Кометный анализ является популярным средством обнаружения повреждений ДНК. Это исследование описывает подход к запуску слайдов в репрезентативных вариантах анализа кометы. Такой подход значительно увеличил количество образцов при одновременном сокращении времени выполнения анализа, количества манипуляций с скольжением и риска повреждения гелей.
Клетки постоянно подвергаются воздействию агентов, возникающих из внутренней и внешней среды, которые могут повредить ДНК. Это повреждение может вызвать аберрантную функцию клеток, и поэтому повреждение ДНК может играть решающую роль в развитии, возможно, всех основных заболеваний человека, например, рака, нейродегенеративных и сердечно-сосудистых заболеваний и старения. Одноклеточный гель-электрофорез (т.е. кометный анализ) является одним из наиболее распространенных и чувствительных методов изучения образования и восстановления широкого спектра типов повреждений ДНК (например, одно- и двухцепочечных разрывов, щелочно-лабильных участков, сшивок ДНК-ДНК и, в сочетании с определенными ферментами репарации, окисленных пуринов и пиримидинов), как in vitro , так и in vivo Системы. Тем не менее, низкая пропускная способность обычного анализа образца и трудоемкая обработка образца являются ограничивающими факторами для его максимально широкого применения. Поскольку «подсчет очков» комет становится все более автоматизированным, ограничением теперь является способность обрабатывать значительное количество кометных слайдов. Здесь разработан высокопроизводительный (HTP) вариант кометного анализа (HTP comet assay), который значительно увеличивает количество анализируемых образцов, уменьшает время выполнения анализа, количество индивидуальных манипуляций с скольжением, требования к реагентам и риск физического повреждения гелей. Кроме того, площадь бака электрофореза значительно уменьшается за счет вертикальной ориентации слайдов и интегрального охлаждения. Также здесь сообщается о новом подходе к охлаждению слайдов кометного анализа, который удобно и эффективно облегчает затвердевание кометных гелей. Здесь описано применение этих устройств к репрезентативным методам анализа комет. Эти простые инновации в значительной степени поддерживают использование анализа кометы и его применение в таких областях исследований, как биология воздействия, экотоксикология, биомониторинг, скрининг / тестирование токсичности, а также понимание патогенеза.
Клетки постоянно подвергаются воздействию агентов, возникающих из внутренней и внешней среды, которые могут повредить ДНК 1,2. Это повреждение может вызвать аберрантную функцию клеток3, и поэтому повреждение ДНК может играть решающую роль в развитии многих основных заболеваний человека, например, рака, нейродегенеративных и сердечно-сосудистых заболеваний и старения4. Кометный анализ (также называемый одноклеточным гелевым электрофорезом) становится все более популярным методом обнаружения и количественной оценки повреждения клеточной ДНК.
В простейшем случае щелочной кометный анализ (ACA) обнаруживает разрывы нитей (SB; как одинарные, так и двойные) вместе с апуриновыми / апиримидиновыми участками и щелочно-лабильными участками (ALS), оба из которых становятся одноцепочечными разрывами в щелочных условиях5. Анализ нейтральной рН кометы может оценить откровенные одно- и двухцепочечные разрывы6. Кроме того, ACA в сочетании с рядом ферментов репарации ДНК может обнаруживать значительный спектр типов повреждений ДНК, например, окисленные пурины (идентифицированные с помощью человеческой 8-оксогуанин ДНК-гликозилазы 1; hOGG17); окисленные пиримидины (с использованием эндонуклеазы III; EndoIII) и циклобутановые пиримидиновые димеры (с использованием эндонуклеазы T4 V; T4endoV)8. Кометный анализ также может быть использован для оценки поражений ДНК, индуцированных сшивающими агентами, такими как цисплатин 9,10,11. Как указано в официальном названии анализа, т.е. электрофорез одноклеточного геля, анализ опирается на то, что анализируемые клетки являются одноклеточной суспензией; чаще всего это культивируемые клетки, но могут быть выделены из цельной крови12,13, или из самой цельной крови можно использовать14,15. Альтернативно, одноклеточная суспензия может быть получена из твердых тканей.
За исключением нескольких исключений, в первую очередь отчетов CometChip из лаборатории Энглварда16, общий протокол анализа кометы не изменился кардинально по сравнению с тем, что первоначально описано изобретателями анализа (Östling and Johansson17 и Singh et al.18). Анализ кометы включает в себя многочисленные этапы (рисунок 1). Многие из этих этапов включают перенос тонких, содержащих клетки агарозных гелей, по одному слайду за раз, и, следовательно, представляют риск повреждения или потери геля, ставя под угрозу успех эксперимента. Следовательно, анализ кометы может занять много времени, особенно если выполняется значительное количество слайдов. Как правило, максимум 40 слайдов запускаются в большом (33 см х 59 см х 9 см) резервуаре для электрофореза, который находится в еще большем лотке, содержащем влажный лед для охлаждения. Недавно сообщалось, что время выполнения анализа может быть сокращено до 1 дня за счет уменьшения продолжительности стадии лизиса и отказа от высыхания слайдов перед окрашиванием19.
Настоящие авторы ранее сообщали о новом подходе к высокопроизводительному щелочному кометному анализу (HTP ACA), в котором несколькими (партиями по 25) слайдами микроскопа кометного анализа можно манипулировать одновременно на протяжении всего процесса анализа кометы 20,21,22. Этот запатентованный подход сводит к минимуму риск повреждения или потери гелей, содержащих образец, устраняя необходимость манипулирования предметными стеклами микроскопа по отдельности и может быть применен ко всем вариантам анализа кометы, в которых используются слайды микроскопа. Скользящие стойки защищают гели во время манипуляций, и, следовательно, обработка образцов происходит быстрее и эффективнее. Слайды также могут подвергаться электрофорезу в стойках, удерживаемых в вертикальной, а не горизонтальной ориентации. Это, а также интегральное охлаждение значительно уменьшают площадь резервуара электрофореза и устраняют необходимость во влажном льде. В совокупности это представляет собой значительное улучшение по сравнению с обычной процедурой. Используемое оборудование проиллюстрировано на рисунке 2. Протоколы, описанные здесь, используя этот новый подход, демонстрируют репрезентативное применение к культивируемым клеткам и цельной крови14 для обнаружения щелочно-лабильных участков (ALS), межцепочечных сшивающих связей ДНК (ICL) и субстратов различных ферментов репарации ДНК.
Это исследование демонстрирует универсальность, обеспечиваемую современным оборудованием, которое может быть использовано для достижения высокой пропускной способности с различными репрезентативными, распространенными вариантами анализа кометы (т. Е. Щелочной, фермент-модифицированный, кровь и ICL, и другие варианты также будут подходящими). Кроме того, нынешний подход приносит с собой ряд преимуществ20,21: а) время выполнения анализа сокращается за счет параллельного манипулирования несколькими слайдами (время обработки сокращается на 60%); b) снижается риск повреждения гелей и, следовательно, риск для эксперимента; c) требования к реагентам уменьшаются (например, объем резервуара для электрофореза меньше, чем в обычном резервуаре); d) увеличивается количество прогонов горок. Один резервуар может обеспечить 20%-ное увеличение количества слайдов по сравнению с одним обычным резервуаром; однако несколько резервуаров для электрофореза могут работать или работать в рабстве (т.е. несколько резервуаров, управляемых одним источником питания), параллельно от одного и того же источника питания и по-прежнему требуют настольной площади, меньшей, чем один обычный резервуар с лотком для льда; и e) уменьшение занимаемой емкости бака за счет вертикальной ориентации слайдов и встроенного охлаждения (экономия лабораторного пространства); резервуар HTP содержит высокопроизводительную керамическую охлаждающую базу со скользящим ящиком, который может вместить один замороженный охлаждающий пакет для поддержания оптимальной буферной температуры без необходимости выполнения процесса в холодном помещении.
Кроме того, разработанная нами охлаждающая пластина вмещает 26 кометных слайдов, позволяет быстро затвердевать агарозу с низкой температурой плавления на слайдах анализа кометы и облегчает извлечение слайдов после затвердевания агарозного геля. Вышеперечисленные нововведения делают процесс анализа кометы проще и проще.
В то время как были разработаны другие высокопроизводительные подходы (например, 12-гель-кометный анализ, CometChip или 96 мини-гелевых форматов)25, многие ученые предпочитают использовать обычные слайды микроскопа (которые включают коммерчески доступные предварительно покрытые слайды или другие специализированные слайды). Настоящий подход может охватывать все типы слайдов микроскопа, что позволяет масштабировать эксперименты с использованием этих слайдов за счет более быстрой обработки и обработки слайдов. Как отмечалось выше, кометная система ПВТ приносит много преимуществ, но есть одно заметное ограничение: нынешний подход обеспечивает лишь 20%-ное увеличение количества прогонов проб, по сравнению с обычным горизонтальным резервуаром (хотя обработка слайдов происходит гораздо быстрее). Форматы CometChip и 96 мини-гелей содержат большее количество образцов. На сегодняшний день мы не знаем, может ли нынешний подход приспособиться к форматам CometChip или 96 мини-геля, хотя мы прогнозируем, что это произойдет. Как отмечалось выше, количество образцов может быть дополнительно увеличено путем приручения резервуаров к одному источнику питания. Как и во всех подходах, все еще существует вероятность потери или повреждения гелей при загрузке образцов и анализе их под микроскопом, но это больше связано с ошибкой оператора, и шансы на это сводятся к минимуму при нынешнем подходе.
Использование кометной системы HTP может значительно помочь проанализировать повреждение ДНК, облегчая использование анализа кометы в широком спектре применений, таких как молекулярная эпидемиология, мужская репродуктивная наука, генотоксикологические исследования и экологическая токсикология. Это особенно верно для тех пользователей, которые хотят иметь все преимущества улучшенной пропускной способности и простоты использования, не отходя от привычных, экономически эффективных, обычных слайдов микроскопа.
The authors have nothing to disclose.
Работа, о которой сообщается в этой публикации, была частично поддержана Национальным институтом наук о гигиене окружающей среды Национальных институтов здравоохранения под номером награды: 1R41ES030274. Содержание является исключительной ответственностью авторов и не обязательно представляет официальную точку зрения Национальных институтов здравоохранения.
22 x 22 mm glass coverslips | Fisher Scientific, Hampton, NH, USA | 631-0124 | |
A2780 | ECACC, Louis, MO, USA |
93112519 | |
Concentrated nitric acid (OptimaTM grade) | Fisher Scientific Fair Lawn, NJ, USA | A467-250 | |
Fluorescence microscope equipped with a camera | Zeiss, Jena, Germany | ||
Fresh human whole blood | Zen Bio Inc | SER-WB10ML | Commercial human whole blood sample |
GraphPad Prism | GraphPad Software, San Diego, California | Data analysis software | |
HTP Comet Assay system | Cleaver Scientific | COMPAC- 50 | |
Human Keratinocyte (HaCaTs) | American Type Culture Collection (ATCC), Manassas, VA, USA | Discontinued | Can be purchased from another company ADDEXBIO TECHNOLOGIES Cat# T0020001 |
Hydrogen peroxide (H2O2) 30% in water |
Fisher Scientific, Hampton, NH, USA | BP2633-500 | |
ICP-MS iCAP RQ ICP-MS system |
Thermo Scientific, Waltham, MA, USA |
IQLAAGGAAQFAQKMBIT | |
Image and Data Analysis software | Perceptive Instrument, Bury St Edmunds, England, UK |
125525 | Free image analysis softwared is available e.g., ImageJ |
Internal Standard Mix | SPEX Certiprep, Metuchen, NJ, USA |
CL-ISM1-500 | Bismuch (isotope monitored 209 Bi)-concnetration of 10 µg/mL in 5% HNO3 |
Low melting point Agarose | Invitrogen Waltham, MA, USA |
P4864 | |
Na2EDTA (disodium ethylenediaminetetraacetic acid) | Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA |
E5134 | |
NaCl (Sodium chloride) | Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA |
S7653 | |
NanoDrop One | Thermo Scientific, Waltham, MA, USA |
701-058108 | Nanodrop for measuring DNA concentration |
Nanopure Infinity Ultrapure Water System (Barnstead Nanopure) | Thermo Scientific, Waltham, MA, USA |
D11901 | Ultrapure water (16 MΩ cm-1) |
NaOH (sodium Hydroxide) | Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA |
E5134 | |
Normal melting point Agarose | Fisher Scientific, Hampton, NH, USA |
16520100 | For pre-coating slides |
OCI-P5X | University of Miami, Miami, FL, USA |
N/A | Live Tumor Culture Core facility provided the cells |
Platinum (Pt) reference standard | SPEX Certiprep, Metuchen, NJ, USA |
PLPT3-2Y | (1000 µg/mL in 10% HCl) containing Bismuch |
Propidium Iodide (1.0 mg/mL in water) |
Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA |
12-541BP486410ML | |
QIAamp DNA Mini Kit | Qiagen Valencia, CA, USA |
51304 | DNA extraction Kit |
Single-frosted glass microscope slides | Fisher Scientific, Hampton, NH, USA |
12-541B | |
SKOV3 | ECACC, Louis, MO, USA |
91091004 | |
Slide box | Fisher Scientific, Hampton, NH, USA |
03-448-2 | Light proof, to protect cells from the formation adventitious damage (according to the widely held view) and prevent fading of the fluorescent dye |
Slide Chilling plate | Cleaver Scientific, Rugby, England, UK |
CSL-CHILLPLATE | |
Treatment dish | Cleaver Scientific, Rugby, England, UK |
STAINDISH4X | |
Tris-base | Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA |
93362 | |
Triton X-100 | Fisher Scientific, Hampton, NH, USA |
BP151-500 | |
Trypsin EDTA (0.5%) | Invitrogen Gibco, Waltham, MA, USA |
15400054 | |
Vertical Slide Carrier | Cleaver Scientific, Rugby, England, UK |
COMPAC-25 |