本方案描述了一种经济高效的方法,用于进行糖酵解应激测试,以量化原代小鼠小胶质细胞中的代谢重编程。在细胞分离并接受炎症刺激后,使用 freshly prepared、pH 调整的试剂测定细胞外酸化率(ECAR),随后进行蛋白标准化,从而实现对糖酵解变化的准确且可重复的评估。
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本方案描述了一种经济高效的方法,用于进行糖酵解应激测试,以量化原代小鼠小胶质细胞中的代谢重编程。在细胞分离并接受炎症刺激后,使用 freshly prepared、pH 调整的试剂测定细胞外酸化率(ECAR),随后进行蛋白标准化,从而实现对糖酵解变化的准确且可重复的评估。
小胶质细胞是中枢神经系统中的常驻巨噬细胞,能够根据生理和病理信号动态调整其代谢程序。理解这些代谢变化对于阐明其在炎症过程中的作用至关重要。本文介绍了一种详细方案,利用细胞外通量分析仪通过糖酵解应激试验,评估从小鼠新生脑皮层分离得到的原代小胶质细胞的糖酵解特征。该检测方法可实时测量细胞外酸化率(ECAR),ECAR是糖酵解活性的指标,与低pH环境(如乳酸产生)相关。本方法包括在不同条件下处理培养的小胶质细胞,以研究各种刺激(包括促炎性刺激)如何改变其代谢通路。本实验室的独特之处在于,自行配制多种试剂(包括葡萄糖、寡霉素和2-脱氧葡萄糖(2DG))的新鲜储备液,以靶向调控糖酵解通路的不同环节,并对每种试剂的pH进行精确调整,以确保实验的准确性和可重复性。该方法为研究原代小胶质细胞的糖酵解提供了可靠的平台,并有助于揭示其在炎症或疾病相关条件下的功能状态。
中枢神经系统中的细胞在正常和疾病状态下会改变其能量产生方式1,2。在主要的代谢通路中,糖酵解和氧化磷酸化(OXPHOS)是调控免疫细胞功能的关键通路——它们分别在促炎和抗炎条件下发生改变,以执行迅速而强烈的反应3,4。因此,免疫细胞能够根据炎症信号和功能状态在不同代谢通路之间切换5。小胶质细胞与其骨髓系同类细胞相似,其代谢与其功能密切相关,并能快速适应不同的代谢途径作为替代能源,表现出代谢灵活性6,7。在炎症过程中,小胶质细胞会发生快速的代谢重编程,其中糖酵解增强是促炎状态的关键代谢特征8。因此,识别细胞对特定代谢表型依赖性的检测方法使我们能够在不同条件下研究其功能状态。在本实验方案中,我们旨在确定原代小胶质细胞在促炎条件下是否依赖增强的糖酵解。为此,我们常规进行糖酵解应激测试。尽管Seahorse XFe24分析仪(细胞外通量分析仪)已被广泛用于永生化细胞系和转化细胞中ECAR的测量,但原代小胶质细胞存在独特的技术挑战,包括细胞产量有限、贴壁特性不稳定以及对培养条件高度敏感,这些因素可能干扰代谢测量结果。此外,该方法可实时测量ECAR,从而精确评估多个时间点的乳酸驱动型糖酵解,这是终点乳酸检测无法单独实现的。基于细胞外通量的代谢谱分析已在代谢研究中被广泛采用,用于表征细胞生物能量状态,因此本方案非常适合用于研究细胞活化、疾病建模或药物测试过程中的代谢转变。读者可根据自身对原代细胞内动态、高分辨率糖酵解测量的需求来判断本方法的适用性。
葡萄糖通过糖酵解代谢为丙酮酸,随后在细胞质中转化为乳酸,或在线粒体中转化为CO₂和水。葡萄糖转化为乳酸的过程导致质子释放到细胞外空间,引起培养基酸化。细胞外通量分析仪将这种酸化量化为ECAR9。在糖酵解应激试验中,细胞首先在无葡萄糖和无丙酮酸的培养基中孵育,并记录其基础ECAR值。第一次注射加入饱和浓度的葡萄糖,细胞通过糖酵解将其代谢为丙酮酸,生成ATP、NADH、水和质子。质子释放增加使ECAR升高,反映“糖酵解”活性。随后加入寡霉素以抑制线粒体ATP合成,迫使细胞完全依赖糖酵解供能。这一变化进一步增强质子梯度,导致ECAR进一步上升,该值被测定为细胞的最大糖酵解能力。最后引入2-脱氧葡萄糖(2DG),这是一种葡萄糖类似物,可竞争性抑制己糖激酶,阻断糖酵解过程,从而使ECAR下降。此下降证实此前的ECAR升高依赖于糖酵解。最大糖酵解能力与基础糖酵解水平之间的差值定义为糖酵解储备。在加入葡萄糖之前测得的初始ECAR代表由其他细胞过程引起的非糖酵解性酸化(图1)。
我们使用细胞外通量分析仪进行了糖酵解应激测试。将原始的ECAR值导出至Excel进行分析。对于每种条件,我们确定了对应于基础ECAR(葡萄糖添加前)、糖酵解(葡萄糖注射后)和糖酵解能力(寡霉素处理后)的时间点。对每个阶段内各时间点以及四次技术重复中的ECAR值进行平均,糖酵解水平通过葡萄糖添加后ECAR的升高值来计算。糖酵解能力通过寡霉素添加后ECAR的升高值来计算。糖酵解储备则通过2-DG注射后ECAR的降低值来计算。随后利用这些平均值比较不同组之间的代谢反应差异。
另一方面,为了评估耗氧率(OCR)并检测线粒体功能,通常采用线粒体应激测试(Agilent)作为标准方法,该方法可测量基础呼吸、ATP偶联呼吸、质子泄漏、最大呼吸、备用呼吸能力以及非线粒体呼吸等参数。这些参数通过依次加入特定的线粒体抑制剂获得:寡霉素(ATP合酶抑制剂)、FCCP(羰基氰化物-4-(三氟甲氧基)苯腙,一种诱导最大呼吸的解偶联剂)以及鱼藤酮/抗霉素A(复合物I/III抑制剂),从而实现对线粒体健康状态和生物能量学的定量评估10,11,12,13。因此,ECAR检测与OCR检测需在不同条件下进行。
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所有动物实验均按照加拿大动物护理委员会的指南进行,并已获得纽芬兰纪念大学动物护理委员会在协议编号22-01-DK下的批准。
1. 实验开始前的准备工作
2. 混合神经胶质细胞培养的接种(图2A)
3. 获取纯化的原代小胶质细胞(图2A)
注意:大约第10天,在星形胶质细胞层表面可见漂浮的小而圆形的细胞;这些细胞主要是小胶质细胞(图2B)。
4. 使用促炎刺激物处理原代小胶质细胞
5. 实验运行前一天进行细胞外通量检测的准备工作
6. 细胞外通量检测(第12天)
7. 用于数据量化与归一化的细胞收集
8. 培养上清液中乳酸含量的测定
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基于细胞外通量的糖酵解应激实验成功测定了原代小胶质细胞的糖酵解特征。该检测方法可测量基础糖酵解(即葡萄糖注射后的糖酵解)、寡霉素注射后的糖酵解能力,以及2DG注射后糖酵解的抑制情况。在本实验中,我们比较了对照组(未处理)和脂多糖(LPS)处理的原代小胶质细胞。我们观察到,在处理24小时后,对照组与LPS处理组的小胶质细胞在形态上仅有轻微变化(图2D-E)。研究发现,与未处理的对照组相比,LPS处理的小胶质细胞的糖酵解(图4D、H)和糖酵解能力(图4E、I)显著增强,表现为细胞外酸化率(ECAR)水平升高(图4C、G)。所有时间点的平均值绘制于(图4D–F)中。将ECAR值根据...
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神经炎症过程中,小胶质细胞的反应伴随着显著的代谢重编程,这种重编程使这些细胞能够满足其功能状态下的能量和生物合成需求。基于细胞外通量的糖酵解应激检测提供了一种灵敏且实时的方法来测量糖酵解通量,使我们能够解析原代小胶质细胞在促炎条件下如何调整其代谢。在本研究中,我们采用了原代小鼠小胶质细胞,并在暴露于经典炎症刺激物LPS后评估其糖酵解活性,从而揭示与小胶质细胞代谢相关的代谢转变。
我们的研究结果强调了ECAR作为原代小胶质细胞糖酵解功能可靠指标的实用性。经LPS处理后,ECAR升高,表明代谢向糖酵解方向转变。这与先前报道的促炎型小胶质细胞的代谢重编程一致,在炎症过程中倾向于增强糖酵解14。此类代谢转换有助于增加TNF-α和IL-6等炎症介质的产生,并支持吞噬作用和迁移所必需的细胞骨架重塑。
本方法的一个独特之处在于对检测所需的试剂(包括葡萄糖、2DG 和寡霉素15)进行人工配制并调整 pH 值。这不仅降低了实验间的变异性,还确保了试剂...
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作者声明无利益冲突。
本工作由DKK获得的CIHR项目基金资助。特此感谢Craig Moore博士为Seahorse XFe24分析仪提供的RTI支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1M HEPES 溶液 | Sigma Aldrich | H0887 | |
| 1X HBSS | Gibco | 14175-079 | |
| 2.5% 胰蛋白酶 | Gibco | 15090-046 | |
| 2DG | Millipore sigma | D6134 | |
| 抗生素/抗真菌剂 | Gibco | 15240-062 | |
| D –(+)葡萄糖,无水 | Thermoscientific | A16828.36 | |
| DMEM | Gibco | 11965-092 | |
| DNase I | Millipore sigma | 11284932001- Roche | |
| FBS | Fisherbrand | FB12999102 | |
| Glutamax | Gibco | 35050-061 | |
| L-乳酸检测试剂盒 | Abcam | ab65330 | |
| LPS | Sigma Aldrich | L4391 | |
| MEM NEAA | Gibco | 11140-050 | |
| 寡霉素 A | Millipore sigma | 495455 | |
| 青霉素/链霉素 | Gibco | 15240-062 | |
| pH 指示试纸 | Fisherbrand | 13-640-516 | |
| Seahorse XFe24 | Agilent Technologies | N/A | 通用名称:细胞外通量分析仪 |
| Seahorse 24 V7 PS 细胞培养微孔板 | Agilent Seahorse | 100777-004 | 通用名称:细胞外通量细胞培养微孔板 |
| Seahorse 检测用 XF 校准缓冲液(pH 7.4) | Agilent Seahorse | 100840-000 | 通用名称:细胞外通量校准缓冲液 |
| Seahorse 检测用 XF DMEM 培养基(pH 7.4) | Agilent Seahorse | 103575-100 | 通用名称:细胞外通量检测培养基 |
| Seahorse 细胞外通量检测试剂盒 | Agilent Seahorse | 102342-100 | 通用名称:细胞外通量校准板 |
| 丙酮酸钠 | Gibco | 11360-070 |
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