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Research Article
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Les chevaux ont une capacité d’exercice aérobique exceptionnelle, faisant du muscle squelettique équin un tissu important pour l’étude de la physiologie de l’exercice équin ainsi que de la physiologie mitochondriale des mammifères. Cet article décrit des techniques pour l’évaluation complète de la fonction mitochondriale dans le muscle squelettique équin.
La fonction mitochondriale - la phosphorylation oxydative et la génération d’espèces réactives de l’oxygène - est essentielle à la fois pour la santé et la maladie. Ainsi, la mesure de la fonction mitochondriale est fondamentale dans la recherche biomédicale. Le muscle squelettique est une source robuste de mitochondries, en particulier chez les animaux ayant une capacité aérobie très élevée, comme les chevaux, ce qui en fait des sujets idéaux pour étudier la physiologie mitochondriale. Cet article démontre l’utilisation de la respirométrie à haute résolution avec fluorométrie simultanée, avec des mitochondries musculaires squelettiques fraîchement récoltées, pour quantifier la capacité d’oxyder les substrats sous différents états mitochondriaux et déterminer les capacités relatives d’éléments distincts de la respiration mitochondriale. L’ester méthylique de tétraméthylrhodamine est utilisé pour démontrer la production du potentiel membranaire mitochondrial résultant de l’oxydation du substrat, y compris le calcul de l’efficacité relative des mitochondries en calculant le potentiel membranaire relatif généré par unité de flux d’oxygène simultané. La conversion de l’ADP en ATP entraîne une modification de la concentration de magnésium dans la chambre de réaction, en raison des différentes affinités des adénylates pour le magnésium. Par conséquent, le vert de magnésium peut être utilisé pour mesurer le taux de synthèse de l’ATP, ce qui permet de calculer davantage l’efficacité de phosphorylation oxydative (rapport de la phosphorylation à l’oxydation [P/O]). Enfin, l’utilisation d’Amplex UltraRed, qui produit un produit fluorescent (résorufine) lorsqu’il est combiné avec du peroxyde d’hydrogène, permet de quantifier la production d’espèces réactives de l’oxygène pendant la respiration mitochondriale, ainsi que la relation entre la production de ROS et la respiration concomitante. Ces techniques permettent la quantification robuste de la physiologie mitochondriale dans une variété de conditions simulées différentes, mettant ainsi en lumière la contribution de cette composante cellulaire critique à la santé et à la maladie.
Les mitochondries des cellules eucaryotes produisent la majorité de l’ATP utilisé par les cellules pour le travail et l’entretien1. Une étape clé dans la production mitochondriale d’ATP est la conversion de l’oxygène en eau, et donc la capacité métabolique des mitochondries et des cellules associées est fréquemment quantifiée par la mesure de la consommation d’oxygène2. Cependant, la physiologie mitochondriale est plus complexe que le simple processus de consommation d’oxygène, et la dépendance à ce paramètre fournit exclusivement une évaluation incomplète de l’impact de la fonction mitochondriale et du dysfonctionnement sur la santé cellulaire. La caractérisation complète de la fonction mitochondriale nécessite l’évaluation non seulement de la consommation d’oxygène, mais aussi de la production d’ATP ainsi que des espèces réactives de l’oxygène (ROS).
Des mesures supplémentaires des fonctions mitochondriales clés peuvent être accomplies en même temps que la mesure de la respiration grâce à l’utilisation de fluorophores spécifiques. L’ester méthylique de tétraméthylrhodamine (TMRM) est un fluorophore cationique qui s’accumule dans la matrice mitochondriale proportionnellement au potentiel de tension transmembranaire mitochondriale, entraînant une diminution de l’intensité fluorescente due à cette accumulation3. TMRM peut être utilisé comme indicateur des changements relatifs dans le potentiel de la membrane mitochondriale, ou peut être utilisé pour quantifier les changements précis de la tension transmembranaire avec des expériences supplémentaires pour déterminer les constantes qui permettent la conversion du signal fluorescent en mV. Le vert de magnésium (MgG) est un fluorophore qui devient fluorescent lorsqu’il est lié à Mg2+ et est utilisé pour mesurer la synthèse de l’ATP en fonction de l’affinité différentielle de l’ADP et de l’ATP pour le cation divalentde magnésium 4. Les chercheurs doivent déterminer les constantes d’affinité/dissociation (Kd) spécifiques pour l’ADP et l’ATP dans des conditions analytiques spécifiques afin de convertir les changements de fluorescence MgG en un changement de la concentration d’ATP. Amplex UltraRed (AmR) est le fluorophore utilisé pour mesurer la production de peroxyde d’hydrogène et d’autres ROS au cours de la respiration mitochondriale5. La réaction entreH2O2et AmR (catalysée par la peroxydase de raifort) produit de la résorufine, détectable par fluorescence à 530 nM. Chacun de ces tests peut être ajouté individuellement aux tests de respiration mitochondriale en temps réel, afin de fournir des mesures simultanées des aspects respectifs de la physiologie mitochondriale, fournissant ainsi un lien direct entre la respiration et le rendement mitochondrial.
Les chevaux sont capables de taux très élevés de consommation d’oxygène spécifique à la masse, en partie à cause de la teneur mitochondriale très élevée du muscle squelettique équin, ce qui rend ce tissu très pertinent pour l’étude de la physiologie mitochondriale. Avec le développement de la respirométrie à haute résolution, les études utilisant cette nouvelle technologie ont permis de définir les contributions des mitochondries du muscle squelettique équin à la fois à la remarquable capacité d’exercice des chevaux et à la physiopathologie des maladies musculaires squelettiques 6,7,8,9,10,11,12,13,14 . Les études de la fonction mitochondriale du muscle squelettique équin sont particulièrement avantageuses, car l’obtention de grandes quantités de ce tissu n’est pas terminale. Ainsi, les sujets équins peuvent non seulement fournir suffisamment de tissu pour la caractérisation complète de la fonction mitochondriale, mais aussi servir de contrôles longitudinaux pour des études mécanistiques de haute qualité sur la physiologie mitochondriale. Pour cette raison, des tests supplémentaires pour quantifier le potentiel de la membrane mitochondriale, la synthèse de l’ATP et la production de ROS qui complètent la mesure de la consommation d’oxygène dans ce tissu ont été développés, afin de fournir une caractérisation plus robuste de la physiologie mitochondriale dans le muscle squelettique équin.
Cette étude a été approuvée par le comité institutionnel de soin et d’utilisation des animaux de l’Oklahoma State University. Quatre hongres pur-sang (17,5 ± 1,3 ans, 593 ± 45 kg) ont été utilisés dans cette étude pour générer les résultats représentatifs.
1. Obtention d’un échantillon de biopsie des muscles squelettiques
2. Mise en place du respiromètre haute résolution
3. Mesure du potentiel de la membrane mitochondriale à l’aide de TMRM
4. Mesure de la production d’ATP à l’aide de vert de magnésium (MgG)
5. Mesure de la production mitochondriale de ROS à l’aide d’Amplex UltraRed (AmR)
6. Mesure de la respiration mitochondriale
L’état de référence proposé est celui d’un pur-sang sédentaire en bonne santé (pas d’amélioration de la condition physique due à l’exercice obligatoire) et d’un échantillon de muscle frais prélevé au centre d’un muscle postural, contenant un pourcentage élevé de fibres musculaires squelettiques de type I riches en mitochondries et incubé dans des conditions proches du métabolisme au repos (c.-à-d. 38 °C et pH 7,0). Dans ces conditions, l’investigateur peut s’attendre à des valeurs L N de 2,71 ± 0,90, des valeurs PN de 62,40 ± 26,22, des valeurs PN+S de 93,67 ± 34,76 et des valeursP S de 46,93 ± 14,58 pmol O2 x s-1 x mL-1 (Figure 3 et Figure 4). Les valeurs respiratoires des mitochondries incubées avec TMRM sont plus faibles en raison d’un effet inhibiteur de ce fluorophore (Figure 1). FCRLeak, FCRN et FCRS sont respectivement 0,05 ± 0,01, 0,66 ± 0,07 et 0,51 ± 0,07. L’efficacité de phosphorylation oxydative calculée est de 0,97 ± 0,01. Les valeurs absolues pour ces états respiratoires varient en fonction de la capacité oxydative individuelle du sujet et des tissus, mais le profil relatif de ces valeurs est cohérent avec les résultats publiés des fibres musculaires squelettiques équines perméabilisées (c.-à-d. augmentation de la respiration avec l’ajout de substrats spécifiques, la combinaison de la respiration à travers le complexe I et le complexe II étant inférieure à chacune de ces sources d’électrons individuellement en raison de la saturation du système de transfert d’électrons [ETS] capacité en aval). L’efficacité calculée des mitochondries isolées du muscle squelettique équin est cohérente avec les valeurs correspondantes rapportées pour les fibres musculaires squelettiques équines perméabilisées11.
Le taux de synthèse de l’ATP devrait être de 438,59 ± 397,10 pM x s-1 pour la respiration P N, 383,18 ± 397,19 pour la respiration PN + S et 172,07 ± 125,60 pour la respiration PS, par mg de tissu source utilisé pour isoler les mitochondries. La diminution de la synthèse de l’ATP avec l’ajout de succinate est probablement due à la compétition à la jonction de la quinone de l’ETS par les deux alimentations d’électrons, l’alimentation du complexe II (qui ne contribue pas directement au potentiel de membrane mitochondriale) réduisant le flux d’électrons à travers le complexe I (qui contribue directement au potentiel de membrane mitochondriale par le pompage de protons à travers la membrane mitochondriale interne).
Le taux de production de H2O2 devrait être de 0,079 ± 0,095 nmol.s-1 pour la respiration L N, de 0,021 ± 0,043 pour la respiration PN, de 0,026 ± 0,056 pour la respiration PN+S et de 0,237 ± 0,248 pour la respirationP S, par mg de tissu source utilisé pour isoler les mitochondries (Figure 4). Le taux relatif de production de ROS est cohérent avec l’ampleur prévue du potentiel de membrane mitochondriale et l’association entre le potentiel membranaire élevé et la production de ROS. L’exception à cette relation est la production très élevée de ROS lorsque la respiration se produit uniquement par le complexe II, en raison du flux arrière des électrons de la jonction quinone vers le complexe I lorsqu’elle est bloquée par la roténone.

Figure 1 : Trace représentative de respirométrie à haute résolution de la respiration mitochondriale du muscle squelettique équin et du potentiel membranaire relatif. La fenêtre supérieure représente la concentration d’oxygène dans la chambre (axe Y gauche) et le flux d’oxygène (axe Y droit) au fil du temps (axe X); la fenêtre inférieure représente la fluorescence TMRM de la chambre (axe Y gauche) et le taux de changement du signal de fluorescence (axe Y droit) au fil du temps (axe X). Les marques verticales indiquent l’ajout de substrats spécifiques à la chambre (mt: suspension mitochondriale; P: pyruvate; G : glutamate ; M: malate; D : ADP; S : succiné; R: roténone; CCCP : Cyanure de carbonyle m-chlorophénylhydrazone). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Trace représentative de respirométrie à haute résolution de l’étalonnage du signal de fluorescence de la chambre pour le vert de magnésium et détermination de Kd pour le magnésium et les adénylates. Fluorescence MgG de la chambre (axe Y gauche) et taux de changement du signal de fluorescence (axe Y droit) au fil du temps (axe X). Les marques verticales initiales indiquent l’ajout de substrats spécifiques à la chambre (MgG: vert de magnésium; mt: suspension mitochondriale; P: pyruvate; G : glutamate ; M: malate; S : succiné; EDTA : acide éthylènediaminetétraacétique). Ceci est suivi par le titrage en série de MgCl2 à l’aide d’une pompe de titrage automatisée (TIP) qui augmente le signal fluorescent, puis le titrage en série d’un adénylate (dans ce cas ATP) qui diminue le signal fluorescent. Le titrage de MgCl2 est également utilisé au début de chaque essai pour calibrer le signal MgG, mais est effectué avant l’ajout de mitochondries et de substrats de pneumométrie tels que P, G, M et S. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Trace représentative de respirométrie à haute résolution de la respiration mitochondriale du muscle squelettique équin et de la synthèse de l’ATP. La fenêtre supérieure représente la concentration d’oxygène dans la chambre (axe Y gauche) et le flux d’oxygène (axe Y droit) au fil du temps (axe X); la fenêtre inférieure est la fluorescence MgG de la chambre (axe Y gauche) et le taux de changement du signal de fluorescence (axe Y droit) au fil du temps (axe X). Les marques verticales indiquent l’ajout de substrats spécifiques à la chambre (mt: suspension mitochondriale; P: pyruvate; G : glutamate ; M: malate; D : ADP; S : succiné; R : roténone). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Trace représentative de respirométrie à haute résolution de la respiration mitochondriale du muscle squelettique équin et production deH2O2. La fenêtre supérieure représente la concentration d’oxygène dans la chambre (axe Y gauche) et le flux d’oxygène (axe Y droit) au fil du temps (axe X); la fenêtre inférieure est la fluorescence de la résorunine de la chambre (axe Y gauche) et le taux de variation du signal de fluorescence (axe Y droit) au fil du temps (axe X). Les marques verticales indiquent l’ajout de substrats spécifiques à la chambre (mt: suspension mitochondriale; P: pyruvate; G : glutamate ; M: malate; D : ADP; S : succiné; R : roténone). Sont également inclus trois étalonnages intra-essais en deux points du signal fluorescent à l’aide deH 2 O2. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts lié à ce manuscrit.
Les chevaux ont une capacité d’exercice aérobique exceptionnelle, faisant du muscle squelettique équin un tissu important pour l’étude de la physiologie de l’exercice équin ainsi que de la physiologie mitochondriale des mammifères. Cet article décrit des techniques pour l’évaluation complète de la fonction mitochondriale dans le muscle squelettique équin.
Les auteurs tiennent à souligner le généreux soutien de la Chaire John et Debbie Oxley en médecine sportive équine et de la Fondation de recherche du Grayson Jockey Club.
| ADP | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | A5285 | |
| Amplex UltraRed | Life Technologies | A36006 | |
| ATP | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | A2383 | |
| BSA | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | A6003 | |
| Carbonate | de calcium Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | C4830 | |
| CCCP | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | C2759 | |
| DatLab 7.0 | Oroboros Inc | Logiciel pour l’exploitation du fluororespiromètre O2K | |
| Dithiothreitol | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | D0632 | |
| DTPA | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | D1133 | |
| EGTA | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | E4378 | |
| Glutamate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | G1626 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | H7523 | |
| Peroxydase de raifort | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | P8250 | |
| Peroxyde d’hydrogène | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | 516813 | Doit être préparé frais tous les jours avant le dosage |
| Imidazole | Sigma-Aldrich ( MilliporeSigma) | I2399 | |
| K-MES | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | M8250 | |
| Chlorure de magnésium hexahydraté | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | M9272 | |
| Vert magnésium | Thermo Fisher Scientific | M3733 | |
| Malate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | M1000 | |
| Mannitol | Sigma-Aldrich ( MilliporeSigma) | M9647 | |
| Kit d’isolement mitochondrial | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | MITOISO1 | |
| O2K fluororespiromètre | Oroboros Inc | Plusieurs unités sont nécessaires pour exécuter simultanément un spectre complet de tests. | |
| Phosphocréatine | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | P7936 | |
| Hydroxyde de potassium | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | P1767 | |
| Lactobionate | de potassium Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | L2398 | |
| Phosphate de potassium | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | P0662 | |
| Pyruvate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | P2256 | Doit être préparé à l’état frais tous les jours avant le dosage |
| Rotenone | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | R8875 | |
| Succinate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | S2378 | |
| Saccharose | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | 84097 | |
| Superoxyde dismutase | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | S8160 | |
| Taurine | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | T0625 | |
| Pompe de titrage | Oroboros Inc | ||
| Seringues de titrage | Oroboros Inc | ||
| TMRM | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | T5428 | |
| Aiguille de biopsie UCH | Millenium Surgical Corp | 72-238067 | Disponible dans une gamme de tailles |