인간 신생아 멜라닌세포에서 활용하여 노화 연구에 흔히 사용되는 비멜라닌시티 및 불멸화 세포 모델의 한계를 극복합니다. 이 연구는 멜라닌사이트 특이적 노화 메커니즘을 검토하고 확립된 표지자를 가진 노화 표현형을 특징짓는 표준화된 플랫폼을 제공합니다. 전반적으로 이 프로토콜은 멜라닌세포에서 산화 스트레스로 인한 노화 연구를 위한 재현 가능하고 생리학적으로 중요한 모델을 제공합니다.
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이 프로토콜은 tBHP에 의해 유발되는 스트레스 유발 조기 노화 기전을 연구하기 위해 인간 신생아 멜라노사이트(HNM) 연구를 위해 최적화되었습니다(그림 1). 멜라닌사이트는 신생아 백인 포피(밝은 색소 광형)에서 유래했으며, 상업적 공급처에서 얻었습니다. 공급업체 문서에 따르면, 헬싱키 선언 및 관련 데이터 보호 규정을 포함한 확립된 윤리적·법적 틀을 준수하여, 충분히 정보를 제공하고 동의를 제공한 기증자로부터 인간 조직을 수집합니다. 세포들은 신원 확인 해제 형태로 제공되었습니다. 이 연구에서 사용하기 위해 추가적인 윤리적 승인은 필요하지 않았습니다. 모든 실험은 일관성을 보장하기 위해 동일한 멜라닌세포 라인을 사용하여 수행되었습니다. 서로 다른 1차 세포주를 사용할 경우, 배양 조건, 농도 및 취급 절차가 추가로 조정되어야 할 수 있음을 유의하세요.
1. 준비
참고: tBHP 치료를 시작하려면 멜라닌세포를 최소 3일 전에 해동하여 충분한 회복과 융합을 보장해야 합니다. 처리 단계는 4일이며, 파종일은 0일로 지정됩니다. 이 연구에 사용된 모든 재료의 세부 사항은 재료표에 나와 있습니다.
2. 세포 해동 (3일차)
주의: 인간 세포와 접촉하는 모든 물질은 생물학적으로 오염된 것으로 간주되어 기관 생물안전 지침에 따라 폐기되어야 합니다. 노화 평가를 위해 우리는 성장 정지, SA-β-gal 활성, 추가 분자 표지자를 평가하는 보완 검사법을 사용합니다. 여기서는 이러한 검사 프로토콜과 노화 지표를 다룰 때 예상되는 결과를 제시합니다.
3. 세포 시딩 (0일차)
4. tBHP 치료 (1일째–4일차)
5. 성장 곡선 분석
6. SA-β-갈락토시다제 활성
7. 면역형광 염색
주의: 포름알데히드, 글루타알데히드 및 파라포름알데히드 함유 폐기물은 유해 화학 폐기물로 취급하여 기관 안전 규정에 따라 처리해야 합니다.
8. RNA 분리 및 RT-qPCR
주의: β-머캅토에탄올은 매우 독성이 강하므로 반드시 연기함에서 처리해야 합니다. β-머캡토에탄올이 포함된 폐기물은 유해 화학 폐기물로 폐기되어야 합니다.
9. 단백질 분리 및 웨스턴 블롯
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tBHP 치료는 인간 신생아 멜라닌 세포에서 성장 정체를 유도합니다.
tBHP 처리는 치료받지 않은 대조군에 비해 멜라닌세포 증식을 억제합니다(n = 3)(그림 2A). 9일째에는 처리된 세포가 1.4 cPDL에 도달하는 반면, 대조군은 3.1 cPDL에 도달합니다. 이 차이는 시간이 지남에 따라 커져, 치료된 멜라닌세포는 15일째에 1.9 cPDL의 정체기에 근접하는 반면, 대조군은 거의 5.1 cPDL까지 확장됩니다. 증식 능력의 지속적인 감소는 스트레스로 인한 조기 노화 표현형과 일치합니다.
세포 크기 증가와 형태 변화는 세포 노화의 특징을 강조합니다.
tBHP로 처리된 멜라닌세포는 모든 측정 시점에서 대조군에 비해 세포 표면적이 증가한 것으로 나타났습니다(n = 3)(
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이 프로토콜은 tBHP를 사용하여 인간 신생아 멜라닌세포에서 스트레스 유발 조기 노화(SIPS)를 유도하는 표준화된 접근법을 확립하여, 이 세포 유형에서 노화를 연구할 수 있는 견고한 모델을 제공합니다. 증식, 형태, SA-β-gal 활성, DNA 손상 마커, SASP 구성 요소의 일관된 변화가 유도된 표현형을 뒷받침합니다. 피부 생리학과 색소침착 질환에서 핵심적인 역할을 함에도 불구하고 노화 연구에서 아직 연구가 부족한 멜라닌세포에 집중함으로써 이 모델은 이 분야의 중요한 격차를 해소하는 데 도움을 줍니다. 원발 멜라닌세포에서 산화 스트레스를 조절하여 유도하는 과정은 이러한 세포가 스트레스에 어떻게 반응하는지, 그리고 노화가 피부 노화 과정에 어떤 영향을 미치는지 조사하는 생리학적으로 중요한 시스템을 제공합니다.
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저자들은 경쟁하는 재정적 이해관계가 없다고 선언합니다. 리브 드클레르크는 프로야 유럽과 제휴되어 있으며; 그러나 회사는 연구 설계, 데이터 수집, 분석, 해석 또는 출판 결정에 아무런 영향력을 행사하지 않았습니다. 저자들은 또한 인공지능(AI) 도구가 언어 편집과 텍스트 정제를 돕기 위해서만 사용되었다고 주장합니다. 모든 과학적 내용, 실험 설계 및 데이터 해석은 저자들에 의해 개발되고 검증되었습니다.
이 연구는 티롤 과학재단(Tiroler Wissenschaftsfonds, ZAP746010, F.33287/10-2021, F.50279/7-2024)의 자금 지원을 받았습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 0.22 µm membrane filter | Merck | SLGVR33RS | |
| 1 M citric acid | Merck | K91567844 | aq. dest.에서 준비 |
| 1 M MgCl2 | Merck | A649033 | aq. dest.에서 준비 |
| 1 M Na2HPO4 | Merck | K56036736 | aq. dest.에서 준비 |
| 10 M NaOH | Lab Honeywell | 30620 | aq. dest.에서 준비 |
| 37% formaldehyde | Sigma | 252549 | |
| 4% paraformaldehyde | CarlRoth | 0335.3 | |
| 5 M Sodium Chloride | Sigma | S3014 | aq. dest.에서 준비 |
| 50% glutaraldehyde | Sigma | G6403 | |
| 5-Brom-4-Chlor-3-indolyl-β-D-Galactopyranosid (X-Gal) | Sigma | B9146 | |
| Alexa Fluor-conjugated secondary antibody 2 mg/mL | Invitrogen | A11008 | |
| BSA (bovine serum albumin) | Sigma | A7030 | |
| Chemiluminescent substrate | Sigma | WBKLS0500 | |
| Costar CellLifter | Corning | 3008 | |
| Coverslips for cell culture/microscopy | Epredia | CB00200RA120MNZ0 | |
| DermaLife Basal Medium | CellSystems | LM-0004 | |
| DermaLife M Melanocyte Kit | CellSystems | LS-1041 | |
| Dulbecco's Phosphate Buffered Saline | Sigma | D8537 | |
| Human neonatal melanocytes | CellSystems | FC-0023 | |
| LaminB1 antibody (rabbit) | Abcam | AB16048 | 5% BSA에서 1:1000으로 희석 |
| Mounting medium containing DAPI | Abcam | AB104139 | |
| Penicillin-Streptomycin solution | Sigma | P4333 | |
| Polyacrylamide gradient gels | Bio-Rad | 456-8095 | |
| Poly-D-Lysine, 0.1 mg/mL | Gibco | A38904-01 | |
| Potassium ferricyanide | Sigma | P8131 | |
| Potassium ferrocyanide | Sigma | P-9387 | |
| pRB antibody (rabbit) | CellSignalling | 93085 | 5% BSA에서 1:1000으로 희석 |
| Protease inhibitor cocktail | 자체 제조 | N/A | 500 mM NaF; 2 µg/ml Aprotinin; 1 mM PMSF; 1 mM activated Na-Orthovanadate |
| RIPA buffer | 자체 제조 | N/A | 50 mM Tris-HCl; 1% NP-40; 0.5% Na-deoxycholate; 0.1% SDS; 150 mM NaCl; 2 mM EDTA 포함 |
| RLT buffer | Qiagen | 1015762 | RNeasy Mini Kit에 포함 |
| RNeasy Mini Kit | Qiagen | 74106 | |
| Skim milk powder (for 5% milk in TBS-T) | Sigma | 70166 | |
| Sodium citrate (for 0.1% solution) | Sigma | S4641 | |
| Soybean trypsin inhibitor, 0.5 mg/mL | Thermofisher | 17075-029 | |
| tert-Butyl hydroperoxide (tBHP) | Sigma | 458139 | |
| Triton X-100 (for 0.3% solution) | Sigma | T9284 | |
| Trypsin-EDTA solution | Sigma | T3924 | |
| β-mercaptoethanol | CarlRoth | 4227.3 | |
| γH2AX antibody (rabbit) | CellSignalling | 2577S | 1:200으로 희석 |
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