תאי רוצח טבעי (NK) הם לימפוציטים מולדים לתווך תגובות אנטי-סרטני ואנטי ויראלי. תאי NK מהווים 5-15% מכל הלימפוציטים בדם היקפי אנושי, וניתן למצוא אותם גם בטחול, כבד, מח עצם ובלוטות לימפה. תאי NK אינם מבטאים קולטנים קלונוטיפים פולימורפיים, כגון קולטני תאי T (TCR) או קולטני תאי B (BCR). לעומת זאת, ההפעלה של פונקציות cytolytic שלהם מתבקש על ידי המעורבות של קולטנים המזהים ליגנדים שונים על פני השטח של תא היעד1,,2.
מנוחה תאי NK אנושיים מבודדים מדם היקפי יכול לשרוד במשך כמה ימים במדיום תרבות בתוספת נסיוב אנושי. הפעלה של תאי NK על ידי ציטוקינות כגון IL-15 או IL-2 מניעה את התאים להתפשטות ולעלייה ביכולת ההרג שלהם, בין היתר3,,4,,5. מספר מחקרים הראו מתאם ישיר בין הפעלת תא NK ושינויים בפעילות חילוף החומרים שלהם6. שינויים מטבוליים אלה נועדו לענות על הדרישות הספציפיות של התאים במונחים של אנרגיה וביוסינתזה.
תאים אירוביים ואורגניזמים להשיג אנרגיה באמצעות סדרה של תגובות כימיות המערבות את הקטבוליזם וחמצון של פחמימות, שומן וחלבונים. באמצעות שילוב של גליקוליזה, מחזור חומצה tricarboxylic (TCA) וphosphorylation חמצוני, תאים אאוקריוטיים לענות על רוב הביקוש ATP שלהם ולקבל ביניים הנדרשים אבני בניין עבור מקרומולקולות חיוני לצמיחת תאים והתפשטות. תהליך הגליקוליזה(איור 1A)מתחיל בכניסה של גלוקוז בתא. בציטוסול, גלוקוז הוא זרחן והפך pyruvate (עם ייצור נטו של 2 מולקולות של ATP לכל מולקולת גלוקוז), אשר ניתן להפחית ללקטאט או מועבר לתוך המיטוכונדריה כדי להפוך אצטיל-CoA ולהיכנס מחזור TCA. מחזור TCA ממשיך רכיבה על אופניים מתודלק עם מולקולות יותר של אצטיל-CoA ומייצר CO 2 (כי בסופו של דבריהיה לפזר מחוץ לתא, על ידי תגובה עם H2O במדיום, ייצור חומצה פחמתית תוביל חומציות של המדיום) ו NADH, המולקולה האחראית על תרומת אלקטרונים לשרשרת תחבורת אלקטרונים (ETC). האלקטרונים נעים דרך מתחמי חלבון שונים ולבסוף מתקבלים על ידי חמצן. מתחמים אלה (I, III ו- IV) גם לשאוב H+ מ מטריצה מיטוכונדריאלי לחלל intermembrane. כתוצאה מההדרגה האלקטרוכימית שנוצרה, ה-H+ ייכנס שוב למטריצה דרך V המורכב (ATP-סינתאז), וישקיע את האנרגיה הפוטנציאלית שנצברה בדור ה-ATP.
הן גליקוליזה והן הנשימה המיטוכונדריאלית ניתן לחסום בנקודות שונות באמצעות מעכבים. הידע והשימוש של מעכבים אלה היה הבסיס להתפתחות של תסיסה שטף חוץ תאי. על ידי מדידת שני פרמטרים פשוטים בזמן אמת כגון pH וחמצן, מנתח השטף החוץ-תאי משער את קצב גליקוליזה ונשימה מיטוכונדריאלית בצלחת 96-באר. בדיקת הלחץ גליקוליזה מבוצעת במדיום בסיס ללא גלוקוז (איור 1B)7. המדידות הראשונות של קצב החומציות החוץ-תאי (ECAR) מצביעות על חומציות עצמאית-גליקוליזה. הוא מכונה חומציות שאינה גליקולית ומתאים עם CO2 המיוצר על ידי TCA אשר, כפי שהוסבר קודם לכן, משתלב עם H2O במדיום כדי ליצור H+ (TCA מקושר ECAR). הזריקה הראשונה היא גלוקוז כדי לגרום לניצול גלוקוז ולהגביר את הגליקווליזה. הזריקה השנייה משלבת את שניהם רוטנון, מעכב מורכב אני, ואנטימיצין A, מעכב III מורכב יחד, כדי לחסום את התאים ETC. להגיב לירידה דרמטית זו בייצור ATP מיטוכונדריאלי על ידי הפעלת גליקוליזה כדי לשמור על רמות ATP הסלולר, וזה מייצג את כמות גליקוליזה כי אינו בשימוש על ידי התא במצב בסיס, אבל יכול להיות מגויס פוטנציאלי בתגובה לעליות בביקוש ATP (גליקוזיס מפצה). הזריקה השלישית היא הגלוקוז אנלוגי 2-Deoxyglucose (DG), אשר מתחרה עם גלוקוז כצע לאנזים hexokinase. המוצר של פוספורילציה זו, 2-deoxyglucose-6-פוספט לא ניתן להפוך pyruvate, ולכן גליקוליזה חסומה, אשר מוריד את ECAR למינימום שלה. ECAR נמדד בשלב זה כולל מקורות אחרים של חומציות חוץ תאית כי אינם מיוחסים גליקוליזה או פעילות נשימתית, כמו גם כל גליקוליזה שיורית לא מעוכב באופן מלא על ידי 2-DG (פוסט 2-DG-חומציות).
בדיקת הלחץ המיטוכונדריאלי מבוצעת במדיום עם גלוקוז(איור 1C)8. המדידות הראשונות של קצב צריכת החמצן (OCR) תואמות לקו הבסיס של הנשימה המיטוכונדריאלית (הנשימה הבסיסית). הזריקה הראשונה היא oligomycin, אשר מעכב את חזרתם של פרוטונים דרך סינתאז ATP (V מורכב), חסימת סינתזה ATP ובכך במהירות hyperpolarize קרום המיטוכונדריה, אשר מונע פרוטון נוסף שאיבה דרך מתחמי נשימה, ומוביל לירידה OCR. ההשוואה בין הנשימה הבסיסית לבין הערך שניתן על-ידי הוספת אוליגומיצין מייצגת את הנשימה המקושרת ל-ATP. שאר oligomycin-קצב רגיש של צריכת חמצן נקרא דליפת פרוטון, אשר מייצג את זרימת פרוטונים דרך דוטל השימנים או חלבונים קרום המיטוכונדריה הפנימית כגון טרנסלוקאז נוקלאוטיד אדנין9. הזריקה השנייה היא uncoupler 2,4-dinitrophenol (DNP), יונופור שגורם כניסה מסיבית של H+ לתוך מטריצת המיטוכונדריה, אשר מוביל depolarization של קרום המיטוכונדריה ושיבוש של סינתזה ATP מיטוכונדריאלי. תאים מגיבים לפיזה של כוח מניע פרוטון על ידי הגדלת קצב תחבורת אלקטרונים וצריכת חמצן לרמות מרביות בניסיון חסר תועלת לשחזר את פוטנציאל קרום (קיבולת נשימתית מקסימלית). ההבדל בין קיבולת הנשימה המקסימלית לנשימה הבסיסית הוא קיבולת הנשימה הרזרבית של התא, המייצג את כמות הנשימה שאינה בשימוש על ידי התא כדי ליצור ATP במצב בסיס, אבל יכול להיות מגויס בתגובה לעליות בביקוש ATP או בתנאים שלמתח 8. הזריקה השלישית היא שילוב של רוטנון ואנטימיצין A. הזרקה זו עוצרת לחלוטין את ETC ו OCR יורד לרמה הנמוכה ביותר שלה, עם צריכת החמצן הנותרת להיות לא מיטוכונדריאלי (נגרמת על ידי NADPH-oxidases, וכו ').
שינויים במסלולים מטבוליים יכול איכשהו לחזות את התפקוד של תאי NK, כפי שהוצע כי הפעלה רציפה של תאי NK עם ציטוקינות במבחנה יכול להוביל תשישות תא NK על ידי המחקר של מסלולים מטבולייםשונים 10,11. המתאם בין מצב חילוף החומרים של תא NK ותפקוד חשוב מאוד מנקודת המבט של אימונותרפיה סרטן. בתחום זה, הפעלה של תאי NK עם אינפוזיה של IL-15, לבד או בשילוב עם נוגדנים טיפוליים חד-בוניים נבדקו על מנת לשפר את הרג תאיםסרטניים 12,13,14. הידע של המצב חילוף החומרים של תאי NK בתגובה אסטרטגיות טיפול אלה יספק מנבא יקר של מצב הפעלת תא NK ופונקציית הרג.
המחקר של מסלולים מטבוליים בתאים מיאלואידים ולימפה אחרים כגון מונוציטים, T ו-B תאיםתוארו 15 ושיטות אופטימיזציהפורסמו 16. בפרוטוקול זה אנו מספקים שיטה המשלבת הן פרוטוקול בידוד NK המניב מספרים גבוהים של תאי NK טהורים ו-קיימא ופרוטוקול ממוטב כדי למדוד פעילות מטבולית באמצעות מנתח שטף חוץ-תאי. כאן אנו מראים כי זוהי שיטה חוקית לחקר שינויים מטבוליים במנוחה ו IL-15 מופעל תאי NK אנושיים. עבור אחסון שטף חוץ תאי, פרמטרים כגון מספר תא וריכוזי סמים נבדקו וממוטבים. בהשוואה לשיטות התרגם אחרות, מנתח השטף החוץ-תאי הוא אוטומטי לחלוטין ומצליח לבדוק בזמן אמת, עם כמויות נמוכות מאוד של תאים, עד 92 דגימות בו-זמנית, ובכך מאפשר הקרנות תפוקה גבוהות (עם דגימות מרובות ושכפולים) באופן מהיריחסית 17.
שיטה זו יכולה לשמש חוקרים המעוניינים להעריך את תפקוד תא NK על ידי לימוד חילוף החומרים של תאי NK. זה יכול להיות מיושם גם על תאים המופעלים על ידי ציטוקינות אחרים, נוגדנים או גירויים מסיסים.