Анализ флуоресцентно окрашенных липидных капель с 3D-реконструкцией для оценки стеатоза печени

Липидные капли (ЛД), классически рассматриваемые как энергетические депо, представляют собой специализированные клеточные органеллы, которые опосредуют накопление липидов, и они составляют гидрофобное нейтральное липидное ядро, которое в основном содержит сложные эфиры холестерина и триглицериды (ТГ), инкапсулированные фосфолипидным монослоем ^1,2,3.

Биогенез ЛД происходит в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР), начиная с синтеза триацилглицерина (ТАГ) и эфиров стерола. Нейтральные липиды диффундируют между листочками бислоя ER в низких концентрациях, но сливаются в масляные линзы, которые растут и превращаются в почти сферические капли из мембраны ER, когда их внутриклеточная концентрация увеличивается⁴. Впоследствии белки из бислоя ER и цитозоля, особенно семейства белков перилипина (PLIN), перемещаются на поверхности LD, чтобы облегчить почкование ^5,6,7,8,9.

Благодаря синтезу новых жирных кислот и слиянию или слиянию LD LD вырастают до разных размеров. Соответственно, размер и количество LD значительно различаются в разных типах клеток. Мелкие капли (диаметром 300-800 нм), известные как начальные LD (iLDs), могут образовываться почти всеми клетками⁴. Позже при образовании LD большинство клеток способны превращать некоторые iLD в более крупные, расширяющиеся LD (eLDs >1 мкм в диаметре). Тем не менее, только определенные типы клеток, такие как адипоциты и гепатоциты, обладают способностью образовывать гигантские или сверхбольшие LD (до десятков микрон в диаметре)^4,10.

ЛД играют очень важную роль в регуляции клеточного липидного обмена, подавляя липотоксичность и предотвращая стресс ER, митохондриальную дисфункцию и, в конечном итоге, гибель клеток, вызванную свободными жирными кислотами (ЖК)^11,12,13,14. Кроме того, LD также участвуют в регуляции экспрессии генов, секвестрации белка репликации вируса, а также мембранного трафика и передачи сигналов^15,16,17. Таким образом, нарушение регуляции биогенеза ЛД является отличительной чертой хронических заболеваний, связанных с метаболическим синдромом, ожирением, сахарным диабетом 2 типа (СД2) и/или атеросклерозом, и это лишь некоторые из них^18,19,20.

Печень, как метаболический центр, в основном отвечает за липидный обмен путем хранения и переработки липидов, и, следовательно, ей постоянно угрожает липотоксичность²¹. Стеатоз печени (ГС) является общим признаком ряда прогрессирующих заболеваний печени и характеризуется чрезмерным внутриклеточным накоплением липидов в виде цитозольных ЛД, что, в конечном итоге, может привести к метаболической дисфункции печени, воспалению и запущенным формам неалкогольной жировой болезни печени^22,23,24,25. HS возникает, когда скорость окисления и экспорта жирных кислот в виде триглицеридов в липопротеинах очень низкой плотности (ЛПОНП) ниже, чем скорость поглощения жирных кислот печенью из плазмы и синтеза жирных кислот de novo ²⁶. Накопление липидов в печени часто происходит в двух формах – микровезикулярном и макровезикулярном стеатозе – и они проявляют различные цитоархитектонические характеристики²⁷. Как правило, микровезикулярный стеатоз характеризуется наличием небольших ЛД, рассеянных по всему гепатоциту с центральным расположением ядра, тогда как макровезикулярный стеатоз характеризуется наличием одного большого ЛД, который занимает большую часть гепатоцита, выталкивая ядро на периферию^28,29. Примечательно, что эти два типа стеатоза часто встречаются вместе, и остается неясным, как эти два паттерна LD влияют на патогенез заболевания, поскольку доказательства все еще противоречивы^31,32,33,34. Тем не менее, такой тип анализа часто используется в качестве «эталонного стандарта» в доклинических и клинических исследованиях для понимания динамического поведения LD и характеристики стеатоза печени 29,34,35,36.

Биопсия печени, золотой стандарт диагностики и классификации ГС, обычно оценивается с помощью гистологического анализа гематоксилина и эозина (H & E), где липидные капли оцениваются как неокрашенные вакуоли в окрашенных H&E срезах^{печени 37}. Хотя этот тип окрашивания приемлем для оценки макровезикулярного стеатоза, он обычно сужает оценку микровезикулярного стеатоза³⁸. Жирорастворимые диазокрасители, такие как Oil Red O (ORO), классически комбинируют с светлопольной микроскопией для анализа внутриклеточных запасов липидов, но они все еще имеют ряд недостатков: (i) использование этанола или изопропанола в процессе окрашивания, что часто вызывает разрушение нативных LD и случайное слияние, несмотря на то, что клетки фиксируются³⁹; (ii) трудоемкий характер, поскольку раствор ORO требует растворения и фильтрации свежего порошка из-за ограниченного срока годности, что способствует менее стабильным результатам; (iii) и тот факт, что ORO окрашивает не только липидные капли, но и часто переоценивает стеатоз печени³⁸.

Следовательно, проницаемые для клеток липофильные флуорофоры, такие как нильский красный, использовались либо в живых, либо в фиксированных образцах для преодоления некоторых из вышеупомянутых ограничений. Однако неспецифический характер маркировки клеточных липидных органелл неоднократно сужает оценки ЛД⁴⁰. Кроме того, спектральные свойства Nile Red изменяются в зависимости от полярности окружающей среды, что часто может приводить к спектральным сдвигам⁴¹.

Липофильный флуоресцентный зонд 1,3,5,7,8-пентаметил-4-бора-3а,4адиаза-с-индацен (длина волны возбуждения: 480 нм; максимум излучения: 515 нм; BODIPY 493/503) проявляет характеристики гидрофобности, которые позволяют быстро поглощать его внутриклеточными ЛД, накапливается в ядре липидных капель и, впоследствии, испускает ярко-зеленую флуоресценцию¹². В отличие от Nile Red, BODIPY 493/503 нечувствителен к полярности окружающей среды и, как было показано, более селективен, поскольку он демонстрирует высокую яркость для визуализации LD. Для окрашивания нейтральных LD этот краситель можно использовать в живых или фиксированных клетках и успешно сочетать с другими методами окрашивания и/или маркировки⁴². Еще одним преимуществом красителя является то, что он не требует особых усилий для помещения в раствор и является стабильным, что устраняет необходимость в его свежем приготовлении для каждого эксперимента⁴². Несмотря на то, что зонд BODIPY 493/503 был успешно использован для визуализации локализации и динамики LD в клеточных культурах, в некоторых отчетах также продемонстрировано надежное использование этого красителя в качестве инструмента визуализации LD в тканях, включая латеральную мышцу⁴³ человека, камбаловидную мышцу 42 крысы и кишечник⁴⁴ мыши.

Здесь мы предлагаем оптимизированный протокол на основе BODIPY 493/503 в качестве альтернативного аналитического подхода для оценки числа, площади и диаметра LD в образцах печени из животной модели стеатоза печени. Эта процедура охватывает подготовку образцов печени, срез тканей, условия окрашивания, получение изображений и анализ данных.