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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Unser Ziel war es, eine praktische Protokoll zur Bewertung der mitochondrialen Dysfunktion mit Müdigkeit bei Krebspatienten zu entwickeln. Dieses innovative Protokoll ist für die klinische Anwendung mit nur standard Aderlass und grundlegende Laborverfahren optimiert.
Müdigkeit ist eine gemeinsame und schwächenden Erkrankung, die meisten Krebspatienten betroffen. Bisher testen Müdigkeit bleibt schlecht gekennzeichnet mit keine Diagnose Objektiv messen die Schwere dieser Erkrankung. Hier beschreiben wir eine optimierte Methode zur Beurteilung der Funktion der Mitochondrien der PBMCs von ermüdeten Krebspatienten gesammelt. Mit einem kompakten extrazelluläre Flux System und sequentielle Einspritzung der Atemwege Inhibitoren, untersuchten wir PBMC mitochondriale funktionellen Status durch Messung des basalen mitochondriale Atmung, Atemwege Kapazitätsreserven und Energie Phänotyp, der beschreibt die bevorzugte Energiepfad, auf stress zu reagieren. Frische PBMCs sind leicht zugänglich in der klinischen Einstellung mit standard Aderlass. Der gesamte Test beschrieben in diesem Protokoll kann in weniger als 4 Stunden ohne die Einbeziehung der komplexen biochemischen Techniken erfolgen. Darüber hinaus beschreiben wir eine Normalisierung Methode, die für den Erhalt reproduzierbare Daten notwendig ist. Vorgestellten einfachen Verfahren und Normalisierung Methoden ermöglichen wiederholte Probenentnahme aus dem gleichen Patienten und Generierung von reproduzierbaren Daten, die zwischen den Zeitpunkten auszuwertende potenzielle behandlungseffekte verglichen werden können.
Müdigkeit ist eine weit verbreitet und bedrückende Bedingung, die eine negative Auswirkung auf die Lebensqualität von Krebs Patienten1hat. Zu diesem Zeitpunkt Krebs Müdigkeit bleibt schlecht definiert und verlässt sich nur auf subjektive Berichterstattung durch die Patienten2. Daher ist dringend notwendig, eine leicht anpassbar diagnostische Labortest zur Charakterisierung von Müdigkeit in der klinischen Einstellung3,4Objektiv zu identifizieren.
Mehrere zugrunde liegende Mechanismen, einschließlich der Dysfunktion der Mitochondrien, sind vorgeschlagen worden, um Müdigkeit5verursachen. Mitochondrien sind die Kraftpaket Organellen, Bereitstellung von 95 % der zellulären Energiebedarf über Oxidative Phosphorylierung und spielen eine wichtige Rolle im Kalzium-Signalisierung, Apoptose, immun-Signalisierung und Regulierung von anderen intrazellulären Signal Veranstaltungen6 . Dementsprechend können zu Müdigkeit beeinträchtigt mitochondriale Bioenergetik und Mängel in der Energieerzeugung beitragen. Diese Hypothese zu unterstützen, haben frühere Studien Mutationen in der mitochondrialen DNA bei Patienten mit chronischen Ermüdung-Syndrom7beobachtet. Während es unklar bleibt, ob der pathophysiologische Ursprung der Müdigkeit liegt innerhalb des zentralen Nervensystems oder der peripheren Geweben, z. B. Skelettmuskulatur8,9, gibt es derzeit keine direkte Methode zum einschätzen mitochondriale Dysfunktion im Zusammenhang mit Müdigkeit in live, atmenden Zellen.
Mit peripheren mononukleären Zellen (PBMCs) Funktion der Mitochondrien zu studieren, bietet mehrere Vorteile. Erstens PBMCs sind leicht zugänglich in der klinischen Einstellung mit standard Aderlass und können schnell mit grundlegende Labortechniken isoliert werden. Blutentnahme ist weniger invasiv als andere Gewebe wie ein Muskelbiopsie zu sammeln. So können Blutproben vom selben Patienten wiederholt im Laufe der Zeit gesammelt werden die longitudinalen Beurteilung der behandlungseffekte erleichtert. Interessanterweise schien mitochondriale Funktion in PBMCs mit Niere mitochondriale Status in einem Tiermodell10gut korreliert werden. Darüber hinaus wurden Immunzelle Mitochondrien als Proxy für systemische Veränderungen unter verschiedenen Krankheiten Bedingungen11,12verwendet. Mitochondrien in zirkulierenden Immunzellen sind besonders empfindlich auf Veränderungen der Immunfunktionen und immun Signalmoleküle wie Zytokine13,14,15. Zum Beispiel wurde beobachtet, dass PBMCs von Patienten mit akuten entzündlichen Rheumaerkrankungen hohe Ausgangswert Sauerstoff Verbrauch14aufweisen. Im Gegensatz dazu reduzierte Sauerstoffverbrauch in PBMCs von Patienten mit systemischen entzündlichen Erkrankungen einschließlich Sepsis16isoliert. Unter entzündlichen Erkrankungen können freie Radikale produziert von dysfunktionalen Mitochondrien erhöhten oxidativen Stress und längerer Entzündung17fördern. Die zentrale Rolle der Mitochondrien in der Energieerzeugung als auch oxidativen Stress schlägt den potenziellen Nutzen der mitochondrialen Funktion als Proxy für das Studium Müdigkeit bei Krebs Patienten 13.
Frühere Studien, die Funktion der Mitochondrien verwendet, biochemischen Techniken, mögliche Messung Mitochondrien-Membran oder Isolierung von bestimmten Zell-Populationen, die möglicherweise nicht bereitwillig anpassungsfähig in der klinischen Einstellung5, 14,18. In den letzten Jahren die Entwicklung von extrazellulären Flussmittel Assays hat konnten Forscher leicht und genau untersuchen Änderungen in Sauerstoff-Verbrauch (OCR) in Reaktion auf automatisierte Injektionen von Atmungs-Hemmer19,20 , 21 , 22. jedoch die meisten dieser Studien eignen sich für bestimmte Zelltypen und das große Hochdurchsatz-Format möglicherweise nicht anwendbar in einem klinischen Umfeld. In diesem Manuskript beschreiben wir ein optimiertes Protokoll für die Prüfung der Funktion der Mitochondrien für die klinische Anwendung.
Die aktuelle Studie (NCT00852111) wurde durch die institutionelle Review Board (IRB) des National Institute of Health (NIH), Bethesda, Maryland genehmigt. Teilnehmer an dieser Studie eingeschrieben waren euthymischen Männer, die 18 Jahre oder älter, wer nicht-metastatischem Prostatakrebs mit oder ohne vorherige Prostatektomie diagnostiziert wurden und wurden geplant, um externen Strahl Strahlentherapie (EBRT) erhalten. Potentielle Teilnehmer ausgeschlossen waren, hätten sie eine fortschreitende Krankheit, die erhebliche Müdigkeit verursachen können psychiatrische Erkrankungen innerhalb der letzten fünf Jahre, hatte unkorrigierte Hypothyreose oder Anämie, oder hatte eine zweite Malignität. Personen, die Sedativa, Steroide oder nicht-steroidalen Entzündungshemmern verwendet wurden ebenfalls ausgeschlossen. Gesunden Blutproben wurden am NIH-Abteilung der Transfusionsmedizin von gesunden Spendern unter ein IRB genehmigten Protokoll (NCT00001846) erhalten. Alle Teilnehmer werden am Magnuson Clinical Research Center an der NIH rekrutiert. Unterschriebene schriftliche informierte Einwilligungen wurden vor der Teilnahme an der Studie erhalten.
1. mitochondriale Funktion Messung Vorbereitung (1. Tag des Experiments)
2. klinische Probenvorbereitung (Tag 2 des Experiments)
3. die mitochondriale Funktion Messung
(4) Normalisierung der Funktion der Mitochondrien Daten
Die Mito-Stress-Test beruht auf Messung der Sauerstoff-Verbrauch (OCR) nach sequentielle Einspritzung von verschiedenen Atemwege Inhibitoren ein vollständiges mitochondriale Profil zuordnen. OCR-Messungen nach jeder Injektion von Drogen verwendet werden kann, um die folgenden Parameter zu berechnen im Zusammenhang mit mitochondrialen Gesundheit: Basale OCR bemisst sich zunächst vor jeder Injektion von Drogen Sauerstoffverbrauch musste erfüllen ruht auf ATP-Bedarf einzuschätzen. Basalen Atmung wird durch Subtraktion nicht mitochondriale Atemfrequenz gegenüber dem Ausgangswert OCR vor der Injektion Oligomycin berechnet. Als nächstes wird Oligomycin eingespritzt, um den Proton-Kanal von der ATP-Synthase (Komplex V) hemmen. Der anschließende Rückgang der OCR nach Oligomycin Injektion stellt ATP-Produktion im Zusammenhang mit Sauerstoff-Verbrauch. FCCP (Carbonyl Zyanid 4-[Trifluoromethoxy] Phenylhydrazone), ein Ionophore verwendet, um die Proton Steigung und Mitochondrien-Membran Potenzial stören wird verwendet, um maximale Sauerstoff-Verbrauch zu entlocken. Maximale Atmung wird durch Subtraktion nicht mitochondriale Atmung aus der maximalen OCR nach FCCP Injektion berechnet. Freie Atemwege Kapazitäten ist die Differenz zwischen maximaler und basale Atmung. Zu guter Letzt Antimycin (Komplex-III-Hemmer) und Rotenon (komplexe ich Inhibitor) werden zur gleichen Zeit zum Abschalten der Elektronentransport-Kette injiziert. Per definitionem nicht mitochondriale Atmung ist unabhängig von der Elektronentransport-Kette (z. B. nicht mitochondriale NADPH Oxidase in Makrophagen, etc..) und wird als OCR-Werte nach Antimycin A dargestellt / Rotenon Injektion. Kupplung Effizienz beschreibt den Anteil der basalen mitochondriale Sauerstoffverbrauch für die ATP-Synthese verwendet, und errechnet sich als 100 % x (ATP Produktion im Zusammenhang mit OCR) /(basal respiration rate).
Zelldichte für jede Kultivierung Bedingung sollte optimiert werden, bevor Sie einen Mito-Stress-Test durchführen. Nach unserer Erfahrung ist 80-90 % Konfluenz erreicht durch Ausplattieren 1,5 x 105 Zellen/Brunnen des frisch isolierte PBMCs aus menschlichem Blut (Abb. 1A). Diese Beschichtung Dichte entfallen die Waschschritt im Schritt 3.2.3 beschrieben. Neben der Bestimmung der optimalen Beschichtung Dichte, muss FCCP Titration durchgeführt werden, um die Bestimmung der Konzentration erforderlich, um maximale OCR zu generieren. Bei der FCCP Konzentrationen getestet - 0,125 μM, 0,25 μm 0,5 μM, 1 μM und 2 μM - OCR mit FCCP Konzentration erreichen eines Plateaus auf 1 μm erhöht, sondern verringert bei 2 μM (Abbildung 1B). Dies bedeutet, dass 1 μM die optimale FCCP-Konzentration, die für die Prüfung von PBMC mitochondriale Funktion verwendet werden soll.
Wir testeten mitochondriale Funktion von der gleichen Charge von Zellen aus der gleichen Blutprobe eines gesunden Spenders zu verschiedenen Zeitpunkten gesammelt nach PBMC Isolierung. Basalen Sauerstoffverbrauch sowie maximale OCR verringert schon 3 h und weiterhin um 5 und 8 Uhr nach PBMC Isolierung (Abb. 2A) zu verringern. Nach 3 h maximale Atmung ausgelöst durch FCCP Injektion (Zeitpunkte 7-9) nicht mehr als basale OCR, was darauf hindeutet, dass auch in lebenden Zellen Mitochondrien Atemvolumen verringert sich schnell im Laufe der Zeit ersparen. Extrazelluläre Übersäuerung wurde (ECAR) gleichzeitig auf einem extrazellulären Flussmittel Instrument gemessen. Da Oligomycin mitochondrialen ATP-Synthase hemmt, wird Glykolyse innerhalb von Minuten um den Energiebedarf zu decken und zum Ausgleich des Mangels an ATP-Produktion über Oxidative Phosphorylierung eingestellt, wie durch die rasche Zunahme der ECAR nach oligomycin Injektion. Ab 3 Uhr nach PBMC Isolierung, gab es ein Rückgang der ECAR sowie OCR (Abbildung 2B). Obwohl wir keine bemerkenswerte Änderung im Zellviabilität bei 1, 3, 5 und 8 h nach PBMC Isolierung beobachten, verringert mitochondriale Funktion schnell, was darauf hindeutet, dass Timing entscheidend ist für die mitochondriale Profil der live, Erdreiches PBMCs erfassen.
Patientenprobe Sammlungen neigen dazu, zu verschiedenen Zeiten an verschiedenen Tagen auftreten; Daher ist es wichtig, die Daten zu vergleichen, verschiedene Muster und Zeitpunkte zu normalisieren. Während andere Normalisierung Methoden wie Protein assay und Nukleinsäure-Quantifizierung verwendet werden, finden wir, dass Färbung lebenden Zellen mit DNA-bindenden Farbstoff und Quantifizierung des grün fluoreszierenden Zellen in jede Vertiefung die effizientesten und zuverlässigsten Normalisierung Methode. Repräsentative Daten von PBMCs von zwei verschiedenen gesunden Spendern gesammelt, an zwei verschiedenen Tagen sind in Abbildung 3dargestellt. Einpresstiefe ist ein repräsentatives Bild einer Zelle Platte gut zeigen insgesamt Zellen (Phasenkontrast) und lebenden Zellen mit der DNA-Bindung Farbstoff (grün fluoreszierend) nach Mito Stresstest befleckt. Basalen Sauerstoff-Verbrauch, sowie Sauerstoff-Verbrauch nach jeder Injektion von Drogen auf Leben Zellen normalisiert waren ähnlich in zwei verschiedenen gesunden nicht ermüdet Spendern (Abbildung 3).
Repräsentative Funktion der Mitochondrien Daten eines ermüdeten Subjekts (FACIT-F-Wert < 43) mit Prostata-Krebs (rot) und ein Alter/Geschlecht/Rennen-entsprach nicht ermüdet gesunden Spenders (blau) sind in Abbildung 4dargestellt. Obwohl wir keinen Unterschied in der basalen OCR (Abbildung 4B) nicht beobachten, sank müde Gegenstand ausgestellt maximale Sauerstoff-Verbrauch sowie freie Atemwege Kapazität im Vergleich zur Kontrolle (Abbildung 4C, D). Müdigkeit erschien zur Reduzierung in Atemwege Kapazitätsreserven, verbunden zu sein, da gab es keine Unterschiede, die in nicht-mitochondriale Sauerstoffverbrauch (Abbildung 4E), ATP-bezogene Sauerstoffverbrauch (Abbildung 4F), oder Effizienz (Abb. 4G) der Kupplung. Basisdaten (vor jeder Injektion von Drogen) und maximale Atmung nach FCCP Injektion kann mit einer Energie Phänotyp Handlung, die den bevorzugten Weg (OCR Oxidative Phosphorylierung versus ECAR Glykolyse) zeigt in Anwesenheit von visualisiert werden erhöht Energiebedarf (Abbildung 4H). Leere Felder zeigen basale Energie Phänotyp und ausgefüllte Quadrate zeigen die Energie Phänotyp maximale ATP-Nachfrage. Der Abstand zwischen basalen (leeres Kästchen) und maximalen (ausgefülltes Quadrat) gibt Kapazitätsreserven, während die Neigung zellulären Präferenz in Richtung Oxidative Phosphorylierung versus Glykolyse anzeigt. Wie in Abbildung 4H, freie Kapazitäten im verringert Müdigkeit Betreff im Vergleich zum gesunden Steuerelement nicht ermüdet. Darüber hinaus erhöht der Energie-Phänotyp als Reaktion auf ATP Nachfrage schräg in Richtung Glykolyse in ermüdet Gegenstand im Vergleich zu den gesunden Regler (Abbildung 4H).

Abbildung 1 : PBMC Plattieren, Dichte und FCCP Dosis-Wirkungs-Kurve. (A) frisch isoliert wurden PBMCs bei 1,5 x 105 Zellen/Brunnen in CellTak-beschichtete Zelle Kultur miniplatte überzogen. Nach dem Waschen und Medienwechsel, Zellen wurden bei 80-90 % Konfluenz gleichmäßig verteilt. Maßstabsleiste = 100 μm. (B) OCR mit steigenden Konzentrationen von FCCP 0,125 μM, 0,25 μM, 0,5 μM, erreichte Höhepunkt OCR auf 1 μm erhöht. OCR fiel am 2 μM, anzeigend, dass 1 μM ist die optimale Dosis maximal Atmung in PBMCs.Error Bars zu entlocken zeigen die Standardabweichung der 3 sequentielle Messungen nach der ursprünglichen Droge-Injektion. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 2 : Mitochondriale Atmung sinkt im Laufe der Zeit in frisch isolierte PBMCs. OCR (A) sowie ECAR (B) verringert sich schnell im Laufe der Zeit nach PBMC Isolierung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 3 : Daten der repräsentativen mitochondriale Atmung mit Normalisierung. Mito-Stress-Test erfolgte mit frischen PBMCs isoliert von zwei verschiedenen gesunden Probanden an verschiedenen Tagen und normalisiert, mit einen fluoreszierenden Nukleinsäure-Fleck auf ein Lesegerät, fluoreszierende Platte quantifiziert. Einschub: ein repräsentatives Bild von lebenden Zellen (grün) und total Zellen (Phasenkontrast) in einen Brunnen. Maßstabsleiste = 1.000 μm Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 4 : Repräsentative Analyse eines ermüdeten Subjekts im Vergleich zu einem gesunden Kontrolle. (A) repräsentative Mito Stress Test OCR-Diagramm eines ermüdeten Subjekts im Vergleich zur ein Alter/Geschlecht/Rennen-entsprach nicht ermüdet gesunde Kontrolle. Balkendiagramme der basalen OCR (B), maximale Atmung (C), freie Atemwege Kapazitäten (D), nicht-mitochondriale Sauerstoffverbrauch (E), ATP-Produktion (F)und Kupplung Effizienz (G) dargestellt sind. Die Energie Phänotyp Handlung ermüdet und gesunden Kontrolle ist (H)gezeigt. Leere Felder zeigen Grundlinie Energie Phänotyp, ausgefüllte Quadrate repräsentieren gestresst Energie Phänotyp nach FCCP Injektion gemessen. Fehlerbalken zeigen Standardabweichung von 3 verschiedenen Brunnen für jeden Teilnehmer der Studie. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Unser Ziel war es, eine praktische Protokoll zur Bewertung der mitochondrialen Dysfunktion mit Müdigkeit bei Krebspatienten zu entwickeln. Dieses innovative Protokoll ist für die klinische Anwendung mit nur standard Aderlass und grundlegende Laborverfahren optimiert.
Diese Studie wird durch die Division der intramuralen Forschung von der National Institute of Nursing Research des NIH, Bethesda, Maryland vollständig unterstützt.
| CPT Mononukleäre Zellen Vorbereitungsröhrchen | BD Biosciences | 362761 | Zur Isolierung von PBMCs nach Phlebotomie |
| RPMI-1640 | Corning | 10-040 | Zur Herstellung von Wachstumsmedien für PBMCs |
| Fötales Rinderserum (FBS) | Corning | 35-010-CV | Zur Herstellung von Wachstumsmedien für PBMCs |
| Penicillin/Streptomycin | ThermoFisher | 15140122 | Zur Herstellung von Wachstumsmedien für PBMCs |
| Cell-Tak | Corning | 354240 | Zell- und Gewebehaftlösung; ermöglicht das Anhaften von Suspensionszellen an der Oberfläche |
| Seahorse XF Calibrant Solution | Agilent | 103059-000 | Zur Befeuchtung von Kartuschen |
| XFp Fluxpak (Miniplatten und Sensorpatronen) | Agilent | 103022-100 | Enthält XFp Zellkultur-Miniplatten und Sensorpatronen |
| XF Basismedium | Agilent | 103335-100 | Zur Herstellung von XF-Assay-Medien |
| 45% Zellkultur D-(+)-Glukoselösung | Corning | 25-037-CI | Zur Herstellung von XF Testmedium |
| Natriumpyruvatlösung | Corning | 25-000-CI | Zur Herstellung von XF-Assay-Medien |
| L-Glutamin-Lösung | ThermoFisher | 25030081 | Zur Herstellung von XF-Assay-Medien |
| Seahorse XFp Mito Stresstest-Kit | Agilent | 103010-100 | Enthält Oligomycin, FCCP, Antimycin A/Rotenon |
| CyQUANT Direct Cell Proliferation Assay | ThermoFisher | C35011 | Zur Quantifizierung lebender Zellen und zur Datennormalisierung |
| Seahorse XFp Analyzer | Agilent | S7802AEA | Zur Messung der mitochondrialen Funktion in lebenden Zellen |
| Cytation 5 Cell Imaging Multi-Mode Reader (oder jedes andere Instrument, das fluoreszierende Zellen in einer Platte quantifizieren kann) | BioTek | BTCYT5PV | Zur Quantifizierung von lebenden Zellen und zur Datennormalisierung |