RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
Spanish
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Este protocolo describe calorespirometry, la medición directa y simultánea de disipación de calor y la respiración, lo que proporciona un enfoque no invasivo para evaluar el metabolismo energético. Esta técnica se utiliza para evaluar la contribución de las vías aeróbicas y anaeróbicas para utilización de la energía mediante el control del flujo total de energía celular.
Muchas líneas celulares utilizadas en la investigación biológica y biomédica básica mantienen la homeostasis de la energía a través de una combinación de respiración aerobia y anaerobia. Sin embargo, la medida en que ambas vías contribuyan al paisaje de la producción de energía celular es constantemente pasado por alto. Las células transformadas se cultivan en los niveles de glucosa se satura a menudo muestran una dependencia disminuida en la fosforilación oxidativa para la producción de ATP, que es compensada por un aumento en la fosforilación a nivel de sustrato. Este cambio en el equilibrio metabólico permite a las células de proliferar a pesar de la presencia de las toxinas mitocondriales. En descuidar el equilibrio metabólico alterado de las células transformadas, los resultados de una investigación farmacéutica puedan ser mal interpretados desde el potencialmente efectos mitotoxic no pueden ser detectadas utilizando modelo de líneas de celulares cultivado en presencia de glucosa alta concentraciones. Este protocolo describe el apareamiento de dos poderosas técnicas, respirometría y calorimetría, que permite la evaluación cuantitativa y no invasiva de contribuciones aeróbicas y anaeróbicas a la producción de ATP celular. Respiración aerobia y anaerobia genera calor, que puede ser monitoreados mediante calorimetría. Mientras tanto, medir la tasa de consumo de oxígeno puede evaluar el grado de respiración aeróbica. Disipación de calor y consumo de oxígeno se miden al mismo tiempo, se puede determinar la relación calorespirometric. Puede entonces compararse con el valor experimentalmente obtenido el oxycaloric teórico equivalente y la amplitud de la respiración anaerobia puede ser juzgada. Así, calorespirometry ofrece un método único para analizar una amplia gama de cuestiones biológicas, incluyendo el desarrollo de medicamentos, crecimiento microbiano y bioenergéticas fundamentales bajo condiciones hipóxicas y normoxic.
En los sistemas biológicos, el cambio de la liberación de calor o entalpia durante el metabolismo suele ser supervisado ya sea directamente (vía directa calorimetría) o indirectamente por el consumo de O2 y CO2 producción (mediante respirometría). Desafortunadamente, cuando estas técnicas se utilizan en el aislamiento, información crítica se pierde, como la contribución de las vías anaerobias al metabolismo celular. Calorespirometry es una técnica poderosa que se basa en la medición simultánea de la disipación de calor y respiración. Calorespirometric labor pionera investigó el metabolismo anaerobio en células de mamífero totalmente oxigenadas y demostrado aportes simultáneos de las vías aeróbicas y anaeróbicas a la homeostasis de la energía a pesar de las células transformadas en un ambiente completamente oxigenada1. Calorespirometry desde entonces se ha aplicado a una amplia variedad de cuestiones biológicas. Algunos ejemplos incluyen el estudio de la energía animal en niveles bajos de oxígeno, los efectos del herbicida y estrógeno en las branquias de bivalvos, el metabolismo de organismos terrestres y la descomposición microbiana del suelo orgánico materia2, 3 , 4 , 5 , 6. Además, calorespirometry ha reveló cómo metabólica preacondicionamiento antes de congelación mejora la crioconservación de mamíferos las células7. Cada enfoque, calorimetría y respirometría, independientemente se ha incrementado nuestro conocimiento de la bioenergía celular y organismo. Sin embargo, cuestiones biológicas fundamentales que pueden ser contestadas mediante el uso de calorespirometry permanecen relativamente inexploradas.
Ley de Hess establece que el cambio total de entalpía de una reacción es independiente de la vía entre los Estados iniciales y finales. Por ejemplo, el cambio de entalpía total de un camino bioquímico es la suma del cambio en entalpías de todas las reacciones dentro de la vía. Calorimetría ofrece un enfoque en tiempo real para medir la producción de calor celular, que detecta indiscriminadamente las vías aeróbicas y anaeróbicas. Esto se basa en la Fundación que ninguna energía se intercambia en el sistema excepto a través de las paredes de la ampolla experimental8. Un cambio en la disipación de calor es igual al cambio en entalpía liberada de todas las reacciones metabólicas en la ampolla. Así, una entalpía negativa se corresponde con una pérdida de calor del sistema. Investigación exhaustiva sobre las últimas cuatro décadas ha caracterizado el paisaje termodinámico de catabolismo y anabolismo. Esto está representado por un aumento sostenido en los artículos de investigación en los términos de búsqueda "biológicos" y "calorimetría" como indexadas por los Estados Unidos Biblioteca Nacional de medicina (NLM) en los institutos nacionales de salud (PubMed). La búsqueda revela antes de 1970, un total de 27 publicaciones referencia calorimetría biológica; mientras tanto, en el 2016 solo, 546 publicaciones utilizan la técnica.
Calorimétricas métodos están bien establecidos para determinar la producción de calor. Sin embargo, se otorga mayor flexibilidad para resolver el valor respirométricos. La medición respirométricos puede consistir en O2, CO2, o ambos O2 y CO2. Además, la medición de O2 o CO2 puede lograrse mediante varias técnicas, incluyendo optrodes, electrodos tipo Clark y absorción de láser de diodo sintonizable espectroscopia de9,de7,10 ,11. Mientras que la producción de CO2 es una medida valiosa en muchos estudios respirométricos, el medio para las células cultivadas a menudo utiliza un sistema bicarbonic para control de pH12,13. Para evitar las complicaciones de la medición de CO2 en el sistema del bicarbonato, el siguiente protocolo para la calorespirometry de las células en cultivo utiliza O2 como único parámetro respirométricos.
Concurrente con la medición de flujo de oxígeno, ciertos respirometers (véase Tabla de materiales) están diseñados para evaluaciones detalladas de la función mitocondrial. Protocolos (traje) de sustrato-uncoupler-inhibidor-titulaciones están bien establecidos y son compatibles con experimentos diseñados para medir la membrana potencial o reactivas de oxígeno (ROS) las especies formación14. El protocolo presentado para calorespirometry de las células intactas es compatible con la introducción de uncouplers químicos como cianuro de carbonilo-p-trifluoromethoxyphenylhydrazone (FCCP) y el F0F1-ATP sintasa inhibidor oligomycin. Mediante la adición de FCCP, consumo de oxígeno puede ser desacoplado de la producción de ATP, que es útil para evaluar el impacto de la terapéutica potencial en el funcionamiento mitocondrial15. Además, la adición de oligomycin ilumina el grado de respiración de escape. Así, las mediciones respirométricos realizadas durante calorespirometry son compatibles con protocolos extenso diseñados para aclarar más lejos la fisiología mitocondrial.
La medida simultánea de la disipación de calor y flujo de oxígeno permite el cálculo de la relación calorespirometric (CR). Este cociente se compara constante de Thornton o la oxycaloric teórica equivalente, que oscila entre-430 a-480 kJ mol-1 dependiendo de la línea de células o tejidos de interés y el carbón suplido sustratos1, 16. por lo tanto, una relación más negativa de CR revela aumento de las contribuciones de vías anaeróbicas a la actividad metabólica general. Por ejemplo, la proporción de CR para la respiración de los tejidos musculares rutina sin el desempeño activo de trabajo oscila entre-448 y-468 kJ mol-1, que es dentro de la gama del oxycaloric teórico equivalente17,18. Mientras tanto, las células del cáncer mamíferos cultivadas en medio alto en glucosa Mostrar mayor ácido láctico fermentación después de glicolisis y relativamente baja participación mitocondrial19. Este resultados de fenotipo en las tasas de CR en la gama de-490 a-800 kJ mol-1, demostrando una mayor implicación de las vías anaerobias en el metabolismo celular como indica más negativas CR ratios1,7, 16,20.
Distribuidores de células y tejidos tanto comerciales como sin fines de lucro actualmente oferta de líneas de celulares de más de 150 especies, con casi 4.000 líneas celulares derivan de los seres humanos. Líneas celulares inmortalizadas son herramientas convenientes para la evaluación rápida de la toxicidad de la terapéutica potencial, muchos de los cuales pueden interferir directa o indirectamente con las funciones mitocondriales. Usando las células transformadas durante la detección de drogas puede ser un valor predictivo limitado en parte debido al efecto de Warburg, un rasgo distintivo de muchos cánceres. A menudo, los cánceres generan ATP fosforilación a nivel de sustrato y equilibrio redox a través de la producción de lactato sin comprometer completamente la mitocondria bajo condiciones aerobias19. Desarrollo farmacéutico es muy costoso e ineficiente, con 8 de los 9 compuestos probados en ensayos clínicos en humanos no lograr la aprobación de mercado21. Mientras que la terapéutica potencial puede pasar revisión inicial debido a la baja citotoxicidad en líneas celulares, es posible que algunos de estos compuestos son mitotoxic. Sin un método adecuado para detectar cómo estas toxinas pueden afectar el balance de energía en las células primarias que no muestran el efecto de Warburg, información crítica suele ser alto, cuellos de botella desarrollo terapéutico en fases tempranas.
Calorespirometry es un enfoque práctico, no invasivo para analizar la actividad metabólica en una variedad de muestras biológicas, incluidas las células y los tejidos. El núcleo del protocolo presentado es compatible con una gama de aplicaciones. Una complicación, sin embargo, ha sido identificada. Las células inmortalizadas a menudo se cultivan en un medio libre de glucosa con la galactosa para aumentar la contribución de la fosforilación oxidativa (OXPHOS) para la producción de energía, con el fin de sensibilizar las células a potenciales mitotoxins22, 23. Esta reprogramación metabólica parece oscurecer el análisis cuando las muestras se colocan en las ampollas de acero inoxidable utilizados por el calorímetro15. Las células cultivadas en un medio de glucosa seguirán en alta actividad metabólica durante varias horas. Mientras tanto, las células cultivadas en medio de galactosa disminuyen la producción de calor dentro de 30 minutos de su colocación en la ampolla, de realizar medidas de restringido a puntos del tiempo experimental temprana. Este comportamiento, desafortunadamente, impide la oportunidad de evaluar su proliferación celular. A pesar de esta limitación específica, mayoría de las aplicaciones es compatible con el análisis de calorespirometric y toda la información metabólica puede obtenerse a través de este enfoque.
1. cultivo celular
2. preparación del respirómetro y calorímetro
3. preparación de células HepG2 de respirometría y calorimetría
4. calorimetría
5. respirometría
6. cálculo del coeficiente de Calorespirometric de
La reproducibilidad de las mediciones de calorespirometric depende de una preparación adecuada y constante. Muestras preparadas a partir de cultivos celulares deben no utilizarse si las placas son muy crecidas, como recuentos de células pueden ser inexactos debido a la aglutinación. Además, flujos de calor reducida debido a la difusión limitada de sustrato en las células agrupadas pueden ocurrir. Por lo tanto, al utilizar células adherentes, es fundamental seleccionar una placa con la confluencia entre 60-80% y cambiar el medio de 24 h antes del experimento.
Mantenimiento y calibración de instrumental adecuado también son críticos para las medidas informativas y reproducible calorespirometric. Siguiendo el fabricante establecido protocolo de limpieza para el respirómetro, extensa lavados con etanol se ponen en ejecución para asegurarse de que los inhibidores de la residual uncouplers hidrofóbicos se quitan y no pongan en peligro las medidas por parte mitocondrias inhibiendo o desacoplar. Cuando la cámara del respirómetro está funcionando antes de la medición de la muestra, la concentración de oxígeno y los rastros de flujo de oxígeno deben ser estables como se muestra en la figura 1. Si la posición es que necesitan servicio de sensor, el flujo de oxígeno no se estabiliza como se ve en la figura 2. Las mediciones no deben realizarse cuando el POS no es atendida correctamente. Además, las ampollas utilizadas en el calorímetro deben ser limpiados, esterilizados y secados antes de su uso, como la contaminación biológica puede interferir con la producción de calor de la muestra.
Se preparan muestras de células después de la calibración adecuada y la preparación del respirómetro y el calorímetro. En primer lugar, el tapón en el respirómetro se cierra y la cámara es inspeccionada para asegurarse que no hay burbujas de aire están presentes. Luego, células HepG2 se concentra a ~ 2 x 10650 μl de respirometría y colocar inmediatamente en hielo. Para Calorimetría, células HepG2 de la muestra concentrada se diluyen en medio DMEM en ~ 1 x 105 células/mL. Después de que las células estén completamente mezcladas mediante pipeteo, 2,5 mL de la suspensión se agrega a una ampolla estéril. La ampolla es cerrada, y se quita cualquier suciedad externa soplando la ampolla con una corriente de aire de una bomba de aire. La ampolla se baja lentamente hasta la posición 1, donde permanece durante 15 minutos. Después de transcurrido 15 min ampollas de la referencia y la muestra entonces se bajan lentamente a la posición 2 y mediciones pueden comenzar a grabar una vez que el calor de la salida es estable (figura 3).
Un conteo final se realiza después de que las células se agregan en el calorímetro y el respirómetro para determinar el número exacto de las células que se introduce en el calorímetro. La producción de calor se expresa entonces por millones de células. Si las células HepG2 se cultivan en ausencia de glucosa y galactosa se complementa para aumentar la participación mitocondrial, las células no proliferan dentro del calorímetro, pero en cambio disminuyan su actividad metabólica después de 30 minutos en la ampolla. Esto restringe el cálculo de CR para el momento más temprano en que se midió la disipación de calor (figura 4).
Es crítico para registrar la hora de que añadir las células a la ampolla de modo que las mediciones de consumo producción y oxígeno calor se recogen en momentos idénticos. Si no se toma esta precaución, se pueden introducir errores experimentales importantes en la determinación de la proporción de CR. Durante el período de 15 minutos, mientras que la ampolla está en la posición 1 en el calorímetro, las células se mezclan suficientemente mediante pipeteo les, y 2 x 106 células se inyectan en el respirómetro a través de una jeringa Hamilton. Flujo de oxígeno se estabiliza después de aproximadamente 15 minutos y el oxígeno concentración declina constantemente (figura 5). Otra vez, es fundamental que se registra el tiempo de la inyección de la muestra para análisis de datos. El flujo de oxígeno estabilizado de las células sirve como sustituto para el consumo de oxígeno en el cálculo de la proporción de CR. Titulaciones adicionales se realizan para evaluar la respiración de la fuga (1 μl oligomycin) indicada por una gota a un menor flujo de oxígeno y la respiración desacoplada máxima (3-5 titulaciones de 2 μl FCCP) indicada por el fracaso en aumentar la respiración después de sucesivas Valoraciones del FCCP. Desacoplar incompleta o una inhibición de la respiración no puede ser observado si el stock FCCP ha caducado (figura 6).

Calibración de aire Figura 1:100 % del estado del sensor de oxígeno polarográfico (POS) y respirómetro. Las señales para la concentración de oxígeno (línea azul) y el flujo de oxígeno (línea roja) tanto estabilizan antes de la calibración de aire 100%. Las líneas estables indican que el respirómetro está listo para la calibración. La calibración debe realizarse en DMEM y no en H2O. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: POS que necesitan servicio. Después de la estabilización de la concentración de oxígeno (trazo azul), el flujo de oxígeno (trazo rojo) no se puede estabilizar. El POS no debe utilizarse para la experimentación y servicio debe aplicarse según lo descrito por el fabricante. Una mayor inestabilidad del flujo de oxígeno se correlaciona con una mayor demanda de servicio de la posición. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Aproximadamente 2.5 x 10 células5 HepG2 cultivadas en medio glucosa muestran signos de proliferación en el calorímetro. ~2.5 x 105 HepG2 células cultivadas en presencia de glucosa por ampolla de carga genera una producción constante de calor de -20 a-28 MW mediante el ajuste de 30 MW en el instrumento y una producción de calor creciente con el tiempo se correlaciona con la proliferación celular dentro de la ampolla. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Aproximadamente 2.5 x 10 células5 HepG2 cultivadas en medio de galactosa no proliferan y disminuye con el tiempo la producción de calor. Carga de ~2.5 x 105 HepG2 células cultivadas en galactosa por resultados de la ampolla en una producción de calor inmediata de ~-20 MW. Sin embargo, la producción de calor disminuye con el tiempo y restringe las medidas CR-relación a los puntos de tiempo temprano del experimento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: rutina, desacoplado y perder la respiración de las células HepG2. Una vez que las células fueron inyectadas en el respirómetro, concentración de oxígeno disminuido constantemente (trazo azul). Después de la estabilización del flujo de oxígeno (trazo rojo) durante la respiración habitual de las células intactas, oligomycin fue agregado para inhibir la F0F1ATP - sintasa. Esto es indicado por la estabilización del flujo de oxígeno después de la adición de oligomycin, que revela la pérdida de respiración. Deben realizarse aproximadamente 3-5 valoraciones de FCCP para desacoplar la respiración de la síntesis de ATP y para revelar la capacidad del sistema (ETS) de transporte de electrones. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: desacoplar fracasada de la respiración celular HepG2. Después de la adición de las células, el oxígeno flujo estabilizado (trazo rojo) durante rutina respiración y oxígeno concentración disminuida constantemente (línea azul). Titulación del FCCP dio lugar a una incompleta desacoplar y eventual inhibición, impidiendo que se alcanzó la capacidad máxima de ETS. FCCP probablemente contaminado o degradado de almacenamiento a largo plazo. Si observa una acción FCCP fresca debe ser preparada. Además, confirman que oligomycin no inhibe la capacidad ETS durante el desacoplamiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los autores no tienen nada que revelar.
Este protocolo describe calorespirometry, la medición directa y simultánea de disipación de calor y la respiración, lo que proporciona un enfoque no invasivo para evaluar el metabolismo energético. Esta técnica se utiliza para evaluar la contribución de las vías aeróbicas y anaeróbicas para utilización de la energía mediante el control del flujo total de energía celular.
Este trabajo fue financiado en parte por la subvención de la National Science Foundation 160944 Mary E. Konkle y Michael A. Menze.
| Células HepG2 Colección | decultivos tipo americano | HB-8065 | Células utilizadas para calorespirometría |
| O2k-Respirómetro | Oroboros Instruments | 10022-02 | Respirómetro |
| LKB 2277 monitor de actividad térmica (TAM) | Termométrico AB | Thermometric fue adquirida por TA Instruments | |
| Piruvato de sodio (100 mM) | Thermofisher Scientific | 11360070 | Solución 100x añadida al medio DMEM |
| Suero fetal bovino - Premiuim Select | Atlanta Biologicals | S11550 | Añadido al 10% en medio DMEM |
| Trypsn-EDTA (0,25%) | Thermofisher Scientific | 25200072 | Reactivo de disociación celular |
| Oligomicina de Streptomyces diastatochromogenes | Sigma Aldrich | O4876 | Inhibidor mitocondrial |
| Cianuro de carbonilo 4-(trifluorometoxi)fenilhidrazona | Sigma | Aldrich C2920 | Desacoplador mitocondrial |
| Corning 100 mm Placa de cultivo tratada con TC | Corning Corporation 430167 | Placa de cultivo de tejidos | |
| Glucosa, polvo | Thermofisher Scientific | 15023021 | Glucosa para medio DMEM |
| Galactosa, en polvo | Fischer Scientific | BP656500 | Galactosa para medio DMEM |
| L-Glutamina (200 mM) | Thermofisher Scientific | 25030081 | Glutamina para medio |
| DMEM DMEM, sin glucosa | Thermofisher Scientific | 11966025 Medio de cultivo celular |