Metale przejściowe i ciężkie, takie jak Zn, Cu, Mn i Fe, występują naturalnie w środowisku zarówno w składnikach odżywczych w żywności, jak i w zanieczyszczeniach. Wszystkie żywe organizmy potrzebują różnych ilości tych mikroelementów; Jednak narażenie na wysokie poziomy jest szkodliwe dla organizmów. Pozyskiwanie metali odbywa się głównie poprzez dietę, ale metale mogą być również wdychane lub wchłaniane przez skórę1,2,3,4,5. Należy zauważyć, że obecność metali w cząsteczkach atmosferycznych wzrasta i w dużej mierze wiąże się z zagrożeniami dla zdrowia. Ze względu na działalność antropogeniczną w pyłach atmosferycznych, wodzie deszczowej i gleb><>. Metale te mają potencjał, aby konkurować z niezbędnymi fizjologicznymi pierwiastkami śladowymi, w szczególności Zn i Fe, i wywołują efekty toksyczne poprzez inaktywację podstawowych enzymów procesów biologicznych.
Pierwiastek śladowy Zn jest redoks neutralny i zachowuje się jak kwas Lewisa w reakcjach biologicznych, co czyni go podstawowym kofaktorem niezbędnym do fałdowania białek i aktywności katalitycznej w ponad 10% białek ssaków8,9,10; w związku z tym jest niezbędny dla różnych funkcji fizjologicznych8,11. Jednak, podobnie jak w przypadku wielu pierwiastków śladowych, istnieje delikatna równowaga między tymi metalami, które ułatwiają normalne funkcje fizjologiczne i powodują toksyczność. U ssaków niedobory Zn prowadzą do niedokrwistości, opóźnienia wzrostu, hipogonadyzmu, nieprawidłowości skórnych, biegunki, łysienia, zaburzeń smaku, przewlekłych stanów zapalnych oraz upośledzenia funkcji immunologicznych i neurologicznych11,12,13,14,15,16,17,18. W nadmiarze, Zn jest cytotoksyczny i upośledza wchłanianie innych niezbędnych metali, takich jak miedź19,20,21.
Dodatkowo, niektóre metale, takie jak Cu i Fe, mogą potencjalnie uczestniczyć w szkodliwych reakcjach. Produkcja reaktywnych form tlenu (ROS) za pomocą chemii Fentona może zakłócać składanie białek klastra siarki żelaza i zmieniać metabolizm lipidów22,23,24. Aby zapobiec tym uszkodzeniom, komórki wykorzystują białka opiekuńcze i transportery wiążące metale, aby zapobiec skutkom toksycznym. Niewątpliwie homeostaza metali musi być ściśle kontrolowana, aby zapewnić, że określone typy komórek utrzymują odpowiedni poziom metali. Z tego powodu istnieje znaczna potrzeba udoskonalenia technik dokładnego pomiaru metali śladowych w próbkach biologicznych. W organizmach rozwijających się i dojrzałych istnieje zróżnicowane biologiczne zapotrzebowanie na pierwiastki śladowe na poziomie komórkowym, na różnych etapach rozwoju oraz w warunkach normalnych i patologicznych. Dlatego precyzyjne określenie tkankowych i ogólnoustrojowych poziomów metali jest niezbędne do zrozumienia homeostazy metali w organizmie.
Spektrometria absorpcji atomowej w piecu grafitowym (GF-AAS) jest bardzo czułą techniką stosowaną do małych objętości próbek, dzięki czemu idealnie nadaje się do pomiaru metali przejściowych i ciężkich obecnych w próbkach biologicznych i środowiskowych25,26,27,28. Ponadto, ze względu na wysoką czułość techniki, wykazano, że jest ona odpowiednia do badania właściwości transportu precyzyjnego ATPazy Na+/K+-ATPazy i żołądkowej H+/K+-ATPazy przy użyciu oocytów Xenopus jako systemu modelowego29. W GF-AAS rozpylone pierwiastki w próbce pochłaniają długość fali promieniowania emitowanego przez źródło światła zawierające interesujący nas metal, przy czym pochłonięte promieniowanie jest proporcjonalne do stężenia pierwiastka. Elementarne wzbudzenie elektronowe odbywa się po absorpcji promieniowania ultrafioletowego lub widzialnego w skwantowanym procesie unikalnym dla każdego pierwiastka chemicznego. W procesie jednoelektronowym absorpcja fotonu polega na tym, że elektron przemieszcza się z niższego poziomu energetycznego na wyższy poziom w atomie, a GF-AAS określa ilość fotonów pochłoniętych przez próbkę, która jest proporcjonalna do liczby pierwiastków pochłaniających promieniowanie rozpylonych w rurce grafitowej.
Selektywność tej techniki opiera się na strukturze elektronowej atomów, w której każdy pierwiastek ma określoną linię widmową absorpcji/emisji. W przypadku Zn długość fali absorbancji wynosi 213,9 nm i można ją precyzyjnie odróżnić od innych metali. Ogólnie rzecz biorąc, GF-AAS może być używany do ilościowego oznaczania Zn z odpowiednimi granicami wykrywalności (LOD) oraz wysoką czułością i selektywnością25. Zmiany pochłoniętej długości fali są integrowane i przedstawiane jako szczyty absorpcji energii na określonych i izolowanych długościach fal. Stężenie Zn w danej próbce oblicza się zwykle na podstawie krzywej wzorcowej znanych stężeń zgodnie z prawem Beera-Lamberta, w której absorbancja jest wprost proporcjonalna do stężenia Zn w próbce. Jednak zastosowanie równania Beera-Lamberta do analiz GF-AAS również wiąże się z pewnymi komplikacjami. Na przykład różnice w atomizacji i/lub niejednorodne stężenia próbek mogą mieć wpływ na pomiary metalu.
Atomizacja metalu wymagana do analizy pierwiastków śladowych GF AAS składa się z trzech podstawowych kroków. Pierwszym krokiem jest desolwatacja, w której ciekły rozpuszczalnik jest odparowywany; pozostawienie suchych związków po osiągnięciu przez piec temperatury około 100 °C. Następnie związki są odparowywane poprzez podgrzanie ich od 800 do 1 400 °C (w zależności od analizowanego pierwiastka) i stają się gazem. Wreszcie związki w stanie gazowym są rozpylane w temperaturach od 1,500 do 2,500 °C. Jak omówiono powyżej, wzrost stężenia metalu będącego przedmiotem zainteresowania spowoduje proporcjonalny wzrost absorpcji wykrytej przez GF-AAS, jednak piec zmniejsza zakres dynamiczny analizy, który jest roboczym zakresem stężeń, które można określić za pomocą przyrządu. W związku z tym technika ta wymaga niskich stężeń i starannego wyznaczenia zakresu dynamicznego metody poprzez wyznaczenie LOD i granicy liniowości (LOL) prawa Beera-Lamberta. LOD jest minimalną ilością wymaganą do wykrycia substancji, zdefiniowaną jako trzykrotność odchylenia standardowego Zn w matrycy. LOL to maksymalne stężenie, które można wykryć za pomocą prawa Beera-Lamberta.
W tej pracy opisujemy standardową metodę analizy poziomów Zn w ekstraktach z całych komórek, frakcjach cytoplazmatycznych i jądrowych oraz w proliferujących i różnicujących się hodowanych komórkach (Rysunek 1). Dostosowaliśmy protokół szybkiej izolacji jąder do różnych systemów komórkowych, aby zapobiec utracie metalu podczas przygotowywania próbki. Wykorzystane modele komórkowe to pierwotne mioblasty pochodzące z mysich komórek satelitarnych, mysie komórki nerwiaka zarodkowego (N2A lub Neuro2A), mysie adipocyty 3T3 L1, ludzka nienowotworowa linia komórek nabłonka piersi (MCF10A) oraz nabłonkowe komórki nerki psów Madin-Darby (MDCK). Komórki te zostały stworzone z różnych linii i są dobrymi modelami do badania specyficznych dla danej linii zmian poziomów metali in vitro.
Pierwotne mioblasty pochodzące z mysich komórek satelitarnych stanowią dobrze dopasowany model in vitro do badania różnicowania mięśni szkieletowych. Proliferacja tych komórek jest szybka, gdy są hodowane w warunkach wysokiej surowicy. Różnicowanie w linię mięśniową jest następnie indukowane przez warunki niskiej surowicy30. Linia komórkowa nerwiaka zarodkowego myszy (N2A) została wyprowadzona z grzebienia nerwowego myszy. Komórki te prezentują morfologię neuronalnych i ameboidalnych komórek macierzystych. Po bodźcu różnicującym komórki N2A wykazują kilka właściwości neuronów, takich jak neurofilamenty. Komórki N2A są używane do badania choroby Alzheimera, przerostu neurytów i neurotoksyczności31,32,33. Mysia linia komórkowa preadipocytów 3T3-L1 jest powszechnie stosowana do badania zmian metabolicznych i fizjologicznych związanych z adipogenezą. Komórki te mają morfologię podobną do fibroblastów, ale po pobudzeniu do różnicowania wykazują aktywację enzymatyczną związaną z syntezą lipidów i akumulacją trójglicerydów. Można to zaobserwować jako zmiany morfologiczne powodujące powstawanie cytoplazmatycznych kropelek lipidów34,35. MCF10A to nienowotworowa linia komórek nabłonka sutka pochodząca od kobiety przed menopauzą z chorobą torbielowatą sutka36. Jest szeroko stosowany w badaniach biochemicznych, molekularnych i komórkowych związanych z karcynogenezą sutka, takich jak proliferacja, migracja komórek i inwazja. Linia komórek nabłonkowych nerki psów Madin-Darby (MDCK) jest szeroko wykorzystywana do badania właściwości i zdarzeń molekularnych związanych z ustaleniem fenotypu nabłonkowego. Po osiągnięciu konfluencji, komórki te stają się spolaryzowane i tworzą zrosty komórka-komórka, cechy charakterystyczne tkanek nabłonkowych ssaków37.
Aby przetestować zdolność AAS do pomiaru poziomu Zn w komórkach ssaków, przeanalizowaliśmy całe i subkomórkowe frakcje (cytozol i jądro) tych pięciu linii komórkowych. Pomiary AAS wykazały różne stężenia Zn w tych typach komórek. Stężenia były niższe w proliferujących i różnicujących się pierwotnych mioblastach (od 4 do 7 nmol/mg białka) i wyższe w czterech ustalonych liniach komórkowych (w zakresie od 20 do 40 nmol/mg białka). Niewielki, nieistotny wzrost poziomu Zn wykryto w różnicowaniu pierwotnych mioblastów i komórek nerwiaka zarodkowego w porównaniu z komórkami proliferującymi. Odwrotny efekt wykryto w zróżnicowanych adipocytach. Jednak proliferujące komórki 3T3-L1 wykazywały wyższe stężenia metalu w porównaniu z komórkami zróżnicowanymi. Co ważne, w tych trzech liniach komórkowych frakcjonowanie subkomórkowe wykazało, że Zn jest różnie rozmieszczony w cytozolu i jądrze w zależności od stanu metabolicznego tych komórek. Na przykład w proliferujących mioblastach, komórkach N2A i preadipocytach 3T3-L1 większość metalu jest zlokalizowana w jądrze. Po indukcji różnicowania za pomocą określonych zabiegów komórkowych, Zn lokalizował się w cytozolu w tych trzech typach komórek. Co ciekawe, obie nabłonkowe linie komórkowe wykazywały wyższe poziomy Zn podczas proliferacji w porównaniu do osiągania konfluencji, w której utworzyła się charakterystyczna ciasna monowarstwa. W proliferujących komórkach nabłonkowych linia komórkowa sutka MCF10A miała równy rozkład Zn między cytozolem a jądrem, podczas gdy w linii komórkowej pochodzącej z nerki większość metalu znajdowała się w jądrze. W tych dwóch typach komórek, gdy komórki osiągnęły zbieg, Zn był głównie zlokalizowany w cytozolu. Wyniki te pokazują, że GF-AAS jest bardzo czułą i dokładną techniką przeprowadzania analizy pierwiastkowej w próbkach o niskiej wydajności. GF-AAS w połączeniu z frakcjonowaniem subkomórkowym i może być przystosowany do badania poziomów pierwiastków śladowych w różnych liniach komórkowych i tkankach.