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Eine Fehlfunktion oder Umprogrammierung des mitochondrialen Energiestoffwechsels ist zentral für ein breites Spektrum von Erkrankungen, darunter Neurodegeneration, Krebs, entzündliche Erkrankungen, kardiometabolische Erkrankungen und verschiedene genetische Erkrankungen. Um die Rolle des mitochondrialen Stoffwechsels bei der Krankheitspathogenese besser zu verstehen, wurden mehrere analytische Strategien entwickelt. Dazu gehören Messungender O2-Verbrauchsrate (OCR), der extrazellulären Versauerungsrate (ECAR), ATP-Quantifizierung, Substratnutzung, Profilierung oder Krebszyklus-Metabolitenanalyse sowie Isotopenverfolgung1. Unter diesen Techniken dient OCR als wichtiger Indikator für die mitochondriale Atmung und kann mit Instrumenten wie der Hochauflösungs-Respirometrie (HRR; z. B. Oroboros O2k)2, einer Clark-Elektrode oder dem extrazellulären Flussanalysator bewertet werden
Das Oroboros O2-k-Systemmisstdie O2-Konzentration in einer verschlossenen Kammer mit einem Clark-Typ polarographischenO-2-Sensor (POS)3,4,5 und eignet sich für Proben wie isolierte Mitochondrien, permeabilisierte Zellen und Gewebehomogenate. Sie besteht aus einer Gold-/Platinkathode, einer Silberanode und einem KCl-Elektrolytreservoir, das durch eine 25 μmO2 permeable und chemisch resistente fluorierte Ethylenpropylenmembran (FEP) von der Probe getrennt ist. Die Clark-Elektrode3 arbeitet ebenfalls in einer geschlossenen Kammer, erkennt Änderungen derO2-Konzentration über eineO2-empfindliche Elektrode und wird häufig für isolierte Mitochondrien oder Zellsuspensionen verwendet. Im Gegensatz dazu quantifiziert der extrazelluläre Flussanalysator OCR und ECAR in lebenden, adhärenten Zellen oder isolierten Mitochondrien mithilfe von in Mikroplatten eingebetteten fluoreszierenden Sensoren, was eine Hochdurchsatz-Stoffwechselprofilierung ermöglicht. Ein praktischer Vorteil der extrazellulären Flussanalysatorplattform ist die automatisierte, multiparametrische Bewertung über mehrere Bedingungen parallel hinweg, während geschlossene Kammersysteme (z. B. HRR- oder Clark-Elektroden) typischerweise einen geringeren Durchsatz bieten und mehr manuelle Handhabung erfordern.
Der extrazelluläre Flussanalysator ist besonders nützlich zur Bewertung der mitochondrialen Funktion intakter adhärenter Zellen oder Suspensionszellen, die sich am Boden der Mikroplatte absetzen. In Assays mit intakten adhärenten Zellen kann der mitochondriale Energiestoffwechsel mit Substraten wie Glukose oder Pyruvat6 profiliert werden. Alternativ ermöglichen Assays mit kleinen Mengen angereicherter mitochondrialer Fraktionen sequentielle Messungen der basalen Atmung, ADP-stimulierter Atmung (Zustand 3), Ruheatmung (Zustand 4) und unkopplerstimulierter Atmung unter Verwendung von Kombinationen von Substraten und Inhibitoren7. In intakten Zellsystemen können jedoch Trikarboxylsäure-(TCA)-Stoffwechsel, die nicht zelldurchlässig sind, nicht direkt zur Beurteilung ihres Stoffwechsels verwendet werden. Während isolierte Mitochondrien die Nutzung solcher Metabolite aufgrund des Fehlens von Plasmamembranbarrieren ermöglichen. Die Analyse des Ansatzes der isolierten angereicherten mitochondrialen Bioenergetik weist Einschränkungen auf: Die mitochondriale Struktur kann während der Isolation verändert werden, und zytosolische Faktoren, die den mitochondrialen Stoffwechsel und den Transport von Metaboliten beeinflussen, sind reduziert oder fehlen. Dementsprechend werden selektive Permeabilisierungsansätze oft als Kompromiss verwendet, der Aspekte der zellulären Architektur beibehalten und gleichzeitig einen kontrollierten Zugang zu Mitochondrien ermöglicht. Um die Einschränkungen der Verwendung intakter Zellen oder isolierter Mitochondrien für metabolische Tests zu überwinden, beschreibt dieses Protokoll eine Methode zur Permeabilisierung adhärenter Neuroblastomzellen (BE(2)-C) mit Digitonin. Dieser Ansatz erleichtert den Import von ansonsten nicht zell-permemittierten Metaboliten über die Plasmamembran, während funktionelle mitochondriale Antworten auf definierte Substrate und Inhibitoren erhalten bleiben.
Die Selektivität von Digitonin basiert auf Unterschieden in der Lipidzusammensetzung der Membran: Die Plasmamembran ist reich an Cholesterin, während mitochondriale Membranen – insbesondere die innere mitochondriale Membran – sehr wenig Cholesterin8 enthalten. Bei niedrigen Konzentrationen permeabilisiert Digitonin (oder Saponin) selektiv und vollständig die Plasmamembran aufgrund ihres hohen Cholesteringehalts, während mitochondriale Membranen nur bei höherenKonzentrationen (9,10) betroffen sind. Digitonin bindet an Cholesterin und bildet Poren in der Plasmamembran, wodurch kleine Moleküle wie TCA-Zyklus-Intermediate in das Zytosol gelangen können, ohne die mitochondriale Struktur oder Funktion zu stören, wenn sie richtig optimiert sind. Dieser Ansatz eignet sich am besten für kultivierte Zellen, die reproduzierbar als adhärente Monoschichten in einer extrazellulären Flussanalysator-Mikroplatte verplatten werden können, und erfordert eine empirische Titration der Digitoninkonzentration für jeden Zelltyp und jede Samendichte. Operative Indikatoren für die erhaltene mitochondriale Integrität umfassen robuste, inhibitorsensitive OCR-Reaktionen (z. B. erwartete Abnahme mit Rotenon/Antimycin A und intakte Complex-IV-gesteuerte Atmung mit Ascorbat/TMPD) sowie das Ausbleiben eines OCR-Kollaps, der auf Überpermeabilisierung hinweisen würde. Daher sollte die Digitonin-Optimierung vor experimentellen Vergleichen durchgeführt und immer wiederholt werden, wenn sich Kulturbedingungen oder Zelldichte ändern. Darüber hinaus variiert die optimale Digitoninkonzentration je nach Zelltyp und muss empirisch bestimmt werden, um ein Permeabilisierungsfenster zu etablieren, das den Eintritt imperenter Substrate (z. B. Succinat) erlaubt, während die inhibitorsensitive mitochondriale Funktion erhalten bleibt. In dieser Studie illustrieren wir dieses Prinzip, indem wir Digitonin nicht nur in BE(2)-C-Zellen, sondern auch in HEK293-Zellen und primären Ratten-Dorsalwurzelganglion-(DRG)-Neuronen optimieren.
Dieses Protokoll wurde mit BE(2)-C-Neuroblastomzellen demonstriert, die ursprünglich aus dem Gehirn eines männlichen Patienten mit Neuroblastom isoliert wurden. BE(2)-C-Zellen exprimieren verschiedene muskarinische Rezeptoren, insbesondere den cholinergen Rezeptor muscarinischen Typ-1 (CHRM1). In unseren früheren Studien haben wir gezeigt, dass CHRM1 sowohl in den Zellkörpern als auch in Neuriten kultivierter Ratten-Dorsalwurzelganglien-Neuronen sowie in CHRM1-transfektierten HEK293-Zellen11 mit Mitochondrien assoziiert ist. Darüber hinaus verändert die genetische Deletion von Chrm1 bei Mäusen mehrere Aspekte der mitochondrialen Struktur und Funktion12,13. Daher vermuten wir, dass BE(2)-C-Zellen verwendet werden können, um die modulatorischen Effekte muskarinischer Liganden auf die OXPHOS-Funktion zu untersuchen. In dieser Demonstration untersuchten wir die Auswirkungen muskariner Wirkstoffe – darunter den Agonisten Acetylcholin, den verzerrten Antagonisten Pirenzepine14 und den Antagonisten Atropin – auf die mitochondriale Atmung in Anwesenheit von entweder Succinat oder Pyruvat/Malat als Substrate und verglichen deren Auswirkung.