Este protocolo describe un método fácil de usar para examinar la oxidación del sustrato mediante el seguimiento de la producción de 14CO2 in vitro.
Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.
Artículo de método
Este protocolo describe un método fácil de usar para examinar la oxidación del sustrato mediante el seguimiento de la producción de 14CO2 in vitro.
Las mitocondrias albergan la maquinaria para el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) y la cadena de transporte de electrones (ETC), que generan trifosfato de adenosina (ATP) para mantener la homeostasis energética. La glucosa, los ácidos grasos y los aminoácidos son los principales sustratos energéticos que alimentan la respiración mitocondrial en la mayoría de las células somáticas. La evidencia muestra que los diferentes tipos de células pueden tener una clara preferencia por ciertos sustratos. Sin embargo, la utilización del sustrato por varias células en el esqueleto no se ha estudiado en detalle. Además, como el metabolismo celular está en sintonía con los cambios fisiológicos y fisiopatológicos, las evaluaciones directas de la dependencia del sustrato en las células esqueléticas pueden proporcionar información importante sobre la patogénesis de las enfermedades óseas.
El siguiente protocolo se basa en el principio de liberación de dióxido de carbono de las moléculas de sustrato después de la fosforilación oxidativa. Mediante el uso de sustratos que contienen átomos de carbono marcados radiactivamente (14C), el método proporciona un ensayo sensible y fácil de usar para la tasa de oxidación del sustrato en el cultivo celular. Un estudio de caso con preosteoblastos calvariales primarios versus macrófagos derivados de la médula ósea (BMM) demuestra una diferente utilización de los sustratos principales entre los dos tipos de células.
La fosforilación oxidativa (OXPHOS) en eucariotas es el proceso por el cual los nutrientes se descomponen dentro de las mitocondrias para liberar energía química en forma de ATP a través del consumo de oxígeno. El catabolismo de varios sustratos dentro de las mitocondrias a través del ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) genera pocas moléculas de ATP directamente, pero más bien almacena energía a través de la reducción de los portadores de electrones nicotinamida adenina dinucleótido (NAD +) y flavina adenina dinucleótido (FAD +). Los portadores reducidos son oxidados por ETC ubicado en la membrana interna de las mitocondrias para generar un gradiente de concentración de protones a través de la membrana. Los protones eventualmente fluyen por su gradiente de regreso a la matriz mitocondrial a través de la ATP sintasa para producir ATP. OXPHOS es el medio más eficiente de producción de ATP a partir de sustratos energéticos y generalmente se prefiere en entornos aeróbicos. Anteriormente, se pensaba que la glucólisis aeróbica (producción de lactato a partir de glucosa mientras el oxígeno está presente) era fisiopatológica, a menudo un sello distintivo de las células cancerosas. Cada vez más, se está descubriendo que algunos tipos de células normales utilizan la glucólisis aeróbica por razones que aún no se han descifrado por completo.
La flexibilidad metabólica es la capacidad de las células u organismos para adaptarse a las cambiantes demandas de energía y las fuentes de combustible disponibles. Por ejemplo, la demanda energética del músculo esquelético es satisfecha principalmente por OXPHOS en estado estacionario, pero por glucólisis anaeróbica durante el ejercicio de alta intensidad1. A medida que aumenta la duración del ejercicio, la glucosa y la oxidación de ácidos grasos contribuyen más a la producción general de energía2. Sin embargo, el uso del sustrato no depende solo de la disponibilidad, ya que los sustratos compiten antagónicamente durante la oxidación. En particular, se ha demostrado que la oxidación de ácidos grasos inhibe la utilización de glucosa por el músculo esquelético en un fenómeno conocido como el efecto Randle3. Un efecto recíproco fue demostrado por estudios posteriores 4,5. Además, muchas enfermedades se asocian con un cambio en la preferencia de sustrato y el desarrollo de inflexibilidad metabólica en las células. Por ejemplo, la oxidación de ácidos grasos se reduce en el músculo esquelético de los pacientes diabéticos tipo II en comparación con los sujetos de control normales6. Los cambios metabólicos en los entornos de la enfermedad son objeto de una intensa investigación, ya que pueden contribuir a la patogénesis.
El metabolismo energético en los tipos de células esqueléticas está relativamente poco estudiado, pero ha ganado atención en los últimos años7. Trabajos previos han demostrado que la glucólisis aeróbica es la vía de energía dominante en los osteoblastos calvariales, mientras que la oxidación de la glucosa a través del ciclo TCA juega un papel en la formación de osteoclastos 8,9. Otros han proporcionado evidencia de ácidos grasos como fuente de energía para los osteoblastos10. También se ha demostrado que el catabolismo de glutamina apoya la diferenciación osteoblástica de los progenitores11,12. Sin embargo, todavía falta una comprensión integral de la utilización del sustrato por varios tipos de células esqueléticas. Además, se espera que los cambios en el metabolismo celular durante la diferenciación celular o en respuesta a señales patológicas alteren la utilización del sustrato de combustible. A continuación se describe un protocolo fácil de usar para evaluar la oxidación del sustrato in vitro.
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
El uso de materiales radiactivos (RAM) requiere la aprobación previa de un comité de seguridad designado en cada institución. Las RAM utilizadas en este protocolo han sido aprobadas por Environmental Health & Radiation Safety (EHRS) en la Universidad de Pensilvania. El uso de animales requiere la aprobación previa del Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC) en la institución de origen. El siguiente estudio fue aprobado por IACUC en el Hospital de Niños de Filadelfia.
1. Preparación de soluciones madre para 14sustratos marcados con C
2. Preparación de un medio que contenga 14sustratos marcados con C
NOTA: Para garantizar concentraciones confiables de sustratos de energía en el medio, se deben usar medios personalizados con sustratos frescos agregados poco antes de su uso. Aquí, se utiliza un Medio Esencial Mínimo (MEMα) hecho a medida sin glucosa, piruvato, glutamina, rojo fenol o bicarbonato de sodio. Sin embargo, se debe determinar un medio óptimo para cada tipo de célula.
3. Preparación de las células
NOTA: Los preosteoblastos calvariales y los macrófagos de la médula ósea se utilizan como ejemplos aquí. Los usuarios deben preparar su tipo de célula de elección de acuerdo con los protocolos apropiados. Optimizar la concentración de colagenasa II para ser utilizada para la digestión en experimentos piloto, ya que la actividad enzimática puede variar entre diferentes lotes.
4. Ensayo de oxidación de sustrato con trampa de CO2
NOTA: Se debe determinar una densidad de siembra adecuada para cada tipo de célula para lograr una confluencia del 80-90% antes del inicio del ensayo. Tenga en cuenta que la densidad celular puede afectar el estado metabólico de las células.
5. Análisis de datos
NOTA: Suponiendo que cada sustrato está completamente oxidado para liberar CO2, la tasa de oxidación del sustrato se puede calcular a partir de la radiactividad de CO2 atrapada.
(1)Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
En este ejemplo, el método de captura de CO2 se utiliza para comparar la oxidación del sustrato por preosteoblastos calvariales primarios versus BMM, que se utilizan con frecuencia para la diferenciación in vitro de osteoblastos u osteoclastos, respectivamente. Después de que las células primarias se pasan y se cultivan en cMEMα durante la noche, generalmente alcanzan el 80-90% de la confluencia y exhiben su morfología característica. Los preosteoblastos calvariales son notablemente más grandes que lo...
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
El protocolo proporciona un método fácil de usar para determinar la tasa de oxidación de los principales sustratos energéticos. Es una alternativa más sencilla a otros protocolos que utilizan matraces que contienen un pozo central y están tapados con tapones de goma 14,15,16. Aunque el estudio de ejemplo aquí se realiza con cultivo celular, el método se puede adaptar fácilmente para explantes de tejido u homogeneizados de tejido...
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Los autores declaran que no hay conflictos de intereses.
El trabajo fue apoyado en parte por la subvención R01 AR060456 (FL) de los NIH. Agradecemos al Dr. Michael Robinson y Elizabeth Krizman (The Children's Hospital of Philadelphia) por su generosa ayuda con el mostrador de centelleo.
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| 0,22 y micro; m filtros | Sigma-Aldrich | SLGVM33RS | Se utiliza para filtrar la solución BSA al |
| 0,25% Tripsina-EDTA | Gibco | 25200056 | Disociar células de placas de cultivo celular |
| 1,5 mL Tubos Eppendorf | PR1MA | PR MCT17 RB | Utilizado para la incubación de reacción |
| de 10 cm | TPP | 93100 | Utilizado para cultivo celular |
| Jeringa de 10 mL | BD | 302995 | Se utiliza para lavar la médula de los huesos largos |
| 10% FBS | Atlanta biologicals | S11550 | Para la preparación del medio de cultivo celular |
| 14C-Glucosa | PerkinElmer | NEC042X050UC | Se utiliza para hacer medios calientes |
| 14C-glutamina | PerkinElmer | NEC451050UC | Se utiliza para hacer medios calientes |
| 14C-oleato | PerkinElmer | NEC317050UC | Se utiliza para fabricar medios calientes |
| Aguja de 23 G | BD | 305120 | Se utiliza para lavar la médula de los huesos largos |
| Placas de 24 pocillos | TPP | 92024 | Se utiliza para el cultivo celular |
| 70 μ Filtros de células m | MIDSCI | 70CELL | Se utiliza para filtrar el sobrenadante durante la digestión varial |
| Colorante naranja acridina/yoduro de propidio (AO/PI) | Nexcelom Biosciences | CS2-0106 | Tiñe células vivas para determinar la densidad de semillas |
| Suero bovino Ablumin | Proliant Biologicals | 68700 | Utilizado para la conjugación de ácidos grasos |
| Celómetro Auto 2000 | Nexcelom Biosciences | Determinar el número de células viables | |
| Centrífuga | Thermo Fisher | Legend Micro 21R | Se utiliza para pellets células |
| Colagenasa tipo II | Worthington LS004176 | Disociar células del tejido | |
| MEM personalizado alpha | GIBCO | SKU: ME 18459P1 | Se utiliza para crear medios calientes personalizados |
| Solución salina tamponada con fosfato de Dulbecco | Gibco | 10010023 | Se utiliza para disolver y diluir reactivos, y lavar platos de cultivo |
| Papel de filtro | Millipore-Sigma | WHA1001090 | Trampas CO2 con hidróxido de sodio |
| Glucosa | Sigma-Aldrich | g7528 | Se utiliza para fabricar medios personalizados |
| HEPES | Gibco | 15630080 | Traps CO2 durante el cultivo celular |
| L-carnitina | Sigma-Aldrich | C0283 | Suplementado para la oxidación de ácidos grasos |
| L-Glutamina | Sigma-Aldrich | g3126 | Se utiliza para fabricar medios personalizados |
| MEM alpha | Thermo | A10490 | Medio de cultivo celular |
| Parafilm | Pecheney Embalaje de plástico | PM998 | Se utiliza para sellar placas de cultivo celular |
| Penicilina-Estreptomicina | Thermo Fisher | 15140122 | Previene la contaminación en cultivos celulares |
| El ácido perclórico | Sigma-Aldrich | 244252 | libera CO2 durante el ensayo metabólico |
| Pyruvate | Sigma-Aldrich | p5280 | Se utiliza para fabricar medios personalizados |
| Contador de centelleo | Beckman Coulter | LS6500 | Determina la radiactividad del papel de filtro |
| Fluido de centelleo | MP Biomedicals | 882453 | Absorben la energía emitida por las RAM y la vuelven a emitir en forma de destellos de luz |
| Vial de centelleo | Fisher Scientific | 03-337-1 | Recipientes de reacción para fluido de centelleo |
| Carbonato de sodio | Sigma-Aldrich | S5761 | Tampón de equilibrio para |
| hidróxido de sodio | Sigma-Aldrich | 58045 | Atrapa CO2 durante el ensayo de metaboilc |
| Oleato | de sodioSANTA CRUZ | SC-215879 | BSA preparación de ácidos grasos conjugados |
| Filtración al vacío 1000 | TPP | 99950 | Filtro cMEMα |
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.