实时细胞代谢通量检测利用pH和氧气传感器,测量氧消耗速率和细胞外酸化速率,分别对应线粒体和糖酵解途径的三磷酸腺苷(ATP)生成。本文详细阐述了一种用于理解成骨细胞能量状态以及细胞生物能量状态的表征与解读方法。
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实时细胞代谢通量检测利用pH和氧气传感器,测量氧消耗速率和细胞外酸化速率,分别对应线粒体和糖酵解途径的三磷酸腺苷(ATP)生成。本文详细阐述了一种用于理解成骨细胞能量状态以及细胞生物能量状态的表征与解读方法。
成骨细胞介导的骨形成是实现正常骨量积累和骨转换、维持骨骼稳态并最终预防骨折的关键过程。为了优化峰值骨量并应对多种肌肉骨骼疾病(如绝经后骨质疏松症、神经性厌食、1型和2型糖尿病),骨生物学领域已投入巨大努力,以全面表征成骨细胞在其分化全过程中的特性。鉴于成熟成骨细胞的主要功能是分泌基质蛋白和矿化囊泡,研究发现这些过程需要消耗大量的细胞能量,即三磷酸腺苷(ATP)。细胞总体能量状态通常被称为细胞生物能量学,其包含一系列代谢反应,通过感知底物的可利用性来生成ATP,以满足细胞需求。因此,本方法详细描述了分离原代小鼠骨髓基质细胞(BMSCs)并利用实时细胞代谢通量分析仪,在成骨细胞分化的不同阶段监测其生物能量状态的过程。重要的是,这些数据表明,代谢谱在成骨细胞分化过程中发生显著变化。因此,使用这种生理相关性细胞类型对于充分理解细胞的生物能量状态如何调控其整体功能至关重要。
成骨细胞形成骨骼的过程伴随着破骨细胞对骨骼的协调性破坏或吸收。成骨细胞介导的骨形成与破骨细胞介导的骨吸收之间的平衡,是一种偶联过程,描述了骨转换或骨重塑,这对维持骨骼稳态至关重要。成骨细胞功能障碍会导致骨形成受损,进而引发多种疾病,包括骨质疏松症1,2,3. 离体/体外 骨髓基质干细胞(BMSCs)向成骨细胞前体及成熟成骨细胞分化,随时间推移在培养容器中形成并沉积矿化的骨基质4,5,6成骨细胞介导的骨形成需要大量的细胞能量。研究表明,胶原蛋白的合成与分泌高度依赖于细胞内的ATP:ADP比率;此外,矿化囊泡的运输与分泌过程可能也需要额外的ATP。7,8,9,10,11许多研究人员已经证实,成骨细胞生成过程及成骨细胞功能需要充足的能量供应,以满足骨形成过程中的代谢需求12,13,14,15,16因此,本方法的目标是利用实时细胞代谢通量分析仪,对小鼠原代基质细胞在成骨细胞分化过程中的生物能量状态进行表征。这些技术有助于深入理解骨骼稳态,最终可能为开发改善骨骼疾病的新治疗方案提供依据。
实时细胞代谢通量分析仪可用于测量活体成骨细胞的耗氧率(OCR)和细胞外酸化率(ECAR),分别对应线粒体ATP生成和糖酵解ATP生成。该方法学的基本原理在于,每消耗一个O₂分子所产生的ATP分子数,与通过糖酵解每产生一个乳酸分子所生成的ATP分子数之间存在确定的化学计量关系。+ 糖酵解过程中,葡萄糖转化为乳酸时会释放出氢离子,导致培养基 pH 值变化,该变化反映在细胞外酸化率(ECAR)数值中。相反,在三羧酸(TCA)循环期间,发生氧化磷酸化。 通过 线粒体产生 CO2 通过利用或消耗氧气,因此监测耗氧率(OCR)能够反映这一代谢过程。该分析仪可同时实时测量细胞外微环境中的耗氧率(OCR)和细胞外酸化率(ECAR),在细胞生物能量学研究中具有巨大潜力6,17此外,这些检测方法操作相对简便,并可根据实验目的轻松进行定制。类似的技术已被用于进一步理解T细胞对免疫系统代谢的调控作用。18,19癌症起始与进展20,以及多种其他细胞类型在代谢综合征中的作用21,22.
与替代技术相比,实时代谢通量分析仪的优势包括:(1)能够实时测量活细胞的细胞生物能量学;(2)可用相对少量的细胞进行检测(最低仅需5,000个细胞);(3)配备加样口,可在高通量96孔系统中平行施加多种处理;(4)采用无需放射性标记的自动细胞成像仪进行归一化处理18,23,24。以下方法旨在提供利用该分析仪在成骨细胞分化过程中对小鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)的细胞生物能量学进行监测的一般性但详细的描述。文中将包含常规检测方法;然而,与许多技术和方法一样,强烈建议各实验室根据自身实验需求确定具体操作细节。
检测方法的选择及可用的检测类型:目前有多种多样的检测试剂盒和试剂可用于研究细胞的生物能量代谢,同时确保实验结果的可靠性和可重复性。此外,配套的桌面软件还提供可轻松自定义的检测模板。用户可根据自身需求设定检测方案,以测量不同的代谢参数。这些检测方案可根据实验目标和/或科学问题以多种方式进行调整。例如,利用四个加样端口,可将多种化合物依次加入检测体系中,以分析细胞对各特定代谢通路的响应。
细胞能量表型检测:该检测用于测量活细胞的代谢表型及代谢潜能。该检测也推荐作为了解通路特异性代谢概况的第一步。通过注射寡霉素A(ATP合酶抑制剂)与羰基氰化物-4-(三氟甲氧基)苯腙(FCCP,线粒体解偶联剂)的混合物,以评估细胞的能量潜能。注射寡霉素A会抑制ATP的合成,导致糖酵解速率(ECAR)上升,使细胞能够满足其能量需求;而注射FCCP则因线粒体膜去极化,导致氧消耗率(OCR)升高。本质上,该检测可反映基础代谢呼吸状态,并在两次注射(即施加推力或应激)后,揭示细胞的代谢响应。基于这些参数,软件可随时间绘制出细胞的OCR和ECAR变化,并将细胞分类为有氧型、静息型、糖酵解型或高能量型状态25,26。
ATP 实时生成速率检测:该检测可同时测量细胞通过糖酵解和线粒体呼吸产生的 ATP。此方法可定量评估两条能量通路之间的代谢转换,并提供随时间变化的线粒体和糖酵解 ATP 生成速率数据。该检测首先获取基础氧消耗率(OCR)和细胞外酸化率(ECAR)数据,随后通过注射寡霉素 A 计算线粒体 ATP 生成速率,以及通过注射鱼藤酮 + 抗霉素 A 混合物(完全抑制线粒体功能)计算糖酵解 ATP 生成速率,从而导致线粒体酸化17,27。
细胞线粒体应激测试(或细胞线粒体功能测试):该测试通过检测ATP偶联呼吸来评估线粒体功能,定量分析细胞生物能量状态,识别线粒体功能障碍,并测量细胞对压力的反应。一次实验即可获得多个参数,包括基础呼吸能力、备用呼吸能力、ATP偶联呼吸、最大呼吸速率以及非线粒体氧消耗。该实验通过依次注射寡霉素A、FCCP(线粒体解偶联剂)以及鱼藤酮/抗霉素A抑制剂混合物,高效分析这些试剂对线粒体功能的影响28。
线粒体燃料灵活性测试:该方法通过检测三种主要线粒体燃料在有无其特异性抑制剂存在时的氧化情况,来测定线粒体呼吸速率。依次抑制葡萄糖、谷氨酰胺和脂肪酸的氧化途径,有助于评估细胞对不同代谢通路的依赖性、代谢能力及代谢灵活性,从而揭示细胞如何利用不同通路满足能量需求。当线粒体无法通过氧化其他燃料来补偿被阻断通路的能量需求时,细胞即进入依赖状态。细胞的代谢能力通过先抑制另外两条替代通路,再抑制目标通路来计算。细胞的代谢灵活性反映了线粒体补偿被抑制通路燃料需求的能力,其数值通过从细胞代谢能力中减去依赖性得到。本实验使用三种不同的抑制剂,可单独使用或两两组合,以准确测定各项参数。2-氰基-3-(1-苯基-1H-吲哚-3-基)-2-丙烯酸(UK5099)通过阻断糖酵解中的丙酮酸载体来抑制葡萄糖氧化;双-[2-(5-苯乙酰胺基-1,3,4-噻二唑-2-基)]乙基硫醚(BPTES)抑制谷氨酰胺氧化通路;依托莫匹(etomoxir)抑制长链脂肪酸的氧化29。

图1:成骨细胞培养与制备用于分析的实验方法示意图。 小鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)从长骨中分离后进行培养,并以每孔25,000个细胞的密度接种于96孔板中。当细胞达到80%–100%融合度时,开始使用成骨细胞特异性培养基培养,以启动其向成骨细胞的分化过程。在分化的不同阶段进行各项检测。检测前一天,对传感器微孔板条进行水化处理。在检测当天,根据实验需求将不同的抑制剂注入传感器微孔板条的加样孔中,并向96孔校准板中加入校准缓冲液。完成校准后,进行实时细胞代谢通量检测,随后使用微孔板成像仪对细胞培养板进行成像,以将实时细胞代谢通量分析仪的数据归一化至细胞数量。请点击此处查看该图的放大版本。
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所有实验程序均依据范德堡大学医学中心机构动物护理和使用委员会的指南和批准进行。
1. 试剂的准备与检测设置

图2:专为分析仪设计的细胞培养微孔板。(A)标示出四个用于背景校正的孔位A1、A12、H1、H12,这些孔中仅含有检测培养基,不含任何细胞。(B)位于板侧的条形码,用于通过成像读取仪和分析仪扫描识别该板。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 细胞外通量校准用传感器盒的制备
3. 实时细胞代谢通量分析仪培养基的制备
4. 传感器盒用化合物的制备
5. 为检测准备细胞培养微孔板
6. 实验检测与成像的设置

图3:控制器软件。 软件可验证设备是否已连接,并将其设置为37 °C。可根据实验目标,从不同检测类型的模板文件中进行选择,以进一步定制使用细胞外通量分析仪开展的检测。 请点击此处查看该图的放大版本。
7. 获取明场图像
注意:此步骤为可选。若无成像设备,可跳至步骤8。

图4:细胞成像软件通过计算机与成像读取仪进行通信。 可在检测前后对微孔板中的细胞进行成像,并在检测后获得每孔的细胞计数,用于数据归一化。 请点击此处查看该图的放大版本。
8. 运行检测
9. 获取荧光图像并进行归一化处理
注意:此步骤是骨髓间充质干细胞(BMSCs)和成骨细胞标准化的可选但推荐方法。如果缺乏成像设备,则需要采用其他标准化方法,例如蛋白质或DNA的分离与定量。

图 5:用于对实验数据进行归一化的成像软件所生成的代表性图像。(A)拼接的明场图像,显示整个孔内细胞的融合情况。(B)拼接的荧光图像,显示经Hoechst染色的成骨细胞细胞核,用于计数细胞数量以对实验结果进行归一化。这些成骨细胞为分化7天后的细胞。请点击此处查看该图的放大版本。
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图6:用于了解对照组与处理组细胞生物能量特征及其相应标准误差的常规检测代表性图示。(A)细胞能量表型检测。该图展示了对照组与两个处理组(n = 3)的糖酵解(ECAR)与线粒体呼吸(OCR)的关系。寡霉素A和FCCP刺激剂的加入提高了基础活性,以空心符号表示;实心符号表示细胞对不同刺激剂的反应。(B)实时ATP生成速率检测。ATP生成速率检测表明,对照组和处理组(n = 2)均通过糖酵解产生比氧化磷酸化更多的ATP。(...
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实时细胞代谢通量分析仪可用于研究不同条件下细胞的能量代谢。本方案详细阐述了骨髓间充质干细胞(BMSCs)的高效分离、在适宜细胞培养板中进行培养,以及向成熟成骨细胞分化的步骤,所获得的细胞可用于基于细胞外通量分析仪的多种检测。此外,还详细说明了实时细胞代谢通量检测的关键步骤,包括传感器微孔板的水化、加样孔的加载、检测操作、数据归一化及数据分析。该检测通过评估成骨细胞对不同线粒体和糖酵解抑制剂的反应,以解析细胞的生物能量学特征。本方案针对成骨细胞的细胞类型进行了专门优化,相较于仪器制造商的标准操作流程,提供了更可靠且精确的指导。本方案中的多个参数,包括细胞接种密度、化合物浓度、培养基中外源底物的添加以及缓冲能力等,均需根据特定的细胞类型及其背景进行优化。
细胞外通量分析仪可快速、可靠地检测细胞代谢功能 离体 培养的细胞。与其他生物学检测方法相比,该检测的总时长通常为60至120分钟。仪器通过维持预设的37 °C温度,保持细胞和生理条件的正常状态,从而在降低操作复杂性的同时实现高效且可重复的检测结果。通常在加入抑制剂之前,连续记录三到四次基础氧消耗率(OCR)和细胞外酸...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由美国国立卫生研究院(NIH)国家关节炎与肌肉骨骼和皮肤病研究所(NIAMS)资助项目 AR072123 和国家老龄化研究所(NIA)资助项目 AG069795(资助给 ERR)支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.25% 胰蛋白酶 EDTA | Sigma-Aldrich | T4049 | |
| 2-氰基-3-(1-苯基-1H-吲哚-3-基)-2-丙烯酸 | Sigma - Aldrich | PZ0160 | UK5099 |
| 抗霉素 A | Sigma - Aldrich | A8674 | |
| 抗坏血酸 | Sigma-Aldrich | A4544-100G | |
| 双-2-(5-苯乙酰胺基-1,3,4-噻二唑-2-基)乙基硫醚 | Sigma - Aldrich | SML0601 | BPTES |
| 羰基氰化物-4-(三氟甲氧基)苯腙 | Sigma - Aldrich | C2920 | FCCP |
| Cytation 5 成像读板仪 | BioTek | N/A | 微孔板成像仪 |
| 依托莫西钠盐水合物 | Sigma - Aldrich | E1905 | |
| Hoechst 33342 溶液 (20 mM) | Thermo Scientific | 62249 | |
| 胰岛素 | Sigma - Aldrich | I6634 | |
| 牛血清白蛋白-油酸复合物 | Sigma - Aldrich | O3008 | |
| 寡霉素 A - 5 mg | Sigma - Aldrich | 75351 | |
| 鱼藤酮 | Sigma - Aldrich | R8875-1G | |
| Seahorse XF 1.0 M 葡萄糖溶液 | Agilent Technologies | 103577-100 | |
| Seahorse XF 100 mM 丙酮酸溶液 | Agilent Technologies | 103578-100 | |
| Seahorse XF 200 mM 谷氨酰胺溶液 | Agilent Technologies | 103579-100 | |
| Seahorse XF DMEM 培养基 | Agilent Technologies | 103575-100 | 含 5 mM HEPES (pH 7.4) 的 DMEM 检测培养基,不含酚红、碳酸氢钠、葡萄糖、丙酮酸和 L-谷氨酰胺 |
| Seahorse XFe96 分析仪 | Agilent Technologies | S7800B | 实时代谢通量分析仪 |
| Seahorse XFe96 FluxPak 试剂盒 | Agilent Technologies | 102416-100 | 包含 XFe96 传感器微孔板、细胞培养微孔板和 Seahorse XF 校准液 |
| The Cell imaging 1.1.0.11 软件 | Agilent Technologies - BioTek | ||
| Wave 软件 2.6.1 | Agilent Technologies | ||
| β-甘油磷酸钠 | Sigma-Aldrich | G9422-50G |
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