Karel Souček & Radek Fedr Biofyzikální ústav AV ČR, Masarykova Univerzita, FNUSA-ICRC Průtoková cytometrie a sorting Tyto částice mají něco společného … • •Algae •Chromosomes •Blood cells •Protozoa •… určité parametry těchto částic mohou být měřeny pomocí průtokové cytometrie. bd_logo cell signaling cyflowsl Komerční zařízení a vývoj Accuri C6 Flow Cytometer facsariaII_overview influx_image bd_lsr_cell_analyzer lsrii_product facscanto_overview facscalibur_overview image2 CYAN • http://www.bioscience.co.uk/userfiles/images/Moxi_Flow_Smaller.png http://www.photonics.com/images2/Website/2011/2011-07/IMS+BIO-FlowCytometry.jpg Cytometry Publications/Year •Data taken from entrez_pubmed Co je průtokový cytometr? http://regmed.musc.edu/flowcytometry/images/InterrogationPoint.jpg Signal processing • • •time •FSC ~ cell size •FL-1 (530/30nm) ~ green fluo. •FL-2 (585/42nm) ~ red fluo. •Analog/digital •conversion •Height •Width •Area ( ∫ ) •FL- (H, W, A) • • •FL-2 (H) • • • • •dot plot •0 •1000 •1000 •Zesílení signálu (!) •lin nebo log •K. Souček Bi9393 Analytická cytometrie Co můžeme analyzovat pomocí průtokové cytometrie? * Počítat částice v suspenzi * Oddělit živé částice od neživých * Hodnotit 10*5 až 10*6 částic za méně než 1 minutu * Kvantifikovat rozptyl světla, a intenzitu fluorescence pro jednotlivé buňky (částice) * Fyzicky separovat jednotlivé částice (populace) pro další analýzu •Upraveno podle J.P. Robinson Purdue University BMS 631 new automatic cell cloning assay (ACCA) for determination of clonogenic capacity of CSCs •single cell/well •up to 384 well plate •re-culture after sorting (2D, 3D) •analysis: CyQuant, ATP, xCelligence, microscopy •Jaké jsou principy? nRozptyl světla (Light scatter) pomocí laseru nebo UV lampy nDetekce specifické flurescence nHydrodynamicky zaostřený proud částic nElektrostatická separace částic nMožnost multivariační analýzy dat •Upraveno podle J.P. Robinson Purdue University BMS 631 Stain Your Own Cell Life Technologies Logo Historie barvení biologických materiálů •Až do poloviny 19. století – byly používány pouze přírodní barviva •Anton van Leeuwenhoek použil v roce 1719 šafrán na obarvení svalových buněk • •www.euronet.nl/users/warnar/leeuwenhoek.html Rozptyl světla * Hmota rozptyluje světlo vlnových délek které není schopna absorbovat * Viditelné spektrum je 350-850 nm proto malé částice a molekuly (< 1/10 l) spíše viditelné světlo rozptylují * Pro malé částice byl popsán tzv. Rayleightův rozptyl (scatter) jehož intenzita je ~ stejná všemi směry * Rozptyl větších částic charakterizuje tzv. Mieův rozptyl. Jeho množství je větší ve směru v jakém dopadá světlo na ozářenou částici ð na tomto principu je založeno měření velikosti částic pomocí průtokového cytometru • * •Shapiro p.106 mie •http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/blusky.html •George Gabriel Stokes (1819 – 1903) •Anglický fyzik a matematik •působící na univerzitě v Cambridge • •http://www.nndb.com/people/131/000097837/ •1852 – popsal fluorescenci •Název vznikl z anglického slova fluospar (fluorit, kazivec = nerost CaF2) •- ke svému pozorování použil roztok chininu, jako zdroj světla sluneční paprsky, jako excitační filtr sloužilo tmavě modré okenní sklo a jako emisní filtr byla použita sklenice bílého vína •G. C. Stokes „On the Change of Refrangibility of Light“ Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1852, vol. 142, p. 463.) Stokes fluorit4 •K. Souček Bi9393 Analytická cytometrie •Fluorescenční spektra • •Fluorescenční proces je cyklický. •Kromě fluorochromu nevratně zničeného (photobleaching - „vysvícení“) může být opakovaně excitován. •Excitation of a fluorophore at three different wavelengths (EX 1, EX 2, EX 3) does not change the emission profile but does produce variations in fluorescenceemission intensity (EM 1, EM 2, EM 3) that correspond to the amplitude of the excitation spectrum. •K. Souček Bi9393 Analytická cytometrie •Detekce fluorescence • •Vybavení pro fluorescenci •(1) zdroj excitace •(2) fluorochrom •(3) vlnové filtry pro izolaci emitovaných fotonů od excitovaných •(4) detektory pro registraci emitovaných fotonů • •Fluorescenční přístroje •- spektrofluorometer měří průměrné vlastnosti objemu vzorku v kyvetě. •- fluorescenční mikroskop popisuje fluorescenci jako jev v prostorovém systému souřadnic •- flow cytometer měří fluorescenci v proudícím toku, umožňuje detekovat a kvantivikovat subpopulace uvnitř velkého vzorku • •Fluorescenční signál •- spektrofluorometer je flexibilní, umožňuje měřit •v kontinuálním spektru excitačních a emisních •vlnových délek •- flow cytometr potřebuje fluorescenční značky •excitovatelné •určitou vlnovou délkou. • •Fluorescence pozadí •- endogení složky - autofluorescence •- nenávazané nebo nespecificky vázané značky •= reagenční pozadí • • •Vícebarevné značení •- dvě a více značek, zároveň monitoruje různé funkce •- nutné: vhodně zvolit značky zdroj excitace a separační filtry •K. Souček Bi9393 Analytická cytometrie •Fluorescence Output of Fluorophores •Comparing Different Dyes •F-actin ~ •BODIPY FL phallacidin •anti-ß tubulin ~ •Texas Red •goat anti–mouse IgG •DNA ~ •DAPI •Mouse 3T3 •l Hind III •propidium iodide •K. Souček Bi9393 Analytická cytometrie •Technické součásti nZdroje světla nDetekční systémy nFluidní systém nSeparace nSběr dat nAnalýza dat •J.P. Robinson Purdue University BMS 631 Wallace Coulter * * Wallace Coulter - Coulter orifice - 1956 - * (patent 1953) – měření změny vodivosti během průchodu buněk v suspenzi malým otvorem •Originální patentová aplikace W.Coultera 1953 •Photo by J.Paul Robinson • •J.P. Robinson Purdue University BMS 631 • Jak počítat buňky? * Hemocytometer (Bürkerova komůrka) byla standardem pro počítání buněk do ~ 1950 * Rozměry jsou 3x3x0.1 mm. Obvykle jsou červené krvinky (1 x 106/mm3 )počítány po naředění 1:200 * Leukocyty (5x103/mm3) jsou ředěny 1:10 v roztoku lyzujícím červené krvinky * Statistická chyba: * koeficient variance (CV) je při 500 spočítaných buňkách 4.4% * chyba pipetování a ředění je ~ 10% •Upraveno podle J.P. Robinson Purdue University BMS 631 Roche Innovatis Cedex Coulter Counter DSC03890 DSC03891 •První komerční verze CC Coulter Counter Untitled-7 •© CC Beckman Coulter * Multisizer™ 3&4 COULTER COUNTER® Roche Innovatis CASY TT DSC03898 • Cytograph. Stolní přístroj schopný měřit rozptyl světla He-Ne laseru (1970). •Technické součásti nDetekční systémy • Fotonásobiče (Photomultiplier Tubes (PMTs)) • dříve 1-2 • nyní 4-8 (12-18) • Diody • detekce rozptylu světla (light scatters) nZdroje světla • Lasery (350-363, 420, 457, 488, 514, 532, 600, 633 nm) • Argon ion, Krypton ion, HeNe, HeCd, Yag • UV (Arc) Lampy • Mercury, Mercury-Xenon • •J.P. Robinson Purdue University BMS 631 Mack Fulwyler- sorter • Mack Fulwyler - sorter 1965 - Los Alamos National Labs – jeho sorter separoval částice na základě elektronicky měřeného objemu (stejný princip jako Coulter counter) a separoval pomocí elektrostatického vychýlení. • Cílem bylo sortrovat červené krvinky,protože u nich byla naměřena bimodální distribuce buněčného objemu. Princip separace byl založen na principu inkoustové tiskárny Richarda Sweeta ze Stanfordu (1965) * •Po té co bylo objasněno, že bimodalita červených krvinek je artefakt byla tato skupina schopna separovat neutrofily a lymfocyty z krve. •J.P. Robinson Purdue University BMS 631 Untitled-6 • • • • Richard Sweet • Richard Sweet vyvinul elektrostatickou inkoustovou tiskárnu jejíž princip využil Mack Fulwyler pro svůj buněčný sorter. •J.P. Robinson Purdue University BMS 631 DSC03894 •Mack Fulwyler- sorter Mack Fulwyler- sorter DSC03895 •K. Souček • • •K čemu to všechno je… například… Zackary http://app2.iris.usm.maine.edu/gulfofmaine-censusdev/wp-content/images/Technology/FlowCytobotFigure 02.jpg K čemu to všechno je… například… n n n43 miliónů lidí na světě je infikováno virem HIV (WHO) nročně zemře ~ 2 miliónu lidí na HIV/AIDS (v Africe je ~ 11 miliónu AIDS sirotků) n kvantifikace CD4 T lymfocytů je klíčový parametr při monitorování léčby nPrůtoková cytometrie je „zlatý standard“ nOptimalizované postupy a zařízení pro levné (< 3 EUR / vzorek) a rychlé detekce (250 vzorků / den) nAydogan Ozcan: „Kill the cost, safe live“ n n CyFlow® miniPOC http://www.bu.edu/flow-cytometry/files/2010/09/Picture11.png http://www.abcam.com/ps/CMS/Images/Intracellular%20flow%20cytometry%20summary.jpg http://www.humanarray.com/wp-content/uploads/2012/03/LifeTech-Applied-Bio-Attune-6.jpg Life Technologies Logo Způsoby pro zobrazení dat 4Color TBNK + TruC02 4Color TBNK + TruC02 4Color TBNK + TruC02 4Color TBNK + TruC02 •K. Souček Bi9393 Analytická cytometrie • • • Vícebarevné analýzy generují mnoho dat… •1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 •3 color •4 color •5 color •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ •Log Fluorescence •QUADSTATS •++ •-- •+- •-+ Mad Scientist Cartoon •upraveno podle J.P.Robinson http://www.chromocyte.com/Library/ResizedImages/445/522/Batch_Analysis.png Cell tracking and proliferation d:\powerpoint\figures\chapter17\1701.jpg figure 8-03a figure 8-03b Approaches * Cell cycle analysis * DNA synthesis analysis * Cell tracking Buněčný cyklus [USEMAP] d:\powerpoint\figures\chapter18\1801.jpg d:\powerpoint\figures\chapter17\1716.jpg d:\powerpoint\figures\chapter17\1708.jpg http://i.imgur.com/iq9cbSw.jpg • •One of the oldes application of flow cytometry, analysis of the cells in cell cycle phases based on the quantification of DNA •flow cytometry is convenient method for quick and relatively precise determination of cell cycle •DNA is simply labeled using fluorescent dye specific for DNA •Propidium iodide •4′,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) - fluorescence increases after binding to DNA. Membranes have to be permeabilized. •Hoechst 33342 •Vybrant® DyeCycle™ •DRAQ5 •Quaternary benzo[c]phenanthridine alkaloids (QBAs) I. Slaninova, J. Slanina and E. Taborska, "Quaternary benzo[c]phenanthridine alkaloids--novel cell permeant and red fluorescing DNA probes," Cytometry A, vol. 71, no. 9, pp. 700-708, 2007. - labeling of live cells (possible cytotoxicity) Cell cycle analysis • • • G2 M G0 G1 s •0 • 200 • 400 • 600 • 800 •1000 G0 G1 s G2 M DNA Analysis •DNA content •Count 2N 4N •Normal Cell Cycle •Purdue University Cytometry Laboratories - propidium iodide - DAPI - Hoechst 33342 - 7-AAD Cell cycle histogram: how to analyze? * It is not recommended to statistically analyze it using simple gating in the histogram * It is necessary to use software tolls for modeling of distribution of cell cycle phases http://www.denovosoftware.com/images/basicDnaPlot.png http://www.denovosoftware.com/assets/images/content/webinar_Flow_Ruo_logo_Thumb.png https://lh4.googleusercontent.com/2kpekjne9bxvZF0UTC6QQszo-zdRB4hRcM1gOEFr2HKWczwpVaQyPTzQO4kPXwLDA -6auqRYnyVYW8EnTLI9ssPDIUD-Cye4AGZaCFL77oq-ln7zAP346Ype http://flowjo.com/wp-content/uploads/2013/11/FJCOMBOTEST3.png logo •Analysis of synchronized cells •Analysis if BrdU incorporation nBromodeoxyuridin (BrdU) is incorporated into DNA instead of thymidine during S-phase nBrdU is detected using specific antibody after the fixation and partial denaturation of DNA (acid, DNAse) nDNA can be stained in the last step •Analysis if BrdU incorporation Click azide/alkyne reaction http://www.invitrogen.com/etc/medialib/en/images/ics_organized/applications/cell_tissue_analysis/da ta_diagram/750_wide.Par.94243.Image.-1.-1.1.gif Invitrogen Click-IT (Invitrogen) applications analysis of DNA synthesis (EdU - 5-Ethynyl-2'-deoxyuridine) 02ClickiTAnim01 •Tritiated (3H) thymidine •3H-thymidine 02ClickiTAnim01 • Original method for measuring cell proliferation • Radioactive • Not compatible for multiplexed analyses •3H-thymidine 02ClickiTAnim01 BrdU03 •BrdU (5-bromo-2'-deoxyuridine) •BrdU • •Br • •Br • •Br • •Br 02ClickiTAnim01 • •Br • • •Br • •Br • •Br •BrdU 02ClickiTAnim01missing 02ClickiTAnim01 • • •Br • •Br • •Br • •Br •BrdU 02ClickiTAnim01missing • •Br • •Br • •Br • •Br •BrdU 02ClickiTAnim01missing • •Br • •Br • •Br • •Br •BrdU • Non-radioactive • Multiplex compatible but, strand separation requirement for anti-BrdU access, can affect: • Ability for other antibodies to bind • Morphology • Ability for dyes that require dsDNA to bind efficiently, i.e., cell cycle dyes EduBlack01 02ClickiTAnim01 •EdU (5-ethynyl-2'-deoxyuridine) •Click-iT™ EdU • • • • 02ClickiTAnim01 •Click-iT™ EdU • • • • • FluorBefore01 FluorAfter01 FluorBefore01 FluorAfter01 FluorBefore01 FluorAfter01 FluorBefore01 FluorAfter01 02ClickiTAnim01 •Click-iT™ Edu • • • • FluorAfter01 FluorAfter01 FluorAfter01 FluorAfter01 • Non-radioactive • No DNA denaturation required • Simplified protocol • Small molecule detection • Multiplex compatible, including • Other antibodies • Dyes for cell cycle analysis Flow cytometry most common application Viability assays (propidium iodid, CalceinAM, …) Proliferation (BrdU, EdU, mitosis - pH3) DNA damage ( yH2AX,…) Cell Death analysis (AnnexinV, Cleaved Caspase3, …) Cell Cylcle (DNA content, Cell cycle modulation after treatment) Immunophenotype characterisation of the cells (CSCs markers, differentiation, …) Example of final set-up Parametr Marker Fluorochrome Cell Surface Marker CD44 APC/Cy7 Cell Surface Marker Trop-2 AF488 Viability LIVE/DEAD kit Yellow DNA synthesis Click-iT EdU AF647 Cell Cycle DNA content PO-PRO-1 DNA damage yH2AX PE Apoptosis Cleaved Caspase 3 AF494 Example of final results (DU-145) Viability and Immunophenotype Cell cycle and Proliferation Example of final results DNA damage and Apoptosis The Nobel Prize in Chemistry 2008 * "for the discovery and development of the green fluorescent protein, GFP" Nobel Prize® medal - registered trademark of the Nobel Foundation •http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2008/ Fluorescent proteins * bioluminescence resonance energy transfer (BRET) –Aequorea victoria - jellyfish * Blue bioluminescence. Ca2+ interacts with aequorin photoprotein. * Blue light excites green fluorescent protein. –Renilla reniformis – coral * luminescence appears after degradation of coelenterazine in the presence of luciferase enzyme. * Blue light excites green fluorescent protein * – •Renilla reniformis "Sea Pansy" •http://www.mbayaq.org/efc/living_species/default.asp?hOri=1&inhab=440 •Aequorea victoria “Crystal jelly “ •http://www.whitney.ufl.edu/species/seapansy.htm Fluorescent proteins * Osamu Shimomura * 1961 discovered GFP and aequorin * •http://www.conncoll.edu/ccacad/zimmer/GFP-ww/GFP2.htm •Science. 1994 Feb 11;263(5148): •Green fluorescent protein as a marker for gene expression. •Chalfie M, Tu Y, Euskirchen G, Ward WW, Prasher DC. • •Department of Biological Sciences, Columbia University, New York, NY 10027. * * A complementary DNA for the Aequorea victoria green fluorescent protein (GFP) produces a fluorescent product when expressed in prokaryotic (Escherichia coli) or eukaryotic (Caenorhabditis elegans) cells. Because exogenous substrates and cofactors are not required for this fluorescence, GFP expression can be used to monitor gene expression and protein localization in living organisms. mice_400x300 •Fluorescent proteins nDouglas Prasher nMartin Chalfie [USEMAP] Fluorescent proteins •http://www.conncoll.edu/ccacad/zimmer/GFP-ww/GFP2.htm Roger Tsien * ~ 2002 – mutated FP = wide spectrum of colors •http://www.tsienlab.ucsd.edu/ http://www.tsienlab.ucsd.edu/HTML/Images/IMAGE%20-%20PLATE%20-%20Beach.jpg The image “http://www.tsienlab.ucsd.edu/HTML/Images/IMAGE%20-%20Rendered%20GFP%20-%20640.jpg” cannot be displayed, because it contains errors. Roger Y. Tsien •Analysis of synchronized cells Fucci (fluorescent ubiquitination-based cell cycle indicator) cells •Nature Methods - 5, 283 (2008) •Ubiquitin E3 ligase complexes •G1 - APCCdh1 •S, G2, M- SCFSkp2 Fucci •http://cfds.brain.riken.jp/Fucci.html CONTROL SCH900776 MU380 Summary * DNA analysis * Require fine sample preparation, debris elimination, sw tool for precise analysis of histograms * It is possible to combine with analysis of other parameters e.g. DNA synthesis * Cell division enumeration * Mostly for synchronized populations * Fluorescent proteins * Fucci – elegant tool for in vitro a in vivo experiments * Trendy: instrumentace Spectral flow cytometry J.P. Robinson, Purdue University J.Paul Robinson Spectral flow cytometry SP6800 Optical Bench Flowcell Chip with Laser Spots Conventional vs. spectral analysis Standard Comp vs SP6800 Spectral Comp > Single Cell Mass Cytometry http://reports.cytobank.org/105/v2/images/image_1.stream •Cells were covalently labeled with a bifunctional compound, maleimido-mono-amide-DOTA (mDOTA). This compound can be loaded with a lanthanide(III) isotope ion, and reacts covalently with cellular thiol groups through the maleimide moiety. Single Cell Mass Cytometry http://reports.cytobank.org/105/v2/images/image_2.stream •Seven unique lanthanide isotopes were used to generate 128 combinations, enough to barcode each sample in a 96-well plate. The seven lanthanide isotopes, their masses and their locations on the 96-well plate are shown. Personální systémy CytoFlex - Features & Flexibilities Trendy: Reagencie PrimeFlow™ RNA Assay PrimeFlow™ RNA Assay Workflow Briliant Violet polymers labelsNewHor violet_flow_image flow_cytometry_diagram2 Shrnutí přednášky •průtoková cytometrie: * nabízí široké spektrum aplikací; * rychlý způsob analýzy a separace heterogenních populací; * separace populací; * multiparametrové analýzy * • •