Application Note ハイコンテントイメージングによる
ミトコンドリアの動態と表現型のモニタリング

はじめに

Oksana Sirenko, PhD ｜上級研究員｜モレキュラーデバイス
Jayne Hesley ｜シニア・アプリケーション・サイエンティスト｜モレキュラーデバイス

ミトコンドリアは細胞の主要なエネルギー源であり、細胞の代謝を調節する上で重要な役割を果たしています。ミトコンドリアは環境条件や細胞の要求に応じてその構造を変えることができます。ミトコンドリアの動的な性質は、分裂、融合、マイトファジー、生合成など、ミトコンドリアの形態を制御するいくつかのプロセスによって駆動されます。

分裂は、円形でサイズが小さいミトコンドリアを大量に作り出します。融合は、細長い形状でサイズが大きい、より少量のミトコンドリアを作り出します。ミトコンドリアの分裂と融合という相反する過程は、いずれもミトコンドリアの品質管理と正常な細胞恒常性の維持に関わっています *2, *3。分裂と融合の両方が、正常な細胞機能にとって重要です。

ミトファジーは損傷したミトコンドリアを除去するプロセスであり、正常なミトコンドリアのリサイクルの重要な構成要素です *3。損傷または老化したミトコンドリアは、非対称分裂を起こします。健康な成分は新しいミトコンドリアに送られますが、損傷した成分はより小さな成分に分離され、偏光解消された後、マイトファジーによって速やかに除去されます *4。生合成とは、新しいミトコンドリア構成成分の合成をもたらすプロセスです。

ミトコンドリア動態の病理学的変化は、生体エネルギーの障害やミトコンドリアを介した細胞死を引き起こす可能性があり、虚血性心筋症、糖尿病、肺高血圧症、パーキンソン病やハンチントン病、骨格筋萎縮、アルツハイマー病など、幅広い病態に関連しています *1, *5。神経細胞は、解糖能が限られており、エネルギー使用量が多いため、ミトコンドリア機能の変化に対して特に敏感です *6。ミトコンドリアの体積分画が最も多い心筋細胞もまた、ミトコンドリアの動態変化に対して特異的に敏感です *7, *8。ミトコンドリア動態の変化は、多くの癌においても役割を果たしており、融合はアポトーシスシグナリングに対する細胞の感受性を低下させ、好気的解糖を誘導し（ワールブルグ効果）、アポトーシス細胞死を減少させることによって癌細胞の増殖を促進する可能性があります *9。

ミトコンドリア動態の変化は、ストレスに対する正常な生理的反応である可能性があります。運動中の骨格筋における研究から、エネルギーの恒常性維持におけるミトコンドリアのフラグメントの役割が示唆されています。回復時には融合が活性化され、慢性的な運動ではミトコンドリアの生合成が活性化されます *10。

ミトコンドリア構造のリモデリングを研究するために、ハイコンテントイメージングを用いることへの関心が高まっています。共焦点イメージングと水浸対物レンズは、画質を向上させ、ミトコンドリア構造をよりよく可視化することができる一方、画像解析のツールを利用することで、さまざまな表現型の数値的特徴を得ることができます。本研究では、細胞ベースアッセイにおけるミトコンドリアダイナミクスの研究に使用できる、ミトコンドリアの表現型と構造再配列の表現型アッセイについて述べます。

材料

ヒト神経芽細胞腫PC12細胞はATCCから入手しました。Hoechst 33342およびMitoTracker Orange CMTMRosはThermo Fisher社から購入しました。化合物はSigma社から購入しました。

方法

ヒト神経芽細胞腫PC12細胞をGreiner社製384ウェルプレートに1ウェルあたり3,000細胞の密度でプレーティングしました。翌日、ミトコンドリアに作用することが知られているいくつかのベンチマーク化合物、クロロキン（0～100μM）、ロテノン（0～10μM）、バリノマイシン（0～1μM）、メチル水銀（0～10μM）で18時間処理しました。各化合物は、7つの異なる濃度、Half-log希釈で、n=8のサンプルサイズの4重反復でテストしました。処理後、生細胞をミトコンドリア色素Mitotracker Orange CMTMRosと核色素Hoechst 33342の組み合わせ（それぞれ0.2μMと0.5μM）で30分間染色し、ImageXpress® Micro Confocalシステム（モレキュラーデバイス）でイメージングしました。生細胞の画像は、共焦点モードと40X水浸対物レンズを用いて撮影しました。各ウェルについて3～4部位を撮像しました。アッセイ性能を向上させるため、0.6～1μm間隔で3～4面のZ-stack画像を取得しました。核はDAPIチャンネルで、ミトコンドリアはTRITCチャンネルで、それぞれ100msおよび400msの露光でイメージングしました。画像解析はMetaXpress®ハイコンテント画像取得・解析ソフトウェアのカスタムモジュールエディターを用いて行いました。詳細は結果セクションで詳述します。簡単に説明すると、Find Fibersモジュールは細長いミトコンドリアを識別するために、Granularityモジュールはより真円度の高い粒子を識別するために使用しました。細胞ごとの対物レンズをカウントするために、細胞境界をアウトライン化しました。二次解析は、ExcelまたはSoftMax® Proソフトウェアのcurve fitting toolsを使用して行いました。Z'値は、Z'=1-3*(STDEVcontrol+ STDEVexperiment)/(AVEcontrol- AVEexperiment)の式で計算しました。

結果

ミトコンドリアの完全性と形状を明らかにすることは、疾患のメカニズムを理解し、毒性を評価する上で重要です。ミトコンドリアの数、輝度、大きさ、長さおよび形状は、ミトコンドリアがリサイクルされる過程で変化し、細胞の健康状態や代謝の変化を示すか、あるいはアポトーシスの過程に先行する可能性があります。私達は、対照PC12神経芽腫細胞のミトコンドリアの表現型を、ミトコンドリアのリサイクルを阻害するクロロキン、酸化的リン酸化の阻害剤であるロテノン、ミトコンドリアの膜電位を破壊するカリウムイオノフォアであるバリノマイシンなど、ミトコンドリアに影響を与えることが知られている化合物による変化と比較しました。細胞を様々な濃度の化合物で4回に分けて18時間処理しました。MitoTracker OrangeとHoechst核色素で染色した細胞のイメージングを、40倍の水浸対物レンズを用いて共焦点モードで撮影した結果、個々のミトコンドリアを分離し、ミトコンドリアの形状の変化をモニターすることができました。

図1および図2は、ミトコンドリア、コントロールサンプル、および化合物で処理したサンプルの画像です。例えば、図2に示したミトコンドリアの表現型の変化に注目してください。コントロール細胞ではミトコンドリアファイバーが長く伸びているが、バリノマイシンによる処理ではミトコンドリアの断片化と分裂が起こり、ミトコンドリアが小さな点として観察されました。ロテノンで処理すると、ミトコンドリアはフラグメント化し、核の周りに凝縮しました。重要なことは、バリノマイシンとロテノンの両方が、ミトコンドリアの蛍光強度の減少に反映されるミトコンドリア電位の喪失を引き起こしたことです（図2）。クロロキンの影響は目視観察では明らかではなかったですが、画像解析測定の結果、形態の明らかな変化が認められました（下記参照）。化合物効果の濃度依存性が観察されました（図2）。形態学的変化は低濃度の化合物ではっきりと観察されました。より高濃度の化合物は、ミトコンドリア電位の喪失、ミトコンドリアの破壊、進行性の細胞死を引き起こしました。

このモジュールには以下のステップが含まれます：

1. 粒度モジュール、ミトコンドリア粒子を検出
2. Top Hatフィルターによるミトコンドリア画像の前処理
3. ミトコンドリア粒子とその分裂・融合を検出するFind Fibersモジュール
4. 細胞体を識別するための簡単な閾値

各対物レンズの測定値は、カスタムモジュールの最終ステップで定義されるように、各画像内のオブジェクトの総数を決定するため、または各細胞ごとに決定するために適用することができます。関連する測定値は仕様に依存します。最も興味深い測定は以下の通りです：

1. 核数（細胞数）
2. 核の平均面積/平均強度
3. 顆粒総数（部位ごと）
4. セル：顆粒（細胞あたり）
5. 顆粒面積（平均）、顆粒面積（合計）、顆粒強度Aveまたは統合強度（平均）
6. 総繊維（画像あたり）
7. 細胞： 繊維（細胞あたり）
8. 繊維長（平均）、繊維長（合計）、繊維強度（平均）

***表1
EC₅₀値は図3に示す曲線から定量しました。

形態測定は、MetaXpress® ソフトウェアのツールを使用して導き出しました。私達は、"顆粒 "または "繊維 "として定義できる対物レンズの発見と特徴付けを可能にするカスタムモジュールエディターを利用しました。顆粒はGranularityモジュールによって定義され、繊維状の構造（セグメント）はFind Fibersモジュールによって決定されます。構造は、最小幅や最大幅、局所的な背景に対する強度など、ユーザー定義の基準によって決定されます。画像の前処理（鮮明化）は、繊維をより明確にするためのオプションのステップとして使用されました（図1）。対物レンズの数、面積、強度、長さ、および形状は、各対物に対して定義することができ、細胞ごと、または画像ごとに、平均値または合計値として表示することができます（図2）。これらの測定値は、ミトコンドリアの構造ダイナミクスを特徴付けるための数や表現型を記述することができ（図4）、また様々な化合物の用量反応や有効濃度を計算することができます（図3）。具体的には、ミトコンドリアに対して毒性を示すことが知られている薬剤で処理すると、ミトコンドリアの電位が低下するだけでなく（顆粒と繊維の両方のミトコンドリア粒子の数と強度の低下として検出）、全繊維長と平均繊維長も変化し、特にバリノマイシンによる処理で顕著ででした（図4）。対照的に、ミトコンドリアのリサイクルを阻害するクロロキンによる処理では、ミトコンドリアが蓄積し、したがって線維の数が増加しました。

***表2．
対照試料と化合物処理試料の異なる測定値の比較。データはコントロール試料、10 µMのクロロキン、300 nMのロテノン、10 nMのバリノマイシンのものです。

表2は、対照試料と化合物処理試料の異なる測定値の比較を示します。データは単一（中間）濃度の化合物：20μMのクロロキン、300nMのロテノン、100nMのバリノマイシンについて示しました。ミトコンドリア線維の数と長さは、ロテノンとバリノマイシンで処理した後、用量依存的に顕著な減少が観察されたが、クロロキンは逆の効果を引き起こしました。粒度分析によって決定された顆粒の数と面積もまた、バリノマイシンとロテノンによって減少しました。この方法は様々な測定値を導き出すことができ、このマルチパラメトリックアプローチは、複雑な生物学的変化の複数の側面に対するシグナル伝達経路の効果や化合物の効果を定義するために用いることができます。

***表3．
水浸対物レンズは、空気対物レンズと比較して、画像の質を改善し、より高いZ値で粒子数をより正確に同定する結果となりました。

アッセイ開発中、水浸対物レンズと空気対物レンズの画質と分析への影響を比較しました。注目すべきは、水浸対物レンズを使用すると画像の質が向上し、一般的にZ'値が増加したことです（表3）。本分析は繊維と顆粒を区別しないので、繊維と顆粒の値は推奨プロトコルを用いて別々にカウントしました。使用したカスタムモジュールの説明を図5に示します。このモジュールは、特異性のある細胞タイプや疾患モデルに合わせて調整したり、さらに変更もできます。

結論

ハイコンテントイメージングと高度な画像解析を用いたミトコンドリア動態解析法について述べました。提案した方法は、ミトコンドリアの表現型変化の定量化を可能にし、疾患表現型や化合物効果を特徴付けるための正常および病理学的構造変化の研究に用いることができます。自動化されたイメージング法は、様々な細胞イメージングモデルにおける薬剤開発や化合物の毒性評価に応用できます。

参考文献

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