High-Resolution Fluorespirometry to Assess Dynamic Changes in Mitochondrial Membrane Potential in Human Immune Cells

Ana   P. Valencia; Gavin Pharaoh; Arthur F. Brandao; David J. Marcinek

doi:10.3791/66863

Fluorespirométrie à haute résolution pour évaluer les changements dynamiques du potentiel de la m...

JoVE Journal
Biology

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High-Resolution Fluorespirometry to Assess Dynamic Changes in Mitochondrial Membrane Potential in Human Immune Cells

Fluorespirométrie à haute résolution pour évaluer les changements dynamiques du potentiel de la membrane mitochondriale dans les cellules immunitaires humaines

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07:18 min

May 24, 2024

DOI: 10.3791/66863-v

Ana P. Valencia¹, Gavin Pharaoh², Arthur F. Brandao¹, David J. Marcinek^2,3

¹Division of Metabolism, Endocrinology and Nutrition, Department of Medicine,University of Washington, ²Department of Radiology,University of Washington, ³Department of Laboratory Medicine and Pathology,University of Washington

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This study investigates how mitochondria in human immune cells, specifically T-cells and monocytes, respond to physiological stressors. Using high-resolution fluorespirometry, the researchers assess changes in mitochondrial membrane potential and oxygen consumption, providing insights into mitochondrial bioenergetics in response to energy demand.

Key Study Components

Research Area

Mitochondrial bioenergetics
Immune cell metabolism
Cellular response to stress

Background

Understanding mitochondrial function is vital for cellular homeostasis after stress.
Previous methods had limitations in assessing mitochondrial responses under physiological conditions.
Integration of membrane potential and oxygen consumption analysis provides a comprehensive understanding.

Methods Used

High-resolution fluorespirometry
Human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs)
Analyzing mitochondrial respiration and membrane potential

Main Results

Monocytes displayed greater losses in mitochondrial membrane potential compared to T-cells when subjected to energy demands.
The half maximal inhibitory concentration of ADP was lower in monocytes than in T-cells.
A dose-response increase in oxygen consumption rates with ADP was observed in neither cell type.

Conclusions

This protocol allows detailed insights into mitochondrial adaptability in immune cells under stress.
Findings have implications for understanding metabolic contributions to immune function and disease risk.

Frequently Asked Questions

What is the significance of mitochondrial membrane potential in cells?

Mitochondrial membrane potential is crucial for ATP synthesis and plays a role in regulating respiratory flux and reactive oxygen species.

How does this research contribute to understanding diseases?

By elucidating how immune cells adapt their mitochondrial function under stress, this research informs on disease mechanisms linked to metabolic dysregulation.

Which cell types were studied in this protocol?

The study focused on human T-cells, monocytes, and peripheral blood mononuclear cells (PBMCs).

What technique was used to measure mitochondrial activity?

High-resolution fluorespirometry was employed to assess mitochondrial membrane potential and oxygen consumption rates.

What are the potential applications of this method?

This method can be used to investigate mitochondrial function in various health and disease contexts, particularly in immune responses.

Were any differences observed between T-cells and monocytes?

Yes, monocytes showed a greater loss of mitochondrial membrane potential compared to T-cells under similar conditions.

How can this research influence future studies?

It paves the way for more in-depth studies on metabolic flexibility in immune cells and their implications in immunity and disease.

Les méthodes d’étude de la bioénergétique mitochondriale sous des concentrations de substrat physiologiquement pertinentes dans les cellules immunitaires sont limitées. Nous fournissons un protocole détaillé qui utilise la fluorespirométrie à haute résolution pour évaluer les changements dans la réponse du potentiel de la membrane mitochondriale à la demande d’énergie dans les cellules T humaines, les monocytes et les cellules mononucléées périphériques.

Pour qu’une cellule fonctionne et survive après une période de stress physiologique, elle doit être en mesure de répondre à la demande énergétique nécessaire pour restaurer l’homéostasie. Dans notre laboratoire, nous cherchons à identifier comment les mitochondries réagissent et s’adaptent aux facteurs de stress nutritionnels afin de mieux comprendre comment les mitochondries médient le risque de développer une maladie. Les méthodes actuelles de test de la bioénergétique PBMC consistent à mesurer la capacité respiratoire après l’ajout d’inhibiteurs et de découpleurs.

Ces méthodes nous ont aidés à comprendre les changements bioénergétiques significatifs dans les PBMC dans différents états pathologiques. Le potentiel membranaire est essentiel à la synthèse de l’ATP et régule des processus tels que le flux respiratoire, les espèces réactives de l’oxygène et l’autophagie. Cependant, nous avons encore des connaissances limitées sur la façon dont la respiration mitochondriale et le potentiel membranaire réagissent ensemble aux concentrations de substrat physiologique dans les PBMC.

L’avantage de cette technique est qu’elle permet une analyse intégrée du potentiel de la membrane mitochondriale et de la consommation d’oxygène dans les PBMC humaines en réponse à l’augmentation des niveaux d’ADP. Cette méthode permet de quantifier la sensibilité des mitochondries à un décalage de la demande énergétique.