本方案介绍了高通量测量HaCaT角质形成细胞迁移能力的方法,包括细胞核图像的采集与处理,以及利用ImageJ插件TrackMate进行颗粒追踪的技术。
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本方案介绍了高通量测量HaCaT角质形成细胞迁移能力的方法,包括细胞核图像的采集与处理,以及利用ImageJ插件TrackMate进行颗粒追踪的技术。
集体细胞迁移在包括发育、伤口愈合和癌症转移在内的许多基本生物学过程中发挥着关键作用。为了理解细胞运动性的调控机制,我们必须能够在不同条件下对其运动性进行简便且一致的测量。本文描述了一种利用细胞核染色标记来测量和量化HaCaT角质形成细胞单细胞及群体运动性的方法。该方法包含一个MATLAB脚本,用于分析TrackMate输出文件,以计算单个细胞以及整个成像区域中细胞的位移、运动速率和轨迹角度。该运动性分析脚本可对来自TrackMate数据的细胞运动速率进行快速、直接且可扩展的分析,可用于广泛识别和研究上皮细胞中运动性的调控机制。我们还提供了一个MATLAB脚本,用于重组显微镜采集的显微视频,并将其转换为TIF图像堆栈,以便使用ImageJ的TrackMate插件进行批量分析。通过应用该方法探究黏附连接和肌动蛋白细胞骨架动态在调控HaCaT角质形成细胞运动性中的作用,我们证明了Arp2/3活性是HaCaT角质形成细胞中α-连环蛋白缺失后运动性升高的必要条件。
上皮细胞中细胞运动性的精确且响应性的调控对于伤口愈合以及上皮层的更新至关重要。运动性维持失败可能导致胚胎发育和伤口愈合出现问题1,而运动性信号过度激活则是癌症转移的关键因素之一2。
了解HaCaT角质形成细胞对运动性的细胞调控可为这些过程提供重要见解。本文所述方案可在单细胞或群体水平上对细胞运动性的平均幅度进行一致的测量和计算。我们已采用该方法,在对HaCaT角质形成细胞进行基因扰动或小分子抑制剂处理后,测量其运动性,以理解调控运动速率的细胞信号通路。所提供的MATLAB脚本可测量每个细胞的平均速度和平均运动方向。
集体细胞运动在发育过程和癌症转移中的上皮-间质转化均起着关键作用3。细胞通过黏附、极化、突出和回缩的协调作用实现运动能力4。这些过程高度依赖于动态肌动蛋白细胞骨架的协调调控。PI3K或多种受体酪氨酸激酶下游的Rac1 GTP酶激活可使细胞极化,从而引发肌动蛋白聚合5。肌动蛋白细胞骨架的动态变化受该通路及其他Rho介导的GTP酶调控,后者由多种生长因子的下游信号激活。这些Rho介导的GTP酶进一步激活Arp2/3复合物,促进肌动蛋白分支形成6。肌动蛋白细胞骨架的动态变化还与运动性的另一关键调控因子——细胞间连接结构密切相关。我们尤其关注介导细胞间强黏附的黏附连接如何与肌动蛋白细胞骨架协同作用,以维持组织完整性7。
我们先前已证明,表达shRNA介导的α-catenin敲低的HaCaT角质形成细胞比表达非靶向shRNA对照的细胞具有更高的运动速率8。我们希望利用所开发的运动性分析工具,进一步理解α-catenin缺失后运动性升高的机制。α-Catenin是黏附连接所必需的胞质组分9。它通过与β-catenin相互作用参与黏附连接的形成,并以单体形式与β-catenin结合10,11。然而,α-catenin也可从黏附连接上解离,形成同源二聚体,进而结合并交联肌动蛋白丝,从而抑制Arp2/3的活性10,11。尽管α-catenin在与β-catenin结合时不能直接与肌动蛋白相互作用,但它仍可通过结合连环蛋白(vinculin)来促进或增强黏附连接与细胞骨架之间的协调,而连环蛋白可稳定肌动蛋白丝12。
尽管 ImageJ 的 TrackMate 插件是一种成熟的颗粒追踪方法,可用于追踪细胞核,但我们发现,目前尚缺乏集成化的工具来解析、分析和整合 TrackMate 的输出结果,以计算多个成像位点的细胞运动性,且现有工具对于不具备多种编程语言专业知识的用户而言使用难度较大。Tinevez 和 Herbert 提供了 TrackMate 使用的入门指南,但其均方位移分析部分需要较强的 MATLAB 技能13。现有的从延时显微镜视频中提取运动速率的方法虽然可提供更复杂的三维分析,但对编程技能的要求更高14,15。Pathfinder 是我们实验室先前开发的一种细胞追踪与运动性分析软件,可测量细胞迁移速度和方向,但仅能在 Windows 系统上运行,且需要特定版本的 Java 运行环境16。鉴于 TrackMate 是一种可靠且文档齐全的工具,我们开发了一种基于 MATLAB 的简便方法,用于生成、分析和组织大规模二维 TrackMate 数据集。我们的脚本还可去除在追踪细胞移出成像区域后 TrackMate 输出中偶尔出现的重复整数数据点,从而在分析中纳入高运动性或强方向性的细胞,同时排除这些虚假数据点的干扰。此外,我们还提供了一个脚本,用于将 ImageXpress Micro XL 采集的图像重新组织为 TIFF 图像栈,以便在 TrackMate 中批量分析。
在本实验方案中,将细胞接种于96孔成像板中。待细胞有足够时间贴附至孔板底部后,使用Hoechst核染料以及任何需要研究其对细胞运动性影响的小分子对细胞进行处理。随后,在五小时或更长时间内连续采集细胞核的图像,之后使用MATLAB将图像序列处理为扣除背景的TIFF图像堆栈。利用ImageJ的TrackMate插件分析这些TIFF堆栈,该插件可对每个时间点的单个细胞进行定位并实现跨时间点的追踪17。在获取所有成像位点的细胞运动轨迹后,我们使用自定义的MATLAB脚本剔除细胞离开成像视野后产生的虚假数据点,并计算每个成像位点的平均运动速率。该脚本仅分析被追踪时间达到用户设定最小时间点数的细胞,并允许用户根据细胞移动的总距离和/或方向对细胞进行筛选。最终获得每个细胞的平均位移、平均运动方向、总位移和总运动方向,并据此计算每个成像位点内所有细胞这些参数的总体平均值。本方案可批量应用于大规模成像实验,适用于相对高通量的细胞运动性分析(图1)。
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1. 细胞培养与成像板制备
2. 成像
3. 图像处理
4. 细胞示踪
注意:可使用 Tinevez 等人17 提供的 Run_TrackMate_Headless.groovy 脚本的稍作修改版本,在指定目录中对所有 TIFF 图像序列批量运行 TrackMate,也可对每个 TIFF 图像序列手动单独执行。我们在使用 Groovy 脚本对全部 TIFF 图像序列进行分析前,会先手动在 FIJI 中对少量样本 TIFF 图像序列进行处理,以确保所选参数的准确性。
5. 运动速率的定量分析
注意:使用提供的自定义 MATLAB 脚本 "TrackMateAnalysis.m" 来剔除失败的轨迹,并对所有 TrackMate 输出文件进行运动性量化。该脚本会剔除移出视野范围的轨迹(其位置轨迹默认为整数)以及追踪时间点少于指定数量的轨迹。输出结果为每个成像位点中单个细胞及所有细胞在每个时间点的平均位移。(示例输出文件:'Output.mat')
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为了确保我们的分析脚本具有可靠性和一致性,我们在三个独立的实验中测量了HaCaT角质形成细胞的运动能力。我们发现,尽管不同实验之间细胞运动能力的标准差存在差异(可能由于HaCaT细胞对汇合度和机械刺激较为敏感),但平均运动能力在多次实验中均保持一致,且根据双尾学生t检验,各重复实验之间的差异无统计学意义(图2)。
由于Arp2/3复合物在介导肌动蛋白动态变化中的作用,已知α-连环蛋白对Arp2/3复合物具有抑制作用,以及我们先前观察到α-连环蛋白缺失会导致细胞运动性增强3,因此我们探究了使用小分子抑制剂CK-666抑制Arp2/3复合物是否能够消除α-连环蛋白缺失所引起的运动性增强。两种稳定表达shRNA的HaCaT角质形成细胞系——一种为靶向α-连环蛋白的shRNA敲低细胞系,另一种为非靶向shRNA对照细胞系——这些细胞系的构建与验证如前所述8,被接种于96孔成像板上。
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上述方法与分析工具提供了一种简单且可扩展的方法,用于测量和量化 HaCaT 角质形成细胞的运动能力,该方法使用 MATLAB,且仅需极少的编程经验。本实验方案要求对细胞核进行染色,并在至少 5 小时内进行连续成像。虽然数据采集可在任何合适的显微镜上完成,但本方案提供了一个脚本,用于将 ImageXpress Micro XL 显微镜采集的图像处理为每个成像位点的 TIFF 图像序列,该序列显示了所有时间点上细胞核位置的时间推移变化。在将这些 TIFF 图像序列通过 ImageJ 的 TrackMate 插件处理后,本方案可将输出的轨迹整合为一个单一的 MATLAB cell 结构,其中包含每个成像位点及单个细胞的平均运动能力、标准差和轨迹数据。
尽管已有其他细胞运动性分析工具,但本方法利用 MATLAB 以一种直接且可扩展的方式,对通过 ImageJ TrackMate 插件追踪的细胞进行运动速率分析。该图像分析流程在计算上效率较高,可在搭载 Windows 或 iOS 操作系统的个人计算机上运行;虽然所提供的脚本是为 iOS 机器编写的,但只要将路径名中的正斜杠替换为反斜杠,即可...
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X.L. 和科罗拉多大学博尔德分校对HDAC抑制剂的治疗用途开发具有经济利益,并持有OnKure公司的股权。X.L. 是OnKure公司的联合创始人及董事会成员,该公司已从科罗拉多大学博尔德分校获得专有HDAC抑制剂的许可。OnKure公司未参与本研究的实验设计,也未提供资金支持。
感谢 Daniel Messenger、Lewis Baker、Douglas Chapnick、Adrian Ramirez、Quanbin Xu 以及 Liu 和 Bortz 实验室的其他成员提供的见解和建议。感谢 Jian Tay 分享其 MATLAB 专业知识并编写了用于 XML 导入的函数。感谢 BioFrontiers 先进光学显微镜核心设施的 Joseph Dragavon 提供的显微镜与成像技术支持。感谢细胞培养核心设施的 Theresa Nahreini 和 Nicole Kethley 提供的细胞培养支持。本研究工作由美国国立卫生研究院下属的国家癌症研究所和国家关节炎与肌肉骨骼及皮肤病研究所资助(项目编号 R01AR068254)支持 X. L. 的研究,以及由国家普通医学科学研究所(NIGMS)资助(项目编号 R01GM126559)支持 D.B. 和 X. L. 的研究。G.E.W. 和 E.N.B. 的研究得到了 NIGMS 资助的博士前培训项目(T32GM08759)的支持。ImageXpress Micro XL 显微镜系统由国家研究资源中心(S10 RR026680)资助。FACSAria 流式细胞分选仪由美国国立卫生研究院(S10OD021601)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 96孔平底透明黑色聚苯乙烯TC处理微孔板,单独包装,带盖,无菌 | Corning | 3603 | |
| 杜尔贝科改良伊格尔培养基(高D-葡萄糖) | Life Technologies Corporation/Thermo Fisher Scientific | 12800-082 | |
| 胎牛血清 | Sigma-Aldrich Inc | F0926 | |
| Fluorobrite杜尔贝科改良伊格尔培养基(高D-葡萄糖,3.7 g/L碳酸氢钠,不含L-谷氨酰胺,不含酚红) | Gibco/Thermo Fisher Scientific | A18967-01 | |
| GlutaminePlus | R&D Systems Inc. | R90210 | |
| Hoechst 33342,三盐酸盐三水合物 | Invitrogen/Thermo Fisher Scientific | H21492 | |
| 青霉素-链霉素 | Life Technologies Corporation/Thermo Fisher Scientific | 15140-122 | |
| 磷酸盐缓冲液 | Gibco/Thermo Fisher Scientific | 14190-144 |
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