Reaktywne formy tlenu (ROS) to grupa naturalnie występujących, wysoce reaktywnych i czasowo niestabilnych rodników chemicznych powstałych jako część normalnego metabolizmu komórkowego w komórkach. ROS odgrywa kluczową i istotną rolę w modulacji prawidłowych procesów fizjologicznych i biochemicznych zachodzących w komórkach1,2. Głównym źródłem produkcji ROS w komórkach jest szlak mitochondrialnego łańcucha transportu elektronów (ETC) w ramach normalnego cyklu bioenergetycznego. Istotnymi dodatkowymi źródłami produkcji ROS są reakcje enzymatyczne, takie jak komórkowe oksydazy NADPH w komórkach. Metabolizm cząsteczek żywności (np. glukozy) zachodzi poprzez szlak fosforylacji oksydacyjnej w macierzy mitochondrialnej. Wyjściowy poziom produkcji ROS jest niezbędny do regulacji normalnych fizjologicznych procesów sygnalizacji komórkowej. Wiadomo, że wiele kluczowych cząsteczek białka, które są częścią metabolicznych szlaków sygnałowych glukozy (np. Akt i PTEN), reaguje na wewnątrzkomórkowe poziomy ROS. Ponadto ROS są wytwarzane przez różne enzymy wewnątrzkomórkowe, takie jak oksydaza ksantynowa, syntaza tlenku azotu i składniki peroksysomalne jako część komórkowych szlaków enzymatycznych1,2. W przeciwieństwie do naturalnych źródeł ROS, niektóre czynniki środowiskowe, takie jak ksenobiotyki, czynniki zakaźne, światło UV, zanieczyszczenia, palenie papierosów i promieniowanie, również prowadzą do nadmiernej produkcji ROS, które są kluczowym czynnikiem napędzającym wewnątrzkomórkowy stres oksydacyjny1,3. Podwyższony komórkowy stres oksydacyjny może powodować uszkodzenia natywnych biomolekuł wewnątrz komórki, takich jak lipidy, białka i DNA, powodując różne choroby, takie jak rak, cukrzyca, choroby układu krążenia, przewlekłe stany zapalne i zaburzenia neurodegeneracyjne1,3,4. Dlatego dokładne pomiary ROS są niezbędne do zrozumienia mechanizmów komórkowych zaangażowanych w patofizjologię chorób wywołanych stresem oksydacyjnym.
Ze względu na krótki czas produkcji i eliminacji ROS wewnątrz komórek, ilościowe pomiary różnych rodników ROS pozostają wyzwaniem. Metody takie jak elektronowy rezonans paramagnetyczny (EPR)5, wysokociśnieniowa chromatografia cieczowa (HPLC) i obrazowanie oparte na sondzie fluorescencyjnym są wykorzystywane do pomiaru różnych komórkowych ROS6. Podczas gdy metody takie jak EPR i HPLC dają ilościowo dokładne oszacowania, metody te wiążą się ze zniszczeniem morfologii przestrzennej komórki i zwykle mają postać globalnych i masowych pomiarów próbki. W przeciwieństwie do tego, metody oparte na obrazowaniu, takie jak metody oparte na sondzie fluorescencji, zachowują morfologię komórkową i kontekst przestrzenny generacji ROS. Jednak specyficzność różnych sond fluorescencyjnych dla różnych typów rodników ROS nie została dobrze ustalona7,8. Kilka sond fluorescencyjnych, takich jak dihydroethidium (DHE), dioctan dichlorodihydrofluoresceiny (DCFH-DA), dihydrorhodamina (DHR), dimetyloantracen (DMA), 2,7-dichlorodihydrofluresceina (DCFH), 1,3-difenylozobenzofuran (DPBF) i MitoSox są dostępne do wykrywania ROS. W ostatnich dziesięcioleciach DHE, MitoSox i DCFH-DA są powszechnie stosowanymi barwnikami fluorescencyjnymi do pomiaru ROS w komórkach i tkankach8,9. DCFH-DA jest szeroko stosowanym barwnikiem do wykrywania wewnątrzkomórkowegoH2O2i stresu oksydacyjnego. Pomimo popularności DCFH-DA, wiele wcześniejszych badań wykazało, że nie można go wiarygodnie wykorzystać do pomiaru wewnątrzkomórkowych poziomówH2O2i innych poziomów ROS8,9,10,11,12,13,14.
Natomiast sonda fluorescencyjna dihydroethidium (DHE) wykazuje specyficzną reakcję na wewnątrzkomórkowy rodnik ponadtlenkowy (O2-). Chociaż rodnik ponadtlenkowy jest jednym z wielu gatunków ROS obserwowanych w komórkach, jest ważnym rodnikiem biorącym udział w redukcji metali przejściowych, konwersji do nadtlenoazotanu i tworzeniu wodoronadtlenków, wśród innych efektów wewnątrzkomórkowych. DHE jest szybko wychwytywany przez komórki i ma emisję fluorescencji w czerwonym zakresie długości fal15. W reakcji z rodnikiem ponadtlenkowym, DHE tworzy czerwony produkt fluorescencyjny, 2-hydroksyetydynę (2-OH-E+). Tak więc, DHE może być uważany za specyficzną sondę do wykrywania ponadtlenkowego. Jednak DHE może również ulegać niespecyficznemu utlenianiu za pomocą ONOO- lub OH., H2O2i cytochromu c, tworząc drugi produkt fluorescencji, etydynę E+, który może zakłócać mierzone poziomy 2-OH-E+. Jednak te produkty 2-OH E+ i E+, w połączeniu, reprezentują główną część wszystkich komórkowych gatunków ROS obserwowanych wewnątrz komórki po zabarwieniu DHE. E+ interkaluje się z DNA, znacznie zwiększając jego fluorescencję8,9,10,11,13,14,15,16. Ponieważ widma fluorescencji etydyny i 2-hydroksyetydy różnią się tylko nieznacznie, większość poziomów ROS obserwowanych w komórce wtórnych do produkcji ponadtlenkowej można wykryć i zmierzyć za pomocą produktów fluorescencyjnych DHE. Te gatunki ROS są identyfikowane za pomocą wzbudzenia o długości fali 480 nm i emisji o długości fali 610 nm15,16,17.
Oprócz wyboru konkretnej sondy detekcyjnej ROS, ważne jest, aby wybrać czułą metodę wykrywania do pomiaru wewnątrzkomórkowego ROS. Dokładna ocena wewnątrzkomórkowych poziomów ROS jest zatem kluczem do identyfikacji zaburzonych stanów równowagi redoks występujących w komórkach chorych lub komórkach, które były narażone na różne stresory środowiskowe, takie jak promieniowanie, związki toksykologiczne i czynniki genotoksyczne18. Ponieważ ROS jest powszechnie występującym zjawiskiem w komórkach, które jest odpowiedzialne za regulację różnych czynności sygnalizacji komórkowej, niezbędne są solidne metody wykrywania ROS. Aby umożliwić tak wysokoprzepustową ocenę produkcji ROS w komórkach, protokół ten wykorzystuje platformę przesiewową o wysokiej zawartości (HCS) do pomiaru gatunków ROS. Obecny protokół pozwala na wysokoprzepustową analizę wewnątrzkomórkowej produkcji ROS, co ma kluczowe znaczenie w wielu badaniach toksykologicznych19. Protokół ten ma na celu zapewnienie łatwego i wszechstronnego rozwiązania do wykrywania i pomiaru wewnątrzkomórkowych ROS w przylegających komórkach raka wątrobowokomórkowego. Odczynniki chemiczneH2O2i menadionu są stosowane jako silne stymulatory ROS do pomiaru względnych poziomów produkcji ROS w kontrolowanych i wysokoprzepustowych warunkach. Protokół ten można dostroić w celu pomiaru produkcji ROS w komórkach przylegających i nieprzylegających w odpowiednich warunkach, w razie potrzeby.