JoVE Journal > Biology
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Biology

Senoterapötik Ilaçların tanımlanması için SA-β-Galactosidaz tabanlı tarama tahlili

Published: June 28, 2019
doi:
10.3791/58133
, , , , ,
1Department of Molecular Medicine and the Center on Aging,The Scripps Research Institute, 2Department of Biochemistry, Molecular Biology and Biophysics,University of Minnesota, 3Institute on the Biology of Aging and Metabolism,University of Minnesota

Summary

Hücresel senesans, Yaş ile ilgili kronik patolojilerin gelişiminde önemli bir faktördür. Parlak hücreleri hedefleyen terapinin tanımlanması, sağlıklı yaşlanmanın uzatılması için söz veriyor. Burada, tek hücrelerde senesans ilişkili β-galaktosidaz aktivitesinin ölçümüne dayalı senoterapötik teşhis için ekrana bir roman tahlil sunuyoruz.

Abstract

Hücre yaşlanma olumsuz sağlıklı bir ömrünü etkileyen bilinen yaşlanma damgasını biridir. Özellikle hücre kültüründe, denir senolytikler, güçlü hücreleri öldürebilir ilaçlar, in vivo ve genişletmek healthspan içinde parlak hücre yükü azaltabilir. Senolytikler birden fazla sınıf HSP90 inhibitörleri, bcl-2 aile inhibitörleri, piperlongumine, bir FOXO4 inhibitör peptid ve Dasatinib/Quercetin kombinasyonu dahil olmak üzere bugüne kadar tespit edilmiştir. Daha yüksek bir lizozomal pH ‘da sa-β-GAL tespiti, parlak hücrelerin tespiti için en iyi karakterize işaretliklere biridir. Canlı hücre ölçümleri ile ilişkili β-galaktosidase (SA-β-GAL) etkinliğini kullanarak floresan substrat C12fdg ile kombinasyon halinde toplam hücre numarasının belirlenmesi ile birlikte bir DNA enterkalasyon Hoechst boya imkanı açar (senolytics) ya da SA-β-Gal ve diğer fenotipleri (senomorfik) önleyici hücreleri öldürerek ya da genel SA-β-GAL etkinliğini azaltan senoterapötik ilaçlar için ekran. Yüksek içerik floresan görüntü edinme ve analiz platformu kullanımı SA-β-GAL, hücre Morfoloji ve hücre numarası üzerinde etkileri için ilaç kütüphaneleri hızlı, yüksek verim taraması için izin verir.

Introduction

Hücresel yaşlanma Leonard Hayflick ve Paul Moorhead, normal hücrelerin kültür1çoğalmak için sınırlı bir yeteneği olduğunu gösterdi tarafından ilk kez tanımlanmıştır. İnce hücreler besin varlığı, büyüme faktörleri ve temas inhibisyonu eksikliği rağmen çoğalırlar başarısız, ancak metabolik olarak aktif kalır2. Bu fenomen çoğaltıcı yaşlanma olarak bilinir ve ağırlıklı olarak telomer kısaltma atfedildi, en azından insan hücrelerinde3. Daha fazla çalışmalar, hücrelerin aynı zamanda diğer uyaranlara yanıt olarak, Onkojenik stres (onkojen indüklenen senesans, OIS), DNA hasarı, sitotokleş ilaçlar veya ışınlama (stres indüklenen yaşlanma, SIS)4 gibi senesans geçmesi indüklenmiş olabilir göstermiştir , 5 , 6. DNA hasarına yanıt olarak, telomer erozyonu dahil, hücreler ya senesce, kontrollü hücre büyümesini başlatmak, ya da hasar onarılamaz eğer apoptozis geçmesi. Bu durumda, hücre yaşlanma bir tümör bastırıcı şekilde davranır gibi yararlı görünüyor2. Bunun aksine, DNA hasarı da dahil olmak üzere hücresel hasar birikimi nedeniyle yaşlanma ile senesans artar. Sert hücreler sitokinleri, metalloproteinazlar ve büyüme faktörlerini salgılayan, yaşlılık ilişkili salgı fenotipi (SASP) olarak adlandırılan bu yana, hücresel senesans ve SASP bu yaş bağımlı artış azaltılmış doku homeostaz katkıda ve daha sonra yaşlanma. Ayrıca, yaşlılık yükü bu yaş bağımlı artış metabolik hastalıklar, stres hassasiyeti, Progeria sendromlar, ve7,8 iyileşme bozulmuş ve kısmen, çoğunlukla sorumlu olduğu bilinmektedir çok sayıda yaş ile ilgili hastalıklar, ateroskleroz gibi, osteoartrit, kas dejenerasyonu, ülser oluşumu, ve Alzheimer hastalığı9,10,11,12,13. Sertleşme hücrelerinin giderilmesi, doku fonksiyon bozukluğu önlemeye veya geciktirmeye ve healthspan14‘ e uzatmaya yardımcı olabilir. Bu transgenik fare modelleri14,15,16 yanı sıra hem ilaç tarama çabaları ve Biyoinformatik analizi ile keşfedilen senolitik ilaçlar ve ilaç kombinasyonları kullanarak gösterildi Özellikle senesans hücrelerde indüklenen yollar17,18,19,20,21,22. Daha optimal senoterapötik ilaçların belirlenmesi, daha etkili bir şekilde parlak hücre yükünü azaltabilir, sağlıklı yaşlanma için terapötik yaklaşımlar gelişiminde önemli bir sonraki adımdır.

Parlak hücreler, hem kültürde hem de in vivo karakteristik fenoipik ve moleküler özellikleri gösterir. Bu senesans belirteçleri ya neden ya da senesans indüksiyon sonucu ya da bu hücrelerde moleküler değişikliklerin bir yan ürün olabilir. Ancak, hiçbir tek Marker özellikle parlak hücrelerde bulunamadı. Şu anda, yaşlanma-ilişkili β-galaktosidaz (SA-β-GAL) algılama, en iyi karakterize ve kurulan tek hücreli temel yöntemlerle yaşlanma in vitro ve In vivo ölçmek için biridir. SA-β-GAL pH 4 ‘ de optimum enzimatik aktivite ile lizozomal hidrolaz ‘dir. PH 6 ‘ da aktivitesini ölçmek mümkündür, çünkü senesans hücreler daha fazla lizozomal etkinliğini gösteriyor23,24. Yaşayan hücreler için, artmış lizozomal pH, vakolar H+-ATPaz inhibitörü bafilomisin a1 veya endozomal asitleştirme inhibitörü chlorokine ile lizozomal alkali ile elde edilir25,26. 5-dodecanoylaminofluorescein di-β-D-galaktopyranoside (C12FDG), 12 karbon lipophilik kısım25nedeniyle hücrelerde parçalanabilen ürün korur gibi yaşayan hücrelerde substrat olarak kullanılır. Daha da önemlisi, SA-β-GAL aktivitesinin kendisi, doğru bir şekilde herhangi bir yol ile doğrudan bağlı değildir ve senesans vermek için gerekli değildir. Bu tahlil ile, yaşlı bireylerin cilt biyopsileri gibi heterojen hücre nüfusu ve yaşlanma dokularında bile, düzensiz hücreler tespit edilebilir. Ayrıca, çeşitli organizmalar ve koşullarda27,28,29, parlak hücre algılama için güvenilir bir marker olarak hücre yaşlanma ve yaşlanma23 arasında bir korelasyon göstermek için kullanılmıştır 30‘ a kadar. Burada, yüksek verim sa-β-GAL tarama tahlil floresan substrat dayalı C12fdg birincil fare embriyonik fibroblastlar kullanarak (MEFS) sağlam oksidatif stres indüklenen hücre yaşlanma açıklanan ve avantajları ve dezavantajları ele alınmaktadır. Bu tahlil farklı hücre türleri ile yapılabilir rağmen, Ercc1-eksikliği kullanımı, DNA tamir MEFS oksidatif stres koşullarında daha hızlı senesans indüksiyon için izin verir. Farelerde, DNA onarımının azaltılmış ifadesi ERCC1-XPF bozulmuş DNA onarımı, endojen DNA hasarının hızlandırılmış birikimi, yükseltilmiş ROS, mitokondriyal disfonksiyon, artmış parlak hücre yükü, kök hücre fonksiyonunun kaybı ve erken yaşlanma, doğal yaşlanma benzer31,32. Benzer şekilde, Ercc1-eksikliği MEFS kültür17daha hızlı bir şekilde yaşlanma geçmesi. İnanılmaz MEF tahlil önemli bir özelliği, her iyi, parlak hücre spesifik etkileri net gösteri için izin, parlak ve non-parlak hücrelerin bir karışımı vardır. Ancak, biz primer hücrelerde oksidatif stres kullanımı daha fizyolojik olduğunu inanıyoruz rağmen, bu tahlil aynı zamanda yaşlanma DNA zararlı ajanlar etoposid veya ışınlama gibi indüklenen hücre hatları ile kullanılabilir.

Protocol

Hayvan kullanımı Scripps Florida kurumsal hayvan bakımı ve kullanım Komitesi tarafından onaylandı. 1. dölsel murin embriyonik fibroblast (MEF) üretimi – 12-15 gün Daha önce33açıklandığı gibi embriyonik gün 13 (E13) hamile kadın fareler vahşi tip ve Ercc1-/- MEFS izole.Not: tüm aşağıdaki adımlar aseptik koşullarda ve steril aletler kullanılarak bir doku kültürü kaputu içinde gerçekleştirilir. E…

Representative Results

SA-β-GAL aktivite çoğaltıcı tükenmesi, genotoksisik ve oksidatif stres, onkojen aktivasyonu için çeşitli şekillerde senesce indüklenen hücrelerde tespit edilebilir23,25,38. Geçerli modelde Ercc1-eksikliği fare embriyonik fibroblast hücreleri kullanarak, normoxic büyüme koşulları (20% O2) birkaç pasajlar için onları yetiştirdikten sonra hücre yaşlanma i…

Discussion

SA-β-GAL, aslında dimri ve Al tarafından keşfedilen hücresel yaşlanma için iyi tanımlanmış bir biyomarker . (1995) pH 623 ‘ de proliferasyon hücrelerine göre değerlendirildiğinde, senesans insan fibroblastların sa-β-GAL aktivitesinin arttığını gösteriyor. Bu arada, In vitro ve In vivo tahlil için sa-β-GAL farklı hücre tipleri ve dokular için kurulmuştur25,39,40. Bu prot…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma NıH hibe AG043376 (Proje 2 ve Core A, PDR tarafından desteklenmektedir; Proje 1 ve Core B, LJN) ve AG056278 (Proje 3 ve çekirdek A, PDR; ve proje 2, LJN) ve Glenn Vakfı (LJN) bir hibe.

Materials

DMEM  Corning 10-013-CV medium
Ham's F10 Gibco 12390-035 medium
fetal bovine serum Tissue Culture Biologics 101 serum
1x non-essential amino acids Corning 25-025-Cl amino-acids
bafilomycin A1  Sigma B1793 lysosomal inhibitor
C12FDG Setareh Biotech 7188 b-Gal substrate
Hoechst 33342  Life Technologies H1399 DNA intercalation agent
17DMAG Selleck Chemical LLC 50843 HSP90 inhibitor
InCell6000 Cell Imaging System GE Healthcare High Content Imaging System
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hayflick, L., Moorhead, P. S. The serial cultivation of human diploid cell strains. Experimental Cell Research. 25, 585-621 (1961).
  2. Campisi, J., di Fagagna, F. D. Cellular senescence: when bad things happen to good cells. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 8 (9), 729-740 (2007).
  3. Harley, C. B., Futcher, A. B., Greider, C. W. Telomeres shorten during ageing of human fibroblasts. Nature. 345 (6274), 458-460 (1990).
  4. Zhu, J., Woods, D., McMahon, M., Bishop, J. M. Senescence of human fibroblasts induced by oncogenic Raf. Genes and Development. 12 (19), 2997-3007 (1998).
  5. Dimri, G. P., Itahana, K., Acosta, M., Campisi, J. Regulation of a senescence checkpoint response by the E2F1 transcription factor and p14(ARF) tumor suppressor. Molecular and Cellular Biology. 20 (1), 273-285 (2000).
  6. Michaloglou, C., et al. BRAFE600-associated senescence-like cell cycle arrest of human naevi. Nature. 436 (7051), 720-724 (2005).
  7. Niedernhofer, L. J. Tissue-specific accelerated aging in nucleotide excision repair deficiency. Mechanisms of Ageing and Development. 129 (78), 408-415 (2008).
  8. Gitenay, D., et al. Glucose metabolism and hexosamine pathway regulate oncogene-induced senescence. Cell Death & Disease. 5, e1089 (2014).
  9. Erusalimsky, J. D., Kurz, D. J. Cellular senescence in vivo: its relevance in ageing and cardiovascular disease. Experimental Gerontology. 40 (8-9), 634-642 (2005).
  10. Kassem, M., Marie, P. J. Senescence-associated intrinsic mechanisms of osteoblast dysfunctions. Aging Cell. 10 (2), 191-197 (2011).
  11. Campisi, J., Andersen, J. K., Kapahi, P., Melov, S. Cellular senescence: A link between cancer and age-related degenerative disease. Seminars in Cancer Biology. 21 (6), 354-359 (2011).
  12. Golde, T. E., Miller, V. M. Proteinopathy-induced neuronal senescence: a hypothesis for brain failure in Alzheimer’s and other neurodegenerative diseases. Alzheimers Research & Therapy. 1 (2), 5 (2009).
  13. Telgenhoff, D., Shroot, B. Cellular senescence mechanisms in chronic wound healing. Cell Death & Differentiation. 12 (7), 695-698 (2005).
  14. Baker, D. J., et al. Clearance of p16Ink4a-positive senescent cells delays ageing-associated disorders. Nature. 479 (7372), 232-236 (2011).
  15. Baker, D. J., et al. Naturally occurring p16-positive cells shorten healthy lifespan. Nature. , (2016).
  16. Childs, B. G., et al. Senescent intimal foam cells are deleterious at all stages of atherosclerosis. Science. 354 (6311), 472-477 (2016).
  17. Fuhrmann-Stroissnigg, H., et al. Identification of HSP90 inhibitors as a novel class of senolytics. Nature Communications. 8 (1), 422 (2017).
  18. Zhu, Y., et al. New agents that target senescent cells: the flavone, fisetin, and the BCL-XL inhibitors, A1331852 and A1155463. Aging. 9 (3), 955-963 (2017).
  19. Zhu, Y., et al. Identification of a Novel Senolytic Agent, Navitoclax, Targeting the Bcl-2 Family of Anti-Apoptotic Factors. Aging Cell. , (2015).
  20. Zhu, Y., et al. The Achilles’ heel of senescent cells: from transcriptome to senolytic drugs. Aging Cell. , (2015).
  21. Baar, M. P., et al. Targeted Apoptosis of Senescent Cells Restores Tissue Homeostasis in Response to Chemotoxicity and Aging. Cell. 169 (1), 132-147 (2017).
  22. Jeon, O. H., et al. Local clearance of senescent cells attenuates the development of post-traumatic osteoarthritis and creates a pro-regenerative environment. Nature. , (2017).
  23. Dimri, G. P., et al. A biomarker that identifies senescent human cells in culture and in aging skin in vivo. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 92 (20), 9363-9367 (1995).
  24. Itahana, K., Campisi, J., Dimri, G. P. Methods to detect biomarkers of cellular senescence: the senescence-associated beta-galactosidase assay. Methods in Molecular Biology. 371, 21-31 (2007).
  25. Debacq-Chainiaux, F., Erusalimsky, J. D., Campisi, J., Toussaint, O. Protocols to detect senescence-associated beta-galactosidase (SA-[beta]gal) activity, a biomarker of senescent cells in culture and in vivo. Nature Protocols. 4 (12), 1798-1806 (2009).
  26. Cahu, J., Sola, B. A sensitive method to quantify senescent cancer cells. Journal of Visualized Experiments. 78 (78), (2013).
  27. Collado, M., et al. Tumour biology: Senescence in premalignant tumours. Nature. 436 (7051), 642 (2005).
  28. Krishnamurthy, J., et al. Ink4a/Arf expression is a biomarker of aging. The Journal of Clinical Investigation. 114 (9), 1299-1307 (2004).
  29. Mishima, K., et al. Senescence-associated beta-galactosidase histochemistry for the primate eye. Investigative Ophthalmology, Visual Science. 40 (7), 1590-1593 (1999).
  30. Melk, A., et al. Expression of p16INK4a and other cell cycle regulator and senescence associated genes in aging human kidney. Kidney International. 65 (2), 510-520 (2004).
  31. Niedernhofer, L. J., et al. A new progeroid syndrome reveals that genotoxic stress suppresses the somatotroph axis. Nature. 444 (7122), 1038-1043 (2006).
  32. Wang, J., Clauson, C. L., Robbins, P. D., Niedernhofer, L. J., Wang, Y. The oxidative DNA lesions 8,5′-cyclopurines accumulate with aging in a tissue-specific manner. Aging Cell. 11 (4), 714-716 (2012).
  33. Jozefczuk, J., Drews, K., Adjaye, J. Preparation of mouse embryonic fibroblast cells suitable for culturing human embryonic and induced pluripotent stem cells. Journal of Visualized Experiments. (64), (2012).
  34. Jagannathan, L., Cuddapah, S., Costa, M. Oxidative stress under ambient and physiological oxygen tension in tissue culture. Current Pharmacology Reports. 2 (2), 64-72 (2016).
  35. Meuter, A., et al. Markers of cellular senescence are elevated in murine blastocysts cultured in vitro: molecular consequences of culture in atmospheric oxygen. J Assist Reprod Genet. 31 (10), 1259-1267 (2014).
  36. Robinson, A. R., et al. Spontaneous DNA damage to the nuclear genome promotes senescence, redox imbalance and aging. Redox Biology. 17, 259-273 (2018).
  37. Zhang, J. H., Chung, T. D., Oldenburg, K. R. A Simple Statistical Parameter for Use in Evaluation and Validation of High Throughput Screening Assays. Journal Of Biomolecular Screening. 4 (2), 67-73 (1999).
  38. Zhao, H., Darzynkiewicz, Z. Biomarkers of cell senescence assessed by imaging cytometry. Methods in Molecular Biology. 965, 83-92 (2013).
  39. Yang, N. -. C., Hu, M. -. L. A fluorimetric method using fluorescein di-β-d-galactopyranoside for quantifying the senescence-associated β-galactosidase activity in human foreskin fibroblast Hs68 cells. Analytical Biochemistry. 325 (2), 337-343 (2004).
  40. Zhao, J., et al. Quantitative Analysis of Cellular Senescence in Culture and In Vivo. Current Protocols in Cytometry. 79, (2017).
  41. Capparelli, C., et al. CDK inhibitors (p16/p19/p21) induce senescence and autophagy in cancer-associated fibroblasts, "fueling" tumor growth via paracrine interactions, without an increase in neo-angiogenesis. Cell Cycle. 11 (19), 3599-3610 (2012).
  42. Coppe, J. P., Desprez, P. Y., Krtolica, A., Campisi, J. The senescence-associated secretory phenotype: the dark side of tumor suppression. Annual Review of Pathology. 5, 99-118 (2010).
  43. Mah, L. J., El-Osta, A., Karagiannis, T. C. GammaH2AX as a molecular marker of aging and disease. Epigenetics. 5 (2), 129-136 (2010).
  44. Hewitt, G., et al. Telomeres are favoured targets of a persistent DNA damage response in ageing and stress-induced senescence. Nature Communications. 3, 708 (2012).
  45. Narita, M., et al. Rb-mediated heterochromatin formation and silencing of E2F target genes during cellular senescence. Cell. 113 (6), 703-716 (2003).
  46. Georgakopoulou, E. A., et al. Specific lipofuscin staining as a novel biomarker to detect replicative and stress-induced senescence. A method applicable in cryo-preserved and archival tissues. Aging-Us. 5 (1), 37-50 (2013).
  47. Severino, J., Allen, R. G., Balin, S., Balin, A., Cristofalo, V. J. Is β-Galactosidase Staining a Marker of Senescence in Vitro and in Vivo?. Experimental Cell Research. 257 (1), 162-171 (2000).

Tags

SA-β-GalactosidaseSenotherapeutic DrugsSenolyticSenomorphicHigh-throughput Drug ScreeningAging-related DiseasesCell SenescenceCell CultureTrypsinization

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Fuhrmann-Stroissnigg, H., Santiago, F. E., Grassi, D., Ling, Y., Niedernhofer, L. J., Robbins, P. D. SA-β-Galactosidase-Based Screening Assay for the Identification of Senotherapeutic Drugs. J. Vis. Exp. (148), e58133, doi:10.3791/58133 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image