ويشيع استخدام خطوط الخلايا الاساسيه أو القائمة المستزرعة لمعالجه المسائل البيولوجية والميكانيكية الاساسيه كنهج اولي قبل استخدام النماذج الحيوانية. يصف هذا البروتوكول كيفيه اعداد مقتطفات الخلايا الكاملة والكسور تحت الخلوية لدراسات الزنك (Zn) والعناصر النزره الأخرى مع الطيفية الامتصاص الذري.
المعادن الانتقالية هي المغذيات الصغرى الاساسيه للكائنات الحية ولكن يمكن ان تكون سامه للخلايا بتركيزات عاليه من خلال التنافس مع المعادن الفسيولوجية في البروتينات وتوليد إجهاد الاكسده. الحالات المرضية التي تؤدي إلى استنزاف المعادن أو تراكم هي العوامل السببية لمختلف الامراض البشرية. وتشمل بعض الامثله فقر الدم ، والتهاب الجلدي المعوي ، وامراض ويلسون والمنكز. ولذلك من المهم ان تكون قادره علي قياس مستويات ونقل المعادن الانتقالية في العينات البيولوجية مع حساسية عاليه ودقه من أجل تسهيل البحوث استكشاف كيفيه مساهمه هذه العناصر في الوظائف الفسيولوجية العادية السميه. الزنك (Zn) ، علي سبيل المثال ، هو عامل مساعد في العديد من البروتينات الثدييات ، ويشارك في الاحداث الإشارات ، وهو رسول الثانوية في الخلايا. في الزائدة ، الزنك السامة ويمكن ان تمنع امتصاص المعادن الأخرى ، في حين ان في العجز ، فانه يمكن ان يؤدي إلى مجموعه متنوعة من الظروف المميتة المحتملة.
الجرافيت فرن الامتصاص الذري الطيفي (GF-العاص) يوفر طريقه حساسة للغاية وفعاله لتحديد الزنك وغيرها من تركيزات المعادن الانتقالية في العينات البيولوجية المختلفة. الانحلال الكهربي عن طريق GF-العاص ثبت قيمه المعادن عن طريق تفتيت كميات صغيره من العينات لتحليل الامتصاص الانتقائي اللاحق باستخدام الطول الموجي لأثاره عنصر الفائدة. في حدود الخطية من قانون البيره لامبرت ، وامتصاص الضوء من قبل المعدن يتناسب مباشره مع تركيز التحاليل. بالمقارنة مع الطرق الأخرى لتحديد محتوي الزنك ، GF-العاص يكتشف كل من الزنك الحرة والمعقدة في البروتينات وربما في جزيئات صغيره داخل الخلايا مع حساسية عاليه في وحدات التخزين عينه صغيره. وعلاوة علي ذلك ، فان GF-العاص هو أيضا أكثر سهوله في الوصول اليه من قياس الطيف الكتلي المقترن بشكل محفز أو الاشعه السينية المستندة إلى synchrotron. في هذا الأسلوب ، يتم وصف اعداد عينه منتظمة من مختلف خطوط الخلايا المستزرعة للتحليلات في GF-العاص. تمت مقارنه الاختلافات في هذا العنصر النزره في كل من الخلايا الكاملة والكسور تحت الخلوية من تكاثر والخلايا المتمايزة كدليل علي المبدا.
يتم العثور علي الانتقال والمعادن الثقيلة ، مثل الزنك والنحاس والمنغنيز والحديد ، بشكل طبيعي في البيئة في كل من المواد الغذائية والملوثات. وتتطلب جميع الكائنات الحية كميات مختلفه من هذه المغذيات الصغرى ؛ ومع ذلك ، فان التعرض للمستويات العالية يضر بالكائنات الحية. الحصول علي المعادن هو أساسا من خلال النظام الغذائي ، ولكن يمكن أيضا استنشاق المعادن أو امتصاصها من خلال الجلد1،2،3،4،5. ومن المهم ملاحظه ان وجود الفلزات في جزيئات الغلاف الجوي أخذ في الازدياد وارتبط إلى حد كبير بالمخاطر الصحية. وبسبب الانشطه البشرية المنشا ، تم اكتشاف مستويات متزايدة من الفلزات الثقيلة مثل Ag ، مثل الاقراص المدمجة ، والكروم ، والزئبق ، والنيكل ، والحديد ، والرصاص في الجسيمات الجوية ، ومياه الامطار ، والتربة6،7. هذه المعادن لديها القدرة علي المنافسة مع العناصر النزره الفسيولوجية الاساسيه ، وخاصه الزنك والحديد ، وانها تحفز الآثار السامة عن طريق تنشيط الانزيمات الاساسيه للعمليات البيولوجية.
الزنك عنصر التتبع هو الاكسده محايده ويتصرف كحمض لويس في التفاعلات البيولوجية ، مما يجعلها عاملا أساسيا اللازمة للطي البروتين والنشاط الحفاز في أكثر من 10 ٪ من البروتينات الثدييات8،9، 10؛ التالي ، فمن الضروري لمختلف الوظائف الفسيولوجية8،11. ومع ذلك ، مثل العديد من العناصر النزره ، هناك توازن دقيق بين هذه المعادن التي تسهل الوظيفة الفسيولوجية الطبيعية وتسبب سميه. في الثدييات, نقص الزنك يؤدي إلى فقر الدم, تاخر النمو, قصور الغدد التناسلية, تشوات الجلد, الإسهال, ثعلبه, اضطرابات الذوق, التهاب مزمن, وضعف وظائف المناعة والجهاز العصبي11,12, 13،14،15،16،17،18. في الزائدة ، والزنك هو السامة للخلايا ويضعف امتصاص المعادن الاساسيه الأخرى مثل النحاس19،20،21.
بالاضافه إلى ذلك ، بعض المعادن مثل Cu و Fe لديها القدرة علي المشاركة في ردود الفعل الضارة. إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) عن طريق فنتر الكيمياء يمكن ان تتداخل مع الجمعية من الحديد الكبريت البروتينات العنقودية وتغيير استقلاب الدهون22،23،24. لمنع هذا الضرر ، تستخدم الخلايا محرمين ملزمه المعادن والناقلين لمنع الآثار السامة. مما لا شك فيه ، يجب ان يكون التوازن المعدني التحكم باحكام للتاكد من ان أنواع الخلايا المحددة الحفاظ علي مستويات مناسبه من المعادن. ولهذا السبب ، هناك حاجه كبيره إلى النهوض بتقنيات القياس الدقيق للمعادن النزره في العينات البيولوجية. في الكائنات الحية النامية والناضجة هناك حاجه البيولوجية التفاضلية للعناصر النزره علي المستوي الخلوي ، في مراحل النمو المختلفة ، وفي الظروف العادية والمرضية. لذلك ، من الضروري تحديد دقيق لمستويات الانسجه والمعادن الجهازية لفهم التوازن المعدني أسطح.
الجرافيت فرن الامتصاص الذري الطيف (GF-العاص) هو تقنيه حساسة للغاية تستخدم لحجم العينات الصغيرة ، مما يجعلها مثاليه لقياس الانتقال والمعادن الثقيلة الموجودة في العينات البيولوجية والبيئية25،26 , 27 , 28. وعلاوة علي ذلك ، نظرا لحساسية عاليه من هذه التقنية ، وقد ثبت ان تكون مناسبه لدراسة خصائصالنقل الدقيقة من Na +/k +-atpase والمعدة H +/k +-atpase باستخدام xenopus البويضات كنظام نموذجي29. في GF-العاص ، تمتص العناصر المفتتة داخل العينة طولا موجيا من الإشعاع المنبعث من مصدر ضوئي يحتوي علي معدن الفائدة ، مع الإشعاع الممتص المتناسب مع تركيز العنصر. يتم الاثاره الكترونيه العنصرية عند امتصاص الاشعه فوق البنفسجية أو المرئية في عمليه كميه فريدة لكل عنصر كيميائي. وفي عمليه الكترون واحده ، ينطوي امتصاص الفوتون علي الكترون ينتقل من مستوي طاقة اقل إلى مستوي اعلي داخل الذرة ويحدد GF-العاص كميه الفوتونات التي تمتصها العينة ، والتي تتناسب مع عدد امتصاص الإشعاع العناصر صغار في أنبوب الجرافيت.
وتعتمد الانتقائية في هذه التقنية علي البنية الكترونيه للذرات التي يكون فيها لكل عنصر خط طيفي محدد للامتصاص/الانبعاث. في حاله الزنك ، والطول الموجي الامتصاص هو 213.9 نانومتر ويمكن تمييزها بدقه من المعادن الأخرى. عموما ، يمكن استخدام GF-العاص لقياس الزنك مع حدود كافيه من الكشف (اللد) وحساسية عاليه والانتقائية25. تتكامل التغيرات في الطول الموجي الممتص وتقدم كقمم لامتصاص الطاقة عند أطوال موجية محدده ومعزولة. وعاده ما يتم احتساب تركيز الزنك في عينه معينه من منحني قياسي من التركيزات المعروفة وفقا لقانون البيره لامبرت ، الذي الامتصاص يتناسب مباشره مع تركيز الزنك في العينة. ومع ذلك ، فان تطبيق معادله بير لامبرت علي تحليلات GF-العاص يعرض أيضا بعض التعقيدات. فعلي سبيل المثال ، يمكن ان تؤثر التغيرات في الانحلال و/أو التركيزات غير المتجانسة للعينات علي القياسات المعدنية.
الانحلال المعدنية المطلوبة لتحليل عنصري التتبع GF يتكون من ثلاث خطوات أساسيه. الخطوة الاولي هي ديسولفيشن ، حيث تبخرت المذيبات السائلة. ترك المركبات الجافة بعد الفرن يصل إلى درجه حرارة حوالي 100 درجه مئوية. ثم ، يتم تبخير المركبات عن طريق تسخينها من 800 إلى 1,400 درجه مئوية (اعتمادا علي العنصر الذي سيتم تحليله) وتصبح غازا. وأخيرا ، يتم صغار المركبات في الدولة الغازية مع درجات الحرارة التي تتراوح من 1,500 إلى 2,500 درجه مئوية. وكما سبقت مناقشته أعلاه ، فان زيادة تركيزات معدن الفائدة ستجعل الزيادات النسبية في الامتصاص التي يكتشفها الفرنك الغين-العاص ، ومع ذلك فان الفرن يقلل من النطاق الديناميكي للتحليل ، الذي هو نطاق العمل من التركيزات التي يمكن ان تكون يحددها الصك. التالي ، فان هذه التقنية تتطلب تركيزات منخفضه وتحديد دقيق للنطاق الديناميكي للأسلوب عن طريق تحديد اللد والحد من الخطية (LOL) من قانون بير لامبرت. ال اللد هو الحد الأدنى من الكمية المطلوبة ليتم الكشف عن ماده ، وتعريف ثلاثه اضعاف الانحراف المعياري لل Zn في المصفوفة. لول هو الحد الأقصى للتركيز التي يمكن الكشف عنها باستخدام القانون بير لامبرت.
في هذا العمل ، ونحن وصف طريقه قياسيه لتحليل مستويات الزنك في مقتطفات الخلية بأكملها ، سيتوبلازمي والكسور النووية ، وفي تكاثر والتفريق بين الخلايا المستزرعة (الشكل 1). قمنا بتكييف العزلة السريعة لبروتوكول النوى للانظمه الخلوية المختلفة لمنع فقدان المعادن اثناء اعداد العينة. وكانت النماذج الخلوية المستخدمة الاساسيه التي تستمد من الخلايا الأقمار الصناعية الماوس ، وخلايا الورم الاروميه العصبية murine (N2A أو Neuro2A) ، murine 3T3 L1 شحميه ، وهو الإنسان غير tumoriغينيك الثدي خط خليه الظهاريه (MCF10A) ، والكلي البوليسية. MDCK) الخلايا. وقد أنشئت هذه الخلايا من السلالات المختلفة وهي نماذج جيده للتحقيق في النسب اختلافات محدده من مستويات المعادن في المختبر.
وتشكل الأقاليم الاساسيه المشتقة من خلايا الفئران الفضائية نموذجا مناسبا في المختبر للتحقيق في تمايز العضلات الهيكلية. انتشار هذه الخلايا سريع عندما مثقف تحت ظروف المصل عاليه. ثم يتم الحث علي التمايز في السلالة العضلية بسبب انخفاض حالات المصل30. الورم الارومي العصبي murine (N2A) أنشئت خط الخلية المستمدة من قمة الماوس العصبية. هذه الخلايا الحالية العصبية والأميبا الخلايا الجذعية المورفولوجية. علي التحفيز التمايز ، والخلايا N2A تقديم العديد من الخصائص للخلايا العصبية ، مثل الشعيرات العصبية. وتستخدم خلايا N2A للتحقيق في مرض الزهايمر ، ونمو العصب العصبي ، والسمية العصبية31،32،33. و 3T3-L1 murine ما قبل الخلايا الشحمية التي أنشئت خط الخلية يستخدم عاده للتحقيق في التغيرات الايضيه والفسيولوجية المرتبطة اديبوجينيسيس. هذه الخلايا تقديم الليفية مثل المورفولوجية, ولكن مره واحده حفزت للتمييز, انها تقدم التنشيط الانزيميه المرتبطة تخليق الدهون وتراكم الدهون الثلاثية. ويمكن ملاحظه ذلك كتغييرات مورفولوجية لإنتاج قطرات الدهون السيتوبلازمية34،35. MCF10A هو خط الخلايا الظهاريه غير الورم الثديية المستمدة من أمراه قبل سن إلياس مع مرض فيبروكيستيك الثدي36. وقد استخدم علي نطاق واسع للدراسات البيوكيميائية والجزيئية والخلوية المتعلقة بالسرطانات الثديية مثل الانتشار ، وهجره الخلايا ، والغزو. وقد تم استخدام خط الخلايا الظهاريه الكلي البوليسية Madin-داربي (MDCK) علي نطاق واسع للتحقيق في الخصائص والاحداث الجزيئية المرتبطة بإنشاء النمط الظاهري الظهاريه. عند الوصول إلى التقاء ، تصبح هذه الخلايا المستقطبة وإنشاء التصاقات خليه خلوية ، وخصائص الانسجه الظهاريه الثدييات37.
لاختبار قدره العاص لقياس مستويات الزنك في خلايا الثدييات ، حللنا الكسور الكاملة وشبه الخلوية (cytosol والنواة) من هذه الخطوط الخلوية الخمسة. وأظهرت قياسات العاص تركيزات مختلفه من الزنك في هذه الأنواع من الخلايا. وكانت التركيزات اقل في التكاثر والتفريق بين الأقاليم الاوليه (4 إلى 7 nmol/mg من البروتين) واعلي في أربعه خطوط الخلايا الراسخة (تتراوح بين 20 إلى 40 nmol/ملغ من البروتين). تم الكشف عن زيادة صغيره غير هامه في مستويات الزنك في التفريق بين الكريات الاوليه وخلايا الورم الارومي العصبي بالمقارنة مع تكاثر الخلايا. تم الكشف عن التاثير المعاكس في الخلايا الشحمية المتمايزة. ومع ذلك ، فان تكاثر خلايا 3T3-L1 اظهر تركيزات اعلي من المعدن مقارنه بالخلايا المتمايزة. الأهم من ذلك ، في هذه الخطوط الخلوية الثلاثة ، أظهرت التجزئة تحت الخلوية ان الزنك موزع بشكل مختلف في السيتوسيول والنواة وفقا لحاله الأيض لهذه الخلايا. علي سبيل المثال ، في تكاثر المقاطع العضلية ، وخلايا N2A ، و 3T3-L1 قبل الخلايا الشحمية ، يتم ترجمه غالبيه المعدن إلى النواة. عند استقراء التمايز باستخدام العلاجات الخلوية المحددة ، الزنك مترجمه إلى عصارة في هذه الأنواع الثلاثة من الخلايا. ومن المثير للاهتمام ، أظهرت كل من خطوط الخلايا الظهاريه مستويات اعلي من الزنك اثناء الانتشار مقارنه مع عند التوصل إلى التقاء ، والتي شكلت أحاديه الطبقة الضيقة المميزة. في تكاثر الخلايا الظهاريه ، كان خط الخلية الثديية MCF10A توزيع الزنك علي قدم المساواة بين عصارة ونواه ، بينما في خط الخلايا المشتقة من الكلي ، وكان معظم المعدن الموجود في النواة. في هذين النوعين من الخلايا ، عندما وصلت الخلايا إلى التقاء ، كان الزنك في الغالب التي تقع علي cytosol. وتبين هذه النتائج ان GF-العاص هو تقنيه حساسة للغاية ودقيقه لاجراء تحليل عنصري في عينات منخفضه الغلة. GF-العاص إلى جانب تجزئه تحت الخلوية ويمكن تكييفها للتحقيق في مستويات العناصر المعدنية النزره في خطوط الخلايا المختلفة والانسجه.
القياس الطيفي لامتصاص الذرية هو طريقه حساسة للغاية لتحديد كميه الزنك في العينات البيولوجية الصغيرة الحجم/الكتلة. الأمثل الموصوفة من قياس الزنك يجعل تطبيق هذه الطريقة بسيطه ويضمن الظروف التحليلية المثالية. هنا ، باستخدام GF-العاص ، حددنا تركيز الزنك في خلايا كامله ، وفي الكسور الخلوية وال?…
The authors have nothing to disclose.
وكان هذا العمل مدعوما بجائزه علماء التنوع في الكلية من كليه الطب بجامعه ماساتشوستس إلى T.P.. N.N.. ويدعم من قبل SEP-CONACYT ، منحه 279879. وتدعم المؤسسة الوطنية للعلوم منحه DBI 0959476. ويعرب أصحاب البلاغ عن امتنانهم للدكتور داريل ا. بوسكو لتزويده بخط الخلية N2A ولدانييل تسوسسو لدعمها التقني.
3-isobutyl-1-methylxanthine | Sigma Aldrich | I5879 | |
Acetic Acid | Sigma Aldrich | 1005706 | |
Anti Brg1-antibody (G7) | Santa Cruz biotechnologies | sc-17796 | |
Anti b-tubulin-antibody (BT7R) | Thermo Scientific | MA5-16308 | |
Bradford | Biorad | 5000205 | |
Dexamethasone | Sigma Aldrich | D4902 | |
Dulbecco's Modified Eagle's Media (DMEM) | ThermoFischer-Gibco | 11965092 | |
Dulbecco's Modified Eagle's Media/Nutrient Mix (DMEM/F12) | ThermoFischer-Gibco | 11320033 | |
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline (DPBS) | ThermoFischer-Gibco | 14190144 | |
Epidemal Growth Factor (EGF) | Sigma Aldrich | E9644 | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | ThermoFischer-Gibco | 16000044 | |
Fibroblastic Growth Factor-Basic (FGF) (AA 10-155) | ThermoFischer-Gibco | PHG0024 | |
Horse serum | ThermoFischer-Gibco | 16050122 | |
Hydrocortisone | Sigma Aldrich | H0888 | |
Hydrogen Peroxide (H2O2) | Sigma Aldrich | 95321 | |
Insulin | Sigma Aldrich | 91077C | |
Insulin-Transferrin-Selenium-A | ThermoFischer | 51300044 | |
Nitric Acid (HNO3) | Sigma Aldrich | 438073 | |
Nonidet P-40 (NP-40) | Thermo Scientific | 85125 | |
OptiMEM (Reduced Serum Media) | ThermoFischer-Gibco | 31985070 | |
Penicillin-Streptomycin | ThermoFischer-Gibco | 15140148 | |
PureCol (Collagen) | Advanced BioMatrix | 5005 | |
Retionic Acid | Sigma Aldrich | PHR1187 | |
Troglitazone | Sigma Aldrich | 648469-M | |
Trypsin-EDTA (0.25%), phenol red | ThermoFischer-Gibco | 25200056 | |
Zinc (Zn) Pure Single-Element Standard, 1,000 µg/mL, 2% HNO3 | Perkin Elmer | N9300168 | |
Established Cell Lines | |||
3T3-L1 | American Type Culture Collection | CL-173 | |
MCDK | American Type Culture Collection | CCL-34 | |
MCF10A | American Type Culture Collection | CRL-10317 | |
N2A | American Type Culture Collection | CCL-131 | |
Equipment | |||
Atomic Absortion spectrophotometer | PerkinElmer | Aanalyst 800 | |
Bioruptor | Diagnode | UCD-200 |