RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Zawartość wodoronadtlenku lipidów stanowi najczęściej używany wskaźnik śmierci komórek ferroptotycznych. W artykule przedstawiono krok po kroku analizę zawartości wodoronadtlenku lipidów w komórkach po indukcji ferroptozy za pomocą cytometrii przepływowej.
Interakcja żelaza i tlenu jest integralną częścią rozwoju życia na Ziemi. Niemniej jednak ta wyjątkowa chemia nadal fascynuje i intryguje, prowadząc do nowych przedsięwzięć biologicznych. W 2012 roku grupa z Columbia University uznała tę interakcję za centralne zdarzenie prowadzące do nowego rodzaju regulowanej śmierci komórki zwanej "ferroptozą". Główną cechą ferroptozy jest akumulacja wodoronadtlenków lipidów z powodu (1) dysfunkcyjnej obrony antyoksydacyjnej i/lub (2) przytłaczającego stresu oksydacyjnego, który najczęściej zbiega się ze zwiększoną zawartością wolnego labilnego żelaza w komórce. Zwykle zapobiega temu kanoniczna oś antyferroptotyczna składająca się z transportera cystyny xCT, glutationu (GSH) i peroksydazy GSH 4 (GPx4). Ponieważ ferroptoza nie jest zaprogramowanym typem śmierci komórki, nie obejmuje szlaków sygnałowych charakterystycznych dla apoptozy. Najczęstszym sposobem udowodnienia tego typu śmierci komórki jest użycie lipofilowych przeciwutleniaczy (witaminy E, ferrostatyny-1 itp.), Aby jej zapobiec. Cząsteczki te mogą zbliżać się do uszkodzeń oksydacyjnych w błonie plazmatycznej i detoksykować je. Innym ważnym aspektem w odkrywaniu fenotypu ferroptotycznego jest wykrycie poprzedzającej akumulacji wodoronadtlenków lipidów, do których stosuje się specyficzny barwnik BODIPY C11. Niniejszy manuskrypt pokaże, w jaki sposób ferroptoza może być indukowana w komórkach rdzeniaka zarodkowego typu dzikiego przy użyciu różnych induktorów: erastyny, RSL3 i donora żelaza. Podobnie zostaną wykorzystane komórki xCT-KO, które rosną w obecności NAC i które ulegają ferroptozie po usunięciu NAC. Charakterystyczny fenotyp "bulgotania" jest widoczny pod mikroskopem świetlnym w ciągu 12-16 godzin od momentu wyzwolenia ferroptozy. Ponadto zostanie zastosowane barwienie BODIPY C11, a następnie analiza FACS w celu wykazania akumulacji wodoronadtlenków lipidów i wynikającej z tego śmierci komórki przy użyciu metody barwienia PI. Aby udowodnić ferroptotyczny charakter śmierci komórki, ferrostatyna-1 zostanie użyta jako specyficzny środek zapobiegający ferroptozie.
Ferroptosis to nowo kontekstualizowany, zależny od reaktywnych form tlenu (ROS) typ śmierci komórkowej1. Oprócz ROS, żelazo odgrywa kluczową rolę w tym typie śmierci komórki, stąd nazwa2. Ostatnim i wykonawczym etapem ferroptozy jest katalizowana żelazem akumulacja uszkodzeń oksydacyjnych lipidów w błonie plazmatycznej, która ostatecznie prowadzi do naruszenia integralności błony i selektywnej przepuszczalności, a ostatecznie do śmierci komórki przez bulgotanie. Zdarzenie hydroperoksydacji lipidów jest zjawiskiem występującym naturalnie; Jednak jego rozprzestrzenianiu się przez błonę komórkową zapobiega obrona antyoksydacyjna komórki. Głównym graczem w tym kontekście jest peroksydaza glutationowa 4 (GPx4) w białku Se, która może zbliżyć się do błony i przekształcić wodoronadtlenki lipidów w ich mniej toksyczne pochodne alkoholowe3. Moc redukcyjna GPx4 jest głównie, ale nie wyłącznie, dostarczana przez glutation (GSH), tripeptyd złożony z aminokwasów endogennych: glicyny, glutaminianu i cysteiny. Aminokwasem ograniczającym szybkość biosyntezy GSH jest cysteina4. Chociaż cysteina jest klasyfikowana jako aminokwas endogenny, jej zapotrzebowanie może łatwo przekroczyć jej wewnętrzną produkcję w komórkach o wysokiej proliferacji (takich jak komórki rakowe). W związku z tym został przeklasyfikowany do grupy aminokwasów półegzogennych. Niezbędny import cysteiny odbywa się głównie poprzez system Xc-, który pozwala na import utlenionej (dominującej) formy cysteiny (inaczej cystyny) kosztem eksportu glutaminianu5. System Xc- składa się z podjednostki transportowej niezależnej od Na+, zależnej od Cl, znanej jako xCT, oraz podjednostki opiekuńczej, znanej jako CD98. Do niedawna właściwości antyferroptotyczne osi xCT-GSH-GPx4 były postrzegane jako unikalne i niepowtarzalne6. Jednak w 2019 roku opisano alternatywny szlak antyferroptozowy, składający się z ubichinolu (koenzymu Q10) i jego enzymu regeneracyjnego - białka supresorowego ferroptozy 1 (FSP1), 7,8. Wkrótce potem doniesiono o kolejnym systemie detoksykacji wodoronadtlenku lipidów z udziałem cyklohydrolazy GTP-1/tetrahydrobiopteryny (GCH1/BH4)9. Niemniej jednak centralna rola osi xCT-GSH-GPx4 w zapobieganiu ferroptozie wydaje się nie być kwestionowana.
W ciągu ostatniej dekady, ferroptoza była intensywnie badana w różnych typach nowotworów, wykazując duży potencjał jako strategia przeciwnowotworowa (recenzowane przez Lei et al.10). Ponadto doniesiono, że komórki rakowe wykazujące wysoką oporność na konwencjonalne chemioterapeutyki i/lub skłonność do przerzutów są zaskakująco wrażliwe na induktory ferroptozy, takie jak inhibitory GPx411,12,13. Jednak w kontekście nowotworów mózgu potencjał induktorów ferroptotycznych pozostaje w dużej mierze niedostatecznie zbadany. Podczas gdy ten rodzaj śmierci komórki jest ściśle związany z uszkodzeniem niedokrwienno-reperfuzyjnym mózgu14i chorobami neurodegeneracyjnymi15, jego potencjał w kontekście guzów mózgu jest głównie ograniczony do glejaka, najczęstszego złośliwego nowotworu czaszkowo-mózgowego (sprawdzone przez Zhuo et al.16). Z drugiej strony, wrażliwość rdzeniaka zarodkowego, najczęstszego złośliwego nowotworu mózgu u dzieci i głównej przyczyny śmiertelności w dzieciństwie, na induktory ferroptozy pozostaje w dużej mierze niezbadana. Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, istnieje niewiele recenzowanej literatury łączącej ferroptozę z rdzeniakiem zarodkowym. Niemniej jednak niektóre badania wykazały, że żelazo odgrywa kluczową rolę w przetrwaniu, proliferacji i potencjale rakotwórczym komórek macierzystych raka (CSC) zarówno rdzeniaka, jak i glejaka17,18, potencjalnie czyniąc je bardziej podatnymi na indukcję ferroptozy. Jest to szczególnie istotne, ponieważ rdzeniak zarodkowy jest znany z subpopulacji CSC, czyli komórek inicjujących/rozmnażających nowotwór, które wydają się być w dużej mierze odpowiedzialne za chemooporność guza, rozprzestrzenianie się i nawroty19.
Wrażliwość na indukcję ferroptozy jest zazwyczaj badana poprzez pomiar zawartości/akumulacji wodoronadtlenku lipidów, co może, ale nie musi prowadzić do śmierci komórki. Najczęściej stosowanymi induktorami ferroptozy są: (1) erastyna, inhibitor transportera xCT 20, (2) RSL3, inhibitor enzymu GPx4 2, i/lub (3) donory żelaza, takie jak cytrynian żelazoamoniowy (FAC)21. Zawartość wodoronadtlenku lipidów ocenia się za pomocą sondy selektywnej BODIPY 581/591 C1122, która ma maksima wzbudzenia i emisji przy 581/591 nm w stanie zredukowanym. Po interakcji i utlenieniu przez wodoronadtlenki lipidów, sonda przesuwa swoje maksima wzbudzenia i emisji do 488/510 nm. Zazwyczaj znaczny wzrost zawartości wodoronadtlenku lipidów poprzedza ferroptotyczną śmierć komórki. Ponieważ ferroptoza nie jest zaprogramowaną śmiercią komórki, nie ma molekularnej kaskady sygnalizacyjnej prowadzącej do jej wykonania. Dlatego jedynym sposobem, aby to potwierdzić, jest monitorowanie zawartości wodoronadtlenku lipidów i stosowanie specyficznych inhibitorów tego typu śmierci komórek, takich jak ferrostatyna 123. Ferrostatyna 1 jest lipofilowym przeciwutleniaczem, który może przenikać do przedziału lipidowego komórki i detoksykować wodoronadtlenki lipidów, zapobiegając w ten sposób zdarzeniom ferroptotycznym.
Niniejsze badanie zostało przeprowadzone przy użyciu linii komórkowych rdzeniaka zarodkowego typu dzikiego (WT) DAOY, które były hodowane w temperaturze 37 °C z 5% CO2 w pożywce DMEM uzupełnionej 8% FBS. Linia komórkowa z delecją xCT była utrzymywana w tych samych warunkach, z eksperymentami przeprowadzonymi w pożywkach uzupełnionych 1 mM N-acetylocysteiną (NAC). Komórki były regularnie badane pod kątem mykoplazmy przy użyciu dostępnego na rynku zestawu do wykrywania mykoplazmy (patrz tabela materiałów) i były hodowane do 10. pasażu.
1. Zbieranie i wysiewanie komórek
UWAGA: Wszystkie kroki są wykonywane przy użyciu sterylnych technik aseptycznych w okapie z przepływem laminarnym do hodowli tkankowych. Komórki rdzeniaka zarodkowego DAOY są przylegające, co oznacza, że wszystkie nieprzyłączone komórki można wyrzucić przez przemycie solą fizjologiczną buforowaną fosforanami (PBS) bez Ca2+ i Mg2+.
2. Leczenie komórek
UWAGA: Kontrola i zabiegi są przeprowadzane w trzech egzemplarzach. Grupy są następujące: Kontrola (DMSO), 1 μM erastyny, 0,3 μM RSL3, 250 μM FAC, 2 μM Ferrostatyny 1, 1 μM erastyny + 2 μM Ferrostatyny 1, 0,3 μM RSL3 + 2 μM Ferrostatyny 1, 250 μM FAC + 2 μM Ferrostatyny 1. Do eksperymentu potrzebne są cztery płytki 6-dołkowe, jak wskazano w tabeli 1). Szczegóły handlowe wszystkich niezbędnych odczynników są wymienione w Tabeli Materiałów.
3. Barwienie wodoronadtlenków lipidów w leczonych komórkach za pomocą sondy BODIPY 581/591 C11
UWAGA: Roztwór podstawowy sondy lipidowej specyficznej dla wodoronadtlenku jest przygotowywany w DMSO w stężeniu 1 mM. Podwielokrotności roztworu podstawowego przechowuje się w temperaturze -20 °C w nieprzezroczystych probówkach. Do barwienia należy przygotować roztwór roboczy sondy o wielkości 2 μM w pożywce DMEM uzupełnionej 8% FBS.
4. Analiza zawartości wodoronadtlenku lipidów w leczonych komórkach za pomocą cytometrii przepływowej
UWAGA: Wszystkie poniższe kroki są wykonywane w ciemności (brak świateł w okapie z przepływem laminarnym).
5. Barwienie martwych komórek za pomocą jodku propidyny (PI) podczas leczenia
UWAGA: Projekt eksperymentu jest dokładnie taki sam jak w przypadku pomiaru wodoronadtlenku lipidów (patrz krok 1 i krok 2).
6. Analiza martwych komórek metodą cytometrii przepływowej 24 godziny po zabiegu
UWAGA: Ustawienia maszyny FACS i kalibracja są wykonywane jak wcześniej wskazano (patrz krok 4).
7. Analiza zawartości wodoronadtlenku lipidów w komórkach DAOY xCT-/- za pomocą cytometrii przepływowej
UWAGA: komórki xCT-/- zostały wygenerowane zgodnie z wcześniejszym opisem24.
8. Analiza wyników cytometru przepływowego
Linia komórkowa rdzeniaka zarodkowego DAOY była hodowana w standardowym pożywce DMEM uzupełnionej 8% FBS, aż osiągnęła około 60% konfluencji. W dniu eksperymentu pobrano komórki, a 1 000 000 komórek z każdej studzienki zostało posiażonych na płytkach 6-dołkowych, zgodnie z tabelą 1. Następnego dnia komórki (w trzech egzemplarzach) potraktowano 1 μM erastyny, 0,3 μM RSL3 lub 250 μM FAC. Płytki umieszczono następnie w inkubatorze w temperaturze 37 °C i 5% CO2 . Po 6 godzinach obserwowano komórki pod mikroskopem, aby wykryć bulgoczące komórki, jak wskazują strzałki w Rysunek 1. Posłużyło to jako wskaźnik, że lek był skuteczny w indukowaniu ferroptozy, zanim komórki zostały przygotowane do barwienia wodoronadtlenkiem lipidów i późniejszej analizy FACS.
Do wykrywania zawartości wodoronadtlenku lipidów, specyficzny barwnik BODIPY 581/591 C11 został użyty w końcowym stężeniu 2 μM przez 30 min. Ponieważ barwnik ten jest wrażliwy na redoks, konieczne było usunięcie z komórek wszelkich zabiegów i umycie ich wstępnie podgrzanym PBS. Po półgodzinnym barwieniu komórki przemyto dwukrotnie PBS, odłączono za pomocą roztworu do oddzielania komórek i przygotowano do analizy FACS. Dane uzyskane na tym etapie wykazały zwiększoną zieloną fluorescencję barwnika w próbkach traktowanych wszystkimi trzema lekami (Rysunek 2). Jednak najsilniejszy efekt zaobserwowano przy 0,3 μM RSL3 (Rysunek 2B), podczas gdy 1 μM erastyny (Rysunek 2A) i 250 μM FAC (Rysunek 2C) wykazały nieco mniejszy efekt po 6 godzinach leczenia.
Aby ustalić, że wykryta akumulacja wodoronadtlenku lipidów prowadzi do śmierci komórki, w szczególności ferroptozy, przez 24 godziny zastosowano te same zabiegi opisane w Tabeli 1. Do analizy martwych komórek za pomocą cytometrii przepływowej pobrano zarówno komórki, jak i supernatant. Żywe i martwe komórki granulowano przez wirowanie, a następnie ponownie zawieszono w buforze FACS w celu późniejszej analizy cytometrii przepływowej. Dane przedstawione w Rysunek 3 wykazały, że wszystkie trzy terapie indukowały masową śmierć komórek, której całkowicie zapobiegło zastosowanie inhibitora specyficznego dla ferroptozy, ferrostatyny-1. To wyraźnie potwierdza występowanie śmierci komórek ferroptotycznych po zahamowaniu xCT, hamowaniu GPx4 lub przeciążeniu żelazem w komórkach rdzeniaka.
Biorąc pod uwagę, że trzy leki wykazywały nieco odmienne efekty na akumulację wodoronadtlenku lipidów, prawdopodobnie z powodu różnic w sile działania, zastosowano podejście genetyczne do zbadania pełnej siły działania induktorów ferroptotycznych. Wcześniej uzyskane komórki DAOY xCT-/- (rysunek uzupełniający 1A) hodowano w tych samych pożywkach, co ich odpowiedniki WT, ale z suplementacją NAC. Ta pozytywna selekcja pozwoliła komórkom xCT-/- rosnąć w hodowli. Jednak 6 godzin po usunięciu NAC z pożywki hodowlanej, komórki zaczęły gromadzić wodoronadtlenki lipidów do tego samego poziomu, co komórki WT traktowane RSL3 (Ryc. 4). Podobnie jak w przypadku hamowania farmakologicznego, usunięcie NAC z pożywki wywołało charakterystyczne bulgotanie komórek xCT-/- po 6 godzinach (rysunek uzupełniający 1B).

Rysunek 1: Fenotyp feroptotyczny komórek rdzeniaka. Reprezentatywne mikrofotografie komórek DAOY WT traktowanych (lub nie) przez 6 godzin 1 μM erastyny (ERA), 0,3 μM RSL3 lub 250 μM cytrynianu żelazoamoniu (FAC) w obecności lub bez 2 μM inhibitora ferroptozy Ferrostatiny-1 (Ferro-1). Białe strzałki wskazują okrągłe, "bulgoczące" komórki, wskazujące na fenotyp ferroptotyczny widoczny pod mikroskopem świetlnym. Powiększenie: 20x, wkładki: 40x. Podziałka skali: 50 μm, wstawki: 10 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Wodoronadtlenek lipidów jako kluczowy marker ferroptozy w komórkach rdzeniaka. Reprezentatywne dane dotyczące barwienia wodoronadtlenkiem lipidów metodą cytometrii przepływowej w komórkach traktowanych przez 6 godzin (A,B) 1 μM erastyny (ERA), (C,D) 0,3 μM RSL3 lub (E,F) 250 μM cytrynianu żelazoamoniowego (FAC), w obecności lub bez inhibitora ferroptozy 2 μM Ferrostatyny-1 (Ferro-1). (A,C,E) Wykresy punktowe zarejestrowanych zdarzeń; (B,D,F) Histogram przedstawiający zawartość wodoronadtlenku lipidów. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Ferroptotyczna indukcja śmierci komórki metodą farmakologiczną. Reprezentatywne wykresy punktowe cytometrii przepływowej komórek barwionych jodkiem propidyny po 6 godzinach poddawania działaniu 1 μM erastyny (ERA), 0,3 μM RSL3 lub 250 μM cytrynianu żelazoamonu (FAC), w obecności lub bez 2 μM inhibitora ferroptozy Ferrostatyny-1 (Ferro-1). Bramkowanie oddziela żywe (Q4) i martwe (Q3) populacje komórek. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Indukcja ferroptozy metodą genetyczną. Reprezentatywne dane dotyczące barwienia wodoronadtlenkiem lipidów metodą cytometrii przepływowej w komórkach DAOY WT i xCT-/- po 6 godzinach w obecności lub braku inhibitora ferroptozy 2 μM Ferrostatyny-1 (Ferro-1). Po lewej stronie znajduje się histogram przedstawiający zawartość wodoronadtlenku lipidów. Po prawej stronie znajdują się wykresy kropkowe zarejestrowanych zdarzeń. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
| Tablica I | Lista CTL I | CTL II | Certyfikat CTL III |
| 1 μM erastin I | 1 μM erastin II | 1 μM erastin III | |
| Płyta II | 0,3 μM RSL3 I | 0,3 μM RSL3 II | 0,3 μM RSL3 III |
| 250 μM FAC I | 250 μM FAC II | 250 μM FAC III | |
| Płyta III | 2 μM Ferro-1 I | 2 μM Ferro-1 II | 2 μM Ferro-1 III |
| 1 M erastin + 2 M Ferro-1 I | 1 M erastin + 2 M Ferro-1 II | 1 M erastin + 2 M Ferro-1 III | |
| Tablica IV | 0,3 m RSL3 + 2 m Ferro-1 I | 0,3 m RSL3 + 2 m Ferro-1 II | 0,3 m RSL3 + 2 m Ferro-1 III |
| 250 M FAC + 2 M Ferro-1 I | 250 M FAC + 2 M Ferro-1 II | 250 M FAC + 2 M Ferro-1 III |
Tabela 1: Szczegóły leczenia komórek kontrolnych i eksperymentalnych.
Rysunek uzupełniający 1: Śmierć komórek feroptotycznych komórek DAOY xCT-/-. (A) Analiza Western blot poziomu xCT w komórkach DAOY WT i xCT-/- w pożywkach DMEM uzupełnionych lub nie o 2 μM ferlostatyny-1. (B) Reprezentatywne mikrofotografie komórek DAOY xCT-/- w obecności (po lewej) i braku (po prawej) 1mM N-acetylocysteiny przez 6 godzin. Białe strzałki wskazują okrągłe, "bulgoczące" komórki, wskazujące na fenotyp ferroptotyczny widoczny pod mikroskopem świetlnym. Powiększenie: 40x. Podziałka liniowa: 10 μm. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Oświadczamy, że nie ma konfliktu interesów w związku z prezentowanym tu badaniem.
Zawartość wodoronadtlenku lipidów stanowi najczęściej używany wskaźnik śmierci komórek ferroptotycznych. W artykule przedstawiono krok po kroku analizę zawartości wodoronadtlenku lipidów w komórkach po indukcji ferroptozy za pomocą cytometrii przepływowej.
Ta praca była wspierana przez rząd Księstwa Monako, jak również przez 'Le Groupement des Entreprises Monégasques dans la Lutte contre le cancer' (GEMLUC) i Fundację Flavien, która dostarczyła środki na zakup BD FACS Melody.
| BODIPY 581/591 C11 | Thermo Fisher | D3861 | |
| Licznik komórek | Beckman | Coulter Z1 | |
| DMEM średni | Gibco | 10569010 | |
| Erastin | Sigma-Aldrich | E7781-5MG | |
| Cytrynian żelazoamminium | Acros Organics | 211842500 | |
| Ferrostatin-1 | Sigma-Aldrich | SML0583-25MG | |
| Surowica płodowa (FBS) | Dominique Dutcher | 500105N1N | |
| Cytometr przepływowy | BD Biosciences | FACS Melody | |
| Odczynnik do dysocjacji komórek Gibco StemPro Accutase | Thermo Fisher | 11599686 | |
| N-acetylocysteina | Sigma-Aldrich | A7250 | |
| Zestaw do wykrywania mykoplazmy | InvivoGen | rep-pt1 | |
| jodek propidyny | Invitrogen | P3566 | |
| RSL3 | Sigma-Aldrich | SML2234-25MG | |
| Trypsyna - EDTA 10X - 100 ml | Dominique Dutcher | X0930-100 |