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1Department of Biochemistry and Molecular Biology, Faculty of Medicine, University of Calgary, 2Faculty of Kinesiology, University of Calgary
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Hughey, C. C., Hittel, D. S., Johnsen, V. L., Shearer, J. Respirometric Oxidative Phosphorylation Assessment in Saponin-permeabilized Cardiac Fibers. J. Vis. Exp. (48), e2431, doi:10.3791/2431 (2011).
线粒体参与能量代谢,氧化应激,细胞凋亡,延缓衰老,线粒体encephalomyopathies和药物毒性,线粒体功能的调查代表心脏生理学的一个重要参数。鉴于此,技术来衡量心脏线粒体功能的需求。一项技术,它采用一种综合的方法来衡量线粒体的功能是respirometric氧化磷酸化(OXPHOS)分析。
respirometric OXPHOS评估的原则是围绕利用克拉克电极测量氧气浓度。通透的纤维束消耗氧气,氧气浓度在封闭腔下降。使用选择底物抑制剂 - 解偶联剂滴定协议,电子提供电子传递链的特定网站,使线粒体功能的评价。之前线粒体功能的respirometric分析,机械和化学的筹备技术是利用通透肌纤维肌膜。化学通透采用皂素,在保持细胞结构的同时,有选择性的细胞膜穿孔。
本文深入介绍了在准备测量耗氧量的皂素皮肤的心脏纤维,以评估线粒体OXPHOS所涉及的步骤。此外,故障排除建议以及具体的基板,可用于确定在特定网站的电子传递链的线粒体功能抑制剂和uncouplers提供。重要的是,所描述的协议可能很容易地应用到各种动物模型和人体样本的心脏和骨骼组织。
1。试剂准备
2。组织准备
A.心脏纤维机械准备
B.心脏纤维束化学制剂
C.心脏纤维束洗涤
D.湿重测定
3。 Respirometric OXPHOS分析
A. Respirometric设备
B.代表质量控制/技术验证协议
4。代表性的成果:
在适当的准备小鼠心脏纤维耗氧量是评价质量控制协议,如在图2所示。图3-5提供了不正确准备的心脏纤维经常遇到的例子。呼吸控制率(RCR)在respirometry的一个重要指标。此参数表明氧耗和氧化磷酸化之间的耦合。在通透的纤维准备工作,RCR是呼吸的状态3相对过剩状态4到状态2或者状态3寡和/或苍术苷,ATR诱导率。此外,RCR可以用来作为一种质量保证标志,并能识别的耦合变化,从实验或病理干预造成5。那么加上通透小鼠心脏的准备产生一个3-6之间的RCR取决于孵化解决方案, 利用1,8,9 。
细胞色素C的滴定是用来作为一个适当的组织准备工作的验证。细胞色素c是一种蛋白质在intermembrane空间位于线粒体内膜10。当线粒体外膜是否完好,内源性细胞色素c在intermembrane空间和外源性细胞色素c的滴定对呼吸的影响甚微(图2)。如果线粒体外膜被破坏,内源性细胞色素c可以从intermembrane空间释放,并会抑制呼吸到外源性色素此外彗星(图3)。适当的准备经验,只有在氧气通量的细胞色素c在5-15% 范围 5除了轻微升高。此外,本实验滴定允许病理或实验应激对线粒体外膜完好的影响评估。如果一个细胞色素c的作用是经验丰富,确保在机械的组织和/或降低皂甙浓度准备。
寡和/或ATR此外是用来评估泄漏呼吸的改变,氧的消耗,促进ADP 磷酸 11 。此外,该滴定步骤可以用来作为一个适当的样品制备的验证。控制或野生型纤维应敏感,这除了和经验,在氧气通量的显着减少。低RCR和寡和/或ATR在一个相对升高的氧气通量的敏感性降低,表明在制备过程中的内在线粒体膜(图4)损坏。的损害可能是诱发在机械分离的心肌纤维内线粒体膜是皂素相对不太容易受到侮辱,线粒体外膜。然而,机械和化学制剂可能会作相应的调整,以避免不当准备心脏纤维5,12 。
,从小鼠的皂素皮肤纤维束不应停留超过2h,6h以上或MiR05解决方案中的RP解决方案。缺乏反应底物抑制剂 - 解偶联剂在图5可以看出滴定,可指示潜伏期延长。随后的努力应尽量减少动物牺牲和氧气消耗测量之间的时期。

图1。小鼠心脏纤维束机械的准备。答:对整个心脏紧随剥离。 B.一个10 - 25毫克样品前左心室。 C.心肌组织分为1mm直径2 - 4mm的长条状。 D.最后心脏纤维束,准备与皂甙的化学通透。

图2。适当的组织的代表准备利用极谱评估结果。状态2氧气通量是通过复杂的I基板谷氨酸和苹果酸(M / G)和支持是显着刺激的ADP(状态3)此外。无刺激作用外源性细胞色素c除了表明线粒体外膜完好。氧耗的灵敏度,以寡表明线粒体膜的完整性是否完好。氧浓度在2毫升封闭室是确定的蓝线。在2毫升封闭腔心脏组织样本耗氧量的红线代表。苹果酸和谷氨酸,M / G,二磷酸腺苷,ADP公司; CYTO彗星细胞色素C,寡,岛

图3。细胞色素c的效果验证测试利用极谱评估。状态2氧气通量是通过复杂的I基板谷氨酸和苹果酸(M / G)和支持是显着刺激的ADP(状态3)此外。外源性细胞色素c除了刺激的效果表明线粒体外膜的完整性被破坏。氧浓度在2毫升封闭室是确定的蓝线。在2毫升封闭腔心脏组织样本耗氧量的红线代表。 M / G二磷酸腺苷,ADP,细胞色素C,苹果酸和谷氨酸,CYTO C.

图4内线粒体膜的完整性验证测试,利用极谱评估。状态2氧气通量支持复杂我基板谷氨酸和苹果酸(M / G)和一个氧的消耗相对较弱的刺激,此外,ADP(状态3)。敏感性差,消耗氧气寡内线粒体膜损坏。氧浓度在2毫升封闭室是确定的蓝线。在2毫升封闭腔心脏组织样本耗氧量的红线代表。苹果酸和谷氨酸,M / G;二磷酸腺苷,ADP寡,O。

图5。极谱评估MiR05延长潜伏期。耗氧量是不敏感的ADP除了外生此外,谷氨酸和苹果酸(M / G)和氧耗(状态3)减少。外源性细胞色素c此外,麻木不仁的耗氧量,以寡没有刺激作用的经验。缺乏应对extramitochondrial洗液增加,表明线粒体功能稳定受到损害。氧浓度在2毫升封闭室是确定的蓝线。在2毫升封闭腔心脏组织样本耗氧量的红线代表。 M / G二磷酸腺苷,ADP,细胞色素C,苹果酸和谷氨酸,CYTO C.
1。注:试剂准备
K 2 EGTA 100MM储备溶液的制备
| 试剂名称 | 终浓度(毫米) | g/100 mL的H 2 O |
| 乙二醇双(2 - aminoethylether) - N,N,N',N“ -四乙酸(EGTA) | 100 | 3.805 |
| 氢氧化钾(KOH) | 200 | 1.15 |
注意:在室温调节pH至7.4。
制备的Ca 2 EGTA 100mm的联合解决方案
| 试剂名称 | 终浓度(毫米) | g/100 mL的H 2 O | 评论(可选) |
| 乙二醇双(2 - aminoethylether) - N,N,N',N“ -四乙酸(EGTA) | 100 | 3.805 | 加热至80 ° C,轻度搅拌。 |
| 碳酸钙( 碳酸钙 ) | 100 | 1.001 | 钙调节各种细胞器的功能,包括线粒体钙浓度必须精确。确保完成所有碳酸钙的增溶。最终的解决方案必须是完全透明的。 碳酸钙是最初与EGTA和一些水混合,以激活形成的碳酸和二氧化碳蒸发。这种反应可能会加速升温至80 ° C。 |
| 氢氧化钾(KOH) | 200 | 1.15 | 用KOH中的CO 2蒸发完成后。 |
注意:在室温调节pH至7.4。
松弛的制备和保存液(RP的解决方案) 1
| 试剂 | 终浓度(毫米) | 每公升 | 评论 |
| K 2 EGTA | 7.23 | 72.3毫升 | |
| CAK 2 EGTA | 2.77 | 27.7毫升 | |
| 咪唑 | 20 | 1.36克 | |
| 二硫苏糖醇 | 0.5 | ||
| 牛磺酸 | 20 | 2.52克 | |
| 腺苷二钠水合物5' -三磷酸(ATP) | 5.7 | 3.14克 | |
| 磷酸肌酸(PCr) | 14.3 | 4.0克 | |
| 氯化镁(MgCl 2的 ) | 6.56 | 0.624克 | |
| K - MES | 50 | 14.0克 |
注意:在室温下的pH值调整至7.1
制备线粒体Respirometry解决方案(MiR05解决方案)2
| 试剂 | 终浓度(毫米) | 每公升 | 评论(可选) |
| 乙二醇双(2 - aminoethylether) - N,N,N',N“ -四乙酸(EGTA) | 0.5 | 0.190克 | 作为一个钙螯合剂 |
| 镁氯化(氯化镁2 .6 H 2 O) | 3.0 | 0.610克 | 纤维制备的质量不能无Mg 2 +的测试。 |
| 牛磺酸 | 20.0 | 2.502克 | 牛磺酸是一种膜稳定剂和抗氧化剂。 20MM是细胞内的浓度在心里。 |
| 磷酸二氢钾(KH 2 PO 4) | 10.0 | 1.361克 | |
| 20.0 | 4.77克 | ||
| - 乳糖酸钾 | 60.0 | 120毫升0.5米 K -乳糖 股票 | 0.5M的K -乳糖股:35.83克乳糖酸100毫升H 2 O和pH值在室温下7.0。音量调整到200毫升DDH 2 O。用于复制的细 胞内K +浓度。然而,此前使用的是氯化钾,高CL -抑制线粒体肌酸激酶的功能。 |
| 蔗糖 | 110.0 | 37.65克 | 作为一种活性氧清除剂使用。 |
| 牛血清白蛋白(BSA) | 1克/升 | 1克 | 作为一种膜稳定剂,抗氧化剂,钙和游离脂肪酸的螯合剂。 |
注:在30 ° C调整pH值至7.1
3。注:Respirometric OXPHOS分析
B.选择基板,uncouplers和抑制剂
线粒体Respirometry分析选定的衬底名单
| 基板 | [股票] | 制备 | 音量每2毫升 | [决赛] | 评论 |
| 腺苷5' -二磷酸钾盐二水(ADP) | 500MM | 246mg /毫升DDH 2 O。在室温调节pH至7.1。彗星在250μL分装储存在-80 °。 | 20ul | 5MM | 为了保持常数Mg 2 +的 +在respirometry实验中添加0.6 MOL 氯化镁 2 / MOL ADP公司。 |
| 抗坏血酸 | 800MM | 0.1584克/毫升DDH 2 O。商店在200μL分装于-20 ° C。对光敏感 | 5微升 | 2MM | 为底物,与TMPD平行使用时的行为。必须正确自动氧化的氧气通量。 |
| 细胞色素C | 4MM | 50毫克/毫升DDH 2 O。商店在250μL分装于-20 ° C。 | 5微升 | 10UM | |
| 羰基氰化物 P -(三氟甲氧基) 苯腙(FCCP) | 0.1MM | 0.254mg/10 mL 100%的乙醇。 500μL分装在玻璃瓶存放在-20 ° C。 | 1μL的步骤 | 作为一个解偶联剂。确定最大的电子传输能力和磷酸化系统的电子传输的任何限制。 | |
| 谷氨酸 | 2M | 0.3742克/毫升DDH 2 O。在室温调节pH至7.1。商店在250μL分装于-20 ° C。 | 10ul | 10MM | NADH脱氢酶的底物的行为(复杂)。 |
| 马拉特 | 800MM | 0.1073克/毫升DDH 2 O。在室温调节pH至7.1。商店在250μL分装于-20 ° C。 | 5ul | 2MM | NADH脱氢酶的底物的行为(复杂)。不能支持单独呼吸。 |
| 丙酮酸 | 1M | 11mg/0.1毫升DDH 2 O。准备好新鲜。 | 5微升 | 2.5MM | NADH脱氢酶的底物的行为(复杂)。 |
| 琥珀酸 | 1000MM | 1.3505克/ 5毫升DDH 2 O。在室温调节pH至7.1。商店在250μL分装于-20 ° C。 | 20ul | 10MM | 琥珀酸脱氢酶(复合物Ⅱ)作为基板的行为。 |
| N,N,N',N' -四甲基 pphenylenediamine 盐酸(TMPD) | 200MM | 47.1mg /毫升DDH 2 O。加入终浓度为10mm 0.8M的抗坏血酸,以防止自动氧化,在200μL,分装保存于-20 ° C。 | 5微升 | 0.5MM | 自氧化的蓝色色素的外观明显的股票解决方案。为底物,与TMPD平行使用时的行为。必须正确自动氧化的氧气通量。 |
线粒体Respirometry分析选定的抑制剂名单
| 基板 | [股票] | 制备 | 卷,每2毫升会所 | [决赛] | 评论 |
| 抗霉素A | 5MM | 27.4mg/10 mL 100%的乙醇。商店在250μL分装于-20 ° C。 | 1微升 | 2.5μM | 辅酶Q:细胞色素 c还原酶抑制剂(综合三)</ TD> |
| 苍术苷 | 50MM | 40毫克/毫升DDH 2 O。商店在250μL分装于-20 ° C。 | 30μL | 0.75 | ATP合酶的抑制剂。 |
| 寡 | 4毫克/ mL的 | 4毫克/毫升100%的乙醇。商店在200μL分装于-20 ° C。 | 1微升 | ATP合酶的抑制剂。 | |
| 氰化钾 | 1M | 65.1mg /毫升DDH 2 O。准备好新鲜。在室温下调整pH值至7.1 | 1微升 | 1MM | 细胞色素 C氧化酶抑制剂(复杂四) 。利用以下TMPD和抗坏血酸滴定访问自氧化。 |
| 鱼藤酮 | 0.1MM | 0.39mg/10 mL 100%的乙醇。商店在250μL分装于-20 ° C。光敏感。 | 1微升 | 0.05μM | NADH脱氢酶抑制剂(复杂)。然而,可能需要较高浓度,商会,以减少鱼藤酮保留开始概述。 |
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皂甙通透的心脏纤维技术,提供了一个独特的妥协之间 , 在体外和体内线粒体OXPHOS耗氧量评估。这种技术的优点包括增加生理的相关性比较孤立的细胞结构线粒体被保留下来。虽然质膜降解,细胞内的膜结构,包括线粒体12,14,14肌质网, 肌丝和17的骨架1,保持不变。此外,线粒体和细胞骨架,17之间的相互作用也保持不变。透纤维线粒体增加稳定性。啮齿动物纤维的筹备工作,为6h和人类的纤维样本显示长达 24小时18,2的稳定,可以存储在冰冷保留地解决方案。线粒体的经验迅速洗液的平衡。这使得对特定网站的电子传递链的分析直接控制,在加入底物,抑制剂和uncouplers 1, 5。此外, 在原位技术,这需要一个组织只有几毫克。
皂甙皮肤纤维技术的限制,不能被忽略。心脏线粒体是异构的,由两个亚群组成。肌膜和interfibrillar 原位线粒体respirometry评估没有能力区分亚群5线粒体的总人口。此外,各种细胞的代谢产物和细胞质因素调节线粒体的功能。这些胞质的心脏纤维组件都将丢失期间的通透性,导致无法在体内 环境 5中的确切评估线粒体的过程。
报告问题是一个重要的问题。测量耗氧量可根据湿重或干重表示,然而,线粒体密度是每组织肿块7时,在呼吸通量异质性的主要因素。重要的是要明白,呼吸率和变化是很大的参考状态的选择影响的解释。 respirometric OXPHOS透纤维的结果进行直接比较,费率,必须表达了一个共同的参考标记,如线粒体DNA,柠檬酸合成酶的活性,细胞色素c氧化酶的活性,和/或细胞色素aa3含量19。
总之,透纤维制备respirometry分析结合使用,使心脏线粒体的综合功能的评估。各种病理状态和遗传模型,利用这种技术。这些措施包括药物引起的毒性评价,老龄化,糖尿病,充血性心衰,缺血性损伤和氧化应激线粒体生理学5,20。几个优秀的皂甙通透的光纤技术和极谱氧的消耗评估的方法评价和手稿已经察看1,5,14,20和强烈推荐。
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没有利益冲突的声明。
这项研究是由加拿大卫生研究院和加拿大基因组研究所的支持。的JS从阿尔伯塔省遗产基金会加拿大的医学研究,心脏及中风基金会和加拿大糖尿病协会举行的薪水支持奖。实验室要感谢Oroboros仪器的技术援助,在通透的皂素纤维技术收购。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 100% Ethanol | Fisher Scientific | HC600 | |
| 70% Ethanol | Fisher Scientific | HC-1000 | |
| Adenosine 5-diphosphate monopotassium salt dihydrate (ADP) | Sigma-Aldrich | A5285 | |
| Albumin from bovine serum essentially fatty acidfree | Sigma-Aldrich | A-6003 | |
| Antimycin A | Sigma-Aldrich | A8674 | |
| Ascobic acid | Sigma-Aldrich | A4403 | |
| Adenosine 5-triphosphate disodium salt hydrate (ATP) | Sigma-Aldrich | A2383 | |
| Atractyloside | Sigma-Aldrich | A6882 | |
| Calcium carbonate | Sigma-Aldrich | C4830 | |
| Carbonyl cyanide p-(trifluoromethoxy) phenylhydrazone (FCCP) | Sigma-Aldrich | C2920 | |
| Cytochrome c | Sigma-Aldrich | C7752 | |
| Digitonin | Sigma-Aldrich | D141 | |
| Dithiothreitol | Sigma-Aldrich | D9779 | |
| Ethylene glycol-bis-(2-aminoethylether)-N,N,N,N-tetraacetic acid (EGTA) | Sigma-Aldrich | E4378 | |
| Glutamic acid | Sigma-Aldrich | 27647 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H4034 | |
| Imidazole | Sigma-Aldrich | I5513 | |
| Ketamine | Pfizer Pharma GmbH | Ketaset | |
| Lactobionic acid | Sigma-Aldrich | 153516 | |
| Magnesium chloride (MgCl2) | Sigma-Aldrich | M9272 | |
| Magnesium chloride hexahydrate (MgCl26H2O) | Sigma-Aldrich | M9272 | |
| Malic acid | Sigma-Aldrich | M1000 | |
| MES | Sigma-Aldrich | M3671 | |
| N,N,N’,N’-Tetramethyl- pphenylenediamine Dihydrochloride (TMPD) | Sigma-Aldrich | T3134 | |
| Oligomycin | Sigma-Aldrich | O4876 | |
| Phosphocreatine | Sigma-Aldrich | P7936 | |
| Potassium Chloride | Sigma-Aldrich | P9541 | |
| Potassium Hydroxide | Sigma-Aldrich | P5958 | |
| Potassium cyanide | Fluka | 60178 | |
| Potassium phosphate monobasic | Sigma-Aldrich | P5655 | |
| Rotenone | Sigma-Aldrich | R8875 | |
| Saponin | Sigma-Aldrich | 47036 | |
| Sodium Pentobarbital | Ceva Sante Animale | 1715 138 | Conc. 54.7 mg/ml |
| Sodium pyruvate | Sigma-Aldrich | P2256 | |
| Succinic acid | Sigma-Aldrich | S3674 | |
| Sucrose | Sigma-Aldrich | S7903 | |
| Taurine | Sigma-Aldrich | T8691 | |
| Xylazine | Bayer AG | Rompun | |
| ddH2O | |||
| Ice | |||
| Oroboros Oxygraph-2k | Oroboros Instruments | ||
| Kimwipes | VWR international | 21905-026 | |
| 15ml polypropylene centrifuge tubes | VWR international | 89004-368 | |
| 50ml polypropylene centrifuge tubes | VWR international | 89004-364 | |
| Straight Jewelers Forceps | George Tiemann & Co. | 160-50B | |
| Curved Jewelers Forceps | George Tiemann & Co. | 160-57B | |
| Straight Surgery Scissors | George Tiemann & Co. | 105-402 | |
| Sterile Surgical Blade | VWR international | BD371610 | |
| 0.45-m Syringe filters | VWR international | CA28145-485 | |
| pH meter | VWR international | CA11388-308 | |
| Glass Petri dishes | VWR international | 89000-300 | |
| 12-well Polystyrene Tissue Culture Plates | VWR international | 82050-926 | |
| Plate Stirrer | VWR international | 97042-594 | |
| Fisherbrand Microbars | Fisher Scientific | 14-511-67 | |
| Weigh Scale | VWR international | CA11278-162 | |
| 10l Hamilton Micro Syringe | Fisher Scientific | 14-815-1 | |
| 25l Hamilton Micro Syringe | Fisher Scientific | 14-824-7 | |
| 50l Hamilton Micro Syringe | Fisher Scientific | 14-824-5 | |
| Nalgene Squeeze Bottles | Wilkem Scientific | LNA2407-1000 | |
| Polystyrene Weighing Dishes | VWR international | 89106-750 | |
| Dissecting Microscope | Olympus Corporation |