Mitochondrien spielen eine entscheidende Rolle bei der zellulären Funktion und der Homöostase. Mitochondrien sind die Haupttreiber des zellulären Stoffwechsels, da sie die ATP-Erzeugung durch oxidative Phosphorylierung regulieren. Sie dienen außerdem als Signalorganellen, die das Zellschicksal bestimmen, indem sie apoptotische Bahnen regulieren, sowie die ROS- und Ca+2-Signalübertragung 1. Daher kann eine mitochondriale Dysfunktion zu verschiedenen neurodegenerativen, muskulösen und kardiovaskulären Erkrankungen führen. Trotz der entscheidenden Rolle, die Mitochondrien im Krankheitsverlauf spielen, kann die Bewertung der mitochondrialen Funktion invasiv, kostspielig und begrenzt sein.
Wichtige Indikatoren der mitochondrialen Funktion, wie die Sauerstoffverbrauchsrate, oxidative Phosphorylierung und die Aktivität verschiedener Komplexe innerhalb der Elektronentransportkette (ETC), werden mittels Respirometrie gemessen. Das ETC besteht aus vier Komplexen (I–IV), die in die innere mitochondriale Membran (IMM) eingebettet sind. Diese Komplexe übertragen mit Hilfe anderer Co-Enzyme Elektronen von reduzierten Substraten wie NADH und FADH2 an den EndelektronenakzeptorO2, der dann zu Wasser reduziert wird. Die meisten zeitgenössischen Respirometrie-Assays, wie Seahorse und Orobros O2k, erfordern Gewebeverarbeitung, was ihre Anwendung für translationale Forschungeinschränkt 4,5. Die Messung des mitochondrialen Membranpotenzials (MMP) ist eine weitere Methode zur Bewertung der mitochondrialen Dysfunktion, die kationische lipophile Fluorophore wie JC-1 zusammen mit mikroskopischer Bildgebung verwendet, bei der gekoppelte (gesunde) und ungekoppelte (beschädigte) Mitochondrien mit unterschiedlichen Wellenlängen6 fluoreszieren. Diese Assays können jedoch eine geringeEmpfindlichkeit von 5 aufweisen. Der Farbstoff selbst kann auch bei hohen Konzentrationen eine hohe Zytotoxizitätaufweisen. Schließlich erfordert diese Technik, ähnlich wie bei Respirometriemessungen, auch eine Gewebeverarbeitung. Spektroskopiebasierte Techniken wurden kürzlich als nicht-invasive Methoden zur Bewertung der Mitochondriengesundheit eingesetzt. So wurde beispielsweise die Phosphor-Magnetresonanzspektroskopie (P-MRS), eine Methode zur Bewertung des zellulären Stoffwechsels durch Messung der Konzentrationen phosphorhaltiger Metaboliten, zur Charakterisierung von künstlich hergestelltem adipogenem Gewebe während der Differenzierung7 verwendet. Diese Technik erfordert jedoch auch spezielle Ausrüstung und Schulung.
Unsere Gruppe hat kürzlich eine Echtzeit-, nicht-invasive und hochspezifische Technik zur Messung des mitochondrialen Redoxzustands als Marker für die Organlebensfähigkeit mittels Resonanz-Raman-Spektroskopie (RRS) demonstriert. RRS verwendet inelastische Streuung von Photonen zur Quantifizierung der Redoxzustände mitochondrialer Cytochrome. Porphyrinringe in Häm-Gruppen von Molekülen wie mitochondrialen Cytochromen, Hämoglobin und Myoglobin erzeugen je nach ihrem Oxidationszustand ein charakteristisches Raman-Spektrum bei Anregung mit einem 441-nm-Wellenlängenlaser8. Obwohl das RRS-System eine Wellenlänge von 441 nm verwendet, können auch Laser mit 420 nm und 405 nm Wellenlängen eingesetzt werden, von denen jeder bevorzugt einen anderen Cytochromkomplex verstärkt. Das aus einer unbekannte interessierende Probe gewonnene Spektrum wird mit voraufgezeichneten Bibliotheken vollständig oxidierter oder reduzierter intakter Mitochondrien abgeglichen, was das Verhältnis von reduzierten zu totalen Mitochondrien oder den durchschnittlichen Redoxzustand der in situ ETC-Cytochrome ergibt. Dieses Verhältnis ist als Resonanz-Raman-reduziertes Mitochondrialverhältnis (3RMR) definiert.
Es gibt drei verschiedene Berechnungen/Typen von 3RMR: mitochondriale 3RMR (mito-3RMR), komplexe III 3RMR (cIII-3RMR) und komplexe IV 3RMR (cIV-3RMR). Jeder dieser Indizes wird durch den Anteil von reduziert auf die Gesamtzahl einer gegebenen Komponente berechnet. Zum Beispiel wäre der 3RMR von cIII das Verhältnis von reduziertem cIII zur Gesamtanzahl cIII im Gewebe (cIII-R/(cIII-O+CIII-R)). Das gleiche Muster gilt für cIV. Daher würde 3RMR-cIII das Verhältnis von reduziertem cIII zur Gesamtmenge von cIII bezeichnen, und 3RMR-cIV das Verhältnis von reduziertem cIV zur Gesamtmenge an cIV. Durch Regressionsanalyse werden entweder mitochondriale Redoxzustände (mito-3RMR) unter Verwendung von spektralen Bibliotheken intakter Mitochondrien berechnet, oder einzelne komplexe Redoxzustände (cIII-3RMR und cIV-3RMR) werden mit cIII- und cIV-Spektralbibliotheken berechnet. Eine aktuelle Veröffentlichung9 zeigte, dass Mito-3RMR repräsentativ für den gewichteten Durchschnitt der cIII- und cIV-Redoxzustände (oder cIII-3RMR und cIV-3RMR) ist. Es ist wichtig zu beachten, dass cI und cII weder Raman-aktiv noch resonant verstärkt über die 441-nm-Wellenlänge sind. Folglich werden sie bei der Berechnung des Mito-3RMR nicht berechnet.
Unter Nutzung dieser Arten von 3RMR definieren wir den optimalen Bereich von 3RMR. In "gesunden" Organen sind die Mitochondrien intakt und verfügen über ausreichende Sauerstoffversorgung. Im Gegensatz dazu können beschädigte Organe eine unzureichende Sauerstoffzufuhr oder -nutzung aufweisen, wodurch ETC-Komplexe Elektronen ansammeln. Die Elektronenansammlung verursacht "reduktive Spannung", wodurch die Mitochondrien vom oxidierten in den reduzierten Zustand verschoben werden und die 3RMR-Werte steigen. Mehrere Studien8, 9, 10, 11, 12, die von Herzen und Lebern in Nagetier- und Schweinemodellen reichen, haben begonnen, den optimalen "gesunden" Bereich für 3RMR zu beleuchten, der zwischen 10 und 30 liegen soll. So untersetzten Perry et al. Säugetierherzen Hypoxie, wobei ein 3RMR von 30 % das optimale Gleichgewicht für Sensitivität und Spezifität zur Detektion von hypoxischem Gewebe8 lieferte. Dieser Trend wurde in weiteren Studien mit Herzgewebe11,12 und Lebertransplantaten10 bestätigt. Außerdem zeigten Nyugen et al.9, dass 3RMR-Werte für Gewebe, in denen der Stoffwechsel gestoppt ist, auf sehr niedrige (oxidierte) Werte sinken, mit 3RMR-Werten (7,667 ±± 4,926) nicht transplantierbarer warm-ischämischen Lebern nach 3 Stunden normotherm Maschinenperfusion, verglichen mit 3RMR-Werten über 10 (~12–15) für frische und transplantierbare warm-ischämische Lebern9.
Über diese Demonstrationen hinaus, wie 3RMR die Gewebelebensfähigkeit messen kann, machen die Sensitivität, Spezifität und Benutzerfreundlichkeit von RRS es für viele andere Forschungsarten sehr anwendbar, bei denen der zelluläre Stoffwechsel und die mitochondriale Funktion beeinflusst sind. In früheren Studien wurde RRS eingesetzt, um Makuladegeneration und Glaukom bei Mäusen zu erkennen, indem die metabolische Aktivität von unmyelinisierten Axonen von retinalen Ganglienzellen am Sehnervkopf13 bewertet wurde. Zusätzlich wurde es verwendet, um eine Koarktation der Aorta (CoA) in einem Rattenmodell der angeborenen Herzerkrankungen nachzuweisen, eine Diagnose, die bei Neugeborenen-Herzuntersuchungenoft übersehen wird. Diese Technologie wurde genutzt, um die Organfunktion und -viabilität unter verschiedenen experimentellen Bedingungen zu verstehen, die im Bereich der Organtransplantation relevant sind, einschließlich Studien, die die Organlebensfähigkeit auf ex vivo Maschinenperfusion10,11 bewerten, die Reoxygenierung poststatische Kaltlagerungbewerten oder Reperfusionsschäden von warmischämischen Lebern mindern9.
Dieses Papier zielt darauf ab, RRS als ein Echtzeit-sensibles Instrument zur Bewertung der Mitochondriengesundheit zu etablieren. Ganze Lebern aus einem Rattenmodell wurden als Belastungstest unterschiedlich stark auf Ischämie und Sauerstoffreperfusion untersucht, um die mitochondriale Reaktion zu bewerten. Bei diesem Sauerstoff-Stresstest werden frische Lebern 5 Minuten initialem Perfusionsfluss, 5 Minuten Ischämie und 5 Minuten Reperfusion unterzogen. Während des gesamten Stresstests wurden 3RMR-Messungen sowie Laktat-, K+- und Sauerstoffpartialdruckmessungen (pO2) durchgeführt. Eine schnellere Reaktion auf Veränderungen der Sauerstoffversorgung wurde mit 3RMR im Vergleich zu herkömmlichen Blutgasanalyten beobachtet. Mit diesen Experimenten wird der Einsatz von RRS nicht nur für mechanistische Studien, sondern auch als diagnostische Methode sowie als therapeutisches Testfeld hervorgehoben. Daher kann das gemeinsame Protokoll für verschiedene Forscher, die mit Mitochondrien arbeiten, nützlich sein. Insgesamt könnte RRS mit seiner nichtinvasiven, Echtzeit- und hochspezifischen Natur einen erheblichen Einfluss auf den zellulären Stoffwechsel haben.