Deze protocollen zullen gebruikers helpen bij het onderzoeken van mitochondriaal energiemetabolisme in 3D-kankercellijn-afgeleide sferoïden met behulp van Seahorse extracellulaire fluxanalyse.
Methodenartikel
Deze protocollen zullen gebruikers helpen bij het onderzoeken van mitochondriaal energiemetabolisme in 3D-kankercellijn-afgeleide sferoïden met behulp van Seahorse extracellulaire fluxanalyse.
Driedimensionale (3D) cellulaire aggregaten, sferoïden genoemd, zijn de afgelopen jaren de voorhoede geworden van in vitro celkweek. In tegenstelling tot het kweken van cellen als tweedimensionale, eencellige monolagen (2D-cultuur), bevordert, reguleert en ondersteunt sferoïde celcultuur fysiologische cellulaire architectuur en kenmerken die in vivo bestaan, waaronder de expressie van extracellulaire matrixeiwitten, celsignalering, genexpressie, eiwitproductie, differentiatie en proliferatie. Het belang van 3D-cultuur is erkend in vele onderzoeksgebieden, waaronder oncologie, diabetes, stamcelbiologie en tissue engineering. In het afgelopen decennium zijn verbeterde methoden ontwikkeld om sferoïden te produceren en hun metabole functie en lot te beoordelen.
Extracellulaire flux (XF) analyzers zijn gebruikt om de mitochondriale functie in 3D-microtissues zoals sferoïden te onderzoeken met behulp van een XF24 eilandje capture plate of een XFe96 spheroid microplaat. Verschillende protocollen en de optimalisatie van het onderzoeken van mitochondriaal energiemetabolisme in sferoïden met behulp van XF-technologie zijn echter niet in detail beschreven. Dit artikel biedt gedetailleerde protocollen voor het onderzoeken van mitochondriaal energiemetabolisme in enkele 3D-sferoïden met behulp van sferoïde microplaten met de XFe96 XF-analyzer. Met behulp van verschillende kankercellijnen is aangetoond dat XF-technologie in staat is om onderscheid te maken tussen cellulaire ademhaling in 3D-sferoïden van niet alleen verschillende groottes, maar ook verschillende volumes, celnummers, DNA-inhoud en type.
De optimale mitochondriale effectorverbindingsconcentraties van oligomycine, BAM15, rotenon en antimycine A worden gebruikt om specifieke parameters van mitochondriaal energiemetabolisme in 3D-sferoïden te onderzoeken. Dit artikel bespreekt ook methoden om gegevens verkregen uit sferoïden te normaliseren en behandelt vele overwegingen die moeten worden overwogen bij het verkennen van sferoïdemetabolisme met behulp van XF-technologie. Dit protocol zal helpen bij het stimuleren van onderzoek in geavanceerde in vitro sferoïde modellen.
Vooruitgang in in vitro modellen in biologisch onderzoek is de afgelopen 20 jaar snel vooruitgegaan. Dergelijke modellen omvatten nu organ-on-a-chip-modaliteiten, organoïden en 3D-microtissue-sferoïden, die allemaal een gemeenschappelijke focus zijn geworden om de translatie tussen in vitro en in vivo studies te verbeteren. Het gebruik van geavanceerde in vitro modellen, met name sferoïden, omvat verschillende onderzoeksgebieden, waaronder tissue engineering, stamcelonderzoek, kanker en ziektebiologie 1,2,3,4,5,6,7, en veiligheidstests, waaronder genetische toxicologie 8,9,10, nanomaterialen toxicologie11, 12,13,14, en drug veiligheid en werkzaamheid testen 8,15,16,17,18,19.
Normale celmorfologie is van cruciaal belang voor biologisch fenotype en activiteit. Het kweken van cellen tot 3D-microtissue-sferoïden stelt cellen in staat om een morfologie, fenotypische functie en architectuur aan te nemen, meer verwant aan die waargenomen in vivo , maar moeilijk te vangen met klassieke monolayer celkweektechnieken. Zowel in vivo als in vitro wordt de cellulaire functie direct beïnvloed door de cellulaire micro-omgeving, die niet beperkt is tot cellulaire communicatie en programmering (bijv. Cel-cel junctie formaties, mogelijkheden om celniches te vormen); celblootstelling aan hormonen en groeifactoren in de directe omgeving (bijv. cellulaire cytokineblootstelling als onderdeel van een ontstekingsreactie); samenstelling van fysische en chemische matrices (bijvoorbeeld of cellen worden gekweekt in stijf weefselkweekplastic of een elastische weefselomgeving); en vooral, hoe het cellulaire metabolisme wordt beïnvloed door voeding en toegang tot zuurstof, evenals de verwerking van metabole afvalproducten zoals melkzuur.
Metabole fluxanalyse is een krachtige manier om het cellulaire metabolisme binnen gedefinieerde in vitro systemen te onderzoeken. In het bijzonder maakt XF-technologie de analyse mogelijk van levende, real-time veranderingen in cellulaire bio-energetica van intacte cellen en weefsels. Gezien het feit dat veel intracellulaire metabole gebeurtenissen plaatsvinden binnen de orde van seconden tot minuten, zijn real-time functionele benaderingen van het grootste belang voor het begrijpen van real-time veranderingen in cellulaire metabole flux in intacte cellen en weefsels in vitro.
Dit artikel bevat protocollen voor het cultiveren van van kanker afgeleide cellijnen A549 (longadenocarcinoom), HepG2 / C3A (hepatocellulair carcinoom), MCF-7 (borstadenocarcinoom) en SK-OV-3 (ovarieel adenocarcinoom) als in vitro 3D-sferoïde modellen met behulp van gedwongen aggregatiebenaderingen (figuur 1). Het beschrijft ook in detail hoe mitochondriaal energiemetabolisme van enkele 3D-sferoïden kan worden onderzocht met behulp van de Agilent XFe96 XF-analyzer, (ii) wijst op manieren om XF-assays te optimaliseren met behulp van enkele 3D-sferoïden, en (iii) bespreekt belangrijke overwegingen en beperkingen van het onderzoeken van het 3D-sferoïdemetabolisme met behulp van deze aanpak. Het belangrijkste is dat dit artikel beschrijft hoe datasets worden verzameld die de berekening van zuurstofverbruik (OCR) mogelijk maken om oxidatieve fosforylering en dus mitochondriale functie in cellulaire sferoïden te bepalen. Hoewel niet geanalyseerd voor dit protocol, is extracellulaire verzuringssnelheid (ECAR) een andere parameter die wordt gemeten naast OCR-gegevens in XF-experimenten. ECAR wordt echter vaak slecht of onjuist geïnterpreteerd uit XF-datasets. We geven commentaar op de beperkingen van het berekenen van ECAR volgens basisbenaderingen van de technologiefabrikant.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Figuur 1: Grafische workflow voor de generatie van cellulaire sferoïden, extracellulaire fluxanalyse en downstream assays. Vier kankercellijnen werden selectief gekweekt als monolagen (A), losgemaakt van weefselkweekkolven en gezaaid in ultralage 96-well microplaten om sferoïden (B) te vormen. A549 longcarcinoom, HepG2/C3A levercarcinoom, SK-OV-3 ovarieel adenocarcinoom en MCF-7 borstcarcinoomcellen werden gezaaid op 1 × 103-8 × 103 cellen/put en groeiden tot 7 dagen om enkele sferoïden te vormen en de sferoïde zaaidichtheid en teelttijd te optimaliseren door continue observatie en planimetrische metingen. Eenmaal gevormd, werden enkele sferoïden gewassen in een serumvrij XF-medium en zorgvuldig gezaaid in sferoïde assay-microplaten, voorgecoat met poly-D-lysine (C). Sferoïden werden onderworpen aan extracellulaire fluxanalyse met behulp van de XFe96-analyzer met behulp van verschillende protocollen om aan te pakken: (1) optimale sferoïde grootte voor basale mitochondriale ademhalingsrespons; (2) geoptimaliseerde titratie van mitochondriale respiratoire remmers; (3) optimalisatie van de plaatsing van sferoïden in microplaatputten. (D) Post XF-analyses, fasecontrastmicroscopie en sferoïde DNA-kwantificering werden gebruikt voor gegevensnormalisatie en andere downstream in vitro assays. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
1. Teelt van kankercellijnen als 3D in vitro sferoïden
| Cellijn | Beschrijving | Cultuurmedium | Bron |
| A549 | Longcarcinoom cellijn | RPMI 1640 | Europese collectie van geauthenticeerde celculturen (ECACC) |
| Natriumpyruvaat (1 mM) | |||
| Penicilline- Streptomycine - (100 U / ml – 100 mg / ml) | |||
| 10 % (v/v) FBS | |||
| HepG2/C3A | Hepatisch carcinoom cellijn, een klonale afgeleide van de ouder HepG2 cellijn | Dmem | American Tissue Culture Collectie (ATCC) |
| Penicilline- Streptomycine - (100 U / ml – 100 mg / ml) | |||
| 10 % (v/v) FBS | |||
| Mcf7 | Borst adenocarcinoom cellijn | RPMI 1640 | Europese collectie van geauthenticeerde celculturen (ECACC) |
| Natriumpyruvaat (1 mM) | |||
| Penicilline- Streptomycine - (100 U / ml – 100 mg / ml) | |||
| 10 % (v/v) FBS | |||
| SK-OV-3 | Ovariële adenocarcinoom cellijn | RPMI 1640 | Europese collectie van geauthenticeerde celculturen (ECACC) |
| Natriumpyruvaat (1 mM) | |||
| Penicilline- Streptomycine - (100 U / ml – 100 mg / ml) | |||
| 10 % (v/v) FBS | |||
| Bestanddeel | RPMI-testmedium (50 ml eindvolume) | ||
| Basis medium | Agilent Seahorse XF RPMI, pH 7,4 | ||
| Glucose (1 M steriele voorraad) | 11 mM (0,55 ml voorraadoplossing) | ||
| L-glutamine (200 mM steriele voorraad) | 2 mM (0,5 ml voorraadoplossing) | ||
| Natriumpyruvaat (100 mM steriele bouillon) | 1 mM (0,5 ml voorraadoplossing) |
Tabel 1: Kanker cellijn media en XF media composities.
2. Onderzoek van mitochondriaal energiemetabolisme van enkele sferoïden met behulp van extracellulaire flux (XF) -technologie
3. Bereiding en laden van verbindingen in de sensorcartridge voor XF-assays
| Injectie strategie | Compound (Poort) | XFe96 microwell startvolume (μL) | Gewenste eindputconcentratie | Poortvolume (μL) | Final XFe96 microwell volume na injectie (μL) | Concentratie van de werkvoorraad |
| 1 | Oligomycine (A) | 180 | 3 lug/ml | 20 | 200 | 30 μg/ml |
| Rotenon (B) | 200 | 2 μM | 20 | 220 | 22 μM | |
| Antimycine A (B) | 200 | 2 μM | 20 | 220 | 22 μM | |
| 2 | BAM15 (A) | 180 | 5 μM | 20 | 200 | 50 μM |
| Rotenon (B) | 200 | 2 μM | 20 | 220 | 22 μM | |
| Antimycine A (B) | 200 | 2 μM | 20 | 220 | 22 μM |
Tabel 2: Mitochondriale samengestelde concentraties voor het onderzoeken van mitochondriaal energiemetabolisme van enkele 3D-sferoïden met behulp van de XFe96 Analyzer.
4. Testontwerp, injectiestrategieën en data-acquisitie
| Meetperiode | Injectienummer en poort | Meetgegevens | Duur van de periode (h:min:s) |
| Calibratie | Niet van toepassing | XF-analysatoren voeren deze kalibratie altijd uit om ervoor te zorgen dat de metingen nauwkeurig zijn | 00:20:00 (dit is een gemiddelde en kan variëren tussen machines) |
| Equillibratie | Niet van toepassing | Equilibratie vindt plaats na kalibratie en wordt aanbevolen. | 00:10:00 |
| Basaal | Niet van toepassing | Cycli = 5 | 00:30:00 |
| Mix = 3:00 | |||
| Wachten = 0:00 | |||
| Meten = 3:00 | |||
| Oligomycine / BAM15 | Injectie 1 (poort A) | Cycli = 10 | 01:00:00 |
| Mix = 3:00 | |||
| Wachten = 0:00 | |||
| Meten = 3:00 | |||
| Rotenon + antimycine A | Injectie 2 (poort B) | Cycli = 10 | 01:00:00 |
| Mix = 3:00 | |||
| Wachten = 0:00 | |||
| Meten = 3:00 | |||
| Totale tijd: | 03:00:00 | ||
Tabel 3: Protocolopstelling voor het onderzoeken van mitochondriaal energiemetabolisme van enkele 3D-sferoïden met behulp van de XFe96 Analyzer.
5. Datanormalisatie- en analysestrategieën - post-assay normalisatie en downstream assays (optionele stappen)

Figuur 2: Schematische descriptoren voor parameters afgeleid van extracellulaire fluxgegevensanalyses. Afkorting: OCR = zuurstofverbruik. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Om goed gevormde, compacte sferoïden te verkrijgen, werd elke cellijn individueel geoptimaliseerd voor de zaaidichtheid en de duur van de teelt (figuur 3). A549, HepG2/C3A en SK-OV-3 cellijnen vormden aanvankelijk losse aggregaten die pas na 7 dagen in cultuur evolueerden naar ronde sferoïden met duidelijk gedefinieerde perimeters. Omgekeerd kunnen MCF-7-cellen binnen 3 dagen sferoïden vormen. Er was een duidelijke correlatie tussen de initiële celzaaidichtheid en het sferoïde volume na de k...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Belangrijkste bevindingen en outputs
Dit artikel biedt een gedetailleerd protocol om het mitochondriale energiemetabolisme van enkele 3D-sferoïden te onderzoeken met behulp van een reeks van kanker afgeleide cellijnen met de XFe96 XF Analyzer. Een methode wordt ontwikkeld en beschreven voor de snelle teelt van A549, HepG2/ C3A, MCF7 en SK-OV-3 cellulaire sferoïden met behulp van celafstotende technologieën voor gedwongen aggregatie. Dit protocol behandelt veel overwegingen van het onderzoeken van het ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.
N.J.C werd ondersteund door een BBSRC MIBTP CASE Award met Sygnature Discovery Ltd (BB/M01116X/1, 1940003)
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| A549 | ECACC | #86012804 | Longkankercellijn |
| Agilent Seahorse XF RPMI Medium, pH 7.4 | Agilent Technologies Inc. | 103576-100 | XF-assaymedium met 1 mM HEPES, zonder fenol rood, natriumbicarbonaat, glucose, L-glutamine en natriumpyruvaat |
| Agilent Seahorse XFe96 Extracellular Flux Analyzer | Agilent Technologies Inc. | - | Instrument voor het meten van de snelheid van zuurstofopname in afzonderlijke sferoïden |
| Antimycine A | Merck Life Science | A8674 | Remmende stof voor mitochondriaal ademhalingscomplex III |
| BAM15 | TOCRIS bio-techne | 5737 | Mitochondriale protonofore ontkoppeler |
| Zwart-wandige microplaat | Greiner Bio-One | 655076 | Voor op fluorescentie gebaseerde assays |
| CELLSTAR cell-repellent surface 96 U well microplates | Greiner Bio-One | 650970 | Microplates voor het genereren van sferoïden |
| CellTiter-Glo 3D Cell Viability Assay | Promega | G9681 | Assay voor de bepaling van celviabiliteit in 3D microweefsel-sferoïden |
| Cultrex Poly-D-Lysine | R&D Systems a biotechne brand | 3439-100-01 | Moleculair celklevend materiaal voor het coaten van XFe96 sferische microplates om het hechten van sferoïden te vergemakkelijken |
| D-(+)-Glucose | Merck Life Sciences | G8270 | Aanvulling voor celkweekgroei en XF-assaymedium |
| Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM) | Gibco | 11885084 | Kweekmedium voor HepG2/C3A sferoïden |
| EVOS XL Core Imaging System | Thermo Fisher Scientific | AMEX1000 | Phase-contrast beeldvormingsmicroscoop |
| EZ-PCR Mycoplasma testkit | Biological Industries | 20-700-20 | Mycoplasma-screening in celcultures |
| FIJI Is Just Image J | Analyse van verzamelde beelden | ||
| Foetaal bovien serum | Merck Life Science | F7524 | Aanvulling voor celkweekmedium |
| HepG2/C3A | ATCC | #CRL-10741 | Hepatisch kankercellijn, een klonale afgeleide van de ouder HepG2-cellijn |
| Lactate-Glo | Promega | J5021 | Assay voor meting van lactaat in sferische kweekmedium |
| L-glutamine (200 mM oplossing) | Merk Life Sciences | G7513 | Aanvulling voor celkweekgroei en XF-assaymedium |
| M50 Stereo microscope | Leica Microsystems | LEICAM50 | Stereo dissectiemicroscoop; gebruikt voor sferische handeling |
| MCF-7 | ECACC | #86012803 | Borstkankercellijn |
| Oligomycine van Streptomyces diastatochromogenes | Merck Life Science | O4876 | ATP-synthase-remmer |
| Penicilline-Streptomycine | Gibco | 15140122 | Antibiotica toegevoegd aan celkweekmedium |
| Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit | Initrogen | P7589 | Analyse van dsDNA in sferoïden |
| Rotenon | Merck Life Science | R8875 | Mitochondriale ademhalingscomplex I-remmer |
| RPMI 1640 | Gibco | 21875091 | Kweekmedium voor A549, MCF7 en SK-OV-3 sferoïden |
| Seahorse Analytics | Agilent Technologies Inc. | Build 421 | https://seahorseanalytics.agilent.com |
| Seahorse XFe96 Spheroid FluxPak | Agilent Technologies Inc. | 102905-100 | Elke Seahorse XFe96 Spheroid FluxPak bevat: 6 Seahorse XFe96 Spheroidal Microplates (102978-100), 6 XFe96 sensor cartridges en 1 fles Seahorse XF Calibrant Solution 500 mL (100840-000) |
| Serologische pipet: 5, 10 en 25 mL | Greiner Bio-One | 606107; 607107; 760107 | Consumables voor celkweek |
| SK-OV-3 | ECACC | #HTB-77 | Ovariekankercellijn |
| Natriumpyruvaat (100 mM oplossing) | Merck Life Science | S8636 | Aanvulling voor celkweekgroei en XF-assaymedium |
| T75 cm2 celkweekkolf | Greiner Bio-One | 658175 | Behandelde flessen voor celkweek |
| TrypLExpress | Gibco | 12604-021 | Celdissociatiereagens |
| Wave controller software | Agilent Technologies Inc. | - | |
| Tip met brede opening | STARLAB International GmbH | E1011-8400 | Pipettips met brede opening voor sferische handeling |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragenAn erratum was issued for: Exploring Mitochondrial Energy Metabolism of Single 3D Microtissue Spheroids using Extracellular Flux Analysis. The Representative Results section was updated.
Figure 5 was updated from:

Figure 5: Single or sequential injection of mitochondrial respiratory compounds. Cancer-cell-derived spheroids of MCF-7, HEPG2/C3A, SK-OV-3, and A549 were placed into wells of an XFe96 spheroid microplate in XF RPMI and probed for OCR using the Agilent Seahorse XFe96 analyzer. OCR was measured 5x, after which 2 µg/mL oligomycin (injection Port A: green trace) or 5 µM BAM15 (injection Port A: blue trace or injection port B: green trace) to inhibit the mitochondrial ATP synthase and determine maximal respiratory capacity, respectively. Kinetic OCR data are expressed as % basal (A-D). Maximal respiratory capacity (OCRmax) was calculated as a factor of basal OCR by the equation: OCRmax = OCRBAM15 / OCRbasal. OCRmax was obtained from OCR averages across measurement cycles 8-10 post BAM15 injection with (green bars) and without (blue bars) oligomycin. Data are averages ± SEM from 3-8 individual well replicates across the spheroid assay microplate. Abbreviations: OCR = oxygen consumption rate. Please click here to view a larger version of this figure.
to:

Figure 5: Single or sequential injection of mitochondrial respiratory compounds. Cancer-cell-derived spheroids of MCF-7, HEPG2/C3A, SK-OV-3, and A549 were placed into wells of an XFe96 spheroid microplate in XF RPMI and probed for OCR using the Agilent Seahorse XFe96 analyzer. OCR was measured 5x, after which 2 µg/mL oligomycin (injection Port A: green trace) or 5 µM BAM15 (injection Port A: blue trace or injection port B: green trace) to inhibit the mitochondrial ATP synthase and determine maximal respiratory capacity, respectively. Kinetic OCR data are expressed as % basal (A-D). Maximal respiratory capacity (OCRmax) was calculated as a factor of basal OCR by the equation: OCRmax = OCRBAM15 / OCRbasal. OCRmax was obtained from OCR averages across measurement cycles 8-10 post BAM15 injection with (green bars) and without (blue bars) oligomycin. Data are averages ± SEM from 3-8 individual well replicates across the spheroid assay microplate. Abbreviations: OCR = oxygen consumption rate. Please click here to view a larger version of this figure.