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Research Article
Elena Levi-D’Ancona1,2, Vaibhav Sidarala1, Scott A. Soleimanpour1,3,4
1Department of Internal Medicine, Division of Metabolism, Endocrinology and Diabetes,University of Michigan, Ann Arbor, 2Graduate Program in Immunology,University of Michigan Medical School, 3Department of Molecular and Integrative Physiology,University of Michigan, Ann Arbor, 4VA Ann Arbor Healthcare System
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Erratum Notice
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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 dos métodos para el análisis cuantitativo de la mitofagia en las células β pancreáticas: en primer lugar, una combinación de colorantes específicos de mitocondrias permeables a las células y, en segundo lugar, un indicador de mitofagia codificado genéticamente. Estas dos técnicas son complementarias y pueden implementarse en función de necesidades específicas, lo que permite flexibilidad y precisión para abordar cuantitativamente el control de calidad mitocondrial.
La mitofagia es un mecanismo de control de calidad necesario para mantener una función mitocondrial óptima. La mitofagia disfuncional de las células β da como resultado una liberación insuficiente de insulina. Las evaluaciones cuantitativas avanzadas de la mitofagia a menudo requieren el uso de indicadores genéticos. El modelo de ratón mt-Keima, que expresa una sonda radiométrica de doble excitación sensible al pH dirigida a las mitocondrias para cuantificar la mitofagia mediante citometría de flujo, se ha optimizado en células β. La relación entre las emisiones de longitud de onda de mt-Keima ácidas y neutras se puede utilizar para cuantificar de forma robusta la mitofagia. Sin embargo, el uso de reporteros genéticos de mitofagia puede ser un desafío cuando se trabaja con modelos genéticos complejos de ratones o células difíciles de transfectar, como los islotes humanos primarios. Este protocolo describe un nuevo método complementario basado en colorantes para cuantificar la mitofagia de células β en islotes primarios mediante MtPhagy. MtPhagy es un colorante sensible al pH y permeable a las células que se acumula en las mitocondrias y aumenta su intensidad de fluorescencia cuando las mitocondrias se encuentran en entornos de pH bajo, como los lisosomas durante la mitofagia. Al combinar el colorante MtPhagy con Fluozin-3-AM, un indicador de Zn2+ que selecciona para las células β, y tetrametilrodamina, éster etílico (TMRE) para evaluar el potencial de la membrana mitocondrial, el flujo de mitofagia se puede cuantificar específicamente en las células β mediante citometría de flujo. Estos dos enfoques son altamente complementarios, lo que permite flexibilidad y precisión en la evaluación del control de calidad mitocondrial en numerosos modelos de células β.
Las células β pancreáticas producen y secretan insulina para satisfacer las demandas metabólicas, y la disfunción de las células β es responsable de la hiperglucemia y la aparición de diabetes tanto en la diabetes tipo 1 como en la diabetes tipo 2. Las células β acoplan el metabolismo de la glucosa con la secreción de insulina a través de la energía mitocondrial y la producción metabólica, que dependen de una reserva de masa mitocondrial funcional 1,2,3. Para mantener una función óptima de las células β, las células β dependen de los mecanismos de control de calidad mitocondrial para eliminar las mitocondrias envejecidas o dañadas y preservarla masa mitocondrial funcional. La autofagia mitocondrial selectiva, también conocida como mitofagia, es un componente clave de la vía de control de calidad mitocondrial.
Las evaluaciones de la mitofagia en células vivas a menudo se basan en los cambios en el pH mitocondrial que ocurren durante la mitofagia. Las mitocondrias tienen un pH ligeramente alcalino, y las mitocondrias sanas normalmente residen en el citosol de pH neutro. Durante la mitofagia, las mitocondrias dañadas o disfuncionales se incorporan selectivamente a los autofagosomas y, finalmente, se eliminan dentro de los lisosomas ácidos5. Varios modelos de ratones reporteros de mitofagia transgénica in vivo, como mt-Keima6, mitoQC7 y CMMR8, así como sondas de mitofagia transfectables, como el plásmido Cox8-EGFP-mCherry9, utilizan este cambio de pH para proporcionar evaluaciones cuantitativas de la mitofagia. El uso de ratones transgénicos que expresan la sonda radiométrica de doble excitación sensible al pH mt-Keima se ha optimizado para las evaluaciones de mitofagia en islotes y células β mediante citometría de flujo10,11. La relación entre las emisiones de longitud de onda mt-Keima ácidas y neutras (la relación entre la excitación ácida de 561 nm y la neutra de 480 nm) puede utilizarse para cuantificar de forma robusta la mitofagia 6,12.
Este protocolo describe un enfoque optimizado para evaluar el flujo mitofagia en islotes primarios y células β aisladas de ratones transgénicos mt-Keima10,11. Si bien mt-Keima es una sonda altamente sensible, requiere complicados esquemas de cría de animales o la transfección de células, lo que a menudo puede ser un desafío cuando se trabaja en combinación con otros modelos genéticos o con islotes humanos primarios. Además, el uso de múltiples láseres y detectores de fluorescencia para identificar poblaciones celulares neutras y ácidas puede limitar el uso combinatorio de otros reporteros fluorescentes.
Para superar estos desafíos, este protocolo también describe un método complementario, basado en colorantes de un solo canal fluorescente, para la detección robusta de mitofagia en células β de islotes de ratón aislados. Este enfoque, conocido como el método MtPhagy, utiliza una combinación de tres colorantes permeables a las células para seleccionar las células β, cuantificar las poblaciones celulares que se someten activamente a la mitofagia y evaluar el potencial de membrana mitocondrial (MMP o Δψm) simultáneamente.
El primero de estos colorantes es Fluozin-3-AM, un indicador de Zn2+ permeable a las células con un Ex/Em 494/516 nm13. Los islotes de ratón comprenden una población heterogénea de células funcionalmente distintas, incluidas las células α, β, δ y PP. Las células β comprenden aproximadamente el 80% de las células dentro del islote de ratón y se pueden distinguir de otros tipos de células de islotes debido a su alta concentración de Zn2+ dentro de los gránulos de insulina14,15, lo que permite la identificación de las células β como laalta población de Fluozin-3-AM. El colorante MtPhagy, un colorante sensible al pH que se inmoviliza en las mitocondrias a través de un enlace químico y emite fluorescencia débil, también se utiliza en este protocolo16. Tras la inducción de la mitofagia, las mitocondrias dañadas se incorporan al lisosoma ácido, y el colorante MtPhagy aumenta su intensidad de fluorescencia en el entorno de pH bajo (Ex/Em 561/570-700 nm).
Además, la tetrametilrodamina, éster etílico (TMRE), se utiliza para evaluar la MMP. TMRE es un colorante permeable a las células con carga positiva (Ex/Em 552/575 nm) que es secuestrado por las mitocondrias sanas debido a la carga negativa relativa sostenida por su potencial de membrana17. Las mitocondrias dañadas o poco saludables disipan su potencial de membrana, lo que resulta en una disminución de la capacidad para secuestrar TMRE. Utilizando estos colorantes juntos, las células de β que se someten a mitofagia se pueden identificar como la poblaciónaltade Fluozin MtPhagyaltaTMREbaja a través de la citometría de flujo. Dado que la mitofagia es un proceso dinámico y no estático, este protocolo se optimizó para evaluar el flujo de mitofagia utilizando valinomicina, un ionóforo de K+ que induce la mitofagia después de la disipación de MMP18. La comparación de la mitofagia en presencia y ausencia de valinomicina permite evaluar el flujo de mitofagia en diferentes grupos de muestras.
La naturaleza basada en colorantes del enfoque actual permite extrapolarlo a islotes humanos y otros tipos de células difíciles de transfectar y evita la necesidad de complicados esquemas de cría de animales, a diferencia del protocolo mt-Keima. El objetivo general de este protocolo es cuantificar la mitofagia en células β a nivel de una sola célula a través de dos métodos independientes basados en citometría de flujo. En conjunto, este protocolo describe dos métodos potentes y complementarios que permiten tanto precisión como flexibilidad en el estudio cuantitativo del control de calidad mitocondrial.
Los estudios en animales presentados en este protocolo fueron revisados y aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad de Michigan. Para este estudio se utilizaron ratones machos C57BL/6J de veinte semanas de edad, ya sea con una dieta regular de grasas (RFD) de 15 semanas o una dieta alta en grasas (HFD).
1. Evaluación de la mitofagia a través del enfoque MtPhagy basado en colorantes (Método 1)
2. Evaluación de la mitofagia utilizando el reportero mt-Keima codificado genéticamente (Método 2)
Evaluación de la mitofagia a través del enfoque MtPhagy basado en colorantes
Este enfoque basado en colorantes se optimizó para analizar el flujo de mitofagia dentro de las células primarias de ratón β sin la necesidad de un reportero genético, utilizando Fluozin-3-AM, TMRE y MtPhagy, así como DAPI para excluir las células muertas. Al combinar estos colorantes con valinomicina para inducir la mitofagia, este protocolo describe un método basado en colorantes para medir selectivamente el flujo de mitofagia en células primarias de ratón β18. Para los datos mostrados con este método de MtPhagy, se analizaron tanto la mitofagia basal como la inducida por valinomicina en islotes aislados de ratones alimentados con dieta regular de grasas (RFD) o dieta alta en grasas (HFD, 60 kcal% de grasa) para evaluar el efecto del estrés metabólico en el flujo de mitofagia. Para identificar la población de interés, las células se comprimieron utilizando islotes de RFD no tratados. Los voltajes FSC y SSC se ajustaron primero para lograr una distribución uniforme de celdas en un gráfico SSC-A vs. FSC-A (Figura 1A). Para seleccionar celdas individuales, tanto FSC-H vs. FSC-W y SSC-H vs. Se utilizaron gráficos SSC-W, donde se excluyeron los multipletes debido a sus valores de señal de mayor ancho en comparación con las celdas individuales (Figura 1B, C). A continuación, se seleccionaron las células DAPI negativas para excluir las células muertas20 (Figura 1D). Después de establecer las puertas primarias, se utilizaron controles de tinción única para establecer puertas de fluorescencia para Fluozin-3-AM, MtPhagia y TMRE (Figura 1E-G), así como controles de compensación para citometría de flujo de fluorescencia multicolor.
Una vez que se establecieron estas puertas primarias y de fluorescencia, las células β con alta utilización de mitofagia se definieron como la población de FluozinaltaMtPhagyaltaTMREbaja en el cuadrante 3 (Q3) utilizando RFD sin exposición a valinomicina (Figura 1H). Utilizando esta estrategia de compuerta, se caracterizaron los niveles basales y de mitofagia inducidos por valinomicina en los islotes RFD y HFD (Figura 2). Para cuantificar el flujo mitofagino, basal vs. Los niveles de mitofagia inducidos por valinomicina se compararon utilizando la siguiente proporción:

Utilizando esta relación, se cuantificó el flujo de mitofagia y se comparó en RFD vs. HFD β células para evaluar las diferencias en la mitofagia después de la inducción de obesidad y resistencia periférica a la insulina. Cuantificación del flujo mitofagia en RFD vs. Las muestras de HFD se muestran en la Figura 2E. Este resultado pone de manifiesto la viabilidad de este ensayo para cuantificar la mitofagia en las células β utilizando un enfoque sencillo basado en colorantes. Este método también puede emplearse en islotes humanos, células difíciles de transfectar e islotes aislados de modelos genéticos complejos en los que el cruzamiento con el modelo transgénico mt-Keima sería engorroso.
Evaluación de la mitofagia mediante el reportero mt-Keima codificado genéticamente
Mt-Keima es una proteína fluorescente de doble excitación fusionada con una secuencia de localización de Cox8 que permite su orientación a la membrana mitocondrial interna. La propiedad fluorescente bimodal de mt-Keima le permite cambiar sus espectros de excitación de la longitud de onda neutra (405 nm) a ácida (561 nm), dependiendo del pH del compartimento intracelular6. Esto permite un sólido análisis de fluorescencia radiométrica de la mitofagia, donde un aumento en la proporción ácida a neutra indica la inducción de mitofagia. En este protocolo, también se utilizó Fluozin-3-AM para seleccionar las células β mediante citometría de flujo. En estos estudios representativos, el flujo mitofagia se evaluó utilizando islotes aislados de ratones alimentados con una dieta de RFD10,11. Los voltajes FSC y SSC se ajustaron primero para lograr una distribución uniforme de celdas en un SSC-A vs. Gráfico FSC-A (Figura 3A). Para seleccionar celdas individuales, tanto FSC-H vs. FSC-W y SSC-H vs. Se utilizaron gráficos SSC-W, donde se excluyeron los multipletes debido a sus valores de señal de mayor ancho en comparación con las celdas individuales (Figura 3B, C). El voltaje y la estrategia de compuerta para DAPI y Fluozin-3-AM se determinaron utilizando islotes de una sola tinción (Figura 3D, E). A continuación, se identificaron las puertas triangulares para las poblaciones ácidas y neutras utilizando la muestra mt-Keima positiva sin exposición a valinomicina (Figura 3F).
Una vez que se establecieron estas puertas primarias y de fluorescencia, se evaluó el flujo de mitofagia utilizando cambios basales e inducidos por valinomicina en la fluorescencia mt-Keima (Figura 3F, G). Para cuantificar el flujo de mitofagia, la mitofagia basal vs. Los niveles inducidos por valinomicina se compararon mediante la siguiente proporción:

Utilizando esta relación, se cuantificó el flujo de mitofagia en células RFD. La cuantificación de este resultado se muestra en la Figura 3H. Es importante destacar que estos resultados son comparables a los resultados de los islotes de RFD generados utilizando el enfoque MtPhagy (Figura 3H).

Figura 1: Esquema de compuerta para el método MtPhagy. (A) Diagrama de flujo que muestra el esquema de compuerta para seleccionar para todas las celdas. (B) Puerta para seleccionar singletes en función de FSC-H vs. FSC-W y (C) SSC-H vs. SSC-W. (D) Activación de células DAPI negativas para excluir las células muertas. (E) Activación para celdasaltas de Fluozin-3-AM para seleccionar celdas β. (F) Esquema de compuerta para el colorante MtPhagy para identificar poblacionesde células altas y bajas de MtPhagy. (G) Esquema de compuerta para TMRE para identificar poblaciones celularesaltas ybajas de TMRE. (H) Esquema de compuerta de cuadrante establecido con islotes de RFD no tratados para identificar las células bajas de Fluozinhigh, MtPhagyhigh, TMREbajo en el cuadrante 3 (Q3) como células β sometidas a mitofagia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Evaluación de las diferencias de flujo de mitofagia en las células de ratón β después del estrés metabólico utilizando el esquema de compuerta MtPhagy. Gráficos representativos de citometría de flujo de (A) células β de RFD no tratadas, (B) células de β de HFD no tratadas, (C) células de β de RFD expuestas a valinomicina y (D) células de β de HFD expuestas a valinomicina. (E) Cuantificación del flujo de mitofagia en células β, calculada utilizando una relación entrelas células MtPhagyde altoTMRE bajo expuestas a la valinomicina y las células de MtPhagyaltoTMREbajo no expuestas a la valinomicina, tanto para muestras de RFD como de HFD. *p < 0.05 por la prueba t no apareada de Student. n = 3/grupo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Esquema de compuerta para el método mt-Keima y comparación entre ambos métodos. (A) Diagrama de flujo que muestra el esquema de compuerta para seleccionar para todas las celdas. (B) Puerta para seleccionar singletes en función de FSC-H vs. FSC-W y (C) SSC-H vs. SSC-W. (D) Activación de células DAPI negativas para excluir las células muertas. (E) Activación para celdasaltas de Fluozin-3-AM para seleccionar celdas β. (F) Gráficos representativos de citometría de flujo de células mt-Keima/+ no tratadas y (G) células mt-Keima/+ expuestas a valinomicina. (H) Cuantificación del flujo de mitofagia en células β de ratones alimentados con RFD, calculada utilizando una relación entre las células ácidas/neutras expuestas a la valinomicina y la relación entre las células ácidas/neutras no expuestas a la valinomicina utilizando el método mt-Keima y comparadas con el método MtPhagy (datos para el protocolo MtPhagy mostrados originalmente en la Figura 2E). n = 3/grupo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
SAS ha recibido subvenciones de Ono Pharmaceutical Co., Ltd. y es consultor de Novo Nordisk.
Este protocolo describe dos métodos para el análisis cuantitativo de la mitofagia en las células β pancreáticas: en primer lugar, una combinación de colorantes específicos de mitocondrias permeables a las células y, en segundo lugar, un indicador de mitofagia codificado genéticamente. Estas dos técnicas son complementarias y pueden implementarse en función de necesidades específicas, lo que permite flexibilidad y precisión para abordar cuantitativamente el control de calidad mitocondrial.
E.L-D. agradece el apoyo de los NIH (T32-AI007413 y T32-AG000114). SAS agradece el apoyo de la JDRF (COE-2019-861), los NIH (R01 DK135268, R01 DK108921, R01 DK135032, R01 DK136547, U01 DK127747), el Departamento de Asuntos de Veteranos (I01 BX004444), la familia Brehm y la familia Anthony.
| Antibiótico-Antimicótico | Life Technologies | 15240-062 | |
| Attune NxT Citómetro de flujo | Thermofisher Scientific | A24858 | |
| Dimetilsulfóxido | Sigma-Aldrich | 317275 | |
| Choque térmico libre de ácidos grasos BSA | polvo Equitech | BAH66 | |
| Suero fetal bovino | Gemini Bio | 900-108 | |
| Fluozina-3AM | Thermofisher Scientific | F24195 | 100 μ g Fluozin-3AM polvo reconstituido en 51 μ L DMSO y 51 μ L Pluronic F-127 para alcanzar 1 mM de stock. |
| Gibco RPMI 1640 Medio | Fisher Scientific | 11-875-093 | |
| HEPES (1M) | Life Technologies | 15630-080 | |
| MtPhagy tinte | Dojindo | MT02-10 | 5 μ g MtPhagy en polvo reconstituido con 50 μ L DMSO para llegar a 100 μ M de acciones. |
| Tinte MtPhagy | Dojindo | MT02-10 | |
| Penicilina-Estreptomicina (100x) | Life Technologies | 15140-122 | 1x Solución utilizada en procotol diluyendo 1:10 en ddH2O |
| Solución salina tamponada con fosfato, 10x | Fisher Scientific | BP399-20 | 1x Solución utilizada en procotol diluyendo 1:10 en ddH2O |
| Piruvato de sodio (100x) | Life Tecnologías | 11360-070 | 5 μ g MtPhagy en polvo reconstituido con 50 μ L DMSO para llegar a 100 μ M de acciones. |
| TMRE [Tetrametilrodamina, éster etílico, perclorato] | Anaspec | AS-88061 | TMRE polvo reconstituido en DMSO para alcanzar 100 μ M stock. |
| Tripsina-EDTA (0,05%), rojo de fenol | Thermofisher Scientific | 25300054 | |
| Valinomycin | Sigma | V0627 | Valinomicina en polvo reconstituido en DMSO para alcanzar un stock de 250 nM. |