Summary

Биоортогональная химическая визуализация клеточного метаболизма, регулируемого ароматическими аминокислотами

Published: May 12, 2023
doi:

Summary

Мы представляем протокол непосредственной визуализации метаболической активности в клетках, регулируемых аминокислотами, с помощью микроскопии стимулированного комбинационного рассеяния (DO-SRS) с зондированием оксида дейтерия (тяжелая водаD2O), которая интегрирована с флуоресцентной микроскопией двухфотонного возбуждения (2PEF).

Abstract

Незаменимые ароматические аминокислоты (АБА) являются строительными блоками для синтеза новой биомассы в клетках и поддержания нормальных биологических функций. Например, обильный запас ААА важен для поддержания быстрого роста и деления раковых клеток. В связи с этим растет спрос на высокоспецифичный, неинвазивный подход к визуализации с минимальной подготовкой образцов для прямой визуализации того, как клетки используют АБА для метаболизма in situ. Здесь мы разрабатываем оптическую платформу визуализации, которая сочетает зондирование оксидом дейтерия (D2O) с вынужденным комбинационным рассеянием (DO-SRS) и интегрирует DO-SRS с двухфотонной флуоресценцией возбуждения (2PEF) в один микроскоп для прямой визуализации метаболической активности клеток HeLa под регуляцией ААА. В совокупности платформа DO-SRS обеспечивает высокое пространственное разрешение и специфичность вновь синтезированных белков и липидов в отдельных клеточных единицах HeLa. Кроме того, модальность 2PEF может обнаруживать сигналы автофлуоресценции никотинамидадениндинуклеотида (NADH) и флавина без меток. Описанная здесь система визуализации совместима как с моделями in vitro , так и с моделями in vivo , что является гибким для различных экспериментов. Общий рабочий процесс этого протокола включает в себя культивирование клеток, приготовление питательных сред, синхронизацию клеток, фиксацию клеток и визуализацию образцов с помощью модальностей DO-SRS и 2PEF.

Introduction

Будучи незаменимыми ароматическими аминокислотами (ААА), фенилаланин (Phe) и триптофан (Tryp) могут поглощаться человеческим организмом для синтеза новых молекул для поддержания нормальных биологическихфункций. Фенилаланин необходим для синтеза белков, меланина и тирозина, а трип — для синтеза мелатонина, серотонина и ниацина 2,3. Однако избыточное потребление этих АБА может усиливать регуляцию рапамицинового пути (mTOR) у млекопитающих, ингибировать АМФ-активируемую протеинкиназу и вмешиваться в митохондриальный метаболизм, коллективно изменяя биосинтез макромолекул и приводя к образованию злокачественных предшественников, таких как активные формы кислорода (АФК) в здоровых клетках 4,5,6. Прямая визуализация измененной метаболической динамики при избыточной регуляции ААА имеет важное значение для понимания роли АБА в стимулировании развития рака и росте здоровых клеток 7,8,9.

Традиционные исследования ААА основаны на газовой хроматографии (ГХ)10. Другие методы, такие как магнитно-резонансная томография (МРТ), имеют ограниченное пространственное разрешение, что затрудняет проведение клеточного и субклеточного анализа биологических образцов11. Недавно была разработана матричная лазерная десорбция/ионизация (MALDI) для выяснения роли ААА в синтезе липидов и белков в пролиферации рака с помощью неинвазивных биомаркеров12,13,14. Тем не менее, этот метод по-прежнему страдает от малой глубины изображения, плохого пространственного разрешения и обширной пробоподготовки. На клеточном уровне нетоксичные стабильные изотопы, такие как азот-15 и углерод-13, могут быть прослежены с помощью мультиизотопной визуализации и масс-спектрометрии вторичных ионов наноразмерной степени, чтобы понять их включение в макромолекулы. Однако эти методы губительны для живых биологических образцов15,16. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) является еще одним мощным методом, который может визуализировать метаболическуюдинамику. С другой стороны, медленная скорость сканирования во время АСМ может привести к искажению изображения результата из-за теплового дрейфа.

Мы разработали неинвазивную биортогональную модальность визуализации путем объединения микроскопии стимулированного комбинационного рассеяния (DO-SRS) с зондированием оксида дейтерия (D2O)и флуоресцентной микроскопии с двухфотонным возбуждением (2PEF) без меток. Этот метод обеспечивает высокое пространственное разрешение и химическую специфичность при визуализации биологических образцов 18,19,20,21,22,23,24. Этот протокол знакомит с применением DO-SRS и 2PEF для изучения метаболической динамики изменений липидов, белков и окислительно-восстановительных соотношений во время прогрессирования рака. ПосколькуD2Oявляется стабильной изотопной формой воды, клеточные биомолекулы могут быть помечены дейтерием (D) из-за его быстрой компенсации общей водой в клетках, образуя углерод-дейтериевые (C-D) связи посредством ферментативного обмена21. C-D связи во вновь синтезированных макромолекулах, включая липиды, белки, ДНК/РНК и углеводы, могут быть обнаружены в клеточной молчаливой области рамановского спектра 20,21,22,25,26,27. С помощью двух синхронизированных лазерных импульсов C-D связи вновь синтезированных липидов и белков могут быть отображены на отдельных клетках с помощью гиперспектральной визуализации (HSI) без экстракции или маркировки их цитотоксическими агентами. Кроме того, SRS-микроскопия позволяет создавать трехмерные (3D) модели выбранных областей интереса в биологических образцах путем захвата и объединения набора изображений поперечного сечения22,26. С помощью гиперспектральной и объемной 3D-визуализации DO-SRS может получить пространственное распределение вновь синтезированных макромолекул в отдельных клетках, а также тип органелл, которые способствуют процессу стимулирования роста рака в соответствии с правилом AAA22. Кроме того, используя 2PEF, мы можем получить сигналы автофлуоресценции флавина и никотинамидадениндинуклеотида (NADH) с высоким разрешением, большой глубиной проникновения и низким уровнем повреждения в биологических образцах21,23,24. Сигналы автофлуоресценции флавина и NADH были использованы для характеристики окислительно-восстановительного гомеостаза и перекисного окисления липидов в раковых клетках22,26. Таким образом, сопряжение DO-SRS и 2PEF не только обеспечивает субклеточный анализ ААА-регулируемой метаболической динамики в раковых клетках с высоким пространственным распределением, информацией о химической специфичности и минимальной пробоподготовкой, но и снижает потребность в извлечении или маркировке эндогенных молекул токсичными реагентами. В этом протоколе мы сначала представляем процедурыD2Oи аминокислотного препарата, а также культуру раковых клеток. Затем мы покажем протоколы визуализации DO-SRS и 2PEF. Наконец, представлены репрезентативные результаты визуализации SRS и 2PEF, которые демонстрируют ААА-регулируемые метаболические изменения липидов и белков, а также изменения окислительно-восстановительного соотношения в раковых клетках. Подробная иллюстрация процесса приведена на рисунке 1.

Protocol

1. Подготовка материала Приготовьте 10 мл контрольных и избыточных ААА в модифицированной среде Eagle (DMEM) Dulbecco, содержащей 50% D2O.Для контрольных сред отмерьте и смешайте 10 мг порошка DMEM с 4,7 мл двойной дистиллированной воды (ddH2O) в конической пробирке объемом 15 м…

Representative Results

Добавление избытка ААА в 15-кратной концентрации к 50%-нойО-содержащей клеточной питательной среде приводило к образованию отчетливых C-D рамановских полос вновь синтезированных липидов и белков в клетках HeLa (рис. 2B). Предыдущие эксперименты проводились с различными…

Discussion

Визуализация DO-SRS и 2PEF была применена для исследования метаболической динамики в различных моделях ex vivo, включая дрозофилу и ткани человека 21,22,23,24,26,27,33. Ме…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Мы благодарим д-ра Яхуана Ли и Энтони Фанга за их техническую поддержку, а также лабораторию Фрейли за клеточную линию. Мы выражаем признательность за стартовые фонды от UCSD, NIH U54CA132378, NIH 5R01NS111039, NIH R21NS125395, NIHU54DK134301, NIHU54 HL165443 и 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

References

  1. Wu, G. Functional amino acids in nutrition and health. Amino Acids. 45 (3), 407-411 (2013).
  2. Wei, Z., Liu, X., Cheng, C., Yu, W., Yi, P. Metabolism of amino acids in cancer. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 8, 603837 (2020).
  3. Parthasarathy, A., et al. A three-ring circus: Metabolism of the three proteogenic aromatic amino acids and their role in the health of plants and animals. Frontiers in Molecular Biosciences. 5, 29 (2018).
  4. Wang, H., et al. l-tryptophan activates mammalian target of rapamycin and enhances expression of tight junction proteins in intestinal porcine epithelial cells. The Journal of Nutrition. 145 (6), 1156-1162 (2015).
  5. Saxton, R. A., Sabatini, D. M. mTOR signaling in growth, metabolism, and disease. Cell. 168 (6), 960-976 (2017).
  6. Mossmann, D., Park, S., Hall, M. N. mTOR signalling and cellular metabolism are mutual determinants in cancer. Nature Reviews. Cancer. 18 (12), 744-757 (2018).
  7. Kimura, T., Watanabe, Y. Tryptophan protects hepatocytes against reactive oxygen species-dependent cell death via multiple pathways including Nrf2-dependent gene induction. Amino Acids. 48 (5), 1263-1274 (2016).
  8. Ma, Q., et al. Dietary supplementation with aromatic amino acids decreased triglycerides and alleviated hepatic steatosis by stimulating bile acid synthesis in mice. Food and Function. 12 (1), 267-277 (2021).
  9. Cheng, C., et al. Treatment implications of natural compounds targeting lipid metabolism in nonalcoholic fatty liver disease, obesity and cancer. International Journal of Biological Sciences. 15 (8), 1654-1663 (2019).
  10. Lubes, G., Goodarzi, M. GC-MS based metabolomics used for the identification of cancer volatile organic compounds as biomarkers. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 147, 313-322 (2018).
  11. Di Gialleonardo, V., Wilson, D. M., Keshari, K. R. The potential of metabolic imaging. Seminars in Nuclear Medicine. 46 (1), 28-39 (2016).
  12. Bowman, A. P., et al. Evaluation of lipid coverage and high spatial resolution MALDI-imaging capabilities of oversampling combined with laser post-ionisation. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 412 (10), 2277-2289 (2020).
  13. Murphy, R. C., Hankin, J. A., Barkley, R. M. Imaging of lipid species by MALDI mass spectrometry. Journal of Lipid Research. 50, 317-322 (2009).
  14. Pirman, D. A., et al. Changes in cancer cell metabolism revealed by direct sample analysis with MALDI mass spectrometry. PLoS One. 8 (4), e61379 (2013).
  15. Li, Z., et al. Single-cell lipidomics with high structural specificity by mass spectrometry. Nature Communications. 12 (1), 2869 (2021).
  16. Miyagi, M., Kasumov, T. Monitoring the synthesis of biomolecules using mass spectrometry. Philosophical Transactions. Series A, Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 374 (2079), 20150378 (2016).
  17. Wang, T., Shogomori, H., Hara, M., Yamada, T., Kobayashi, T. Nanomechanical recognition of sphingomyelin-rich membrane domains by atomic force microscopy. Biochimie. 51 (1), 74-82 (2012).
  18. Fung, A. A., Shi, L. Mammalian cell and tissue imaging using Raman and coherent Raman microscopy. Wiley Interdisciplinary Reviews. Systems Biology and Medicine. 12 (6), e1501 (2020).
  19. Shi, L., Fung, A. A., Zhou, A. Advances in stimulated Raman scattering imaging for tissues and animals. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 11 (3), 1078-1101 (2021).
  20. Yamakoshi, H., et al. Imaging of EdU, an alkyne-tagged cell proliferation probe, by Raman microscopy. Journal of the American Chemical Society. 133 (16), 6102-6105 (2011).
  21. Shi, L., et al. Optical imaging of metabolic dynamics in animals. Nature Communications. 9 (1), 2995 (2018).
  22. Bagheri, P., Hoang, K., Fung, A. A., Hussain, S., Shi, L. Visualizing cancer cell metabolic dynamics regulated with aromatic amino acids using DO-SRS and 2PEF microscopy. Frontiers in Molecular Biosciences. 8, 779702 (2021).
  23. Li, Y., et al. Direct imaging of lipid metabolic changes in drosophila ovary during aging using DO-SRS microscopy. Frontiers in Aging. 2, 819903 (2022).
  24. Li, Y., Zhang, W., Fung, A. A., Shi, L. DO-SRS imaging of metabolic dynamics in aging Drosophila. Analyst. 146 (24), 7510-7519 (2021).
  25. Zhang, L., et al. Spectral tracing of deuterium for imaging glucose metabolism. Nature Biomedical Engineering. 3 (5), 402-413 (2019).
  26. Fung, A. A., et al. Imaging sub-cellular methionine and insulin interplay in triple negative breast cancer lipid droplet metabolism. Frontiers in Oncology. 12, 858017 (2022).
  27. Li, Y., Zhang, W., Fung, A. A., Shi, L. DO-SRS imaging of diet regulated metabolic activities in Drosophila during aging processes. Aging Cell. 21 (4), e13586 (2022).
  28. Shi, L., Wei, M., Min, W. Highly-multiplexed tissue imaging with raman dyes. Journal of Visualized Experiments. (182), e63547 (2022).
  29. Rysman, E., et al. De novo lipogenesis protects cancer cells from free radicals and chemotherapeutics by promoting membrane lipid saturation. Recherche en cancérologie. 70 (20), 8117-8126 (2010).
  30. Lisec, J., Jaeger, C., Rashid, R., Munir, R., Zaidi, N. Cancer cell lipid class homeostasis is altered under nutrient-deprivation but stable under hypoxia. BMC Cancer. 19 (1), 501 (2019).
  31. Thiam, A. R., Dugail, I. Lipid droplet-membrane contact sites – from protein binding to function. Journal of Cell Science. 132 (12), (2019).
  32. Schott, M. B., et al. Lipid droplet size directs lipolysis and lipophagy catabolism in hepatocytes. The Journal of Cell Biology. 218 (10), 3320-3335 (2019).
  33. Hoang, K., et al. Subcellular resolution DO-SRS and 2PEF imaging of metabolic dynamics regulated by L-methionine in amyotrophic lateral sclerosis. Optical Biopsy XXI: Toward Real-Time Spectroscopic Imaging and Diagnosis. SPIE. 1237303, 6-13 (2023).
  34. Jang, H., et al. Super-resolution stimulated Raman scattering microscopy with A-PoD. bioRxiv. , (2022).
  35. Li, Y., et al. Optical metabolic imaging uncovers sex- and diet-dependent lipid changes in aging drosophila brain. bioRxiv. , (2022).
  36. Zhang, W., et al. Multi-molecular hyperspectral PRM-SRS imaging. bioRxiv. , (2022).
  37. Wei, M., et al. Volumetric chemical imaging by clearing-enhanced stimulated Raman scattering microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences. 116 (14), 6608-6617 (2019).
  38. Chang, T., et al. Non-invasive monitoring of cell metabolism and lipid production in 3D engineered human adipose tissues using label-free multiphoton microscopy. Biomaterials. 34 (34), 8607-8616 (2013).
  39. Leica TCS SP8 CARS CARS Microscope – Label Free Imaging. Leica Microsystems Available from: https://www.leica-microsystems.com/products/confocal-microscopes/p/leica-tcs-sp8-cars/downloads/ (2023)
check_url/fr/65121?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Bagheri, P., Hoang, K., Kuo, C., Trivedi, H., Jang, H., Shi, L. Bioorthogonal Chemical Imaging of Cell Metabolism Regulated by Aromatic Amino Acids. J. Vis. Exp. (195), e65121, doi:10.3791/65121 (2023).

View Video