Семерджян З.Б. ПОВЕДЕНИЕ КЛЕТОК

Семерджян З.Б.
ПОВЕДЕНИЕ КЛЕТОК НЕЙРОБЛАСТОМЫ В ПРОЦЕССЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ
И ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Популяции соматических клеток гетерогенны по своей структуре. гетерогенность возникает по причинам нахождения клеток на разных фазах митотического цикла, вне цикла, разных этапах дифференцировки, возникновения изменений в генетическом аппарате, неоднородности микроусловий и т. п. в то же время клеточные популяции – устойчивые системы. Их
равновесие поддерживается авторегуляцией, которая проявляется в «самоорганизации» элементов системы.
В любой клеточной культуре различается ряд цитоморфологических уровней
организации - это: популяция – клетка – ядро – ядрышкo. Культура нейробластомы является
удобным объектом для многопараметрического исследования ее функционирования на всех
указанных уровнях в норме и под воздействием биологически активных веществ. К
несомненным достоинствам нейробластомы, как модели, следует также отнести ее
способность сохранять при высокой пролиферативной активности потенции к дифференцировке [4;5;8;13]. Отсюда проистекает возможность одновременного изучения этих основополагающих процессов развития клеточных популяций. Это стало основанием для проведения нами исследования именно на культуре клеток нейробластомы. Целью его было выявление и анализ реакций нейробластомы в ответ на введение в среду третионина и нейротоксина (хлорида алюминия) – соединений, кардинально отличающихся друг от друга
характером воздействия на клетки. Согласно литературным данным [13;15;16], третионнин
обладает способностью индуцировать и стимулировать дифференцировку клеток, а хлорид
алюминия, напротив, оказывать на них цитотоксическое или цитопатическое воздействия. мы
поставили задачу, определить степень выраженности реакций нейробластомы на всех уровнях
ее организации на присутствие в среде в процессе культивирования этих соединений.
Материал и методика.
Клетки нейробластомы (клон SHSY-5Y) высевали в шестилуночные планшеты с покровными стеклами в дозе 2х105 / мл. смеси сред Игл-МЕМ и F-14 (50:50) с добавлением 10%
бычьей сыворотки и глутамина и культивировали до образования монослоя. На 24-й ч в часть
лунок вводили третионин, в другую – на 48-й ч хлорид алюминия, в третью (последовательно
в одни те же ячейки) на 24-й ч – третионин и на 48-й – хлорид алюминия. Таким образом третионин находился в среде 72 ч, хлорид алюминия – 48 ч, хлорид алюминия с третионином также 48 ч. Продолжительность культивирования – 96 ч. Дозу вводимого в среду хлорида алюминия определяли по степени его токсичного воздействия на монослой: [–] нет деструкции, [±] –
разрежение монослоя, [+] – деструкция 25%, [++] – 50%, [+++] – 75% монослоя, [++++] – разрушение 100% клеток. В работе использовали разведение хлорида алюминия 7.5 мМ / 2х105
клеток. При этом разведении происходит некоторое разрежение монослоя [±] без признаков
деструкции, но проявляются его цитопатические свойства. Дозу вводимого третионина (10μM
/ 2х105 клеток) устанавливали основываясь на данных литературы [8].
Препараты извлекали из ячеек, подсушивали на воздухе при комнатной температуре и
фиксировали в 96º этаноле. для выявления днк препараты окрашивали по фёльгену в модификации (1); для выявления рнк – галлоцианином и хромовыми квасцами.
Определение масс ДНК (λ=575нм), РНК (λ=634нм) и их цитоморфометрию производили при увеличении (об. 100/1,30, ок. 100х) на созданном в лаборатории анализаторе
изображений на базе сканирующего микроскопа-фотометра SMP-05 (Opton-Feintechnic, ФРГ).
Во всех случаях измеряли не менее 100 клеток. В качестве диплоидного эквивалента использовали значения массы ДНК в ядрах лимфоцитов человека − 76 усл. ед.
Определяли значения следующих параметров: плотность монослоя (число клеток на
2
0.01мм поля зрения), количество разрушенных клеток (%), число митозов на 1000 клеток,
(‰), среднее количество ядрышек в ядрах, распределение клеток по числу ядрышек (%), массу ДНК (усл. ед.) в ядрах, их объем (мкм3) и площадь поверхности (мкм2), суммарная масса
ДНК (усл.ед.) ядрышек, их суммарный объем и суммарная площадь поверхности, масса РНК
(усл. ед.) в цитоплазме, ядрах и ядрышках. Данные обрабатывали статистически, используя
программу SPSS 10.01.
Результаты и обсуждение.
Рассмотрим сначала популяционные параметры интактной культуры нейробластомы и
тех культур, в среду которых вводили третионин и хлорид алюминия. Как видим (табл. 1),
значения плотности монослоя популяций, на которые раздельно воздействовали этими
веществами, практически, не отличаются от значений в контроле, но возрастают (на 14,4%), в
культуре, в среду которой вводили последовательно оба соединения. При введении третионина и хлорида алюминия раздельно в обоих случаях в полтора-два раза снижалась митотическая активность, а при их введении в одну и ту же среду ее значения выравнивались со
значениями в интактной культуре.
При введении в среду только третионина, в два раза уменьшалось число разрушенных
клеток в монослое, введение же в среду хлорида алюминия приводило к резкому повышению
их числа (в 3 раза по сравнению с контролем). При последовательном введении в среду третионина на 24-й, а затем хлорида алюминия на 48-й ч культивирования активность
пролиферации выравнивалась с ее активностью в контроле, но число разрушенных клеток в
монослое оказывалось все же в 1,5 раза выше, чем в контроле. Можно полагать, что третионин и хлорид алюминия подавляют митотическую активность, стимулируют разрушение
клеток и не влияют на плотность монослоя.
Таблица 1.
Популяционные параметры нейробластомы в интактной культуре и культурах, находившихся
под воздействием биологически активных веществ в процессе культивирования ( x ± S x )
Сроки введения
биологически активных
веществ (часы)
Интактная культура
(контроль)
Третионин (24)
Хлорид алюминия (48)
Третионин (24) и
хлорид алюминия (48)
Число клеток
на 0,01мм2
Число митозов
на 1000 клеток,
‰
Число разрушенных
клеток,%
20.0±1.3
1.1±0.30
5.5±4.0
19.5±0.6
22.3±1.1
28.7±0.8
0.5±0.05
0.3±0.05
1.0±0.10
2.6±0.3
16.4±2.0
7.3±2,1
Ниже представлены значения массы РНК, объема и поверхности субклеточных структур (цитоплазмы, ядер и ядрышек) клеток нейробластомы в интактной культуре и при введении в среду третионина и хлорида алюминия (табл. 2). Видно, что присутствие в среде
каждого из этих соединений отражается на значениях параметров субклеточных структур.
При введении в среду хлорида алюминия снижаются показатели содержания РНК, объема и
поверхности у всех субклеточных структур клеток. Введение третионина приводит к тем же
результатам, за исключением массы РНК, по сравнению с контролем и с культурой, в среду
которой вводили только хлорид алюминия, но в несколько большей степени, чем при
введении хлорида алюминия. При введении третионина в комплексе с хлоридом алюминия,
повышаются значения всех параметров, по сравнению и с контролем, и с культурами, в среду
которых вводили раздельно хлорид алюминия или третионин (табл. 2).
Таблица 2.
Изменения в значениях параметров субклеточных структур нейробластомы
под воздействием хлорида алюминия, третионина и ( x ± S x )
Контроль
В в е д е н и е:
Параметры
Ядрышки
Ядра
Цитоплазма
субклеточных
структур
Третионина
Хлорида
алюминия
66,2±3.9
112.6±5.1
57.3±4.7
Третионин
аи
хлорида
алюминия
116.8±4.3
Объем
653.7±28.2
483.3±21.5
544.8±22.6
844.0±39.1
Поверхность
363.8±10.7
216.9±6.6
284.5±11.5
394.6±9.9
Масса РНК
46.9±2.6
64.5±2.1
39.8±4.1
75.0±3.1
Объем
169.8±5.4
124.2±3.2
132.3±12.3
173.2±6.9
Поверхность
100.9±2.3
76.5±7.4
75.3±7.1
109.0±2.9
Суммарная
масса РНК
7.3±0.4
9.6±0.5
6.1±1.1
10.9±0.4
Сумарный
объем
5.9±0.3
6.5±0.3
5.6±0.5
6.8±0.3
Полная
поверхность
12.2±0.6
13.0±0.6
12.9±1.2
13.9±0.6
Масса РНК
Присутствие в среде этих соединений влияет не только на фенотипические параметры
клеточной популяции нейробластомы, но и на параметры, имеющие прямое отношение к генетическому аппарату клеток, такие, как количество ДНК в ядрах и ядрышках, их объем и
полная поверхность (табл. 3). Влияние каждого, из введенных в среду соединений, отличается
своеобразием и реакция элементов системы на информацию, полученную от них, также
неоднозначна. Ядра отрицательно реагируют на нее почти по всем параметрам: значения содержания ДНК, объема и поверхности ядер при их введении снижаются по сравнению с
контролем, но особенно значительно под воздействием комплекса третионин+AlCl3. Также
реагируют и ядрышки, но в отличие от ядер их реакция выражена сильнее, по сравнению с
контролем и с влиянием третионина и хлорида алюминия в отдельности. Они особенно
сильно снижаются под воздействием третионина (по сравнению с контролем в 2-3 раза).
Отрицательное влияние хлорида алюминия в отдельности и в комплексе с третионином выражено несколько слабее (табл.3).
Таблица 3.
Количество ДНК, объем и полная поверхность ядер и ядрышек клеток нейробластомы без
воздействия (контроль) и при введении в среду на разных сроках культивирования БАВ
( x ± S x ).
Ядрышки
(суммарные значения)
Полная
СодержаПоверхность
Объем поверхние ДНК
ность
Время введения
биологически активных веществ в Содержание
среду (часы)
ДНК
Я д р а
Контроль
120.3±3.8
263.9±8.9
99.8±2.8
12.0±0.7
6.2±0.3
10.0±0.5
Третионин (24)
117.6±2.4
227.9±6.5
79.5±2.0
5.8±0.5
2.9±0.2
3.5±0.3
Хлорид
алюминия (48)
106.4±2.4
221.2±8.5
79.5±2.0
8.2±0.4
2.6±0.1
3.9±0.2
Объем
Третионин (24)
и хлорид алюминия (48)
Выше
мы отмечали,
что культуры
клеток гетерогенны по своему составу. Гетерогенность распространяется и на такие
параметры, как распределение клеток в популяции по плоидности и по числу ядрышек в
ядрах. Ниже приведены данные о количестве эуплоидных клеток в популяциях.
Как видим (табл. 4), доля таких клеток даже в интактной популяции нейробластомы
невелика и составляет всего 36%. При введении же в среду третионина в комплексе с
хлоридом алюминия, число эуплоидных клеток в популяции возрастает, по сравнению с контролем и выравнивается с культурой, в среду которой вводили только третионин. Еще более
интересны данные о распределении клеток в популяциях по плоидности. Оказалось (табл. 5),
что во всех популяциях диплоидные клетки присутствуют в меньшинстве и меньше всего их в
популяции культуры, на которую воздействовали хлоридом алюминия. В культурах,
обработанных третионином или третионином в комплексе с хлоридом алюминия, диплоидных
клеток в два раза больше. Гиподиплоидные клетки во всех популяциях отсутствуют.
Наибольшую долю, при этом, составляют гипердиплоидные (Н2с), тетраплоидные (4с) и
гипертетраплоидные (Н4с) клетки. Эти данные подтверждают результаты, полученные нами
ранее (3) о гетероплоидности клеток нейробластомы, что скорее всего связано со степенью
трансформированности клеток нейробластомы. Заметим, однако, что октаплоидные клетки в
популяциях отсутствуют, а появление клеток с «промежуточным» (Н2с и Н4с) содержанием
ДНК в ядрах может быть связано с пребыванием их в S-фазе клеточного цикла или развитием
нуклеолиза. Об этом свидетельствует достаточно большая доля в популяциях разрушенных
клеток (см. выше: табл. 1).
95.1±2.2
164.8±7.6
71.7±1.4
8.4±0.5
3.8±0.3
8.0±0.5
Таблица 4.
Эуплоидные клетки в популяции нейробластомы на 96-й ч культивирования
в контроле и изменение их числа под действием третионина и хлорида алюминия.
В в е д е н и е:
Контроль
Хлорида
Трeтионина и хлоТретионина
алюминия
рида алюминия
36
Количество эуплоидных клеток в популяции в %
48
56
56
Не меньший интерес представляет распределение клеток нейробластомы по числу
ядрышек в их ядрах. Вообще, наличие и число ядрышек, их размеры и полная поверхность
могут служить показателями функциональной активности клеток и степени их дифференцированности [12]. В ряде исследований, проведенных на трансформированных клетках, были выявлены повышенная активность ядрышек [6,7,11,12] и увеличение их числа [14]. Анализ
распределения клеток в популяциях по числу ядрышек в их ядрах (табл. 6) показал, что в
популяции интактной культуры больше всего дву- и трехядрышковых клеток (42% и 30% соответственно). Присутствуют в небольшом числе и четырехядрышковые клетки (6%). Безядрышковые и одноядрышковые клетки отсуствуют. В культуре, обработанной хлоридом
алюминия, наоборот, самую большую долю в популяции составляют безядрышковые (58%) и
одноядрышковые (36%) клетки. Двуядрышковых значительно меньше (6%), а трех- и
четырехядрышковых клеток вообще нет. В популяции культуры, в среду которой вводили третионин, доля безядрышковых и одноядрышковых клеток сокращается до 18-и 28-и процентов
соответственно, но зато число двуядрышковых клеток возрастает до 50% популяции. В
распределении клеток по количеству ядрышек в ядрах в популяции культуры, в среду которой
вводили третионин вместе с хлоридом алюминия, наблюдается тенденция, схожая с таковой в
интактной культуре, а именно: резкое сокращение доли безядрышковых и одноядрышковых
клеток (до 2-х и 6-и процентов, соответственно) и столь же резкое увеличение доли двуядрышковых (до 48-и %) и трехядрышковых до (30-и %) клеток. Следует отметить также дос-
таточно заметное (14%) появление в популяции четырехядрышковых клеток (табл. 6). Из
материала, представленного выше, очевидно, что наличие и число ядрышек в ядрах является
достаточно динамичным элементом клеточной организации, весьма чувствительным к разного
рода воздействиям на клетку, что ранее было описано нами [2,9,10] и другими авторами.
Таблица 5.
Распределение клеток нейробластомы на 96й ч культивировани по плоидности в контроле и в
культурах, находившихся под действием биологически активных веществ (%).
В в е д е н и е:
Интактная
Третионина и
Плоидность
культура
Хлорида
хлорида
Третионина
(контроль)
алюминия
алюминия
2с
8
6
12
12
Н2с
44
36
40
44
4с
28
42
46
44
Н4с
20
16
2
0
Таблица 6.
Распределение клеток нейробластомы на 96-й ч культивирования по числу ядрышек в их
ядрах в контроле и в культурах, находившихся под действием биологически активных
веществ, %.
Число ядрышек в
ядрах
Контроль
В в е д е н и е:
Хлорида
алюминия
Третионина
К о л и ч е с т в о
Третионина и хлорида алюминия
к л е т о к
Нет ядрышек
-
58
18
2
1
-
36
28
6
2
42
6
50
48
3
30
-
4
30
4
6
-
-
14
На основании полученных данных, можно утверждать, что третионин и хлорид
алюминия, несомненно, следует считать биологически активными веществами
разнонаправленного действия. При введении в культуральную среду они вызывают ответные
реакции на всех уровнях организации структуры нейробластомы от субклеточного до
популяционного – третионин индуцирует дифференцировку клеток и активирует рост
культуры, несмотря на присутствие в среде хлорида алюминия. Последний действует независимо от третионина и подавляет рост культуры нейробластомы, даже в том случае, когда он
был введен в среду вместе с третионином. Это свойство хлорида алюминия можно попытаться
использовать при лечении онкологических заболеваний, может быть, даже в комплексе с
третионином. Вообще, результаты нашего исследования позволяют утверждать, что
третионин и хлорид алюмининя как биологически активные вещества, действуют независимо,
никак не влияя на проявление свойств друг друга.
Институт молекулярной биологии
НАН РА.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
Магакян Ю.А., Каралова Е.М. 1989. Цитофотометрия ДНК. Ереван, Изд. АНАрм. ССР, 204с.
Магакян Ю.А., Каралова Е.М., Аброян Л.О., Акопян Л.А. 2006. Поведение клеток лимфоидной популяции, их ядер
и ядрышек при периодической болезни и лейкозе. Бюлл. экспер. биол. мед., 145 (2) : 162-166.
Магакян Ю.А., Каралян З.А., Каралова Е.М., Аброян Л.О., Акопян Л.А., Гаспарян М.Г., Джагацпанян Н.Г.,
Семерджян З.Б., Тер-Погосян З.Р. 2009. Многопараметрическое исследование и кластер-анализ перевиваемых
культур клеток человека. Цитология, 51 (1) : 18-23.
Никольский Н. Н., 1984. Пролиферация клеток в культуре. В кн.:Биология клетки в культуре. Л.: Наука. 10-49.
Фридлянская И.И. 1984. Постоянные клеточные линии, дифференцирующиеся in vitro. В кн.: Биология клетки в
культуре. Л., Наука : 50-100.
Crocker J. 1990. Nucleolar organizer regions. Curr. Top. Pathol. 82 : 91 - 149.
Derenzini M., Trere D., Pession A., Govoni M., Sirri V., Chieco P. 2000. Nucleolar size indicates the rapidity of cell
proliferation in cancer tissues. J. Pathology. 19 : 181-186.
Farooqui S.M. 1994. Induction of adenylate cyclase sensitive dopamine D2-receptors in retinoic acid induced differentiated
human neuroblastoma SHSY-5Y cells. Life Sci. 55 (24) :1887-1893.
Karalyan Z.A., Djaghatspanyan N.G., Gasparian M.H., Hakobyan L.H., Abroyan L.O., Magakian Yu.A., Ter-Pogosian Z.R.,
Kamalyan L.A., Karalova E.M. Morphometry of nuclear structures in CaCo-2 sell line. Cell Biol. Int., 2004, v. 28, N 10,
p. 249-253
Karalyan Z.A., Jaghaatspanyaan N.G., Gasparyan M.H., Hakobyan I.A., Abroyan L.O., Ter-Pogossyan Z.R., Kamalyan
L.A., Karalova E.M. Comparison of impact of EMCV replication on the nuclear apparatus of NIH 3T3 and Hep-2 cells.
Cell Biology International 2005, v.28, N6, P. 587-591.
Mamaew N.N., Mamaewa S.E. 1990. Nucleolar organizer region activity in human chromosomes and interphase nuclei of
normal, leukemic, and tumor cells as evaluated by silver staining. Int. Rev. Cytol. 121 : 233 - 266.
Mamaewa S.E. 1998. Karyotypic evolution of cells in culture: a new concept. Int. Rev. Cytol., 178 : 1 - 40.
Scott I.G., Akerman K.E., Heikkila J.E., Kaila K., Andersson L. 1986. Development of a neural phenotype in differentiating
ganglion cell-derived human neuroblastoma cells. J. Cell Physiol. 128 (2) : 285-292.
Slater L.M., Sweet P., Hsu T.C., Chan P.K. 1992. Novel nucleolar and nuclear morphology in a vincristine-dependent
human leukem cell line. Exp. Cell Res. 198 : 170-174.
Toimela T., Tahti H. 2004. Mitochondrial viability and apoptosis induced by aluminum, mercuric mercury and
methylmercury in cell lines of neural origin. Arch Toxicol. 78 (10) : 565-574.
Toimela T., Maenpaa H., Mannerstrom M.T., Tahti H. 2004. Development of an in vitro blood-brain barrier modelcytotoxicity of mercury and aluminum. Toxicol. Appl. Pharmacol. 195 (1) : 73-82.