Method Article
Linhas celulares de cancro imortalizadas pode ser cultivada como culturas de células em 3D, um modelo valioso para a pesquisa biológica. Este protocolo descreve imaging espectrometria de massa de culturas de células em 3D, incluindo melhorias na plataforma de preparação de amostras. O objetivo deste protocolo é para instruir os usuários a preparar culturas de células em 3D para análise de imagem espectrometria de massa.
Three dimensional cell cultures are attractive models for biological research. They combine the flexibility and cost-effectiveness of cell culture with some of the spatial and molecular complexity of tissue. For example, many cell lines form 3D structures given appropriate in vitro conditions. Colon cancer cell lines form 3D cell culture spheroids, in vitro mimics of avascular tumor nodules. While immunohistochemistry and other classical imaging methods are popular for monitoring the distribution of specific analytes, mass spectrometric imaging examines the distribution of classes of molecules in an unbiased fashion. While MALDI mass spectrometric imaging was originally developed to interrogate samples obtained from humans or animal models, this report describes the analysis of in vitro three dimensional cell cultures, including improvements in sample preparation strategies. Herein is described methods for growth, harvesting, sectioning, washing, and analysis of 3D cell cultures via matrix-assisted laser desorption/ionization-mass spectrometry (MALDI-MS) imaging. Using colon carcinoma 3D cell cultures as a model system, this protocol demonstrates the ability to monitor analytes in an unbiased fashion across the 3D cell culture system with MALDI-MSI.
Mass spectrometry imaging (MSI) is a powerful technique to examine the distribution of molecular species across samples of interest. Researchers have imaged biological samples from whole animals down to single cells with this technique.1–4 Using MSI hundreds of analytes may be imaged at a single time, rather than single-substrate techniques requiring the development of additional fluorophores for traditional confocal microscopy, or staining for histology.5–7 Additionally, MSI can be used in either a targeted or a discovery-based fashion, making it an attractive approach to look at the overlap between the distribution of chemical species. Presented within are methods for the growth, preparation, and matrix assisted laser desorption ionization/desorption (MALDI) imaging of small samples (~1 mm in diameter) of three-dimensional multicellular cell cultures.8–11
3D cell cultures are of particular interest to the biological community as an intermediary between traditional monolayer culture and in vivo tumors. As the name implies, 3D cell cultures are heterogeneous cellular aggregates that contain many of the chemical gradients in the microenvironment observed in small avascular tumor nodules, making them a more realistic model system to the native tumor environment than monolayer culture.10 Many human cell lines can be grown as 3D cultures, including cell lines derived from colon, breast, ovary, prostate, kidney and lung tissues.10 There are inherent challenges in imaging three dimensional cell cultures as they are smaller than many samples commonly used for mass spectrometry imaging and therefore require careful sample preparation.7 However, the advantages of these tractable model systems include lower cost and faster growth and analysis time compared to animal models. As a result, studies involving three dimensional cell cultures can be higher throughput than traditional animal studies.12–14
All of these advantages have resulted in increasing popularity for three dimensional cell cultures in biological research; there is a corresponding need to develop new analytical strategies to explore both the composition and spatial distribution of molecules in these systems.12,15–21 The goal of this manuscript is to describe the adaptation of mass spectrometry imaging methods and sample preparation to three dimensional cell cultures.
Cultura de Células 1. 3D e Preparação for Imaging
2. Prepare Agarose revestido placas de 96 poços
3. As sementes e tendem a cultura tridimensional
NOTA: Mais ou menos células podem ser semeadas em função das exigências da cultura envolvida, mas determinou-se que estas condições resultam em estruturas 3D de cultura de célula de aproximadamente 1 mm de diâmetro após 10-14 dias de cultura (dados não mostrados) .
4. Colheita das culturas de células em 3D
5. Incorporar culturas de células em 3D no Gelatin
6. Slice e Thaw Mount thGelatina e-incorporado culturas de células em 3D para Mass Spectrometric Imagem
Aplicação 7. Matrix e Preparação de Amostras para MALDI Imagem
8. MALDI-MSI Análise usando um sistema de MALDI-TOF (ie, AUTOFLEX III)
NOTA: Esta seção contém instruções e conselhos para a definição de parâmetros para uma experiência de imagem MALDI-TOF. Dependendo das insfabricante e software utilizado trument, o processo pode variar.
9. Opcional Métodos de Análise de Dados
MSI de imagem tem o potencial de revelar muitos distribuição molecular diferente em culturas de células em 3D. Usando o método descrito acima, a partir de espécies de pequenas moléculas (Figura 1) para proteínas grandes (Figura 2) pode ser rastreado através da cultura. Estes resultados mostram a visualização de um único ião com a ferramenta livre MSiReader. 32 Os resultados podem ser analisados para os iões individuais de interesse através da cultura de células com o software de visualização 3D ou numa região de interesse, ou a totalidade da região digitalizada. Além disso a maioria dos softwares irá visualizar automaticamente íons acima de um certo limite definido pelo usuário, o que pode ajudar os esforços de descoberta. Assim que os mapas individuais de íon são obtidos, a maioria software inclui uma capacidade de sobrepor as imagens para ver a co-localização de íons. Ou em abordagens descoberta ou baseado no de forma orientada, a imagiologia espectrometria de massa é uma ferramenta poderosa para a análise de culturas de células em 3D.
Figura 1. Os resultados representativos de 3D crescimento cultura de células e de corte. Esquerda) de imagem óptica de uma estrutura de cultura de células colorectal intacta HCT-116 3D como visto no dia 14 antes da colheita. Direita) óptico de imagem de uma fatia de aproximadamente equatorial de um colorectal 3D degelo cultura de células montado numa corrediça ITO-revestido para geração de imagens. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Os resultados representativos de molécula pequena MALDI-MSI de uma secção equatorial de uma cultura de células em 3D. Top) espectro de massa médio alcançado com α-CHCA na faixa de baixa massa (pequena molécula). Inferior) Imagens representativas deuma única massa: 327,8 m / z localizada principalmente para o interior da cultura de células e 3D 429,7 m / z localizada principalmente para a borda da cultura de células em 3D. A linha tracejada indica a borda aproximada do esferóide. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. Os resultados representativos de imagem de proteína por MALDI-MSI de um plano equatorial, de uma cultura de células em 3D. Top) os espectros de massa médio conseguido com ácido sinápico em maior (intervalo de proteína) em massa. Inferior) Imagens representativas de uma única massa: 10.871 m / z localizada principalmente para a borda do esferóide, e 12,184 m / z localizada mais para o interior do esferóide. A linha a tracejado indica a borda aproximada do esferóide. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Utilizando os métodos descritos acima, as culturas celulares podem ser cultivadas em 3D e analisados com MALDI-MSI. Muitas linhas de células imortalizadas irá formar estruturas 3D quando cultivadas de forma adequada. 9,10 Cuidados devem ser tomados para cultivar células que não foram passadas muitas vezes, isto é, possuem baixos números de passagem. Em geral, as células com números de passagens de dez e inferior são óptimas para o crescimento de culturas de células em 3D. Crescer as culturas de células em 3D em um apoio tradicional agarose prevê um custo eficaz para grupos de pesquisa interessados em cultura de células em 3D para experimentar este sistema. Este método utiliza alguns componentes não já, na maioria dos laboratórios de cultura de células de mamíferos. Atenção especial deve ser dada para a preparação das placas de agarose para o crescimento, de modo que as culturas de células em 3D são consistentes em tamanho e forma; alguns aspectos que requerem atenção cuidadosa incluem a verificação de que não há bolhas de ar aprisionadas são à mistura e que um menisco adequada é formada na parte inferior de cada well. Se o menisco não forma adequada, as células podem crescer em formas não-esferóides ou em pequenos aglomerados. Além disso, deve-se tomar cuidado para não colocar em PBS a gelatina com os esferóides. Se isso acontecer, remover o PBS a partir do topo da gelatina utilizando uma pipeta de 200 uL. Se o custo não é um factor, placas de fundo redondo de ligação de ultra-baixa estão comercialmente disponíveis e oferecem simplificação destes passos. Embora outros métodos de incorporação de tecido também pode ser dispendioso e de espectrometria de massa não-compatível, gelatina-incorporação tem sido mostrado para ser barata e versátil. Preparação estratégias descritas acima foram optimizados para culturas de células 3D para obter os dados de mais alta qualidade. Embora a incorporação de gelatina e foi mostrada para ser compatível com a análise de espectrometria de massa, este processo faz estreitar as matrizes disponíveis devido à co-cristalização. Uma vez congeladas, as culturas de células em 3D são estáveis durante meses, enquanto eles não são congelar-descongelar. A gelatina torna-se opaco quando congelado, e a célula 3Dculturas são de uma cor semelhante, por isso é aconselhável antes de congelar para documentar a colocação de cultura de células em 3D para auxiliar no corte.
Quando se preparam lâminas, a matriz pode ser aplicada com vários métodos diferentes, mas deve notar-se que algumas matrizes foram encontrados para co-cristalizar com a gelatina, tais como o ácido ferúlico, tornando a amostra inutilizável. Pequenos cristais de matriz produzir espectros de massa mais consistente. Enquanto handspotting é o método mais simples de aplicação da matriz, o maior volume de solvente pode resultar em tamanhos de cristais de maiores dimensões e a migração do analito significativo.
No espectrômetro de massa, os avanços nas tecnologias de MALDI-MSI ter reduzido a expertise necessária para análises começo. Aquisição e análise de dados é simples na maioria dos sistemas, permitindo que até mesmo um novato para obter informações de alta qualidade a partir de lâminas de ITO-revestidos. A seleção cuidadosa dos parâmetros do instrumento, otimizada sobre a não-imagem cultur celular 3D digno nas proximidadeses, é crítico para a obtenção de dados de elevada qualidade. Por exemplo, o aumento do poder do laser pode aumentar a intensidade do pico, mas diminuindo a potência do laser pode melhorar a resolução e dar formas dos picos mais simétricas. Culturas de células em 3D deve ser utilizado rapidamente após o corte para garantir a qualidade da amostra ideal. A degradação de sinal de proteínas pode ser visto em menos de uma semana sem o armazenamento adequado (exsicador / -80 ° C congelador), particularmente na região de massa alta (acima de 20 kDa). Devido à crescente demanda, muitos programas de software de visualização diferentes foram desenvolvidos e são gratuitos para o público de investigação. A maioria dos espectrômetros de massa de imagem tenha instalado o software necessário para visualizar massas individuais com os formatos proprietários utilizados em cada instrumento. Estes programas de software pode ser usado para obter imagens em série única e exportar os dados. A maioria dos softwares também irá permitir que a sobreposição de duas ou mais massas de interesse. Além disso, muitos espectadores diferentes para dados MSI são gratuitos para download, como um MSiReaderd Biomap. 32,33 Os dados de espectrometria de massa obtidos também podem ser processados após a aquisição, com facilidade, trazendo informações mais úteis para a frente.
Da farmacêutica à lipídios às proteínas, o sistema descrito acima permite a aquisição rápida de dados para avaliar a distribuição das moléculas de interesse através de uma estrutura de cultura de células em 3D. As secções em série podem ser tomadas para a imagem de toda a estrutura 3D através da construção de cada imagem 2D de uma fatia da cultura de células em 3D. As técnicas e notas no protocolo vai ser útil para pesquisadores que desejam começar cultura celular tridimensional como uma ponte entre a cultura monocamada e modelos animais. Uma vez dominado, essas técnicas podem ser aplicadas a vários tipos de culturas de células em 3D, tecidos e culturas de células, permitindo que os pesquisadores imagem consoante amostras que escolhem.
This article is part of a special issue on Multimodal Pre-Clinical Imaging, sponsored by Bruker Biospin. The MALDI-TOF system used to obtain the representative results is a Bruker AutoFlex III.
This work was supported by the Walther Cancer Foundation under the Advancing Basic Cancer Research program to the Harper Cancer Research Institute of the University of Notre Dame (DARW) and the 2011 Starter Grant from the Society for Analytical Chemists of Pittsburgh (ABH). Thanks also to the staff of the Mass Spectrometry and Proteomics Facility for useful discussions.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
HCT116 Cell line | ATCC | ATCC CCL-247 | Potential hazard, handle with care |
McCoy's 5A media | Gibco | 16600-108 | |
Fetal Bovine serum | HyClone | SH30071.03 | |
0.25% Trypsin-EDTA solution | Gibco | 25200-056 | |
Agarose | Sigma-Aldrich | A9539 | |
Phosphate Buffered Saline | Gibco | 10010049 | |
Gelatin, unflavored | Knox | Available at most grocery stores in single-packets | |
ITO-coated glass slides | Delta Technologies, Limited | CG-90IN-S115 | |
α-Cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA) | Sigma-Aldrich | C8982 | |
Sinapic Acid | Sigma-Aldrich | 85429 | |
0.3 mm Gravity Feed Dual-Action Airbrush Paint Spray Gun Kit Set | RoyalMax Airbrush | Many options available on sites such as Amazon.com |
Solicitar permissão para reutilizar o texto ou figuras deste artigo JoVE
Solicitar PermissãoThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Todos os direitos reservados