Znakowanie nośników liposomalnych różnymi markerami zostało opisane wcześniej9. W niniejszym manuskrypcie przedstawiono nośniki znakowane dalekoczerwoną dioctadecylo-tetrametylindotricarbocjaniną perchloranową (DiD; Ex = 644 nm; Em = 665 nm) lub zieloną 1,2-dioleoil-sn-glycero-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, zbadano kilka typów nowotworów. Obejmowały one dwie linie mysie: czerniaka B16BL611 oraz raka płuc Lewisa (LLC), a także dwa czerniaki ludzkie: silnie przerzutowy (BLM) oraz 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 nanocząsteczek przez 3 lub 24 h. Pomierzony i przeanalizowany dox (w formie wolnej, uwolnionej, enkapsulowanej, sekwestrowanej lub interlkowanej) określano jako DXR. Użyto obiektywu olejowego 40X (apertura numeryczna: 1,3), a obrazowanie przeprowadzono przy użyciu lasera argonowego 488 nm (moc 10%/0,2 mW) i filtra pasmowego 505 do 550 nm dla CF-PE oraz zielonego markera lizosomalnego (LM)-green. Lasera helowo-neonowego 543 nm (moc 100%/ 0,2 mW) i filtra pasmowego 560 do 615 nm użyto dla dox, Dox-NP oraz czerwonego markera lizosomalnego. Do detekcji DiD wykorzystano laser helowo-neonowy 633 nm (moc 100%/0,5 mW) oraz filtr długoprzepustowy 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 czynnikiem interkalującym i musi wniknąć do jądra komórkowego, aby stać się cytotoksyczna. Rysunek 3 oraz powiązane Filmy 1 i 2 przedstawiają 3-godzinny film poklatkowy komórek BLM traktowanych doksem 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, w przypadku ekspozycji na Dox-NP, wewnątrzkomórkowy DXR jest niemal 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 poklatkowej, ważne jest połączenie obrazów fluorescencyjnych z obrazami w jasnym polu. Umożliwia to śledzenie pojedynczych komórek i stabilizację dryfu XY przy użyciu 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 menu Analyze > Tools > ROI manager. Te ROI są wykorzystywane w obrazie fluorescencyjnym do analizy gęstości pikseli za pomocą opcji Analyze > Measure. Różnica w gęstości pikseli w jądrze (Rysunek 3C) i cytoplazmie (Rysunek 3D) komórek traktowanych doksem lub Dox-NP potwierdza to, co widać na obrazach. Ponadto komórki inkubowano przez 24 h z doksem lub Dox-NP, po czym związek zastąpiono pożywką i niezwłocznie wykonano obrazowanie przy zwiększonej czułości wzmocnienia fotopowielacza (Rysunek 4). Pozostałe ustawienia, takie jak moc lasera, offset, otwór pinhole i wyświetlanie obrazu, były identyczne. Niski sygnał DXR w komórkach traktowanych Dox-NP w porównaniu do komórek traktowanych doksem jest uderzający. Przy wzmocnieniu 700 DXR w komórkach traktowanych Dox-NP staje się widoczny, podczas gdy obraz doksu jest już prześwietlony. Ten prosty eksperyment in vitro wizualizuje znaczną różnicę w biodostępności wolnego leku w porównaniu do leku enkapsulowanego.
W przypadku ciągłej ekspozycji komórek na Dox-NP przez 24 h, DXR kumuluje się w czasie, co pokazano na Rysunku 5A oraz w Filmach 3 i 4. Sygnał wzrasta w cytoplazmie, a następnie DXR pojawia się również jako zinterkalowany w jądrze komórkowym. Obserwacje te zostały potwierdzone na wykresach gęstości pikseli (Rysunek 5B). Zmierzona gęstość pikseli w cytoplazmie jest niższa w komórkach BLM w porównaniu do komórek 1F6 ze względu na różnice w dystrybucji wewnątrzkomórkowej. Podczas gdy DXR w komórkach 1F6 jest rozproszony 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 wykonano obrazowanie. Wykorzystując obraz w świetle przechodzącym, na obrazach fluorescencyjnych trzech różnych linii komórkowych naniesiono obrysy błony komórkowej (linia ciągła) i jądra (linia przerywana). Wykazano tutaj, że nośnik znakowany DiD wykazuje ten sam wzorzec cytoplazmatyczny co DXR: jest skoncentrowany w organelli blisko jądra w komórkach BLM, wokół całego jądra w LLC oraz rozproszony w całej cytoplazmie w komórkach B16BL6. W jądrze widoczny jest tylko DXR, a nie DiD, co wskazuje na uwolnienie dox. Poprzez zmniejszenie wzmocnienia fotopowielacza można zaobserwować pojedyncze pęcherzyki komórkowe zawierające DXR i nośnik znakowany DiD, a także CF-PE (Rysunki 6B i 6C).
Cytoplazmatyczna DXR ulega sekwestracji w małych pęcherzykach, a komórki zostały oznakowane zielonym lub czerwonym markerem lizosomalnym dla żywych komórek. Ruch tych lizosomów można śledzić w komórkach (Movie 5). Cytoplazmatyczna DXR i nanonośnik kolokalizują w tych strukturach, a różnica międzykomórkowa w rozkładzie DXR, widoczna na Rysunku 6, jest tutaj wyjaśniona. Lizosomy są rozproszone 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 przekształcono w binaryjne (Process > Binary > Make Binary), a następnie, przy użyciu wtyczki do kolokalizacji (Analyze > Colocalization), utworzono obraz kolokalizacji DXR z DiD. Tworzy to obraz w kolorach zielonym, czerwonym i białym, gdzie białe piksele reprezentują piksele kolokalizujące się na obu obrazach. Za pomocą pozycji menu Process > Binary > Make Binary białe piksele zostają odseparowane i przekształcone w piksele czarne, z których mierzy się gęstość pikseli (Analyze > Measure). Następnie utworzono 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, oznakowany zarówno CF-PE, jak i DiD, znajduje się w lizosomie, pokazano również na Rysunku 7D.

Rysunek 1: Układ instrumentów i sprzętu. A) Komora obrazująca + niezbędne elementy. Szkiełko podstawowe nr 1 o średnicy 25 mm (1), dolna część komory (2), górna część komory (umieszczona do góry dnem) i o-ring (3), uchwyt stolika (4) oraz pokrywa uszczelniająca (5). Pasek skali: 2 cm. B) Jednostka inkubacyjna. Podgrzewany stolik mikroskopowy (1), stolik przepływowy z wlotem i wylotem CO2 (2), sonda CO2 (3) oraz łata zamykająca (4). Pasek skali: 2 cm. C) Komora obrazująca w jednostce inkubatora, widziana pod mikroskopem. D) Makro wielokrotnych serii czasowych. E) Sprzęt do obrazowania. Mikroskop odwrócony (1), światło fluorescencyjne (2), komputer (3), grzałka pierścieniowa (4, wstawka) i kontroler (4, rysunek główny), przewody przepływu CO2 (5), zawór CO2 (6), kontroler CO2 (7), nawilżacz CO2 (8), zawór i kontroler O2 (9) oraz kontroler temperatury stolika (10). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

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

Rysunek 3: Badanie krótkotrwałego pobierania dox i Dox-NP. Komórki BLM były stale eksponowane na dox lub Dox-NP przez 3 h, a następnie wykonano nagranie time-lapse. (A) Klatki z nagrania time-lapse komórek inkubowanych z dox. (B) Klatki z nagrania time-lapse 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 dla 3 komórek na pole widzenia. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Badanie długoterminowego pobierania dox i Dox-NP w różnych liniach komórkowych. Komórki eksponowano na działanie dox lub Dox-NP, a następnie obrazowano po 24 h. Obrazy wykonano bezpośrednio po usunięciu leków, stosując 3 różne wzmocnienia. Pasek skali = 50 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Badanie poboru komórkowego i uwalniania substancji liposomalnych. Komórki były stale eksponowane na Dox-NP przez 24 h, a następnie wykonano rejestrację poklatkową (time-lapse). (A) Zdjęcia z rejestracji poklatkowej. Pasek skali = 50 µm. (B) Wzrost gęstości pikseli DXR w jądrze komórkowym i cytoplazmie. Dane przedstawiają średnią ± SD z 3 komórek na pole widzenia. (C) Obrazy demonstrujące lokalizację DXR wewnątrz komórki. Linia ciągła: błona komórkowa, linia przerywana: jądro komórkowe. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną 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, a następnie wykonano obrazowanie przy niższym wzmocnieniu intensywności, aby rozróżnić poszczególne pęcherzyki. (C) Nałożenie obrazu w jasnym polu i kanału DXR ukazujące DXR w pęcherzykach cytoplazmatycznych (strzałka). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Badanie wewnątrzkomórkowej lokalizacji leku i nośnika. Komórki eksponowano na Dox-NP/DiD lub CF-PE/DiD przez 24 h, a lizosomy zwizualizowano przy użyciu markera lizosomalnego (LM) dla żywych komórek w kolorze zielonym lub czerwonym. (A) Wewnątrzkomórkowa lokalizacja 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 przy użyciu dwóch różnych markerów. Pasek skali = 50 µm. Proszę kliknąć 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, odstęp 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 obejrzeć ten film. (Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać.)

Film 3: Powiązany z Rysunkiem 5: Komórki BLM 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 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 obejrzeć 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, odstęp 10 s. Częstotliwość klatek: 3fps. Pasek skali = 50 µm. Kliknij tutaj, aby obejrzeć ten film. (Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać).