خلايا "القاتل الطبيعي" (NK) هي الخلايا اللمفاوية الفطرية التي تتوسط الاستجابات المضادة للورم والفيروسات. تشكل خلايا NK 5-15٪ من جميع الخلايا الليمفاوية في الدم المحيطي البشري، ويمكن العثور عليها أيضًا في الطحال والكبد ونخاع العظام والعقد الليمفاوية. لا تعبر خلايا NK عن مستقبلات clonotypic متعددة الأشكال، مثل مستقبلات الخلايا التائية (TCR) أو مستقبلات الخلايا B (BCR). في المقابل، يتم دفع تفعيل وظائفها الخلوية من خلال إشراك المستقبلات التي تعترف ligands ثابت على سطح الخلية المستهدفة1،2.
يستريح الإنسان NK الخلايا المعزولة من الدم المحيطي يمكن البقاء على قيد الحياة لعدة أيام في المتوسطة الثقافة تكملها مصل الإنسان. تفعيل خلايا NK بواسطة السيتوكينات مثل IL-15 أو IL-2 يدفع الخلايا إلى الانتشار وزيادة قدرتها على القتل، من بين تأثيرات أخرى3،4،5. وقد أظهرت العديد من الدراسات وجود علاقة مباشرة بين تنشيط الخلايا NK والتغيرات في نشاطهم الأيضي6. هذه التغييرات الأيضية متجهة لتلبية الاحتياجات الخاصة للخلايا من حيث الطاقة والإنحلال الحيوي.
الخلايا الهوائية والكائنات الحصول على الطاقة من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تنطوي على تقويض وأكسدة الكربوهيدرات والدهون والبروتينات. من خلال مزيج من تحلل، وحامض ثلاثي الكربوكسيلي (TCA) دورة والفوسفورة التأسد، الخلايا eukaryotic تلبية غالبية الطلب ATP والحصول على وسيطة المطلوبة ككتل بناء للجزيئات الجزيئات الأساسية لنمو الخلايا والانتشار. تبدأ عملية تحلل الجلوكوز(الشكل 1A)بدخول الجلوكوز في الخلية. في السيتوسول، الجلوكوز هو الفوسفور وتحويلها إلى بيروفات (مع صافي إنتاج 2 جزيئات من ATP لكل جزيء الجلوكوز)، والتي يمكن تخفيضها إلى اللاكتات أو نقلها إلى الميتوكوندريا ليتم تحويلها إلى أسيتيل-CoA وتدخل دورة TCA. تستمر دورة TCA في ركوب الدراجات التي تغذيها جزيئات أكثر من أسيتيل-COA وتنتج CO2 (التي ستنتشر في نهاية المطاف خارج الخلية ، ومن خلال التفاعل مع H2O في الوسط ، سوف تولد حمض الكربونيك الذي سيؤدي إلى تحمض الوسط) و NADH ، الجزيء المسؤول عن التبرع بالإلكترونات لسلسلة نقل الإلكترونات (ETC). الإلكترونات السفر من خلال مختلف مجمعات البروتين وأخيرا قبلت من قبل الأكسجين. هذه المجمعات (I, III و IV) أيضا ضخ H+ من مصفوفة الميتوكوندريا في الفضاء intermembrane. ونتيجة للتدرج الكهروكيميائي المتولدة، فإن H+ سيدخل مرة أخرى في المصفوفة من خلال V المعقدة (ATP-synthase)، باستثمار الطاقة المحتملة المتراكمة في توليد ATP.
يمكن منع كل من تحلل التحلل والتنفس الميتوكوندريا في نقاط مختلفة باستخدام مثبطات. وكان معرفة واستخدام هذه المثبطات الأساس لتطوير مقايسة التدفق خارج الخلية. من خلال قياس اثنين من المعايير البسيطة في الوقت الحقيقي مثل الهيدروجيني والأكسجين، محلل تدفق خارج الخلية يستنتج معدل تحلل الغليك والتنفس الميتوكوندريا في لوحة 96-جيدا. يتم إجراء اختبار الإجهاد تحلل في وسط القاعدية دون الجلوكوز (الشكل 1B)7. والقياسات الأولى لمعدل التحمض خارج الخلية (ECAR) تدل على تحمض تحلل مستقل. ويشار إلى هذا التحمض غير glycolytic ويرتبط مع CO2 التي تنتجها TCA التي، كما أوضح من قبل، يجمع مع H2O في المتوسط لتوليد H+ (ECAR المرتبطة TCA). الحقنة الأولى هي الجلوكوز للحث على استخدام الجلوكوز وتعزيز تحلل الجلوكوز. الحقنة الثانية تجمع بين كل من الرتينون، مثبطات معقدة I، ومضاد مضادة للاكتئاب A، مثبط مجمع الثالث معا، لمنع الخلايا ETC تستجيب لهذا الانخفاض الكبير في إنتاج ATP الميتوكوندريا عن طريق تفعيل تحلل للحفاظ على مستويات ATP الخلوية، وهذا يمثل كمية من glycolysis التي لا تستخدمها الخلية في الحالة القاعدية ولكن يمكن أن يحتمل أن يتم تجنيدها استجابة للزيادات في ATP الطلب (تعويض الجلسانية). الحقنة الثالثة هي الجلوكوز التناظرية 2-Deoxyglucose (DG)، الذي ينافس الجلوكوز كركيزة للهكية الانزيم. لا يمكن تحويل نتاج هذا الفسفر، 2-deoxyglucose-6-الفوسفات إلى بيروفات، وبالتالي يتم حظر تحلل، مما يقلل من ECAR إلى الحد الأدنى. ويشمل قياس الـ ECAR في هذه المرحلة مصادر أخرى من التحمض خارج الخلية لا تعزى إلى تحلل التحلل أو النشاط التنفسي، وكذلك إلى أي تحلل متبقي لا يمنعه بشكل كامل 2-DG (بعد 2-DG-acidification).
يتم تنفيذ اختبار الإجهاد الميتوكوندريا في المتوسط مع الجلوكوز (الشكل 1C)8. القياسات الأولى لمعدل استهلاك الأكسجين (OCR) تتوافق مع الخط الأساسي لتنفس الميتوكوندريا (التنفس القاعدي). الحقنة الأولى هي أولغوميسين، الذي يمنع عودة البروتونات من خلال سينثاز ATP (V المعقدة)، وحجب تركيب ATP وبالتالي بسرعة فرط القطب غشاء الميتوكوندريا، مما يمنع ضخ البروتونات من خلال مجمعات الجهاز التنفسي، ويؤدي إلى انخفاض في OCR. وتمثل المقارنة بين التنفس الأساسي والقيمة التي تُعطى عن طريق إضافة ألتغوميسين التنفس المرتبط بـ ATP. ويسمى معدل أقليجوميسين المتبقية من استهلاك الأكسجين تسرب البروتونات، والذي يمثل تدفق البروتونات من خلال ثنائي الدهون أو البروتينات في الغشاء الميتوكوندريا الداخلية مثل النيوكليوتيدات أدينينtranslocase 9. الحقنة الثانية هي uncoupler 2،4-dinitrophenol (DNP)، وهو ionophore الذي يحفز دخول ضخمة من H+ في مصفوفة الميتوكوندريا، مما يؤدي إلى إزالة القطب من غشاء الميتوكوندريا وتعطيل تخليق ATP الميتوكوندريا. تستجيب الخلايا لتبديد قوة البروتون الدافعة عن طريق زيادة معدل نقل الإلكترون واستهلاك الأكسجين إلى أقصى مستويات في محاولة عقيمة لاستعادة إمكانات الغشاء (القدرة التنفسية القصوى). والفرق بين القدرة التنفسية القصوى والتنفس القاعدي هو قدرة الجهاز التنفسي الاحتياطية للخلية، والتي تمثل كمية التنفس التي لا تستخدمها الخلية لتوليد ATP في الحالة القاعدية ولكن يمكن أن يكون من المحتمل تجنيد استجابة للزيادات في الطلب ATP أو في ظل ظروف الإجهاد8. الحقنة الثالثة هي مزيج من الروتينون ومضادات الديميسينين A. هذه الحقن توقف تماما وSOCS انخفاض OCR إلى أدنى مستوى لها، مع استهلاك الأكسجين المتبقية يجري غير الميتوكوندريا (الناجمة عن NADPH-أوكسيداسيس، الخ).
يمكن أن التغيرات في المسارات الأيضية التنبؤ بطريقة أو بأخرى عمل الخلايا NK، كما اقترح أن التنشيط المستمر للخلايا NK مع السيتوكينات في المختبر يمكن أن يؤدي إلى استنفاد الخلايا NK من خلال دراسة مسارات التمثيل الغذائي المختلفة10،11. العلاقة بين NK حالة الأيضية الخلية والوظيفة مهم جدا من وجهة نظر العلاج المناعي السرطان. في هذا المجال، تم اختبار تفعيل خلايا NK مع ضخ IL-15، وحدها أو بالاشتراك مع الأجسام المضادة العلاجية أحادية النسيلة من أجل تحسين الخلايا السرطانية قتل12،13،14. من شأن معرفة الحالة الأيضية للخلايا NK استجابة لهذه الاستراتيجيات العلاجية توفير مؤشر قيمة لحالة تنشيط الخلية NK و وظيفة القتل.
وقد وصفت دراسة المسارات الأيضية في الخلايا النخاعية واللمفاوية الأخرى مثل الخلايا الأحادية، T و B الخلايا15 والطرق الأمثل قد نشرت16. في هذا البروتوكول ونحن نقدم طريقة تجمع بين كل من بروتوكول العزلة NK التي تعطي أعدادا كبيرة من الخلايا النقية والقابلة للحياة NK وبروتوكول محسن لقياس النشاط الأيضي باستخدام محلل تدفق خارج الخلية. هنا نظهر أن هذا هو وسيلة صالحة لدراسة التغيرات الأيضية في الراحة و IL-15 تنشيط الخلايا NK الإنسان. بالنسبة للفحص الخارج عن الخلية، تم اختبار المعلمات مثل عدد الخلايا وتركيزات الأدوية وتحسينها. بالمقارنة مع أساليب التنفس الأخرى ، محلل تدفق خارج الخلية مؤتمتة بالكامل وقادرة على اختبار في الوقت الحقيقي ، مع كميات منخفضة جدا من الخلايا ، تصل إلى 92 عينات في وقت واحد ، وبالتالي يسمح بالفحص عالي الإنتاجية (مع عينات متعددة ومكررات) بطريقة سريعة نسبيا17.
يمكن استخدام هذه الطريقة من قبل الباحثين المهتمين في تقييم وظيفة الخلية NK من خلال دراسة NK استقلاب الخلية. ويمكن تطبيقه كذلك على الخلايا التي تنشطها السيتوكينات الأخرى، والأجسام المضادة أو المحفزات القابلة للذوبان.