建立了一种标准化方案,结合胰蛋白酶消化与差速离心法,用于从小鼠骨骼肌中分离、纯化线粒体并进行功能表征,同时评估其在线粒体移植中的应用。
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建立了一种标准化方案,结合胰蛋白酶消化与差速离心法,用于从小鼠骨骼肌中分离、纯化线粒体并进行功能表征,同时评估其在线粒体移植中的应用。
线粒体是真核细胞中调控能量代谢、信号转导和细胞稳态的关键细胞器。线粒体功能障碍参与多种疾病的发病机制,由此推动了线粒体移植作为一种再生治疗策略的发展。线粒体移植的成功应用依赖于高纯度且功能完整的线粒体的可获得性。由于骨骼肌具有较高的线粒体含量、代谢活性以及易于获取的特点,是理想的供体来源。本研究建立了一种标准化、可重复的小鼠骨骼肌功能性线粒体分离、纯化与表征的实验方案,并评估了其在线粒体移植中的应用价值。该实验流程主要包括两个阶段:首先,通过胰蛋白酶消化结合差速离心法,从小鼠C57BL/6骨骼肌组织中分离线粒体;其次,对分离得到的线粒体进行纯度、超微结构及功能活性的表征。采用二辛可宁酸(BCA)蛋白定量法和蛋白质印迹(Western blot)分析评估线粒体纯度;通过透射电子显微镜观察其超微结构完整性;利用JC-1染色和线粒体荧光标记,并结合高分辨率呼吸测定系统检测氧消耗、ATP生成能力及呼吸控制比,以评估其功能活性。分离获得的线粒体表现出稳定的膜电位、完整的超微结构以及良好的呼吸功能,表明其适用于后续功能研究及线粒体移植应用。
线粒体是三磷酸腺苷(ATP)生成的主要场所,在细胞凋亡、钙稳态以及活性氧(ROS)代谢中发挥核心作用。因此,线粒体功能的完整性对于维持细胞稳态和决定细胞命运至关重要1,2。线粒体功能障碍,包括线粒体DNA(mtDNA)突变和电子传递链(ETC)异常,会导致能量代谢受损、氧化应激以及细胞凋亡调控失常3,4。这些异常与多种疾病相关,包括遗传性线粒体疾病、神经退行性疾病和心血管疾病5,6。针对线粒体功能障碍的传统治疗策略,如抗氧化剂和代谢辅因子,通常疗效有限,因其仅能缓解症状而无法直接恢复线粒体功能7,8。因此,线粒体移植作为一种有前景的再生医学治疗手段应运而生。该策略通过将完整的外源性线粒体递送至受损或功能异常的细胞中,以恢复线粒体活性和细胞能量代谢9,10。既往研究表明,外源性线粒体可被受体细胞内化,并整合到内源性线粒体网络中,从而改善生物能量功能并增强细胞存活能力11,12,13。
骨骼肌被认为是线粒体分离的合适供体,因其具有较高的线粒体含量、代谢活性以及易于获取的特点14,15,16。线粒体移植需要多个关键步骤,包括线粒体的分离、纯化、功能表征以及高效递送至受体细胞。然而,迄今为止报道的实验方案在方法学上仍存在较大差异,尤其是在组织匀浆、酶消化、温度控制和纯化等操作步骤方面。这种差异性可能影响线粒体的得率、纯度及功能完整性,从而限制实验的可重复性。
为了提高方法学的一致性和可重复性,本研究提供了一种标准化的实验方案,通过胰蛋白酶消化和差速离心法从小鼠骨骼肌中分离并表征功能性线粒体。采用双辛可宁酸(BCA)蛋白定量、Western印迹、透射电子显微镜、基于荧光的膜电位检测以及高分辨率呼吸测定法,对分离得到的线粒体的纯度、超微结构完整性和功能活性进行了评估。此外,还评估了分离线粒体被受体细胞摄取的情况,以验证其在线粒体移植应用中的适用性。该方案为获取可用于后续实验研究的功能性骨骼肌来源线粒体提供了可重复的操作流程。
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所有动物实验均在特定病原体阴性(SPF)环境中进行,并经空军军医大学第三附属医院动物伦理与使用委员会批准(批准号:IACUC-2024kq-065)。
雄性 C57BL/6 小鼠(6–8 周龄,18–20 g)购自空军军医大学实验动物中心(生产许可证:SCXK(陕西)2024-002)。小鼠饲养于正压通风隔离笼(IVCs)中,环境洁净,温度为 20–26 °C,相对湿度为 40%–70%,光照-黑暗循环周期为 12 小时,每小时换气至少 15 次。提供灭菌饲料、饮水及环境丰富化设施。
本方案中使用的试剂、化学品和实验仪器列于材料表中。
1. 动物安乐死与组织采集
2. 组织切碎与匀浆化
3. 差速离心
4. 线粒体的纯化与保存
5. 线粒体与胞质蛋白提取及BCA定量
6. 骨骼肌来源线粒体纯度的评估
7. 骨骼肌来源线粒体的 MitoTracker 染色
8. 使用 JC-1 染色法评估线粒体膜电位
9. 通过透射电子显微镜对分离的骨骼肌线粒体进行超微结构分析
10. 骨骼肌来源线粒体的细胞摄取
11. 使用高分辨率呼吸测定法测量线粒体呼吸功能
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线粒体分离与纯化工作流程的示意图见图1。所有操作均在4 °C下进行,以保持线粒体的完整性和功能活性。新鲜分离的骨骼肌组织经剪碎后,用胰蛋白酶消化以促进组织解离,随后在等渗分离缓冲液中使用玻璃匀浆器进行匀浆。接着通过差速离心法将线粒体与组织碎片及胞质污染物分离。首先在1,000 × g条件下离心去除细胞核和较大碎片,随后在12,000 × g条件下离心获得粗线粒体沉淀。进一步的洗涤和离心步骤进一步减少了胞质污染,最终获得适用于后续结构与功能分析的纯化线粒体(图1)。

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线粒体移植是细胞治疗和再生医学领域的一种新兴策略,通过递送功能完整的线粒体,恢复能量代谢受损细胞的生理功能。除了调控细胞能量代谢外,该技术还可调节凋亡和氧化应激等关键生物学过程,从而为多种疾病提供新的治疗机会4,17,18,19。然而,线粒体移植的临床转化仍面临诸多挑战,其中缺乏标准化、高效且可重复的线粒体分离方案仍是主要瓶颈之一。
为解决这一问题,本研究建立了一种基于差速离心法的标准化且可视化的实验方案,用于高效分离C57BL/6小鼠骨骼肌中的功能性游离线粒体。通过优化纯化流程,并引入胰蛋白酶预消化、洗涤和纯化步骤,该方法有效改善了组织解离效果,保持了线粒体结构的完整性,并减少了非目标细胞组分的污染。
本方案在线粒体纯度与得率之间实现了良好的平衡。与传统的研磨提取方法相比...
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作者声明无利益冲突。
本工作得到国家自然科学基金(项目编号:82301046)和陕西省复杂面部损伤综合治疗卫生科研创新团队(项目编号:2024TD-07)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 抗细胞色素C抗体 | Abcam | EPR1327 | 线粒体表征 |
| 抗荧光淬灭封片剂 | 植物化学生物学与医学 | PC-90016 | 减少荧光染料的光漂白 |
| BCA 蛋白检测试剂盒 | 中汇和财生物科技有限公司 | PQ003 | 蛋白质浓度测定 |
| β-actin 抗体 | Cell Signaling Technology | 3700秒 | 使用β-actin抗体检测分离线粒体的纯度 |
| BSA | Sigma | A6003 | 在分离过程中,它结合游离脂肪酸以保护线粒体活性。 |
| 离心 | Eppendorf | 5418R | 4 °C 离心 |
| CCCP | Solarbio | C6700 | 解偶联线粒体氧化磷酸化并诱导最大质子漏 |
| 共聚焦激光扫描显微镜 | Olympus Corporation | FV4000 | 免疫荧光染色观察 |
| COX IV 多克隆抗体 | Proteintech | 11242-1-AP | 线粒体表征 |
| DAPI | 植物化学药物 | PC-90004 | 用于细胞核复染 |
| D-甘露醇 | Solarbio | IM00402 | 维持渗透平衡并防止分离过程中线粒体肿胀 |
| EGTA | Sigma | E4378 | 常用于线粒体分离缓冲液中,通过特异性结合 Ca2+ |
| 胎牛血清 | 绿色标记 | 11011-08611 | L929细胞的培养 |
| 镊子 | RWD Life Science Co., Ltd. | F11003-11 | 用于抓取、夹持和提起组织 |
| 玻璃匀浆器 | Beyotime | FGH005 | 用于组织匀浆及线粒体分离 |
| 戊二醛 | LEAGENE | DF0151 | 它通过交联蛋白质快速固定并稳定细胞超微结构,防止自溶,从而保持细胞器的天然形态。 |
| HEPES | Thermo Fisher | J67485 | 提供稳定的pH环境。 |
| 培养箱 | Thermo Fisher | 51032874 | L929细胞的培养 |
| JC-1 | Solarbio | M8650 | 检测纯化后线粒体膜电位的变化。 |
| L929细胞系 | 普罗细胞 | CL-0137 | 线粒体胞吞实验 |
| 柠檬酸铅 | Sigma | 15326 | 对超薄切片进行染色以观察精细的亚细胞结构。 |
| MEM Alpha 基础培养基(1x) | Gibco | 6125510 | L929细胞的培养 |
| 甲醇 | Fuyu Chemical (中国) | 67-56-1 | 作为转膜缓冲液的组分,用于去除SDS并促进蛋白质从凝胶转移至固相膜。 |
| 微孔板读板仪 | Thermo Fisher | Varioskan LUX | 测量经JC-1染色的线粒体的吸光度 |
| 线粒体膜电位检测试剂盒 | Solarbio | M8650 | 骨骼肌线粒体膜电位的检测 |
| 线粒体分离缓冲液 | Solarbio | SM0020 | 基于差速离心法的提取试剂盒 |
| 线粒体储存缓冲液 | Solarbio | SM0020 | 用于线粒体保存 |
| Mito Tracker 红CMXRos | 叶森生物技术 | 40741ES50 | 线粒体表征 |
| MOPS | MedChemExpress | HY-D0859 | 在溶液配制中作为缓冲液 |
| 多克隆兔抗小鼠HRP标记重组二抗(H+L) | Proteintech | RGAM001 | RGAM001 在 Western 印迹中靶向小鼠 IgG(H+L) |
| 多克隆兔源 HRP-标记山羊抗兔重组二抗(H+L) | Proteintech | RGAR001 | RGAR001 在 ELISA 和 Western blot 中靶向兔 IgG(H+L) |
| 脱脂奶粉 | NCM Biotech | WB6503 | 它主要用作封闭剂,通过占据膜上的非特异性结合位点来降低背景信号。 |
| O2k-FluoRespirometer | Oroboros Instruments | O2K | 测定线粒体呼吸功能和氧代谢。 |
| 四氧化锇 | Sigma | 75633 | 或进行后固定以保存脂质并增强透射电镜样品的膜对比度。 |
| PBS(1×) | 植物化学药物 | PC-00003 | 清洁肌肉组织 |
| 青霉素-链霉素 | Procell | PB180120 | L929 细胞培养 |
| 鬼笔环肽-488 | Beyotime | C1035 | 荧光显微成像用细胞骨架F-actin标记 |
| 聚偏二氟乙烯(PVDF)膜 | Millipore(默克) | IPVH00010 | 蛋白质印迹法 |
| PowerPac Basic | BIO-RAD | 164-5050 | 用于SDS-PAGE电泳的蛋白质分离 |
| 预制梯度聚丙烯酰胺凝胶(4–12%) | ACE 生物科学 | ET12412LGel | 用于线粒体和细胞总蛋白的SDS-PAGE分离 |
| 蛋白酶抑制剂 | 陕西中汇合才 biomedical technology | PL032 | 抑制内源性和外源性蛋白酶的活性,防止样品处理过程中目标蛋白的降解。 |
| RIPA裂解缓冲液 | 中汇和财生物科技有限公司 | PL001-2A | 用于动物和细胞组织的总蛋白提取 |
| 氯化钠注射液(0.9%) | Xi’an Jingshuang Shuanghe Pharmaceutical Co., Ltd. | 批准号:H61020014 | 细胞/组织实验中的缓冲、洗涤及渗透压维持 |
| 无菌手套 | 江苏扬子力德医疗器械有限公司 | YMZ000-1 | 分离污染源并保护操作人员及实验样品 |
| 蔗糖 | 蔗糖 | S818048 | 提供渗透支持,维持线粒体形态和功能完整性。 |
| TBST | NCM Biotech | WB20500 | 用于减少背景信号的洗涤步骤,可作为抗体和封闭溶液的稀释剂,同时通过维持稳定的pH和离子环境来保护抗原-抗体结合的稳定性。 |
| 组织匀浆测定试剂盒(含二磷酸腺苷(ADP)、琥珀酸、鱼藤酮、抗霉素A、寡霉素、丙酮酸、苹果酸) 谷氨酸,抗坏血酸,N,N,N',N'- 四甲基对苯二胺(TMPD) | 北京华为中易科技有限公司 | 023012 | 组织匀浆中线粒体氧消耗率的检测(适用于Oroboros O2k呼吸仪) |
| 组织剪刀 | RWD Life Science Co., Ltd. | S12003-09 | 用于切割和解剖软组织,以及在动物解剖中分离器官和筋膜 |
| 透射电子显微镜 | HITACHI | HT7800 | 分析线粒体的超微结构形态 |
| 胰蛋白酶 | 植物化学药物 | PC-90001 | 器官预消化 |
| 通用抗体稀释液 | NCM Biotech | WB100D | 抗体稀释液 |
| 超薄切片机 | Leica | EMUC7 | 用于制备透射电子显微镜(TEM)所需的超薄切片 |
| 醋酸铀酰 | 电子显微镜科学公司 | 22400 | 对超薄切片进行染色以增强细胞内结构的对比度。 |
| 垂直电泳槽 | BIO-RAD | 165-8001 | 用于SDS-PAGE电泳的蛋白质分离 |
| 洗涤缓冲液 | Solarbio | SM0020 | 洗涤并纯化分离的线粒体,保持其结构和功能完整性 |
| 75% 乙醇 | 上海麦克林生化有限公司 | E885996 | 用于实验室设备和实验材料的表面消毒 |
