Imaging chimico bioortogonale del metabolismo cellulare regolato da amminoacidi aromatici
Summary
Presentiamo un protocollo per visualizzare direttamente le attività metaboliche nelle cellule regolate da aminoacidi utilizzando la microscopia a diffusione Raman stimolata (DO-SRS) con ossido di deuterio (acqua pesante D2O), che è integrata con la microscopia a fluorescenza di eccitazione a due fotoni (2PEF).
Abstract
Gli amminoacidi aromatici essenziali (AAA) sono elementi costitutivi per sintetizzare nuove biomasse nelle cellule e sostenere le normali funzioni biologiche. Ad esempio, un’abbondante fornitura di AAA è importante per le cellule tumorali per mantenere la loro rapida crescita e divisione. Con questo, c’è una crescente domanda di un approccio di imaging altamente specifico e non invasivo con una preparazione minima del campione per visualizzare direttamente come le cellule sfruttano gli AAA per il loro metabolismo in situ. Qui, sviluppiamo una piattaforma di imaging ottico che combina il sondaggio all’ossido di deuterio (D2O) con lo scattering Raman stimolato (DO-SRS) e integra DO-SRS con fluorescenza di eccitazione a due fotoni (2PEF) in un singolo microscopio per visualizzare direttamente le attività metaboliche delle cellule HeLa sotto regolazione AAA. Collettivamente, la piattaforma DO-SRS fornisce un’elevata risoluzione spaziale e specificità di proteine e lipidi di nuova sintesi in singole unità cellulari HeLa. Inoltre, la modalità 2PEF può rilevare segnali di autofluorescenza di nicotinammide adenina dinucleotide (NADH) e flavina in modo label-free. Il sistema di imaging qui descritto è compatibile sia con modelli in vitro che in vivo , che è flessibile per vari esperimenti. Il flusso di lavoro generale di questo protocollo include la coltura cellulare, la preparazione dei terreni di coltura, la sincronizzazione cellulare, la fissazione cellulare e l’imaging dei campioni con le modalità DO-SRS e 2PEF.
Introduction
Essendo aminoacidi aromatici essenziali (AAA), la fenilalanina (Phe) e il triptofano (Tryp) possono essere assorbiti dal corpo umano per sintetizzare nuove molecole per sostenere le normali funzioni biologiche1. Phe è necessario per la sintesi di proteine, melanina e tirosina, mentre Tryp è necessario per la sintesi di melatonina, serotonina e niacina 2,3. Tuttavia, il consumo eccessivo di questi AAA può sovraregolare il bersaglio nei mammiferi della via della rapamicina (mTOR), inibire la proteina chinasi attivata da AMP e interferire con il metabolismo mitocondriale, alterando collettivamente la biosintesi delle macromolecole e portando alla produzione di precursori maligni, come le specie reattive dell’ossigeno (ROS) nelle cellule sane 4,5,6. La visualizzazione diretta delle dinamiche metaboliche alterate sotto l’eccesso di regolazione AAA è essenziale per comprendere il ruolo delle AAA nel promuovere lo sviluppo del cancro e la crescita delle cellule sane 7,8,9.
Gli studi AAA tradizionali si basano sulla gascromatografia (GC)10. Altri metodi, come la risonanza magnetica (MRI), hanno risoluzioni spaziali limitate, rendendo difficile eseguire analisi cellulari e subcellulari di campioni biologici11. Recentemente, il desorbimento/ionizzazione laser assistito da matrice (MALDI) è stato sviluppato per chiarire il ruolo degli AAA nelle sintesi lipidiche e proteiche nella proliferazione del cancro con biomarcatori non invasivi12,13,14. Tuttavia, questa tecnica soffre ancora di profondità di imaging poco profonde, scarsa risoluzione spaziale e ampia preparazione del campione. A livello cellulare, gli isotopi stabili non tossici, come l’azoto-15 e il carbonio-13, possono essere tracciati con imaging multi-isotopico e spettrometria di massa di ioni secondari su scala nanometrica per comprendere la loro incorporazione in macromolecole. Tuttavia, questi metodi sono distruttivi per i campioni biologici viventi15,16. La microscopia a forza atomica (AFM) è un’altra potente tecnica in grado di visualizzare la dinamica metabolica17. La lentezza della scansione durante l’imaging AFM, d’altra parte, può causare la distorsione dell’immagine del risultato dalla deriva termica.
Abbiamo sviluppato una modalità di imaging biortogonale non invasiva accoppiando la microscopia a diffusione Raman stimolata con ossido di deuterio (D2O) (DO-SRS) e la microscopia a fluorescenza a due fotoni senza etichetta (2PEF). Questa modalità raggiunge un’elevata risoluzione spaziale e specificità chimica durante l’imaging di campioni biologici 18,19,20,21,22,23,24. Questo protocollo introduce le applicazioni di DO-SRS e 2PEF per esaminare le dinamiche metaboliche dei lipidi, delle proteine e dei cambiamenti del rapporto redox durante la progressione del cancro. Poiché D2O è una forma isotopica stabile dell’acqua, le biomolecole cellulari possono essere marcate con deuterio (D) a causa della sua rapida compensazione con l’acqua corporea totale nelle cellule, formando legami carbonio-deuterio (C-D) attraverso lo scambio enzimatico21. I legami C-D in macromolecole di nuova sintesi, inclusi lipidi, proteine, DNA / RNA e carboidrati, possono essere rilevati nella regione silenziosa cellulare dello spettro Raman 20,21,22,25,26,27. Con due impulsi laser sincronizzati, i legami C-D di lipidi e proteine appena sintetizzati possono essere visualizzati su singole cellule tramite imaging iperspettrale (HSI) senza estrarli o etichettarli con agenti citotossici. Inoltre, la microscopia SRS ha la capacità di costruire modelli tridimensionali (3D) di regioni selezionate di interesse in campioni biologici catturando e combinando una serie di immagini in sezione trasversale22,26. Con l’imaging iperspettrale e volumetrico 3D, DO-SRS può ottenere distribuzioni spaziali di macromolecole appena sintetizzate in singole cellule, insieme al tipo di organelli che facilitano il processo di promozione della crescita del cancro ai sensi della regola AAA22. Inoltre, utilizzando 2PEF, possiamo ottenere segnali di autofluorescenza di Flavina e nicotinammide adenina dinucleotide (NADH) ad alta risoluzione, profondità di penetrazione profonda e danni di basso livello in campioni biologici21,23,24. I segnali di autofluorescenza di flavina e NADH sono stati utilizzati per caratterizzare l’omeostasi redox e la perossidazione lipidica nelle cellule tumorali22,26. Pertanto, non solo l’accoppiamento di DO-SRS e 2PEF fornisce un’analisi subcellulare delle dinamiche metaboliche regolate da AAA nelle cellule tumorali con elevata distribuzione spaziale, informazioni sulla specificità chimica e preparazione minima del campione, ma il metodo riduce anche la necessità di estrarre o etichettare molecole endogene con reagenti tossici. In questo protocollo, presentiamo prima le procedure di D2O e la preparazione di aminoacidi, nonché la coltura di cellule tumorali. Quindi, mostriamo i protocolli di imaging DO-SRS e imaging 2PEF. Infine, presentiamo i risultati rappresentativi dell’imaging SRS e 2PEF, che dimostrano i cambiamenti metabolici regolati da AAA di lipidi e proteine e i cambiamenti del rapporto redox nelle cellule tumorali. Un’illustrazione dettagliata del processo è evidenziata nella Figura 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’imaging DO-SRS e 2PEF è stato applicato per studiare la dinamica metabolica in vari modelli ex vivo, tra cui Drosophila e tessuti umani 21,22,23,24,26,27,33. La modalità di imaging utilizzata in questo studio integra la microscopia DO-SRS e 2PEF, che può superare altri metodi d…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo il Dr. Yajuan Li e Anthony Fung per il loro supporto tecnico e il laboratorio Fraley per la linea cellulare. Riconosciamo i fondi iniziali di UCSD, NIH U54CA132378, NIH 5R01NS111039, NIH R21NS125395, NIHU54DK134301, NIHU54 HL165443 e Hellman Fellow Award.
Materials
| 10 mL Serological Pipettes | Avantor (by VWR) | 75816-100 | https://us.vwr.com/store/product?keyword=75816-100 |
| 15 mL Conical Centrifuge Tube | VWR | 89039-664 | https://mms.mckesson.com/product/1001859/VWR-International-89039-664 |
| 16% Formaldehyde, Methanol-free | ThermoFisher Scientific | 28906 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/28906 |
| 24-well plate | Fisherbrand | FB0112929 | https://www.fishersci.com/shop/products/24-well-tc-multidish-100-cs/FB012929#?keyword=FB012929 |
| 25 mm Syringe Filter, 2 μm PES | Foxx Life Sciences | 381-2216-OEM | https://www.foxxlifesciences.com/collections/pes-syringe-filters/products/381-2216-oem?variant=16274336003 |
| 460 nm Filter Cube | Olympus | OCT-ET460/50M32 | |
| AC Adapters of the Power Supply for LD OBIS 6 Laser Remote | Olympus | Supply power to the laser | |
| Band-pass Filter | KR Electronics | KR2724 | 8 MHz |
| BNC 50 Ohm Terminator | Mini Circuits | STRM-50 | |
| BNC Cable | Thorlabs | 2249-C | Coaxial Cable, BNC Male/Male |
| Broadband Dielectric Mirror | Thorlabs | BB1-E03 | 750 – 1100 nm |
| Centrifuge | |||
| Condenser | Olympus | ||
| Cover Glass | Corning | 2850-25 | https://ecatalog.corning.com/life-sciences/b2b/NL/en/Glassware/Cover-Glass/Corning%C2%AE-Square-%231%C2%BD-Cover-Glass/p/2850-25 |
| DC power supply | TopWard | 6302D | |
| Dichroic Mount | Thorlabs | KM100CL | |
| Dimethyl Sulfoxide Cell Culture Reagent | mpbio | 196055 | https://www.mpbio.com/0219605525-dimethyl-sulfoxide-cf |
| Dulbecco's Modified Eagle’s Medium without Methionine, Threonine, and Sodium Pyruvate | MilliporeSigma | 38210000 | https://www.usbio.net/media/D9800-22/dulbeccorsquos-mem-dmem-wsodium-bicarbonate-wo-methionine-threonine-sodium-pyruvate-powder With Sodium Bicarbonate and without Methionine, Threonine, and Sodium Pyruvate |
| Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium | Corning | MT10027CV | https://www.fishersci.com/shop/products/dmem-dulbecco-s-modified-eagle-s-medium-4/MT10027CV#:~:text=Dulbecco's%20Modified%20Eagle's%20Medium%20 |
| FIJI ImageJ | ImageJ | Version 1.53t 24 August 2022 | https://imagej.net/software/fiji/downloads |
| Heavy Water (Deuterium Oxide) | Cambridge Isotope Laboratories, Inc. | 7732-18-5 | https://shop.isotope.com/productdetails.aspx?itemno=DLM-4-1L |
| Hela Cells | ATCC | CCL-2 | https://www.atcc.org/products/ccl-2 |
| Hemocymeter | MilliporeSigma | Z359629-1EA | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/z359629?gclid=Cj0KCQiA37KbBhDgARIsAI zce15A5FIy0WS7I6ec2KVk QPXVMEqlAnYis_bKB6P6lr SIZ-wAXOyAELIaAhhEEAL w_wcB&gclsrc=aw.ds |
| High O.D. Bandpass Filter | Chroma Technology | ET890/220m | Filter the Stokes beam and transmit the pump beam |
| HyClone Fetal Bovine Serum (FBS) | Cytiva | SH300880340 | https://www.fishersci.com/shop/products/hyclone-fetal-bovine-serum-u-s-standard-4/SH300880340 |
| HyClone Trypsin 0.25% (1x) Solution | Cytiva | SH30042.02 | https://www.cytivalifesciences.com/en/us/shop/cell-culture-and-fermentation/reagents-and-supplements/cell-disassociation-reagents/hyclone-trypsin-protease-p-00445 |
| Integrated SRS Laser System | Applied Physics & Electronics, Inc. | picoEMERALD | picoEMERALD provides an output pulse at 1031 nm with 6-ps pulse width and 80-MHz repetition rate, which serves as the Stokes beam. The frequency doubled beam at 532 nm is used to synchronously seed a picosecond optical parametric oscillator (OPO) to produce a mode-locked pulse train with five~6 ps pulse width (the idler beam of the OPO is blocked with an,interferometric filter). The output wavelength of the OPO is tunable from 720–950 nm, which serves as the pump beam. The intensity of the 1031 nm Stokes beam is modulated sinusoidally by a built-in EOM at 8 MHz with a modulation depth of more than 90%. The pump beam is spatially overlapped with the Stokes beam by using a dichroic mirror inside picoEMERALD. The temporal overlap between pump and Stokes pulses are achieved with a built-in delay stage and optimized by the SRS signal of pure D2O at the microscope. |
| Inverted Laser-scanning Microscope | Olympus | FV1200MPE | |
| IX3-CBH Control box | Olympus | Control the laser-scanning microscope | |
| Kinematic Mirror Mount | Thorlabs | POLARIS-K1-2AH | 2 Low-Profile Hex Adjusters |
| L-Phenalynine | Sigma | P5482-25G | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/p5482 |
| L-Tryptophan | Sigma | T8941-25G | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/t8941 |
| LabSpec 6 | Horiba XploRA | N/A | https://www.horiba.com/gbr/scientific/products/detail/action/show/Product/labspec-6-spectroscopy-suite-software-1843/ |
| Lock-In Amplifier | Zurich Instruments | N/A | https://www.zhinst.com/americas/en/products/shfli-lock-in-amplifier |
| Long-pass Dichroic Beam Splitter | Semrock | Di02-R980-25×36 | 980 nm laser BrightLine single-edge laser-flat dichroic beamsplitter |
| MATLAB | MathWorks | Version: R2022b | https://www.mathworks.com/products/new_products/latest_features.html |
| Microscope Slides | Fisherbrand | 12-550-003 | https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-selectfrost-microscope-slides-9/12550003#?keyword=12-550-003 |
| Microscopy Imaging Software | Olympus | FluoView | |
| MPLN 100x, Olympus | Olympus | MPLAPON | https://www.olympus-ims.com/en/microscope/mplapon/#!cms[focus]=cmsContent11364 |
| MPLN 50x, Olympus | Olympus | MPLAPON | https://www.olympus-ims.com/en/microscope/mplapon/#!cms[focus]=cmsContent11363 |
| NA Oil Condenser | Olympus | 6-U130 | https://www.hitechinstruments.com/Product-Details/olympus-achromatic-aplanatic-high-na-condneser |
| Nail Polish | Wet n Wild | B01EO2G5O4 | https://www.amazon.com/dp/B01EO2G5O4/ref=cm_sw_r_api_i_E609VVDWW HHQP38FXXDC_0 |
| Origin | OriginLab | Origin 2022b (9.95) | https://www.originlab.com/index.aspx?go=PRODUCTS/Origin |
| Parafilm | Fisher Scientific | S37440 | https://www.fishersci.com/shop/products/parafilm-m-wrapping-film-3/p-2379782 |
| PBS 1x (Dulbecco's Phosphate Buffered Saline) | Thermofischer – Gibco | 14040117 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/14040117?SID=srch-hj-14040117 |
| Penicillin/Streptomycin | Thermofischer – Gibco | 15140122 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/15140122 |
| Periscope Assembly | Thorlabs | RS99 | Includes the top and bottom units, Ø1" post, and clamping fork. |
| picoEmerald System | A.P.E | N/A | https://www.ape-berlin.de/en/cars-srs/ |
| Shielded Box with BNC Connectors | Pomona Electronics | 2902 | Aluminum Box with Cover, BNC Female/Female |
| Si Photodiode Detector | Home Built | N/A | DYI series |
| Silicon Wafer | |||
| Spacers | Grace Bio-Labs | 654008 | https://gracebio.com/product/secureseal-imaging-spacers-654008/ |
| Spontaneous Raman spectroscopy | Horiba XploRA | N/A | https://www.horiba.com/int/products/detail/action/show/Product/xploratm-plus-1528/ |
| Stimulated Raman Scattering Microscopy | Home Built | N/A | |
| Touch Panel Controller | Olympus | Control the X-Y direction of the laser-scanning microscope | |
| Trypan Blue 0.4% (0.85% NaCl) | Lonza | 17-942E | https://bioscience.lonza.com/lonza_bs/US/en/Culture-Media-and-Reagents/p/000000000000181876/Trypan-Blue%2C-0-4%25-Solution" |
| Tweezers | Kaverme – Amazon | B07RNVXXV1 | https://www.amazon.com/Precision-Anti-Static-Electronics-Laboratory-Jewelry-Making/dp/B07RNVXXV1" |
| Two Photon Excitation Fluorescence Microscopy | Home Built | N/A | |
| Weighing Paper | VWR | 12578-165 | https://us.vwr.com/store/product/4597617/vwr-weighing-paper |
| Zurich LabOneQ Software | Zurich Instruments | Control the Zurich lock-in amplifier |
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