リアルタイム神経細胞株に神経毒性および神経保護に関与する分子経路を描写するツールとしてのインピーダンスベースの細胞分析装置
Summary
Improved in vitro neurotoxicity assays would aid the identification of new neuroprotective compounds. The utility of a real-time impedance-based cell analyzer to determine cytotoxicity and cytoprotection in neuronal cell lines and to delineate the involvement of second messenger pathways, thus gaining insight in the mechanism of neuroprotection is presented.
Abstract
多くの脳関連障害は、それらの病態生理に関与する神経細胞死を持っている。関連する薬剤や下流経路の神経保護または神経毒性作用を研究するためのin vitroモデルの改善は、神経保護/神経毒性の分子機構への洞察を得ることに役立つだろうと、潜在的に医薬品開発を容易にすることができる。しかし、多くの既存のインビトロ毒性アッセイは、主要な制限があります-ほとんどがいない時間経過や効果の動態を観察することができ、単一の時点での神経毒性および神経保護を評価します。また、リアルタイムで神経保護に関与する下流のシグナル伝達経路に関する情報を収集する機会が非常に重要であろう。現在のプロトコルでは、ラベルフリーかつリアルタイムコンディット下の神経細胞株におけるセロトニン2A（5-HT 2Aの）受容体アゴニストの神経保護効果を決定するために、リアルタイムのインピーダンスベースの細胞分析装置の使用を記載インピーダンス測定を用いてイオン。さらに、本発明者らは、第二メッセンジャー経路の阻害剤は、神経保護効果に関与する下流の分子を記述するために使用できることを実証している。また、細胞増殖への影響が観察された神経保護効果に寄与するかどうかを決定するために、この技術の有用性を説明する。システムは、セルのセンサーとして、ウェルの底面上に金微小電極アレイを交互に含んでE-プレートと呼ばれる特殊なマイクロエレクトロニクスプレートを利用する。インピーダンス読み出しは、接着細胞、細胞生存率、形態、および接着の数によって修正される。細胞指数と呼ばれる無次元パラメータは、電気インピーダンス測定値から導出され、セルの状態を表すために使用される。全体的に、リアルタイムのインピーダンスベースの細胞分析装置は、以上に寄与し、リアルタイム、ラベルフリー神経保護及び神経毒性の評価、および第二のメッセンジャー経路の関与の評価を可能にする治療候補を選択するためのin vitroでの潜在的な神経保護化合物の詳細かつ高スループット評価、。
Introduction
神経細胞死は、多くの脳関連障害1の病態生理学において重要な役割を果たしている。 体外毒性アッセイにおける信頼性と高スループットの利用可能性は、神経毒性のメカニズムにより良い洞察を得るために、薬剤開発の2中の治療候補としての神経保護分子を選択するのに役立つことが重要です。しかし、最も広く速度論的分割を可能としない単一の時点で神経毒性/神経保護を評価するin vitroで神経毒性assays.They で使用するには多くの制限があります。多くの場合、シグナル伝達経路に干渉し、同じ細胞集団においてさらなる研究を制限することができるラベルまたはプローブを使用し、多くの場合、労働集約的であり、多くの場合、機構的洞察を提供しない。本研究では、リアルタイムで及び下神経細胞株における神経毒性および神経保護を決定するために、リアルタイムのインピーダンスベースの細胞分析装置の有用性を実証無標識効果に関与してセカンドメッセンジャー経路の解析を通って下流のメカニズムへの洞察を提供するための条件や。
以前の研究は、細胞毒性、ならびに標準的な技術3,4,5,6と比較して細胞株における細胞増殖への影響を決定するために、リアルタイム細胞分析の妥当性を確認した。例えば、良好な相関が基礎的な増殖条件下で、HeLa細胞における3つの異なる毒性パラダイムの後いくつかの時点で、標準的な細胞生存率WST-1アッセイの読み出し及び細胞指数値の間で観察された。細胞指数の測定によって評価し、標準的に使用されるスルホローダミンB（SRB）アッセイ4時微小管安定化剤パクリタキセル誘発A549およびMDA-MB-231細胞の増殖および細胞毒性に非常に類似した値を示した。不死化海馬ニューロンの神経細胞株では、HT-22細胞指数測定は能力tの検証されたO広く使用3-（4,5 -ジメチルチアゾール2 -イル）2,5 -ジフェニル-ブロミド（MTT）アッセイ5に対する細胞増殖、グルタミン酸細胞毒性および細胞保護作用を検出する。同じ研究において、MTTアッセイの結果とセル·インデックス·測定も汎カスパーゼ阻害剤QVD 5によって成長因子欠乏および細胞毒性の救出後の神経前駆細胞の増殖、細胞毒性を測定する際によく相関していた。バンデタニブ（血管内皮成長因子受容体および上皮成長因子受容体阻害剤）をNIH 3T3細胞に誘導される細胞毒性は、細胞指数値またはニュートラルレッド取り込みアッセイ6で測定し、同様の結果を示した。
私たちは、最近、セロトニン2Aの神経保護効果を評価するために、リアルタイム細胞分析システムを使用した（5-HT 2A）受容体アゴニスト（±）-2,5 -ジメトキシ-4 -ヨードアンフェタミン塩酸塩神経細胞株における（DOI）（ SK-N-SH細胞）およびセコの関与についてスクリーニングNDメッセンジャー経路観察神経保護7上でそれらの化学的阻害の効果をモニタリングを通じて。興味深いことに、5-HT 2A受容体は一般的であり、明確な第二メッセンジャー経路8の両方を活性化することができる（DOIとリスリド、それぞれのような）幻覚やnonhallucinogenic両方アゴニストを持っています。
提示技術の利点は、それが、日の過程で細胞生存に対するリアルタイム情報を収集するために関与するセカンドメッセンジャー経路を描写するために、神経保護の増殖効果の寄与の可能性を評価するために、最適な時間を選択することを可能にすることである同じ細胞集団に対する追加のエンドポイント研究のため。現在のプロトコルでのワークフローの概略図が図1に示されている。
Protocol
Representative Results
Discussion
現在のプロトコルは、連続してラベルを含まない条件下で神経細胞株における化合物の神経保護/神経毒性作用を評価し、効果に関与するセカンドメッセンジャー経路への洞察を得るために、リアルタイム細胞分析装置の有用性を示す。
細胞毒性及び細胞増殖に対する薬物の効果を研究するためのリアルタイム細胞分析の効用が一般的に認識されていても、唯一のいくつ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financial support for the experiments presented in the study was provided by the Marie Heim-Vögtlin program of the Swiss National Science Foundation.
We thank Ms. Johanna Nyffeler for developing a set of modified MATLAB programs for screening for statistically significant differences in real-time cell analyzer’s data and Dr. Yama Abassi for helpful discussion.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| xCELLigence RTCA SP system bundle | ACEA Biosciences | No: 00380601030 | consists of RTCA Analyzer, RTCA SP Station and RTCA Control Unit |
| E-plate 96 | ACEA Biosciences | No: 05232368001 | for culturing the cells, inserted in the RTCA SP Station |
| SK-N-SH cells | ATCC – (in partnership with LGC Standards) | HTB-11 | can be replaced by another adherent neuronal cell line of interest |
| DMEM/F12 | Sigma-Aldrich | D8437 | cell culture medium |
| fetal bovine serum | Life Technologies | 16140-063 | supplements proliferation, but not serum deprivation medium |
| tisue culture flask T175 | Sarstedt | 83.1812.302 | for culturing cells, which will be later plated on the E-Plate 96 |
| 0.05% Trypsin-EDTA | Life Technologies | 25300-054 | for trypsinization of cells cultured in tissue culture flasks |
| Scepter 2.0 cell counter | Merck Millipore | PHCC20060 | automated cell counter |
| phosphate-buffered saline | Life Technologies | 10010-015 | for washing the cells |
| (±)-DOI hydrochloride | Sigma-Aldrich | D101 | 5-HT2A agonist for cell culture treatment |
| LY-294,002 hydrochloride | Sigma-Aldrich | L9908 | PI3-K inhibitor for cell culture treatment |
| lisuride maleate | Tocris Bioscience | 4052 | compound with 5-HT2A agonistic activity for cell culture treatment |
| dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | D4540 | for dissolving LY-294,002 and lisuride maleate |
References
- Cavallucci, V., D’Amelio, M. Matter of life and death: the pharmacological approaches targeting apoptosis in brain diseases. Curr. Pharm. Des. 17 (3), 215-229 (2011).
- Bull, S. HPA CHaPD 001: Review of Environmental Chemicals and Neurotoxicity. Focus on Neurological Diseases. , (2007).
- Ke, N., Wang, X., Xu, X., Abassi, Y. A. The xCELLigence system for real-time and label-free monitoring of cell viability. Methods Mol. Biol. 740, 33-43 (2011).
- Limame, R., et al. Comparative analysis of dynamic cell viability, migration and invasion assessments by novel real-time technology and classic endpoint assays. PLoS One. 7 (10), e46536 (2012).
- Diemert, S., et al. Impedance measurement for real-time detection of neuronal cell death. J. Neurosci. Methods. 203 (1), 69-77 (2012).
- Kustermann, S., et al. A label-free, impedance-based real time assay to identify drug-induced toxicities and differentiate cytostatic from cytotoxic effects. Toxicol In Vitro. 27 (5), 1589-1595 (2013).
- Marinova, Z., Walitza, S., Grünblatt, E. 5-HT2A serotonin receptor agonist DOI alleviates cytotoxicity in neuroblastoma cells: role of the ERK pathway. Prog. Neuropsychopharmacol. Biol. Psychiatry. 44, 64-72 (2013).
- González-Maeso, J., et al. Hallucinogens recruit specific cortical 5-HT(2A) receptor-mediated signaling pathways to affect behavior. Neuron. 53 (3), 439-452 (2007).
- Tsuchioka, M., Takebayashi, M., Hisaoka, K., Maeda, N., Nakata, Y. Serotonin (5-HT) induces glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) mRNA expression via the transactivation of fibroblast growth factor receptor 2 (FGFR2) in rat C6 glioma cells. J. Neurochem. 106 (1), 244-257 (2008).
- Galante, D., et al. Differential toxicity, conformation and morphology of typical initial aggregation states of Aβ1-42 and Aβpy3-42 beta-amyloids. Int. J. Biochem. Cell. Biol. 44 (11), 2085-2093 (2012).
- Sheline, C. T., Cai, A. L., Zhu, J., Shi, C. Serum or target deprivation-induced neuronal death causes oxidative neuronal accumulation of Zn2+and loss of NAD. Eur. J. Neurosci. 32, 894-904 (2010).
