Dieses Protokoll beschreibt eine einfach anzuwendende Methode zur Untersuchung der Substratoxidation durch Verfolgung der 14CO 2 -Produktion in vitro.
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Methodenartikel
Dieses Protokoll beschreibt eine einfach anzuwendende Methode zur Untersuchung der Substratoxidation durch Verfolgung der 14CO 2 -Produktion in vitro.
Mitochondrien beherbergen die Maschinerie für den Tricarbonsäurezyklus (TCA) und die Elektronentransportkette (ETC), die Adenosintriphosphat (ATP) erzeugen, um die Energiehomöostase aufrechtzuerhalten. Glukose, Fettsäuren und Aminosäuren sind die wichtigsten Energiesubstrate, die die mitochondriale Atmung in den meisten Körperzellen antreiben. Es gibt Hinweise darauf, dass verschiedene Zelltypen eine deutliche Präferenz für bestimmte Substrate haben können. Die Substratverwertung durch verschiedene Zellen im Skelett wurde jedoch nicht im Detail untersucht. Da der Zellstoffwechsel auf physiologische und pathophysiologische Veränderungen abgestimmt ist, können direkte Bewertungen der Substratabhängigkeit in Skelettzellen wichtige Erkenntnisse über die Pathogenese von Knochenerkrankungen liefern.
Das folgende Protokoll basiert auf dem Prinzip der Kohlendioxidfreisetzung aus Substratmolekülen nach oxidativer Phosphorylierung. Durch die Verwendung von Substraten, die radioaktiv markierte Kohlenstoffatome (14C) enthalten, bietet die Methode einen empfindlichen und einfach zu verwendenden Assay für die Rate der Substratoxidation in Zellkultur. Eine Fallstudie mit primären kalvarialen Präosteoblasten im Vergleich zu aus dem Knochenmark abgeleiteten Makrophagen (BMMs) zeigt eine unterschiedliche Nutzung der Hauptsubstrate zwischen den beiden Zelltypen.
Oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) in Eukaryoten ist der Prozess, bei dem Nährstoffe in Mitochondrien abgebaut werden, um chemische Energie in Form von ATP durch Sauerstoffverbrauch freizusetzen. Der Katabolismus verschiedener Substrate innerhalb der Mitochondrien durch den Tricarbonsäurezyklus (TCA) erzeugt nur wenige ATP-Moleküle direkt, sondern speichert Energie durch Reduktion der Elektronenträger Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+) und Flavinadenindinukleotid (FAD+). Die reduzierten Träger werden dann durch ETC oxidiert, das sich auf der inneren Membran der Mitochondrien befindet, um einen Protonenkonzentrationsgradienten über die Membran zu erzeugen. Die Protonen fließen schließlich durch die ATP-Synthase in ihrem Gradienten zurück in die mitochondriale Matrix, um ATP zu erzeugen. OXPHOS ist das effizienteste Mittel zur ATP-Herstellung aus Energiesubstraten und wird im Allgemeinen in aeroben Umgebungen bevorzugt. Früher wurde angenommen, dass die aerobe Glykolyse - die Produktion von Laktat aus Glukose, während Sauerstoff vorhanden ist - pathophysiologisch ist, oft ein Kennzeichen von Krebszellen. Mehr und mehr wird entdeckt, dass einige normale Zelltypen die aerobe Glykolyse aus Gründen verwenden, die noch nicht vollständig entschlüsselt wurden.
Metabolische Flexibilität ist die Fähigkeit von Zellen oder Organismen, sich an veränderte Energiebedürfnisse und verfügbare Brennstoffquellen anzupassen. Zum Beispiel wird der energetische Bedarf der Skelettmuskulatur hauptsächlich durch OXPHOS im stationären Zustand, aber durch anaerobe Glykolyse während hochintensiver Übungen1 gedeckt. Wenn die Trainingsdauer zunimmt, tragen Glukose- und Fettsäureoxidation mehr zur Gesamtenergieproduktionbei 2. Der Substrateinsatz hängt jedoch nicht nur von der Verfügbarkeit ab, da Substrate während der Oxidation antagonistisch konkurrieren. Vor allem hat sich gezeigt, dass die Fettsäureoxidation die Glukoseverwertung durch die Skelettmuskulatur in einem Phänomen hemmt, das als Randle-Effekt3 bekannt ist. Eine Wechselwirkung wurde durch nachfolgende Studiengezeigt 4,5. Darüber hinaus sind viele Krankheiten mit einer Veränderung der Substratpräferenz und der Entwicklung einer metabolischen Inflexibilität in Zellen verbunden. Zum Beispiel ist die Fettsäureoxidation in der Skelettmuskulatur von Typ-II-Diabetikern im Vergleich zu normalen Kontrollpersonen reduziert6. Die metabolischen Veränderungen in den Krankheitseinstellungen sind Gegenstand intensiver Untersuchungen, da sie zur Pathogenese beitragen können.
Der Energiestoffwechsel in Skelettzelltypen ist relativ wenig erforscht, hat aber in den letzten Jahren an Aufmerksamkeit gewonnen7. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass die aerobe Glykolyse der dominante Energieweg in kalvarialen Osteoblasten ist, während die Glukoseoxidation durch den TCA-Zyklus eine Rolle bei der Osteoklastenbildung spielt 8,9. Andere haben Beweise für Fettsäuren als Energiequelle für Osteoblasten10 geliefert. Es wurde auch gezeigt, dass der Glutaminkatabolismus die Osteoblastendifferenzierung von den Vorläufernunterstützt 11,12. Ein umfassendes Verständnis der Substratnutzung durch verschiedene Skelettzelltypen fehlt jedoch noch. Darüber hinaus wird erwartet, dass Veränderungen im Zellstoffwechsel während der Zelldifferenzierung oder als Reaktion auf pathologische Signale die Nutzung des Brennstoffsubstrats verändern. Im Folgenden wird ein einfach zu bedienendes Protokoll zur Untersuchung der Substratoxidation in vitro beschrieben.
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Die Verwendung radioaktiver Stoffe (RAM) bedarf der vorherigen Genehmigung durch einen benannten Sicherheitsausschuss an jeder Institution. Die in diesem Protokoll verwendeten RAMs wurden von Environmental Health & Radiation Safety (EHRS) an der University of Pennsylvania zugelassen. Die Verwendung von Tieren bedarf der vorherigen Genehmigung durch das Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) der Heimeinrichtung. Die folgende Studie wurde von IACUC am Children's Hospital of Philadelphia genehmigt.
1. Herstellung von Stammlösungen für 14C-markierte Substrate
2. Herstellung von Medium, das 14C-markierte Substrate enthält
HINWEIS: Um zuverlässige Konzentrationen von Energiesubstraten in den Medien zu gewährleisten, müssen maßgeschneiderte Medien verwendet werden, wobei kurz vor der Verwendung frische Substrate hinzugefügt werden. Hier wird ein maßgeschneidertes Minimum Essential Medium (MEMα) ohne Glukose, Pyruvat, Glutamin, Phenolrot oder Natriumbicarbonat verwendet. Für jeden Zelltyp sollte jedoch ein optimales Medium bestimmt werden.
3. Vorbereitung der Zellen
HINWEIS: Kalvariale Präosteoblasten und Knochenmarkmakrophagen werden hier als Beispiele verwendet. Benutzer sollten ihren Zelltyp der Wahl nach geeigneten Protokollen vorbereiten. Optimieren Sie die Konzentration von Kollagenase II, die in Pilotversuchen für die Verdauung verwendet werden soll, da die enzymatische Aktivität zwischen verschiedenen Chargen variieren kann.
4. Substratoxidationstest mit CO2-Falle
HINWEIS: Für jeden Zelltyp sollte eine geeignete Seeding-Dichte bestimmt werden, um vor Beginn des Assays eine Konfluenz von 80-90% zu erreichen. Beachten Sie, dass die Zelldichte den Stoffwechselzustand der Zellen beeinflussen kann.
5. Datenanalyse
HINWEIS: Unter der Annahme, dass jedes Substrat vollständig oxidiert ist, um CO 2 freizusetzen, kann die Substratoxidationsrate aus der eingeschlossenen CO2-Radioaktivität berechnet werden.
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In diesem Beispiel wird die CO2 -Fangmethode verwendet, um die Substratoxidation durch primäre kalvariale Präosteoblasten mit BMMs zu vergleichen, die häufig für die In-vitro-Osteoblasten- bzw. Osteoblastendifferenzierung verwendet werden. Nachdem die Primärzellen über Nacht in cMEMα durchgangen und kultiviert wurden, erreichen sie typischerweise 80-90% des Zusammenflusses und zeigen ihre charakteristische Morphologie. Die kalvarialen Präosteoblasten sind deutlich größer als BMMs (
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Das Protokoll bietet eine einfach zu bedienende Methode zur Bestimmung der Oxidationsrate wichtiger Energiesubstrate. Es ist eine einfachere Alternative zu anderen Protokollen, die Kolben verwenden, die einen zentralen Brunnen enthalten und mit Gummistopfen14,15,16 verschlossen sind. Obwohl die Beispielstudie hier mit Zellkultur durchgeführt wird, kann die Methode leicht für Gewebeexplantationen oder Gewebehomogenate angepasst w...
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Die Autoren erklären keine Interessenkonflikte.
Die Arbeit wurde zum Teil durch den NIH-Zuschuss R01 AR060456 (FL) unterstützt. Wir danken Dr. Michael Robinson und Elizabeth Krizman (The Children's Hospital of Philadelphia) für ihre großzügige Hilfe bei der Szintillationstheke.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 0,22 &Mikro; m Filter | Sigma-Aldrich | SLGVM33RS | Zur Filterung von BSA-Lösung |
| 0,25 % Trypsin-EDTA | Gibco 25200056 | Dissoziation von Zellen aus Zellkulturplatten | |
| 1,5 mL Eppendorf Röhrchen | PR1MA | PR MCT17 RB | Zur Reaktionsinkubation |
| 10 cm Platten | TPP | 93100 | Zur Zellkultur |
| 10 mL Spritze | BD | 302995 | Wird verwendet, um das Knochenmark aus langen Knochen zu spülen |
| 10% FBS | Atlanta Biologika | S11550 | Für die Herstellung von Zellkulturmedien |
| 14C-Glucose | PerkinElmer | NEC042X050UC | Wird verwendet, um heiße Medien |
| 14C-Glutamin | PerkinElmer | NEC451050UC | Wird verwendet, um heiße Medien |
| 14C-Oleat | PerkinElmer | NEC317050UC | Zur Herstellung von heißen Medien |
| 23 G Nadel | BD | 305120 | Zur Spülung von Knochenmark aus langen Knochen |
| 24-Well-Platten | TPP | 92024 | Zur Herstellung von Zellkulturen |
| 70 & mu; m-Zell-Siebe | MIDSCI | 70CELL | Wird verwendet, um Überstände während der Kavarialverdauung zu filtern |
| Acridinorange/Propidiumiodid (AO/PI)-Farbstoff | Nexcelom Biosciences | CS2-0106 | Färbt lebende Zellen zur Bestimmung der Samendichte |
| Rinderserum Ablumin | Proliant Biologicals | 68700 | Wird für die Fettsäurekonjugation verwendet |
| Cellometer Auto 2000 | Nexcelom Biosciences | Bestimmen Sie die Anzahl lebensfähiger Zellen | |
| Zentrifuge | Thermo Fisher | Legend Micro 21R | Wird zum Pelletieren von Zellen |
| verwendet Kollagenase Typ II | Worthington | LS004176 | Dissoziieren Sie Zellen vom Gewebe |
| Benutzerdefinierte MEM alpha | GIBCO | SKU: ME 18459P1 | Wird verwendet, um kundenspezifische heiße Medien |
| Dulbecco's Phosphatgepufferte Kochsalzlösung | Gibco | 10010023 | Wird zum Auflösen und Verdünnen von Reagenzien und zum Waschen von Kulturschalen verwendet |
| Filterpapier | Millipore-Sigma | WHA1001090 | Fängt CO2 mit Natriumhydroxid |
| ein Glukose | Sigma-Aldrich | g7528 | Wird zur Herstellung von kundenspezifischen Medien |
| verwendet HEPES | Gibco 15630080 | Fängt CO2 während der Zellkultur | |
| ein L-Carnitin | Sigma-Aldrich | C0283 | Ergänzt für die Fettsäureoxidation |
| L-Glutamin | Sigma-Aldrich | g3126 | Wird zur Herstellung von kundenspezifischen Medien |
| verwendet MEM alpha | Thermo | A10490 | Zellkulturmedium |
| Parafilm | Pecheney Kunststoffverpackung | PM998 | Wird zum Verschließen von Zellkulturschalen |
| verwendet Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher 15140122 | Verhindert Kontamination in der Zellkultur | |
| Perchlorsäure | Sigma-Aldrich | 244252 | Setzt CO2 während des Stoffwechselassays frei |
| Pyruvat | Sigma-Aldrich | p5280 | Wird zur Herstellung von kundenspezifischen Medien |
| Szintillationszähler | Beckman Coulter | LS6500 | Bestimmt die Radioaktivität aus dem Filterpapier |
| Szintillationsflüssigkeit | MP Biomedicals | 882453 | Absorbieren Sie die von RAMs emittierte Energie und geben Sie sie in Form von Lichtblitzen wieder ab |
| Szintillationsfläschchen | Fisher Scientific | 03-337-1 | Reaktionsbehälter für Szintillationsflüssigkeit |
| Natriumcarbonat | Sigma-Aldrich | S5761 | Balance-Puffer für mittleres |
| Natriumhydroxid | Sigma-Aldrich | 58045 | Fängt CO2 während des Metaboilc-Assays |
| ein Natriumoleat | SANTA CRUZ | SC-215879 | BSA konjugierte Fettsäurezubereitung |
| Vakuumfiltration 1000 | TPP | 99950 | Filter cMEMα |
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