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細胞增殖測定和細胞活性測定

作者:勞拉·科布

(美國加州大學洛杉磯分校(至2012年1月);LCS執(zhí)行咨詢,洛杉磯,美國)

DOI://dx.doi.org/10.13070/mm.en.9.2799

最后修改日期:2019-10-23;原始版本:2019-07-28

引用方式:MATER METHODS 2019;9:2799

摘要:對細胞增殖和生存能力的檢測方法進行了全面的綜述,并對Labome的正式出版物進行了調查。

 

細胞增殖檢測

目前有許多方法和試劑盒可用來測量細胞增殖、線粒體功能和間接的細胞活力等許多方面。然而,在已發(fā)表的文獻中,對這些數據的過度分析和錯誤解釋變得越來越頻繁。在細胞增殖試驗中,得出的結果應該能直接而準確地測量一個群體中活躍分裂細胞的數量,無論是培養(yǎng)細胞還是組織細胞。相比之下,細胞活力測定法被設計用來提供一個群體中“健康”細胞數量的指標,通常通過評估代謝活性細胞的具體指標,這些細胞通常與線粒體功能相關。與增殖試驗不同,這些測量不能區(qū)分靜止/衰老細胞和分裂中的細胞。-半乳糖苷酶活性測定或染色法可顯示衰老細胞[1]。

ACEA Biosciences公司的xCELLigence RTCA DP實時細胞分析儀等無標簽方法可以測量細胞數量的增加,從而量化細胞粘附、增殖、脫落/死亡[2]。

圖1.BrdU摻入量測量法

DNA合成評估

檢測細胞增殖的傳統(tǒng)方法是通過評估標記的DNA類似物或前體(5-溴-2'-脫氧尿苷(BRDU),一種取代胸腺嘧啶的嘧啶類似物,與新的DNA結合來測定DNA合成,或[3h]-胸腺嘧啶核苷)進入細胞周期s期的基因組DNA。例如,Maun HR等人用3h-胸腺嘧啶核苷摻入法評估了支氣管平滑肌細胞的增殖[3]。對于培養(yǎng)中的細胞,最常用的方法是通過比色ELISA評估BrdU摻入(圖1)。類似的方法也可用于評估體內增殖細胞,在采集前用BrdU脈沖標記組織,然后用ELISA或免疫組化染色評估BrdU。這也可以通過流式細胞術進行評估;圖2顯示了BrdU與7-AAD的對比。

一種較新的方法是將含有炔烴的胸腺嘧啶類似物EDU(5-乙炔基-2‘-脫氧尿苷)并入DNA中,并通過激發(fā)反應(銅催化疊氮化物-炔烴環(huán)加成)檢測所加入的EDU。對于Exmaple,Ouadah Y等人每天向小鼠注射I.P.,BRDU和EDU,并通過抗BRDU抗體(ABCAM AB6326)檢測標記細胞,然后在冰凍切片上點擊Thermo Fisher的EDU試劑盒,以研究肺神經內分泌細胞的激活情況[5]

圖2.BrdU與7-AAD的流式細胞檢測示例。?Becton, Dickinson and Company

BrdU本身可能影響細胞生理學。它可以促進轉錄因子和化學誘導的重編程[6],也可能改變DNA結構[7]。

表1 在已驗證抗體數據庫中的60000多份正式出版物中,增殖標記物和針對它們的最高引用抗體。列出了每個供應商最常引用的單克隆抗體。

標志物 蛋白名稱 前三供應商
MKI67 增殖標志物Ki-67 Invitrogen MA5-14520?(755), Dako M7240?(253), Abcam ab16667?(153)
PCNA 增殖細胞核抗原 Invitrogen MA5-11358?(180), Santa Cruz Biotechnology sc-56?(178), Abcam ab29?(66)

增殖標記物染色

在固定動物組織和細胞群的切片中,增殖通常通過免疫染色來評估特定的增殖標記物,其中一些標記物在這里描述。Ki-67是一種與細胞增殖和核糖體RNA轉錄相關的核蛋白[8]。傳統(tǒng)的Ki-67抗體只能用于冰凍切片染色,不能用于石蠟包埋切片染色。然而,針對Ki-67不同表位的新型mib-1抗體也可用于福爾馬林和石蠟固定切片染色,增加ki67作為增殖標志物的應用。Ouadah Y等用Ki-67抗體(Thermo Fisher 41-5698-82和50-5698-82)染色小鼠肺冰凍切片,研究損傷誘導神經內分泌細胞增殖[5]。Nam S等人使用Ki-67染色和流式細胞術來估計細胞周期的G0和G1期三維水凝膠培養(yǎng)的細胞比例[9]。

增殖試驗的注意事項

所有直接或間接測量dna合成的分析都對細胞周期的階段具有內在的敏感性。因此,根據檢測結果,可能有必要通過血清停藥使細胞聚集在G1期(也可能影響生存能力)或化學抑制DNA合成,阻斷S期細胞與胸腺嘧啶、阿糖胞苷、羥基脲或氨基蝶呤同步。

細胞生存能力分析

以細胞為基礎的測定生存能力的方法主要可分為三類:利用細胞膜完整性喪失的方法、直接測定代謝標志物的方法和測定代謝活動的方法。還有其他形式的檢測。如結晶紫染色可以檢測細胞的粘附情況,從而檢測粘附細胞[10]的生存能力。例如,Lee YR等人使用結晶紫染色來評估PTEN K342/K344R突變體對PC3細胞增殖的影響[11]。

代謝物分析

現在有許多不同的代謝檢測方法,下面將討論其中的許多方法。這些檢測要么包括測量重要代謝蛋白(如ATP)的水平,要么利用細胞內四氮唑鹽或resazurin染料的還原作用。細胞增殖過程中NADPH/NADP, FADH/FAD, FMNH/FMN,NADH/NAD比值均升高。在這些代謝中間產物細胞脫氫酶或還原酶的存在下,四氮唑鹽被還原為甲酰胺產品,其可通過由此產生的比色變化來檢測。類似地,Realururin(7-羥基-3H-吩惡嗪-3-酮10氧化物)是一種非熒光藍色氧化還原染料,還原為ReavuFin,一種紅色熒光化合物,同時給出熒光和比色變化。常用基底物及其一些優(yōu)缺點如下:

  • MTT:MTT(3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基-四唑溴化物)是一種四唑鹽,通過線粒體和線粒體外脫氫酶還原,形成不溶性藍色藍甲瓚晶體,這意味著在讀取分析之前需要一個增溶步驟[12]。此外,在該分析過程中,細胞不能存活,這意味著重復或補充分析時不能在同一個細胞板上進行。
  • MTS/XTT:MTS(3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-5-(3-羧甲氧基苯基)-2-(4-磺苯基)-2H-四氮唑)和XTT(2,3-雙-(2-甲氧基-4-硝基-5-磺苯基)-2H-四氮唑-5-羧苯胺)基質類似于MTT。然而,一個優(yōu)點是這些反應是在中間電子受體吩嗪甲磺酸(pms)的存在的情況下在細胞內進行的,這提高了它們的靈敏度。此外,還原后的甲酰胺產品可溶并釋放到培養(yǎng)基中,消除了MTT所需的額外溶解度步驟。然而,據報道,細胞培養(yǎng)基中的酚紅、脂肪酸和血清白蛋白都會扭曲長期培養(yǎng)期間從MTS、XTT和WST分析獲得的數據[13]。Promega實時GLo-mt細胞活力測定探索細胞內還原環(huán)境,將一種化學物質還原成適合于納米熒光素酶的底物。
  • Alamar Blue:Alamar Blue是一種Resazurin化合物,在活細胞中還原為Resorufin和二氫Resorufin。它能進入活細胞,所以不需要細胞裂解,在培養(yǎng)基中穩(wěn)定。該方法的另一個優(yōu)點是可以在熒光和比色讀板器中進行測量。Silva Mc等人使用Thermo Fisher Alamar Blue試劑,在Tau蛋白降解劑QC-01–175處理后,測量誘導的多能干細胞衍生神經祖細胞的細胞活力[14]。Domny SS等人使用Thermo-Fisher-Alamar Blue試劑測定了用牙齦卟啉單胞菌(含或不含牙齦抑制物或抗生素)攻擊人神經母細胞瘤SH-SY5Y細胞的存活率[15]。
  • WST:水溶性四氮唑鹽(WSTs)是一種細胞不透性的四氮唑染料,通過質膜電子輸運在細胞外還原[16],并與電子受體PMS結合生成水溶性的甲瓚染料(formazan)。Noda s等人用Dojindo實驗室的細胞計數試劑盒8(含有WST-8溶液)檢測了原代牙髓干細胞的活性[17]。

有很多可用的檢測方法可以測量作為細胞整體健康輸出的ATP水平。當細胞開始發(fā)生凋亡或失去膜完整性時,ATP儲備由于ATP酶的被抑制活性耗盡,同時阻止任何新的ATP合成。這會導致細胞內ATP水平迅速下降。發(fā)光ATP分析(如promega的細胞滴度GLO)通過溶解細胞釋放ATP儲存,同時抑制ATP酶的功能。Luciferase在熒光素和ATP的存在下催化熒光素氧化為氧基熒光素,產生與細胞內ATP濃度直接相關的發(fā)光信號〔18, 19〕。

使用代謝物測定時的限制和注意事項

當選擇合適的代謝物分析方法來滿足您的需求時,有許多需要做出的決定。上面列出的每一種基質,以及本文中沒有涉及的相關基質,在直接比較時都有各自的優(yōu)和缺點。分析靈敏度、噪聲信號比、易用性和試劑穩(wěn)定性都是需要考慮的因素。代謝物測定法的另一個需要考慮的是,這些底物的減少受到細胞內代謝活動變化的影響,而這些變化對細胞的整體生存能力沒有直接影響;因此,你試圖回答的問題將在你選擇合適的檢測方法中起到關鍵作用。

膜完整性測量法

這類測量方法中,所有的生存能力測定都依賴于細胞失活時細胞膜的破裂,這就造成要么允許大分子進入細胞,要么允許細胞內的蛋白質分泌到培養(yǎng)基中。

  • LDH(乳酸脫氫酶):乳酸脫氫酶是一種普遍存在的、穩(wěn)定的細胞質酶,能將乳酸轉化為丙酮酸。如果細胞膜受損,LDH,其酶活性從細胞中釋放出來,可以在細胞培養(yǎng)基中檢測到。在乳酸轉化為丙酮酸的過程中,NAD+還原為NAD H/H+?;谌樗崦摎涿傅幕盍Ψ治隼米杂蓺潆x子的形成,通過催化H+從NADH/H+轉移到四唑鹽INT(2-(4-碘苯基)-3-(4-硝基苯基)-5-苯基四唑氯化物),將其還原為紅色的甲醛染料[20],或者在Promega細胞毒素一項檢測中,將Resazurin轉化為熒光形式Resofrufin[21]。PelsEK EK等人使用皮爾斯LDH細胞毒性檢測試劑盒來測量Charcot Leyden晶體引起的壞死細胞死亡[22]。
  • Trypan Blue臺盼藍):用臺盼藍對細胞懸浮液進行染色是最古老和最簡單的活力測定方法之一。在健康、有活力的細胞中,完整的細胞膜將阻止臺盼藍進入細胞。在死亡或正在死亡的細胞中,臺盼藍會進入細胞,染成藍色。這種方法傳統(tǒng)上是用顯微鏡和血細胞儀手工定量的,這使得它耗費人力。然而,最近可負擔得起的自動細胞計數器的可用性,例如,來自Beckman Coulter[23]的VI Cell?自動細胞活力分析儀和計數器,使得該分析比以前更省時、更準確。其他類似熒光染料也可以使用。例如,Aizarani N等人通過BioLegend的Zombie Green篩選活細胞[24]
  • Calcein-AM(鈣黃綠素AM):Calcein acetoxymethylester是一種非熒光染料,用于細胞活力和細胞凋亡試驗,例如,用于檢測Abeta肽及其低聚物的細胞毒性〔25〕。它是親脂性的,可以很容易地通過細胞膜。一旦進入細胞內,細胞內的酯酶就會分解乙酰甲氧基的酯鍵,從而形成一種熒光性的陰離子和親水性鈣黃綠素染料,這種染料被困在細胞內。失活細胞不含活性酯酶,因此可以用這種方法來衡量細胞的存活率。Cu2+、Co2+、Fe3+、Mn2+、Ni2+在生理pH下使鈣黃綠素的熒光信號猝滅,這意味著必須注意選擇合適的細胞培養(yǎng)基。
  • Propidium Iodide/7-AAD(碘化丙啶,Pi/7-AAD):這些插層劑常用于上述細胞周期的研究。然而,由于它們是膜不滲透的,它們被排除在活細胞之外。這意味著PI在非活細胞中發(fā)出的熒光信號可以通過熒光顯微鏡或流式細胞儀分析來測量。例如,Nortley R等人用7.5 uM碘化丙啶評價周細胞死亡[26]
  • 細胞不可滲透的DNA結合染料,如Thermo Fisher的Sytox。這些染料通過受損的細胞膜進入細胞,與DNA結合后顯示出強烈的熒光。例如,Samir P等人在來自Essen Biosciences的雙色孵化器放大成像系統(tǒng)下使用Sytox Green染色實時監(jiān)測培養(yǎng)的骨髓源性巨噬細胞中的細胞死亡[27]。

來自Labome對正式出版物的調查結果

本部分由Labome提供,幫助指導研究人員確定最適合的細胞增殖和細胞活力檢測試劑盒。Labome調查正式出版物。表2列出了用于細胞分析的試劑/試劑盒的主要供應商。這里列舉了一些應用程序。Zeng Q等人使用Roche公司的MTT細胞增殖試劑盒測量乳腺癌細胞生長[28]。Nam S等人用Thermo Fisher Scientific的EDU測量了3D水凝膠中的細胞增殖[9]。Ombrato L等人使用流式細胞儀中Thermo Fisher的Click It+EDU流式細胞儀分析試劑盒,評估了MMTV–Pymt肌動蛋白–GFP細胞在與Macs分類的EPCAM+和Ly6G+小鼠細胞二維共培養(yǎng)中的體外增殖[29]。Genet G等人使用Acea Biosciences的Xcelligence RTCA-DP分析儀測量了血管內皮細胞對血管內皮生長因子A的反應[2]。Herb M等人使用Thermo Fisher Scientifico的cyquant直接細胞增殖試驗評估了巨噬細胞在培養(yǎng)中的生存能力[30]

表3.主要細胞增殖和活性檢測試劑/試劑盒,基于正式出版物的Labome調查。

supplier kit methods sample references
ACEA Biosciences xCELLigence RTCA DP analyzer label-free [2]
BioLegend Zombie Aqua flow cytometry, immunocytochemistry [31]
BioLegend Zombie Green FACS [24]
Dojindo Laboratories Cell Counting Kit-8 Green colorimetry [17]
MilliporeSigma BrdU immunohistochemistry [5]
MilliporeSigma MTT [28, 32]
Promega CellTiter 96 AQueous [33, 34]
Promega CellTiter-Glo luminescent assay [23, 35]
Promega CellTiter-Glo 3D luminescent assay [36]
Promega CytoTox 96 [37, 38]
Promega CytoTox-ONE [21]
Promega RealTime-Glo MT [39]
Roche WST-1 [40]
Thermo Fisher Alamar Blue imaging [14, 15]
Thermo Fisher Click-iT Edu immunochemistry, flow cytometry [2, 5, 9, 29]
Thermo Fisher CyQUANT Direct Cell Proliferation Assay cell imaging [30]
Thermo Fisher LIVE/DEAD Fixable Blue Dead Cell Stain Kit flow cytometry [41]
Thermo Fisher SYTOX cell imaging [27, 36]

致謝

這篇文章來源于Laura Cobb博士2013年2月發(fā)表的一篇文章“細胞檢測:細胞周期、細胞增殖和細胞死亡(Cell-Based Assays: the Cell Cycle, Cell Proliferation and Cell Death)”。

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ISSN : 2329-5139

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