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Summary

这里，我们表明分离的人血小板可以用作一个可访问的体外模型来研究的代谢适应响应于I抑制剂鱼藤酮的复合物。这种方法通过液相色谱 – 质谱法使用同位素示踪和相对定量，并且可以应用于各种研究设计的。

Abstract

Perturbed mitochondrial metabolism has received renewed interest as playing a causative role in a range of diseases. Probing alterations to metabolic pathways requires a model in which external factors can be well controlled, allowing for reproducible and meaningful results. Many studies employ transformed cellular models for these purposes; however, metabolic reprogramming that occurs in many cancer cell lines may introduce confounding variables. For this reason primary cells are desirable, though attaining adequate biomass for metabolic studies can be challenging. Here we show that human platelets can be utilized as a platform to carry out metabolic studies in combination with liquid chromatography-tandem mass spectrometry analysis. This approach is amenable to relative quantification and isotopic labeling to probe the activity of specific metabolic pathways. Availability of platelets from individual donors or from blood banks makes this model system applicable to clinical studies and feasible to scale up. Here we utilize isolated platelets to confirm previously identified compensatory metabolic shifts in response to the complex I inhibitor rotenone. More specifically, a decrease in glycolysis is accompanied by an increase in fatty acid oxidation to maintain acetyl-CoA levels. Our results show that platelets can be used as an easily accessible and medically relevant model to probe the effects of xenobiotics on cellular metabolism.

Introduction

功能失调线粒体代谢已牵涉多种疾病，包括神经变性，肿瘤和心血管疾病^30。这样，巨大的努力已被放在特征有助于疾病的发病机制的代谢缺陷。液相色谱-串联质谱（LC-MS / MS）被认为是用于从复杂的生物基质分析物定量的黄金标准，并经常用于代谢研究^8。然而，由于经常与生物医学研究中的情况下，获得有关人类疾病可访问的和明确的模型是一个挑战。

许多研究聘请转化的细胞模型，用于探测生物异源物质或遗传异常的对细胞代谢^7,9的影响。发生在肿瘤细胞中可引入混杂代谢重新编程因子^21，因此不理想。这些问题可以是circumve原发性细胞模型nted，虽然获得足够的生物质的代谢分析可以是具有挑战性的。此外，大量的文化中使用抗生素的影响已经凸显为潜在的混杂线粒体研究^16。

人血小板无力利用与代谢研究^5,22,27,32足够的线粒体内容主要细胞模型的机会。首先，血小板可容易地获得的，通过抽血从个体供体，或从血库大量，因此提供其中外部因素可容易地控制的模型。其次，由于它们的尺寸小，血小板可以很容易地从其它血液成分以最小的准备工作中，即使最小装备的实验室⁵隔离。值得注意的是，血小板不含有晶核，因此可以被用来改变独立地转录调控的研究来代谢。这里，我们表明除了酰基辅酶A（辅酶A）硫酯的相对定量，分离的血小板系统可用于检查碳代谢。具体地讲，我们报道了使用代谢标记的稳定同位素（非放射性）标记的^[13 C _6]葡萄糖和^[13 C _16] -palmitate探测的^[13℃] -label掺入重要代谢产物乙酰经由糖酵解或脂肪酸氧化辅酶A.这提供了一个有力的，概括的，和多功能平台由于酰基-CoA物种的生化途径^13,24广泛参与和该系统对测试其他变量，如复合物I的抑制鱼藤酮^3,33的易处理性。除了 ​​下面的协议中提供的信息，用于对同位素标记和用于基于LC-MS-分析的方法的广泛的说明可在巴苏和Blair ⁴中找到。

Protocol

伦理学声明:关于人体标本的处理所有协议遵循美国宾夕法尼亚大学的人类研究伦理委员会的指导方针。

1.缓冲区的制备及100X母液

1. 制备1升的碱蒂罗德缓冲液中。结合8.123克氯化钠，1.428克_{碳酸氢钠，0.466}克_氯化钙 ∙2 H ₂ 0，0.224克KCl和0.095克的MgCl _2，调整总体积至1L用的DDH ₂ O过滤消毒基地台氏缓冲区。
2. 准备葡萄糖和棕榈酸的100倍储备溶液。对于100倍的葡萄糖储备液，溶解100毫克的葡萄糖或^[13 C _6]葡萄糖1毫升的DDH ₂ O的为100倍，棕榈酸溶液，溶解2.56毫克棕榈酸或在1ml乙醇2.72毫克^[13 C _16] -棕榈酸。过滤消毒100X原液。
3. 准备适当富集台氏缓冲器<ol>
4. 对于非标记研究，加入1毫升的100倍的葡萄糖储备溶液和1ml的100倍的棕榈酸储备溶液至98的基台氏缓冲毫升。
5. 葡萄糖标记研究，加入1毫升的^100×[13 C _6]葡萄糖储备溶液和1ml的100倍的棕榈酸储备溶液至98的基台氏缓冲毫升。
6. 为棕榈酸标记研究，将1ml ^[13 C _16] -棕榈酸原液的100倍葡萄糖储备溶液和1ml添加到98的基台氏缓冲毫升。

准备鱼藤酮治疗解决方案

1. 制备鱼藤酮在二甲亚砜（DMSO）中的10mM储液。
2. 对于非贴标剂量反应的研究，进行1.4.3。对于以单剂量标记研究，继续执行1.4.5。
3. 在DMSO执行的10mM鱼藤酮的库存的系列稀释以获得具有鱼藤酮的浓度范围为1nM至100μM的解决方案。这是100倍的股票秒。
4. 加入50微升每只股票的5毫升基地台氏缓冲+葡萄糖+棕榈酸从1.3.1准备用鱼藤酮浓度从晚上10点到1微米的解决方案。备选地，添加50微升的DMSO作为载体对照。继续执行2.1。
5. 稀释的10mM储备液1,000倍的DMSO以获得10微米的工作溶液。
6. 加入50微升这股给每个基地台氏缓冲+5毫升^[13 C _6]葡萄糖+棕榈酸从1.3.2和基地台氏缓冲+葡萄糖+ ^[13 C _16]从1.3.3 -棕榈酸。的最终浓度为100nM的鱼藤酮。另外，加入50微升DMSO的每一个缓冲区，作为车辆的控制。

2.血小板隔离

注意:此方法是适合于从全血或血小板从衍生袋血小板。本文中的示例数据准备利用血小板衍生袋血小板。请参见Basu等人 ⁵为使用从全血中分离血小板有关的更多细节。

1. 从全血中分离血小板
   注意:如果从血小板一袋血小板分离，继续2.2.1。
   1. 离心全血为在没有刹车的15分钟175×g的。
   2. 传输1毫升上层富血小板血浆（PRP）层到1.5ml微量离心管中。
   3. 离心在400×g下将PRP 5分钟。
   4. 吸上清并继续执行步骤3.1或3.2。
2. 从血小板袋血小板隔离
   1. 传输1毫升血小板悬浮液至1.5ml微量离心管中。
   2. 离心在400 xg离心悬浮液5分钟。
   3. 吸上清并继续执行步骤3.1。或3.2。

3.进行实验

1. 为了确定异生的作用治疗（ 例如，鱼藤酮）上感兴趣的代谢物的水平（ 例如，乙酰-CoA），继续3.1.1。来确定到感兴趣的下游代谢产物的代谢前体的掺入生物外源性（ 例如 ，鱼藤酮）的效果，进行3.2.1。
   1. 不使用少于三个生物复制为每个条件，从步骤2.1.4或2.2.3在1毫升每种解决方案的步骤1.4.4悬浮颗粒血小板。
   2. 在水夹套_的 CO ₂培养箱设定为95％湿度，5％CO ₂和37℃下1小时孵育再悬浮血小板。继续执行步骤4.1
      注意:这里介绍一个剂量反应实验。或者，时程实验可以做，其中所述剂量是固定和温育的长度是变化的，而不是。
2. 以确定代谢前体掺入的生物外源性处理的效果到感兴趣的下游代谢产物。
   1. ü唱不超过每个条件的三次生物学重复较少，从步骤2.1.4或2.2.3在标台氏缓冲每个配方1毫升步骤1.4.6悬浮颗粒血小板。
   2. 在水夹套_的 CO ₂培养箱设定为95％湿度，5％CO ₂和37℃下1小时孵育再悬浮血小板。继续执行步骤4.1。

4.淬火和CoA提取

1. 通过以3000 xg离心离心3分钟沉淀血小板。
2. 吸上清。
3. 在750微升冰冷的10％三氯乙酸悬浮血小板（重量/体积）。
4. 添加适当的稳定同位素标记的内部标准。例如，如果目标是辅酶物种的水平跨样品比较，用100微升的稳定同位素如前所述从酵母得到的标辅酶A硫酯（SILEC技术^）29的混合物。
5. 脉冲声处理每个样品以0.5秒的脉冲30​​次。
6. 离心样品以16,000 xg离心在4℃下10分钟。
7. 贴上C18固相萃取（SPE）列真空歧管。
8. 调节用1ml甲醇的列。
9. 平衡柱用1ml的DDH ₂ O
10. 通过列运行样品衍生的上清液（约850微升在这种情况下）。
11. 用1毫升清水洗净列。
12. 放入10毫升玻璃离心管到真空歧管，收集洗脱部分。
13. 用在甲醇中加入1ml的25mM乙酸铵洗脱该柱。
14. 在氮气下干燥洗脱液。
15. 悬浮干燥残留在50μl5％（重量/体积）的5-磺基水杨酸并转移到HPLC小瓶中。

5. HPLC安装

1. 使用控制软件的HPLC系统中，创建与目标分析物和利用柱进行了优化，如表1中所列的HPLC条件的方法。
   注:列TEMPERAT用于该数据的生成URE为25℃，但在特定的参数将通过仪器和相对于感兴趣的化合物而变化。为酰基辅酶A的定量，LC-MS分析的多种方法已被报道，并验证在不同LC条件^14,19,20不同的分析物。
2. 让HPLC充分平衡。
   注意:这应包括溶剂的两个涂刷在该方法的起始溶剂条件附接柱的柱和平衡之前。该平衡容积应按照制造商的指示，以及由此产生的污水应分流到废液。
   注:请巴苏和布莱尔⁵关于HPLC设置的详细信息。

6.质谱仪设置

1. 使用控制软件用于质谱仪，创建用于检测感兴趣的化合物的离子化形式靶向方法。参数介绍在表2中。
   注意:这些化合物的稳定同位素类似物应被用来确定一个正或负模式下是否能给予优良的灵敏度和优化源和光学条件为它们的检测。质谱仪方法的总检测时间应该对应于相关的高效液相色谱法的时间分量。
   注意:如前面提到的，酰基-CoA分析的多种方法已被报道，包括正面¹⁴和负电离¹⁵模式和使用高分辨率质谱仪¹⁷的，而不是一个三重四极杆仪器^28。
2. 清洁和校准仪器，建立一个稳定的喷雾进入光谱仪，并且允许时间校准溶液充分从源，并根据制造商的说明光学消散。
3. 设置为所有与质谱仪控制软件的样本的序列。 Inclu取消名称或数字标识符，并注明相应的注射量和仪器法。运行的第一个样品之前的空白，并根据需要来减轻残留或基体效应样品之间运行的其他空白和洗涤。
   注意:峰积分所选分析物”液体色谱的处理方法，通常可以此顺序内设定或随后在数据处理中应用。
4. 开始的顺序和周期性地监视质谱仪和HPLC系统的问题，包括压力波动或系统故障以及在运​​行期间的信号强度的损失。
   注:严重问题或持续运行故障可能需要停止运行和吹扫和重新平衡的HPLC系统以及清洁和校准质谱仪。巴苏咨询和布莱尔⁵关于MS的设置和数据处理的更多细节。

Representative Results

Discussion

在这里，我们已经表明孤立血小板的效用作为研究扰动线粒体代谢的平台。具体地，我们已响应于鱼藤酮复合物I抑制其特征代谢适应。

目前的研究复杂我抑制细胞系对人类血小板的作用鱼藤酮扩展先前报告的调查结果。重要的是，这已表明，鱼藤酮也抑制血小板琥珀酰-CoA的形成，刺激在血小板βHB辅酶A的增加和对乙酰-CoA的血小板水平没有影响。

极大必须小心，以确保任何此类型的分析的有效性和可重复性。如果血小板将被从全血中分离，如在为了防止淋巴细胞污染和血小板激活上述隔离应完全进行，用专门留下含淋巴细胞undis血沉棕黄层特别注意受扰。为了使剂量响应曲线有意义，连续稀释必须精确地进行，并在每个步骤中的混合至均匀。血小板再悬浮后，孵育条件可以不同于上面详述被修改，但它们必须在整个治疗组中进行严格的标准化，以允许有意义的比较来进行。也许在任何定量的LC / MS分析中最重要的步骤是使用稳定同位素标记的内标。

利用内部标准在此设置非常重要，因为它可以防止潜在的混杂”批量效应”，如可变萃取效率和整个样本分析物的稳定性。内标物加成，（再次，混合至均匀）在实验协议尽早减少工件的可能性。最后，如​​在任何实验中，使用多个复制为每个实验条件是必不可少的，如果可行的话的基础上，中间试验功率计算可能是有用的。

血小板可以从个体或汇集源^5,27,32迅速分离，从而使该方法适合于广泛的应用范围。要注意的是，以执行涉及两个相对定量和同位素标记的研究的能力允许对代谢系统的更全面的描述是重要的。目前，这要求两个单独的试验中，这增加了实验所需的生物质的需求。出于这个原因，血小板，其可以大量容易地获得，比其他细胞培养模型更有效。

然而，尽管使用血小板赋予的众多优点，也有缺点。首先，因为有影响血小板生理学²⁵多种疾病必须小心，在人类供体的选择。另外，样品的过程中，血小板活化制备和分析是在任何基于血小板的测定一个潜在的混杂变量。由于这些原因，通过ELISA ²⁶血小板活化的标记物的伴随评估，流式细胞仪^1，或测定如光透射集合度（LTA）测定³⁴可以证明谨慎。

虽然本研究的重点是酰基辅酶A硫酯的分析，该方法可以容易地扩展到包括更大范围的分析物。非靶向代谢物组学的方法所提供的机械洞察疾病状态²³的阵列。应用这种方法不具有针对性的血小板型号将可能提供更多的洞察涉及失调细胞代谢的基本生化机制。

这种方法可以容易地扩展到包括已知与线粒体代谢干扰其他环境化学品和药物的调查^6,12,18,31，以及一个系统，以测试生物异源物质如辅酶A的代谢¹⁰的潜在调节剂的效果。另外，一般的方法可用于研究遗传性疾病如弗里德赖希共济失调^5,32代谢缺陷。此外，任何上述的实验设计的可以耦合，以便更有力地表征每个上下文²线粒体的状态的功能的呼吸测定。因此，在分离的血小板偶联稳定同位素和LC-MS分析的代谢研究是有可能得到新的机会，以进一步表征异常线粒体代谢。

Materials

<strong>Reagent</strong>
Sodium Chloride (NaCl)	Sigma-Aldrich	746398
Sodium Bicarbonate (NaHCO<sub>3</sub>)	Sigma-Aldrich	S5761
Calcium Chloride Dihydrate (CaCl<sub>2</sub> * H<sub>2</sub>O)	Sigma-Aldrich	223506
Potassium Chloride (KCl)	Sigma-Aldrich	P9541
Magnesium Chloride (MgCl<sub>2</sub>)	Sigma-Aldrich	208337
Glucose	Sigma-Aldrich	G8270
<sup>13</sup>C<sub>6</sub>-Glucose	Sigma-Aldrich	389374
Palmitic acid	Cayman	10006627
<sup>13</sup>C<sub>16</sub>-Palmitic Acid	Sigma-Aldrich	605573
Rotenone	Sigma-Aldrich	R8875
Trichloro Acetic Acid	Sigma-Aldrich	T6399
5-Sulfosalicylic Acid	Sigma-Aldrich	390275
Acetonitirle	Fischer Scientific	A996-4	(optima)
Water (H<sub>2</sub>O)	Fischer Scientific	W7-4	(optima)
Formic acid	Fischer Scientific	85171	(optima)
Dimethyl Sulfoxide	Sigma-Aldrich	472301
Ethanol	Fischer Scientific	04-355-222
Methanol	Fischer Scientific	A454-4	(optima)
Ammonium Acetate	Fischer Scientific	A639-500
2 ml Eppendorf Tubes	BioExpress	C-3229-1
LC vials (plastic)	Waters	186002640
10 ml Glass Centrifuge Tubes	Kimble Chase	73785-10
Oasis Solid Phase Extraxtion (SPE) Columns	Waters	WAT094225
Pastuer Pipets	Fischer Scientific	13-678-200
<strong>Name</strong>	<strong>Company</strong>	<strong>Catalog Number</strong>	<strong>Comments</strong>
<strong>Equipment</strong>
CO<sub>2</sub> Water-Jacketed Incubator	Nuaire	AutoFlow NU-8500
Triple Quadropole Mass Spectrometer	Thermo Scientific	Finnigan TSQ Quantum
HPLC	Thermo Scientific	Dionex Ultimate 3000
Source	Thermo Scientific	HESI II
HPLC Column	Phenomenex	Luna C18	3 &mu;m particle size, 200 mm x 2 mm