實時活細(xì)胞成像在多參數(shù)藥理學(xué)篩選中的應(yīng)用
瀏覽次數(shù):1389 發(fā)布日期:2022-11-16
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對人類活動的動態(tài)記錄促使了抖音等視頻的大流行,同樣的,對科學(xué)的觀察和記錄也有同樣的追求,正在從靜態(tài)的“快照”觀察轉(zhuǎn)向?qū)铙w動態(tài)過程的描述。以實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測為目的的活細(xì)胞成像正是目前研究動物細(xì)胞增殖的理想手段,能幫助生物學(xué)家更好地了解實驗條件可能對不同系統(tǒng)中細(xì)胞增殖的影響。
本文中,我們將展示使用高通量活細(xì)胞成像平臺CELLCYTE X™如何方便地獲得多孔板中細(xì)胞的全面、長時間、多參數(shù)和實時的狀態(tài),并證實,CELLCYTE X™基于輪廓增強的細(xì)胞匯合百分比與熒光信號強度和核或細(xì)胞計數(shù)指標(biāo)相結(jié)合,可成功用于表征藥物在人和鼠不同細(xì)胞類型中的藥理學(xué)特征。
CELLCYTE X 在藥理學(xué)篩選中的應(yīng)用
實驗背景
細(xì)胞增殖是基礎(chǔ)研究和轉(zhuǎn)化研究,尤其是免疫腫瘤學(xué)應(yīng)用藥物發(fā)現(xiàn)中的關(guān)鍵指標(biāo)。細(xì)胞增殖的變化通常通過終點測定來評估,例如通過核苷類似物BrdU和EdU的摻入來定量DNA合成,或通過分析增殖報告蛋白的表達(dá),例如Ki-67和增殖細(xì)胞核抗原(PCNA)。但在近來20年,活細(xì)胞成像已被證實是評估細(xì)胞增殖的一種更加優(yōu)越的技術(shù),因為它依賴于在培養(yǎng)箱中數(shù)天或數(shù)周的生長細(xì)胞圖像的采集和分析,從而提供受控的、一致的環(huán)境條件下細(xì)胞群的實時數(shù)據(jù)。
在此,我們演示了CELLCYTE X™如何使用多個參數(shù)實時監(jiān)測細(xì)胞增殖,詳細(xì)介紹如何通過使用小鼠胚胎成纖維細(xì)胞(MEF)中的無標(biāo)記融合測量或通過表達(dá)熒光團細(xì)胞的多參數(shù)分析,定量和定性評估不同藥物的藥理學(xué)。
實驗結(jié)果
1. 細(xì)胞增殖的多參數(shù)分析
以CELLCYTE X™增強輪廓(EC)的高對比度亮場形式和綠色(綠色FL)、紅色(紅色FL)熒光通道對生長中的視網(wǎng)膜色素上皮-1(RPE-1)細(xì)胞成像,分別監(jiān)測核和細(xì)胞質(zhì)熒光團的表達(dá)。然后使用CELLCYTE X軟件同時分析這些圖像,以便以EC匯合百分比、綠色FL細(xì)胞計數(shù)和紅色FL細(xì)胞核計數(shù)的形式推斷細(xì)胞增殖的定量測量(圖1)。
同時測量多個熒光信號的能力使CELLCYTE X™成為實時分析共培養(yǎng)系統(tǒng)的理想平臺(圖2)。
通過使用熒光匯流面積百分比衡量指標(biāo),分析表達(dá)綠色或紅色熒光團的乳腺癌細(xì)胞系的增殖情況(圖2B)。每個視場的熒光物體計數(shù)表明GFP表達(dá)細(xì)胞具有優(yōu)越的增殖能力(圖2C)。熒光強度(a.u)指標(biāo)更全面地反映了個體細(xì)胞隨時間的增殖行為(圖2D和2E)。實際上,總體紅色熒光強度表明,盡管表達(dá)mCherry的細(xì)胞增殖較低,但熒光信號強度與GFP信號相當(dāng)(圖2D)。這可以通過單個熒光指標(biāo)來解釋,可以從圖2E中所示的隨時間變化的種群平均水平進行分析,也可以從圖2F中所示的所有圖像的單個細(xì)胞水平進行分析,證實了表達(dá)mcherry的細(xì)胞數(shù)量較少,但與表達(dá)GFP的細(xì)胞相比,它們發(fā)出的熒光信號卻更強烈。
使用CELLCYTE X Studio Software,用戶還可以調(diào)整熒光掩膜靈敏度,只檢測表達(dá)一定熒光團水平的細(xì)胞,這在培養(yǎng)表現(xiàn)不同表達(dá)程度的異質(zhì)細(xì)胞群體時非常有用。通過利用這些指標(biāo),可以在高通量設(shè)計中解釋可變熒光團表達(dá),如應(yīng)用在CRISPR/Cas9 gRNA文庫或facs排序細(xì)胞的基因篩選中。
2. 抑制細(xì)胞增殖藥物的無標(biāo)記劑量反應(yīng)分析
劑量反應(yīng)分析是評估藥物研發(fā)過程中各種化合物作用的關(guān)鍵工具,特別是在評估藥物對不同類型細(xì)胞增殖的影響時。CELLCYTE X™增強輪廓成像方式是一種高對比度亮場顯微鏡,可用于獲得精確的無標(biāo)記細(xì)胞匯流測量。
為了驗證細(xì)胞匯合衡量指標(biāo)對高通量篩選平臺的適用性,我們監(jiān)測了在96孔板中用Cycloheximide(一種常用的細(xì)胞毒性蛋白合成抑制劑)和喜樹堿(一種DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶I抑制劑)處理的MEF細(xì)胞的增殖情況。
為了評估EC匯流衡量指標(biāo)的敏感性和粒度的可譯性,我們獲得這兩種藥物的1:3稀釋劑量-反應(yīng)曲線,覆蓋從0.123 μ M到10 μ M 2-log的濃度范圍。喜樹堿和Cycloheximide治療均獲得了穩(wěn)健的化合物濃度依賴性劑量反應(yīng)(圖3)。喜樹堿處理的MEF,特別是在較低劑量時,顯示出在應(yīng)用該化合物后的前6小時內(nèi)匯合度增加。隨后,細(xì)胞毒性作用很快顯現(xiàn)出來。在濃度為0.123µM時,細(xì)胞匯合穩(wěn)定下降,在濃度為1.11µM至10µM的情況下,匯合呈動力學(xué)等效指數(shù)下降(圖3A)。另一方面,經(jīng)Cycloheximide處理的細(xì)胞表現(xiàn)出更大范圍的細(xì)胞毒性動力學(xué)。雖然在前3小時內(nèi)也觀察到匯合度略有增加,但隨后是一個較慢且較穩(wěn)定的下降,在濃度峰值時看到的動力學(xué)更快(圖3B)。
這些化合物的不同效力反映在它們的IC50中,該濃度是用48小時的細(xì)胞匯合數(shù)據(jù)計算的。MEF細(xì)胞顯然對喜樹堿(IC50=0.15µM,CI95 0.12–0.17µM)比Cycloheximide(IC50=1.15µM,CI95 1.03–1.48)更敏感(圖3C)。
這一定量數(shù)據(jù)表明Cycloheximide的藥理學(xué)窗口更寬,也反映在定性形態(tài)學(xué)變化中,可以通過CELLCYTE X™生成的高分辨率EC圖像進行識別(圖4)。雖然在1.11 μ M下,兩種藥物在6小時內(nèi)似乎都不會影響典型的成纖維細(xì)胞形態(tài),但在48小時內(nèi)卻有明顯的差異。使用喜樹堿,可以通過四舍五入的高對比度細(xì)胞的形式看到廣泛的細(xì)胞死亡。
為了更準(zhǔn)確地反映藥物的細(xì)胞毒性,用于EC合流定量的掩膜被設(shè)置為不識別大量碎片(圖4,右中)。另一方面,Cycloheximide引起的蛋白質(zhì)合成抑制不僅表現(xiàn)為EC匯合所量化的中度增殖抑制,而且在形態(tài)學(xué)上表現(xiàn)為高對比度核周結(jié)構(gòu)的廣泛積累(圖4,右下角),這些特征可以通過高分辨率EC圖像來識別。
3. 使用增強型輪廓匯流和熒光通道衡量指標(biāo)的復(fù)合物篩選
前瞻性抗增殖藥物庫的篩選通常通過高通量設(shè)置中的分析來完成,其中單個指標(biāo)反映了在預(yù)定終點對細(xì)胞健康的不同測量。通過使用CELLCYTE X™的增強輪廓和熒光成像模式,可以使用多種指標(biāo)實時評估藥物治療對細(xì)胞增殖的影響。
為了驗證CELLCYTE X™在合理準(zhǔn)確量化細(xì)胞增殖方面的能力,我們用廣泛濃度的細(xì)胞毒性藥物治療了快速生長的乳腺癌細(xì)胞系,并使用儀器的EC和綠色熒光通道對其進行實時成像。組成性表達(dá)GFP蛋白的MDA-MB-231細(xì)胞用從156nM至20µM的Staurosporine和喜樹堿的1:2稀釋劑量-反應(yīng)曲線處理。Staurosporine是一種有效的蛋白激酶抑制劑,通過Caspase-3介導(dǎo)的凋亡誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。
如圖5A和5D所示,Staurosporine和喜樹堿均在6至12小時后達(dá)到峰值,隨后在接下來的3天內(nèi)緩慢但穩(wěn)定地下降,尤其是在高劑量下。使用CELLCYTE Studio軟件采集和分析熒光圖像,獲得綠色強度(圖5B和5E)和綠色物體計數(shù)指標(biāo)(圖5C和5F。事實上,這兩個參數(shù)對這些藥物的效果提供了一個互補的觀點。
Staurosporine處理的細(xì)胞(圖5B)的綠色強度反映了GFP的整體表達(dá)程度,在最初的6- 12小時內(nèi)保持不變,并穩(wěn)步下降,而對照處理的細(xì)胞則顯示出6倍的增長。對于喜樹堿,在3個數(shù)據(jù)中,細(xì)胞表現(xiàn)出更微妙的劑量依賴性恒定動力學(xué)(圖5E)。第三個感興趣的指標(biāo)是綠色物體計數(shù),與強度相反,Staurosporine(圖5C)比喜樹堿(圖5F)表現(xiàn)出更顆粒的劑量依賴性行為。
這3個指標(biāo)提供了一組不同但互補的定量測量,可以通過檢查采集和分析的圖像進行協(xié)調(diào)。
經(jīng)Staurosporine處理的細(xì)胞在10小時后呈現(xiàn)出明顯的星狀形態(tài)(圖6)。因此EC -匯流掩膜(圖6)高估了總體占據(jù)面積的增加。隨著時間的推移,細(xì)胞生長確實受到了抑制,盡管有星形形態(tài),但EC融合度指標(biāo)仍然可以觀察到廣泛的細(xì)胞死亡,該指標(biāo)描述了前10小時后的穩(wěn)定下降。
在這種情況下,需要考慮的補充指標(biāo)是熒光信號。當(dāng)檢查綠色熒光時,Staurosporine處理的細(xì)胞中凋亡小體中GFP的積累解釋了綠色物體數(shù)量的增加,如圖5C和圖6所示。在接下來的幾天里,隨著膜完整性的完全喪失和壞死,熒光物數(shù)量以一種更依賴劑量的方式迅速減少,在staurosporin處理的細(xì)胞中,72小時后可以看到最小的信號(圖6)。
實驗結(jié)論
本研究已經(jīng)證明,高通量活細(xì)胞成像平臺CELLCYTE X™可以為藥理學(xué)篩選提供自動化的、連續(xù)的動態(tài)細(xì)胞生長分析:
- EC匯合率、細(xì)胞核計數(shù)和細(xì)胞計數(shù)用于監(jiān)測細(xì)胞增殖。
- 多個熒光通道可在共培養(yǎng)系統(tǒng)中進行靈活的細(xì)胞增殖分析。
- 通過定性形態(tài)學(xué)分析以及EC合流率、熒光強度信號和熒光物計數(shù)的定量測量,實現(xiàn)了全面的藥理評價。
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