Znakowanie nośników liposomalnych różnymi markerami zostało opisane wcześniej9. W niniejszym manuskrypcie przedstawiono nośniki znakowane daleką czerwienią perchloranem dioctadecylotetrametyloindotrykarbocyjaniny (DiD; Ex = 644 nm; Em = 665 nm) lub zielenią 1,2-dioleoil-sn-glicero-3-fosfoetanolaminą-N-(karboksyfluoresceina) (CF-PE; Ex = 490 nm; Em = 515 nm). Aby wykazać międzykomórkowe podobieństwa i różnice w pobieraniu, uwalnianiu i lokalizacji wewnątrzkomórkowej liposomów, przebadano kilka typów guzów. Obejmują one dwie linie mysie: czerniaka B16BL611 oraz raka płuca Lewisa (LLC), a także dwa czerniaki ludzkie: silnie przerzutowy (BLM) i nieprzerzutowy (1F6)12,13. Wszystkie eksperymenty przeprowadzono na żywych komórkach. We wszystkich doświadczeniach podawano stężenie 5 µg/mL dox, 5 µg/mL Dox-NP lub 0,05 µmol nanocząstek przez 3 lub 24 h. Pomierzoną i przeanalizowaną doksolrubicynę (w formie wolnej, uwolnionej, enkapsulowanej, sekwestrowanej lub interkalowanej) określano jako DXR. Użyto obiektywu olejowego 40X (apertura numeryczna: 1,3), a obrazowanie wykonano za pomocą argonowego lasera 488 nm (moc 10%/0,2 mW) i filtra pasmowego od 505 do 550 nm dla CF-PE oraz zielonego markera lizosomalnego (LM)-green. Do obrazowania dox, Dox-NP i czerwonego markera lizosomalnego użyto lasera helowo-neonowego 543 nm (moc 100%/0,2 mW) oraz filtra pasmowego od 560 do 615 nm. Dla DiD zastosowano laser helowo-neonowy 633 nm (moc 100%/0,5 mW) i filtr długoprzesuchem 640 nm.
Ze względu na enkapsulację, cytotoksyczność in vitro, biodostępność i farmakokinetyka doks zostały znacznie zmienione3,9,14. Różnica w biodostępności leku podanego w formie wolnej i enkapsulowanej została przedstawiona na Rysunku 3. Doksycyklina jest agentem interkalującym i musi wniknąć do jądra komórkowego, aby stać się cytotoksyczna. Rysunek 3 oraz powiązane Filmy 1 i 2 przedstawiają 3-godzinny time-lapse komórek BLM traktowanych doks lub Dox-NP w identycznych warunkach. W ciągu kilku minut od ekspozycji na doks można zaobserwować DXR w jądrze (Rysunek 3A, Film 1), a przy zastosowaniu niższego wzmocnienia (wstawka) widać jego interkalację w jądrze. W przeciwieństwie do tego, po ekspozycji na Dox-NP, wewnątrzkomórkowy DXR jest prawie niewidoczny w tym przedziale czasowym (Rysunek 3B, Film 2). Dopiero po zwiększeniu wzmocnienia fotopowielacza można zaobserwować DXR w cytoplazmie (wstawka). Za pomocą programu ImageJ przeanalizowano gęstość pikseli DXR w cytoplazmie i jądrze. Ponieważ komórki są w ruchu podczas oceny time-lapse, istotne jest połączenie obrazów fluorescencyjnych z obrazami w jasnym polu. Pozwala to na śledzenie poszczególnych komórek i stabilizację dryfu XY za pomocą odpowiednich wtyczek w programie ImageJ. W analizie przedstawionej na Rysunku 3 obraz w jasnym polu posłużył do wyznaczenia obszaru zainteresowania (ROI) wokół cytoplazmy (linia ciągła) i jądra (linia przerywana). Menedżer ROI w programie ImageJ znajduje się w pozycji menu Analyze > Tools > ROI manager. Te ROI są wykorzystywane w obrazie fluorescencyjnym do analizy gęstości pikseli za pomocą pozycji menu Analyze > Measure. Różnica w gęstości pikseli w jądrze (Rysunek 3C) i cytoplazmie (Rysunek 4D) komórek traktowanych doks lub Dox-NP potwierdza to, co widać na obrazach. Ponadto komórki inkubowano przez 24 h z doks lub Dox-NP, po czym związek zastąpiono medium i natychmiast wykonano obrazowanie ze zwiększoną czułością wzmocnienia fotopowielacza (Rysunek 4). Pozostałe ustawienia, takie jak moc lasera, offset, przysłona (pinhole) i wyświetlanie obrazu, były identyczne. Niski sygnał DXR w komórkach traktowanych Dox-NP w porównaniu do komórek traktowanych doks jest uderzający. Przy wzmocnieniu 700 DXR w komórkach traktowanych Dox-NP staje się widoczny, podczas gdy obraz doks jest już prześwietlony. Ten prosty eksperyment in vitro obrazuje znaczną różnicę w biodostępności leku wolnego w porównaniu z enkapsulowanym.
Podczas ciągłej ekspozycji komórek na Dox-NP przez 24 h, stężenie DXR wzrasta w czasie, co pokazano na Rysunku 5A oraz w Filmach 3 i 4. Sygnał nasila się w cytoplazmie, a w późniejszym czasie DXR jest również obecny w formie przemieszanej w jądrze komórkowym. Obserwacje te zostały potwierdzone za pomocą wykresów gęstości pikseli (Rysunek 5B). Pomiar gęstości pikseli w cytoplazmie jest niższy w komórkach BLM w porównaniu do komórek 1F6 ze względu na różnice w dystrybucji wewnątrzkomórkowej. Podczas gdy DXR w komórkach 1F6 jest rozłożony w całej komórce, w komórkach BLM DXR jest bardziej skoncentrowany w organelli znajdującej się blisko jądra (Rysunek 5C).
W związku z tym zbadano lokalizację leku i nośnika w różnych liniach komórkowych (Rysunek 6). Komórki inkubowano przez 24 h z Dox-NP/DiD, a następnie poddano obrazowaniu. Na podstawie obrazu w świetle przechodzącym, na obrazach fluorescencyjnych trzech różnych linii komórkowych wykreślono obrys błony komórkowej (linia ciągła) oraz jądra komórkowego (linia przerywana). Wykazano tutaj, że nośnik znakowany DiD wykazuje taki sam wzorzec cytoplazmatyczny jak DXR: jest skoncentrowany w organelli blisko jądra w komórkach BLM, wokół całego jądra w komórkach LLC oraz rozproszony w całej cytoplazmie w komórkach B16BL6. W jądrze widoczny jest tylko DXR, a nie DiD, co wskazuje na uwolnienie doksorubicyny. Poprzez zmniejszenie wzmocnienia fotopowielacza można zaobserwować pojedyncze pęcherzyki komórkowe zawierające DXR i nośnik, znakowany DiD, a także CF-PE (Rysunki 6B i 6C).
Cytoplazmatyczny DXR ulega sekwestracji w małych pęcherzykach, a komórki znakowano markerem lizosomalnym do żywych komórek w kolorze zielonym lub czerwonym. Ruch tych lizosomów można śledzić w komórkach (Film 5). Cytoplazmatyczny DXR oraz nanonośnik kolokalizują w tych strukturach, a międzykomórkowe różnice w rozkładzie DXR, widoczne na Rysunku 6, są tutaj wyjaśnione. Lizosomy są rozmieszczone losowo w całej cytoplazmie w komórkach B16BL6 i znajdują się obok jądra w komórkach BLM (Rysunek 7A). Za pomocą programu ImageJ obliczono kolokalizację DXR i nośnika w lizosomie (Rysunek 7B). Obrazy kolorowe zamieniono na binarne (Process > Binary > Make Binary), a następnie, korzystając z wtyczki do kolokalizacji (Analyze > Colocalization), utworzono obraz kolokalizacji DXR z DiD. W ten sposób powstał obraz w kolorach zielonym, czerwonym i białym, gdzie białe piksele reprezentują piksele kolokalizowane na obu obrazach. Za pomocą pozycji menu Process > Binary > Make Binary białe piksele zostaną odseparowane i zamienione na czarne piksele, z których zmierzono gęstość pikseli (Analyze > Measure). Następnie wykonano obraz kolokalizacji między tym obrazem DXR-DiD a obrazem binarnym markera lizosomalnego (LM) i zmierzono gęstość pikseli. Dane kolokalizacji stanowią procent pikseli pozytywnych dla DXR-DiD oraz DXR-DiD/markera lizosomalnego (Rysunek 7C). To, że nośnik, znakowany CF-PE oraz DiD, znajduje się w lizosomie, pokazano również na Rysunku 7D.

Rysunek 1: Konfiguracja instrumentów i sprzętu. A) Komora obrazująca + niezbędne elementy. Szkiełko podstawowe nr 1 o grubości 25 mm (1), dolna część komory (2), górna część komory (umieszczona do góry nogami) i pierścień O (3), uchwyt stolika (4) oraz pokrywa uszczelniająca (5). Pasek skali: 2 cm. B) Jednostka inkubacyjna. Podgrzewany stolik mikroskopu (1), stolik przepływowy z wlotem i wylotem CO2 (2), sonda CO2 (3) oraz łatka zamykająca (4). Pasek skali: 2 cm. C) Komora obrazująca w jednostce inkubacyjnej, widok pod mikroskopem. D) Makro wieloczasowa seria. E) Sprzęt do obrazowania. Mikroskop odwrócony (1), światło fluorescencyjne (2), komputer (3), grzałka pierścieniowa (4, wstawka) i sterownik (4, figura główna), przewody przepływu CO2 (5), zawór CO2 (6), sterownik CO2 (7), nawilżacz CO2 (8), zawór i sterownik O2 (9) oraz sterownik temperatury stolika (10). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Schemat parametrów mikroskopu szczegółowo opisanych w sekcji 3 Protokołu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 3: Badanie krótkoterminowego pobierania dox i Dox-NP. Komórki BLM były stale eksponowane na dox lub Dox-NP przez 3 h, a następnie wykonano nagranie poklatkowe. (A) Klatki z nagrania poklatkowego komórek inkubowanych z dox. (B) Klatki z nagrania poklatkowego komórek inkubowanych z Dox-NP. Pasek skali = 50 µm. (C) Wzrost gęstości pikseli DXR w jądrach komórkowych w komórkach traktowanych dox i Dox-NP. (D) Wzrost gęstości pikseli DXR w cytoplazmie w komórkach traktowanych dox i Dox-NP. Dane przedstawiają średnią ± SD z 3 komórek na pole widzenia. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 4: Badanie długoterminowego pobierania dox i Dox-NP w różnych liniach komórkowych.Komórki poddano działaniu dox lub Dox-NP, a obrazowanie wykonano po 24 h. Obrazy wykonano bezpośrednio po usunięciu leków, stosując 3 różne wartości wzmocnienia. Pasek skali = 50 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 5: Badanie pobierania i uwalniania czynników liposomalnych przez komórki. Komórki były stale eksponowane na Dox-NP przez 24 h, a następnie wykonano nagranie poklatkowe. (A) Pojedyncze klatki z nagrania poklatkowego. Pasek skali = 50 µm. (B) Wzrost gęstości pikseli DXR w jądrze komórkowym i cytoplazmie. Dane reprezentują średnią ± SD dla 3 komórek na pole widzenia. (C) Obrazy demonstrujące lokalizację DXR wewnątrz komórki. Linia ciągła: błona komórkowa, linia przerywana: jądro komórkowe. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Badanie lokalizacji leku i nośnika w różnych liniach komórkowych. (A) Komórki poddano działaniu Dox-NP/DiD przez 24 h, a następnie wykonano obrazowanie. Pasek skali = 50 µm. (B) Komórki poddano działaniu Dox-NP/DiD/CF-PE przez 24 h i obrazowano przy niższej wzmacniacji sygnału (gain), aby rozróżnić poszczególne pęcherzyki. (C) Nałożenie obrazu w polu jasnym i kanału DXR pokazuje obecność DXR w pęcherzykach cytoplazmatycznych (strzałka). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Badanie lokalizacji wewnątrzkomórkowej leku i nośnika. Komórki poddano działaniu Dox-NP/DiD lub CF-PE/DiD przez 24 h, a lizosomy zwizualizowano za pomocą markera lizosomalnego (LM) do żywych komórek w kolorze zielonym lub czerwonym. (A) Lokalizacja wewnątrzkomórkowa DXR i nośnika (DiD). Strzałki wskazują 3 przykłady DXR i DiD zlokalizowanych w lizosomie. Pasek skali = 50 µm. (B) Analiza kolokalizacji DXR i nośnika (DiD) w lizosomach (LM) przy użyciu programu ImageJ. (C) Procent kolokalizacji DXR i nośnika w lizosomach. Dane przedstawiają średnią ± SEM z 3 niezależnych eksperymentów. (D) Sekwestracja lizosomalna nośnika zwizualizowana za pomocą dwóch różnych markerów. Pasek skali = 50 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Film 1: Powiązany z Rysunkiem 3: Komórki BLM inkubowano z dox przez 3 h. Time-lapse: 19 obrazów, w odstępach 10 min. Częstotliwość klatek: 3 fps. Pasek skali = 50 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić ten film. (Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać.)

Film 2: Powiązany z Rysunkiem 3: Komórki BLM inkubowano z Dox-NP przez 3 h. Time-lapse: 19 obrazów, z odstępem 10 min. Częstotliwość klatek: 3 fps. Pasek skali = 50 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić ten film. (Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać).

Film 3: Powiązane z Rysunek 5: Komórki BLM inkubowano z Dox-NP przez 24 h. Time-lapse: 96 obrazów, z odstępem 15 min. Częstotliwość klatek: 8 kl./s. Pasek skali = 50 µm. Kliknij tutaj, aby obejrzeć ten film. (Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać).

Film 4: Powiązany z Rysunkiem 5: Komórki 1F6 inkubowano z Dox-NP przez 24 h. Time-lapse: 96 obrazów, w odstępach 15 min. Częstotliwość klatek: 8 fps. Pasek skali = 50 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić ten film. (Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać).

Film 5: Powiązany z Rysunkiem 7: Lizosomy komórek B16BL6 zostały zabarwione markerem do żywych komórek. Time-lapse: 10 obrazów w odstępach 10 s. Częstotliwość klatek: 3 fps. Pasek skali = 50 µm. Kliknij tutaj, aby obejrzeć ten film. (Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać.)