Flow cytometrische analyse van mitochondriale reactieve zuurstof soorten in Muriene hematopoietische stam en voorlopercellen en MLL-AF9 gedreven leukemie
Summary
We beschrijven een methode voor het gebruik van Multi parameter flow cytometrie te detecteren mitochondriale reactieve zuurstof soorten (ROS) in Murine gezonde hematopoietische stam en voorlopercellen (HSPCs) en leukemie cellen van een muismodel van acute myeloïde leukemie (AML) gedreven door MLL-AF9.
Abstract
We presenteren een flowcytometrische benadering voor het analyseren van mitochondriale ROS in diverse levende beenmerg (BM)-afgeleide stam-en voorlopercellen van gezonde muizen en muizen met AML aangedreven door MLL-AF9. Specifiek beschrijven we een tweestapskleurings proces, waarbij gezonde of leukemie BM-cellen eerst worden gekleurd met een fluorogene kleurstof die mitochondriale Super oxiden detecteert, gevolgd door kleuring met met fluorochrome verbonden monoklonale antilichamen die worden gebruikt verschillende gezonde en kwaadaardige hematopoietische voorlopercellen te onderscheiden. We bieden ook een strategie voor het verwerven en analyseren van de monsters door flow Cytometry. Het gehele protocol kan worden uitgevoerd in een tijdsbestek van slechts 3-4 h. We markeren ook de belangrijkste variabelen om te overwegen, evenals de voordelen en beperkingen van het bewaken van ROS productie in het mitochondriale compartiment van levende hematopoietische en leukemie stam en voorlopercellen subpopulaties met behulp van fluorogenic kleurstoffen doorstroming cytometrie . Bovendien presenteren we gegevens die mitochondriale ROS overvloed varieert tussen verschillende gezonde HSPC subpopulaties en leukemie voor ouders en bespreken de mogelijke toepassingen van deze techniek in hematologisch onderzoek.
Introduction
Reactieve zuurstof soorten (ROS) zijn zeer reactieve moleculen afgeleid van moleculaire zuurstof. De meest goed gedefinieerde cellulaire locatie van ROS productie is de mitochondriën, waar elektronen die passeren de elektronentransport keten (ETC) tijdens oxidatieve fosforylering (OXPHOS) worden geabsorbeerd door moleculaire zuurstof die leidt tot de vorming van een specifieke type ROS genaamd Super oxiden1. Door de acties van een reeks enzymen, genaamd superoxide dismutases of sod’s, worden super oxiden omgezet in waterstof peroxiden, die vervolgens worden geneutraliseerd in water door enzymen zoals katalase of glutathion peroxiasen (GPX). Verstoringen in ROS-regelgevende mechanismen kunnen leiden tot de overtollige productie van ROS, vaak aangeduid als oxidatieve stress, die schadelijke en potentieel dodelijke cellulaire gevolgen zoals Macromolecuul schade hebben (dat wil zeggen, DNA, eiwitten, lipiden). Bovendien is oxidatieve stress gerelateerd aan verschillende pathologieën, zoals diabetes, ontstekingsziekten, veroudering en tumoren2,3,4. Te handhaven redox homeostase en oxidatieve stress te voorkomen, cellen bezitten een verscheidenheid van ROS-regulerende mechanismen5.
Fysiologische niveaus van bepaalde ROS zijn noodzakelijk voor goede embryonale en volwassen Hematopoiesis6. Echter, overtollige ROS wordt geassocieerd met DNA-schade, cellulaire differentiatie en uitputting van het hematopoietische stam en voorlopercellen pool. Er is ook bewijs dat veranderingen in redox biologie kunnen verschillen tussen leukemie en gezonde cellen. Bijvoorbeeld, Ros niveaus neigen te zijn hoger in acute myeloïde leukemie (AML) cellen ten opzichte van hun gezonde tegenhangers en andere studies hebben gesuggereerd dat leukemie stamcellen een lage steady-state niveau van Ros voor overleving7,8behouden. Belangrijk, strategieën voor therapeutisch kapitaliseren op deze redox verschillen hebben aangetoond belofte in verschillende menselijke kanker instellingen9,10. Daarom, assays die het mogelijk maken voor de beoordeling van ROS niveaus in muismodellen kunnen verbeteren ons begrip van hoe deze soorten bijdragen aan cellulaire fysiologie en ziekte pathogenese, alsmede mogelijk bieden een platform voor de beoordeling van de effectiviteit van nieuwe redox-gerichte anti-kankertherapieën.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fluorogene kleurstoffen die zijn ontwikkeld voor de detectie van Ros worden vaak geëvalueerd in vaste cellen door microscopie of in levende cellen door flow flowcytometrieonderzoeken22. Flow cytometrische evaluatie van mitochondriale ROS in BM-cellen met behulp van mitochondriale ROS fluorogenic kleurstoffen heeft twee belangrijke voordelen: 1) het is een snelle en eenvoudige techniek die geschikt is voor Live-celanalyse en 2) het maakt het mogelijk om te onderscheiden en te analyseren zeldzame p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de Fox Chase Cancer Center Raad van bestuur (DDM), de American Society of Hematology Scholar Award (SMS), American Cancer Society RSG (SMS) en het Department of Defense (Award #: W81XWH-18-1-0472).
Materials
| Heat inactivated FBS | VWR Seradigm LIFE SCIENCE | 97068-085 | Media |
| Penicillin Streptomycin | Corning | 30-002-CI | Media |
| PBS | Fisher Scientific | BP399-20 | Buffer |
| 15 mL conical tube | BD falcon | 352096 | Tissue Culture Supplies |
| 50 mL conical tube | BD falcon | 352098 | Tissue Culture Supplies |
| 40 μm cell strainers | Fisher Scientific | 22-363-547 | Tissue Culture Supplies |
| RBC Lysis Buffer | Fisher Scientific | 50-112-9751 | Tissue Culture Supplies |
| Menadione sodium Bisulfite | Sigma aldrich | M5750 | Pro-oxidant |
| NAC | Sigma aldrich | A7250 | Anti-oxidant |
| CD3 PE-Cy5 clone 145-2c11 | Biolegend | 100310 | Antibody |
| CD4 PE-Cy5 clone RM4-5 | eBioscience | 15-0041-81 | Antibody |
| CD8 PE-Cy5 clone 53-6.7 | eBioscience | 15-0081-81 | Antibody |
| CD19 PE-Cy5 clone 6D5 | Biolegend | 115510 | Antibody |
| B220 PE-Cy5 clone RA3-6B2 | Biolegend | 103210 | Antibody |
| Gr1 PE-Cy5 clone RB6-8C5 | Biolegend | 108410 | Antibody |
| Ter119 PE-Cy5 clone Ter-119 | Biolegend | 116210 | Antibody |
| CD48 PE-Cy5 clone HM48-1 | Biolegend | 103420 | Antibody |
| CD117 APC-Cy7 clone 2B8 | Biolegend | 105825 | Antibody |
| Sca1 peacific Blue clone D7 | Biolegend | 108120 | Antibody |
| CD150 APC clone TC15-12F12.2 | Biolegend | 115909 | Antibody |
| CD34 FITC clone RAM34 | BD Bioscience | 553733 | Antibody |
| CD45.2 APC clone 104 | Biolegend | 1098313 | Antibody |
| MitoSOX Red | ThermoFisher Scientific | M36008 | Dye |
| Mitotracker Green | ThermoFisher Scientific | M7514 | Dye |
| Live/dead Yellow Dye | ThermoFisher Scientific | L34967 | Dye |
References
- Dröse, S., Brandt, U. Molecular mechanisms of superoxide production by the mitochondrial respiratory chain. Advances in experimental medicine and biology. 748, 145-169 (2012).
- Gerber, P. A., Rutter, G. A. The Role of Oxidative Stress and Hypoxia in Pancreatic Beta-Cell Dysfunction in Diabetes Mellitus. Antioxidant & Redox Signaling. 26 (10), 501-518 (2017).
- Höhn, A., et al. Happily (n)ever after: Aging in the context of oxidative stress, proteostasis loss and cellular senescence. Redox Biology. 11, 482-501 (2017).
- Reuter, S., Gupta, S. C., Chaturvedi, M. M., Aggarwal, B. B. Oxidative stress, inflammation, and cancer: how are they linked. Free Radical Biology & Medicine. 49 (11), 1603-1616 (2010).
- Lee, B. W. L., Ghode, P., Ong, D. S. T. Redox regulation of cell state and fate. Redox Biology. 2213-2317 (18), 30899 (2018).
- Harris, J. M., et al. Glucose metabolism impacts the spatiotemporal onset and magnitude of HSC induction in vivo. Blood. 121, 2483-2493 (2013).
- Hole, P. S., Darley, R. L., Tonks, A. Do reactive oxygen species play a role in myeloid leukemias. Blood. 117, 5816-5826 (2011).
- Lagadinou, E. D., et al. BCL-2 inhibition targets oxidative phosphorylation and selectively eradicates quiescent human leukemia stem cells. Cell Stem Cell. 12 (3), 329-341 (2013).
- Di Marcantonio, D., et al. Protein Kinase C Epsilon Is a Key Regulator of Mitochondrial Redox Homeostasis in Acute Myeloid Leukemia. Clinical Cancer Research. 24 (3), 608-618 (2018).
- Glasauer, A., Chandel, N. S. Targeting antioxidants for cancer therapy. Biochemical Pharmacology. 92 (1), 90-101 (2014).
- Krivtsov, A. V., et al. Transformation from committed progenitor to leukaemia stem cell initiated by MLL-AF9. Nature. 442 (7104), 818-822 (2006).
- Frascoli, M., Proietti, M., Grassi, F. Phenotypic analysis and isolation of murine hematopoietic stem cells and lineage-committed progenitors. Journal of Visualized Experiments. (65), (2012).
- Lo Celso, C., Scadden, D. T. Isolation and transplantation of hematopoietic stem cells (HSCs). Journal of Visualized Experiments. (157), (2007).
- Kalaitzidis, D., et al. mTOR complex 1 plays critical roles in hematopoiesis and Pten-loss-evoked leukemogenesis. Cell Stem Cell. 11 (3), 429-439 (2012).
- Sykes, S. M., et al. AKT/FOXO signaling enforces reversible differentiation blockade in myeloid leukemias. Cell. 146 (5), 697-708 (2011).
- Kalaitzidis, D., Neel, B. G. Flow-cytometric phosphoprotein analysis reveals agonist and temporal differences in responses of murine hematopoietic stem/progenitor cells. PLoS One. 3 (11), 3776 (2008).
- Kiel, M. J., Yilmaz, O. H., Iwashita, T., Yilmaz, O. H., Terhorst, C., Morrison, S. J. SLAM family receptors distinguish hematopoietic stem and progenitor cells and reveal endothelial niches for stem cells. Cell. 121 (7), 1109-1121 (2005).
- Mooney, C. J., Cunningham, A., Tsapogas, P., Toellner, K. M., Brown, G. Selective expression of flt3 within the mouse hematopoietic stem cell compartment. International Journal Molecular Sciences. 18 (5), (2017).
- Oguro, H., Ding, L., Morrison, S. I. SLAM family markers resolve functional distinct sub-populations of hematopoietic stem cells and multipotent progenitors. Cell Stem Cell. 13 (1), 102-116 (2013).
- Osawa, M., Hanada, K., Hamada, H., Nakauchi, H. Long-term lymphohematopoietic reconstitution by a single CD34-low/negative hematopoietic stem cell. Science. 273 (5272), 242-245 (1996).
- Morita, Y., Ema, H., Nakauchi, H. Heterogeneity and hierarchy within the most primitive hematopoietic stem cell compartment. Journal of Experimental Medicine. 207 (6), 1173-1178 (2010).
- Mukhopadhyay, P., Rajesh, M., Haskó, G., Hawkins, B. J., Madesh, M., Pacher, P. Simultaneous detection of apoptosis and mitochondrial superoxide production in live cells by flow cytometry and confocal microscopy. Nature Protocols. 2 (9), 2295-2301 (2007).
- Camargo, F. D., Chambers, S. M., Drew, E., McNagny, K. M., Goodell, M. A. Hematopoietic stem cells do not engraft with absolute efficiencies. Blood. 107 (2), 501-507 (2006).
- Morita, Y., Ema, H., Yamazaki, S., Nakauchi, H. Non-side-population hematopoietic stem cells in mouse bone marrow. Blood. 108 (8), 2850-2856 (2006).
- de Almeida, M. J., Luchsinger, L. L., Corrigan, D. J., Williams, L. J., Snoeck, H. W. Dye-Independent Methods Reveal Elevated Mitochondrial Mass in Hematopoietic Stem Cells. Cell Stem Cell. 21 (6), 725-729 (2017).
- Bonora, M., Ito, K., Morganti, C., Pinton, P., Ito, K. Membrane-potential compensation reveals mitochondrial volume expansion during HSC commitment. Experimental Hematology. 68, 30-37 (2018).
- Somervaille, T. C., Cleary, M. L. Identification and characterization of leukemia stem cells in murine MLL-AF9 acute myeloid leukemia. Cancer Cell. 10 (4), 257-268 (2006).
- Hao, X., et al. Metabolic Imaging Reveals a Unique Preference of Symmetric Cell Division and Homing of Leukemia-Initiating Cells in an Endosteal Niche. Cell Metabolism. 29 (4), 950-965 (2019).
