肝脂肪症評価のための3D再構成による蛍光染色された脂肪滴の分析

古典的にエネルギー貯蔵庫と見なされる脂肪滴(LD)は、脂質貯蔵を媒介する特殊な細胞小器官であり、リン脂質単層^1,2,3によってカプセル化されたコレステロールエステルおよびトリグリセリド(TG)を主成分とする疎水性の中性脂質コアを含む。

LD生合成は、トリアシルグリセロール(TAG)およびステロールエステルの合成から始めて、小胞体(ER)で起こる。中性脂質は、低濃度では小胞体二重層の小葉の間に拡散しますが、細胞内濃度が増加すると、小胞体膜からほぼ球形の液滴に成長して発芽する油レンズに合体します⁴。続いて、ER二重層およびサイトゾルからのタンパク質、特にペリリピン(PLIN)タンパク質ファミリーがLDの表面に移行し、出芽を促進します⁵、⁶、⁷、^8、9。

新しい脂肪酸合成とLD融合または合体により、LDはさまざまなサイズに成長します。したがって、LDのサイズと数は、細胞タイプによって大きく異なります。初期LD(iLD)として知られる小さな液滴(直径300〜800 nm)は、ほぼすべての細胞によって形成され得る⁴。LD形成の後半では、ほとんどの細胞はいくつかのiLDをより大きなiLDに変換することができます-より大きな拡張LD(直径>1μmのeLD)。しかし、脂肪細胞や肝細胞などの特定の細胞型だけが、巨大または超大型のLD(直径数十ミクロンまで)を形成する能力を持っています^4,10。

LDは、細胞の脂質代謝の調節、脂肪毒性の抑制、小胞体ストレス、ミトコンドリア機能障害、そして最終的には遊離脂肪酸(FA)によって引き起こされる細胞死の予防に非常に重要な役割を果たします^11,12,13,14。さらに、LDは、遺伝子発現、ウイルス複製タンパク質隔離、および膜輸送およびシグナル伝達の調節にも関与しています^15,16,17。したがって、LD生合成の誤調節は、メタボリックシンドローム、肥満、2型糖尿病(T2DM)、および/または動脈硬化に関連する慢性疾患の特徴であり、ほんの数例を挙げると18,19,20です。

肝臓は、代謝ハブとして、脂質を貯蔵および処理することによって脂質代謝に主に関与しているため、脂肪毒性によって常に脅かされています²¹。肝脂肪症(HS)は、一連の進行性肝疾患の一般的な特徴であり、細胞質LDの形での過剰な細胞内脂質蓄積を特徴とし、最終的には肝代謝機能障害、炎症、および進行型の非アルコール性脂肪性肝疾患につながる可能性があります^22,23,24,25.HSは、超低密度リポタンパク質(VLDL)内の脂肪酸の酸化およびトリグリセリドとしての輸出の速度が、血漿およびde novo脂肪酸合成からの肝脂肪酸の取り込み速度よりも低い場合に発生します²⁶。脂質の肝蓄積は、しばしば2つの形態(微小小胞および大小胞脂肪症)で起こり、これらは明確な細胞アーキテクト学的特徴を示す²⁷。典型的には、微小小胞脂肪症は、核が中央に配置された肝細胞全体に分散した小さなLDの存在によって特徴付けられるのに対し、大小胞脂肪症は、肝細胞の大部分を占める単一の大きなLDの存在によって特徴付けられ、核を末梢に押し出す^28,29。.特に、これら2種類の脂肪症はしばしば一緒に発見され、証拠がまだ一貫していないため、これら2つのLDパターンが疾患の病因にどのように影響するかは不明のままです^31,32,33,34。しかし、このようなタイプの分析は、LDの動的挙動を理解し、肝脂肪症を特徴付けるための前臨床および臨床試験の「参照標準」としてしばしば採用されます29,34,35,36。

HSの診断と等級付けのゴールドスタンダードである肝生検は、組織学的ヘマトキシリンおよびエオジン(H&E)分析によって日常的に評価され、脂肪滴はH&E染色された肝臓切片の染色されていない液胞として評価されます³⁷。大水疱性脂肪症の評価には許容できるが、このタイプの染色は一般に微小小胞脂肪症の評価を狭める³⁸。Oil Red O(ORO)などの脂溶性ジアゾ色素は、細胞内脂質貯蔵を分析するために古典的に明視野顕微鏡と組み合わされますが、これらには依然として多くの欠点があります:(i)染色プロセスでのエタノールまたはイソプロパノールの使用、これはしばしば天然LDの破壊を引き起こし、細胞が固定されているにもかかわらず時折融合します³⁹;(ii)ORO溶液は貯蔵寿命が限られているため、新鮮な粉末の溶解とろ過が必要なため、時間のかかる性質により、一貫性の低い結果に寄与します。(iii)そして、OROが単なる脂肪滴以上のものを染色し、しばしば肝脂肪症を過大評価するという事実³⁸。

その結果、Nile Redなどの細胞透過性親油性蛍光色素は、前述の制限のいくつかを克服するために、生サンプルまたは固定サンプルのいずれかで使用されてきました。しかし、細胞脂質オルガネラ標識の非特異的な性質は、LD評価を繰り返し狭めます⁴⁰。さらに、ナイルレッドのスペクトル特性は環境の極性によって変化し、スペクトルシフト⁴¹につながることがよくあります。

親油性蛍光プローブである1,3,5,7,8-ペンタメチル-4-ボラ-3a,4ジアザ-s-インダセン(励起波長:480 nm; 発光極大:515 nm;BODIPY 493/503)は、細胞内LDによる迅速な取り込みを可能にする疎水性特性を示し、脂肪滴コアに蓄積し、続いて明るい緑色の蛍光を発する¹²。ナイルレッドとは異なり、BODIPY 493/503は環境の極性に敏感ではなく、LDイメージング用に高輝度を表示するため、より選択的であることが示されています。中性LDを染色するために、この色素は生細胞または固定細胞で使用でき、他の染色および/または標識法とうまく結合することができます⁴²。色素の別の利点は、溶液に入れるのにほとんど労力を必要とせず、安定であり、したがって、各実験⁴²のためにそれを新たに調製する必要性を排除することである。BODIPY 493/503プローブは、細胞培養におけるLDの局在と動態を可視化するために成功裏に使用されていますが、ヒト外側広筋43、ラットヒラメ筋⁴²、マウス腸⁴⁴などの組織におけるLDイメージングツールとしてのこの色素の信頼性の高い使用も実証されています。

ここでは、肝脂肪症の動物モデルからの肝臓検体のLD数、面積、および直径を評価するための代替分析アプローチとして、最適化されたBODIPY 493/503ベースのプロトコルを提案します。この手順では、肝臓サンプルの準備、組織切片作成、染色条件、画像取得、およびデータ分析について説明します。