השיטה המוצגת כאן מסכמת פרוטוקולים ממוטבים להערכת ביו-אנרגיה תאית בגזע המטופויאטי של עכברים שאינם דבקים ובתאי אב פרימיטיביים (HSPCs) תוך שימוש במנתח השטף החוץ-תאי כדי למדוד את קצב ההחמצה החוץ-תאית (ECAR) ואת קצב צריכת החמצן (OCR) של HSPCs בזמן אמת.
מאמר שיטה
השיטה המוצגת כאן מסכמת פרוטוקולים ממוטבים להערכת ביו-אנרגיה תאית בגזע המטופויאטי של עכברים שאינם דבקים ובתאי אב פרימיטיביים (HSPCs) תוך שימוש במנתח השטף החוץ-תאי כדי למדוד את קצב ההחמצה החוץ-תאית (ECAR) ואת קצב צריכת החמצן (OCR) של HSPCs בזמן אמת.
במצב יציב, תאי גזע המטופויאטיים (HSCs) נשארים במידה רבה שקטים ומאמינים שהם מסתמכים בעיקר על גליקוליזה כדי לענות על הצרכים האנרגטיים שלהם. עם זאת, בתנאי עקה כגון זיהום או אובדן דם, HSCs מתרבים ומייצרים במהירות תאי אב במורד הזרם, אשר בתורם מתמיינים עוד יותר, ובסופו של דבר מייצרים תאי דם בוגרים. במהלך תהליך המעבר וההתמיינות הזה, HSCs יוצאים מ-quiescence ועוברים במהירות מעבר מטבולי מגליקוליזה לזרחון חמצוני (OxPHOS). מצבי עקה שונים, כגון הזדקנות, סרטן, סוכרת והשמנת יתר, יכולים להשפיע לרעה על תפקוד המיטוכונדריה ולכן יכולים לשנות את התכנות מחדש וההבחנה המטבולית של HSCs ואבות קדמונים במהלך hematopoiesis. תובנות חשובות על תפקודים גליקוליטיים ומיטוכונדריים של HSCs ואבות אבות בתנאים רגילים ובתנאים של לחץ ניתן להשיג באמצעות הערכת קצב ההחמצה החוץ-תאית שלהם (ECAR) וקצב צריכת החמצן (OCR), שהם אינדיקטורים לגליקוליזה תאית ולנשימה מיטוכונדריאלית, בהתאמה.
כאן, פרוטוקול מפורט מסופק למדידת ECAR ו- OCR באוכלוסיות תאים שליליות ממח עצם עכבר, הכוללות הן גזע המטופויאטי והן תאי אב פרימיטיביים (HSPCs), באמצעות מנתח השטף החוץ-תאי. פרוטוקול זה מתאר גישות לבידוד תאים שליליים לשושלת ממח העצם של העכבר, מסביר אופטימיזציה של צפיפות זריעת תאים וריכוזים של 2-דאוקסי-D-גלוקוז (2-DG, אנלוגי גלוקוז המעכב גליקוליזה) ותרופות שונות ממוקדות OxPHOS (אוליגומיצין, FCCP, רוטנון ואנטימיצין A) המשמשות במבחנים אלה, ומתאר אסטרטגיות טיפול תרופתיות. ניתן למדוד פרמטרים מרכזיים של שטף גליקוליטי, כגון גליקוליזה, קיבולת גליקוליטית ורזרבה גליקוליטית, ופרמטרים של OxPHOS, כגון נשימה בסיסית, נשימה מקסימלית, דליפת פרוטונים, ייצור ATP, קיבולת נשימתית רזרבית ויעילות צימוד. פרוטוקול זה מאפשר מדידות ECAR ו- OCR על HSPCs שאינם דבקים וניתן להכליל אותו כדי למטב את תנאי הניתוח עבור כל סוג של תאי השעיה.
Hematopoiesis הוא התהליך שבו סוגים שונים של תאי דם בוגרים עם פונקציות מיוחדות מאוד נוצרים מ HSCs1. HSCs מסוגלים להתחדשות עצמית והתמיינות לאוכלוסיות אבות רב-תכליתיות וספציפיות שונות. אבות אלה מייצרים בסופו של דבר תאים של שושלות לימפואידיות, מיאלואידיות, אריתרואידיות ומגקריוציטים. כדי לשמור על יכולת ההתחדשות העצמית שלהם, HSCs נשארים שקטים במידה רבה, וכמו תאי גזע אחרים ברקמות, מאמינים שהם מסתמכים על גליקוליזה ולא על OxPHOS מיטוכונדריאלי לייצור ATP 2,3. כניסה למחזור התאים מובילה לנשימה מוגברת ול-OxPHOS, וכתוצאה מכך רמות גבוהות של מיני חמצן תגובתי (ROS), המזיקים לתחזוקת HSC ולתפקוד3. חלוקה חוזרת ונשנית של התאים עשויה אפוא להוביל לירידה ביכולת ההתחדשות העצמית של HSCs ובסופו של דבר לתשישותם.
בהמטופואיזיס בוגר, HSCs עוברים בעיקר חלוקת תאים אסימטרית, שבמהלכה אחד מתאי הבת שומר על פוטנציאל HSC וממשיך להסתמך על חילוף החומרים הגליקוליטי. תא הבת השני הופך לתא אב פרימיטיבי שמאבד את יכולת ההתחדשות העצמית אך מתרבה ובסופו של דבר יוצר תאים המטופויאטיים תפקודיים מתמיינים4. כאשר HSCs מתמיינים כדי לייצר אבות במורד הזרם, מעריכים כי מעבר מגליקוליזה לחילוף חומרים מיטוכונדריאלי מתרחש כדי לספק את האנרגיה ואבני הבניין הדרושות כדי לתמוך במעבר מהיר זה5, כפי שהוצע על ידי התצפיות כי HSCs הם בעלי מסה מיטוכונדריאלית לא פעילה 6,7,8,9 . לעומת זאת, פעילות מיטוכונדריאלית (המסומנת על ידי רמות ROS מקושרות) גבוהה בהרבה אצל אבות המחויבים לשושלת מאשר ב-HSCs 9,10,11. שינויים מטבוליים המתרחשים במהלך השלב המוקדם ביותר של hematopoiesis ולכן מציעים תפקיד ישיר וחיוני של המיטוכונדריה בוויסות גורל HSC.
מיטוכונדריה לא מתפקדת הקיימת בתנאי עקה שונים, כגון הזדקנות, סרטן, סוכרת והשמנת יתר12, עלולה להפריע ליכולת ההתחדשות העצמית של HSC, ולגרום לחוסר איזון בהתמיינות HSC/אבות על ידי ייצור כמויות מופרזות של ROS, פגיעה בייצור ATP ו/או על ידי שינוי תהליכים מטבוליים אחרים 9,12,13 . הפרעות בהומאוסטזיס מטבולי ב-HSC/התמיינות אבות עלולות להשפיע באופן משמעותי על ההמטופואיזיס, מה שעשוי לתרום להתפתחות הפרעות המטולוגיות13. בהתחשב בהשפעות הקריטיות של הגליקוליזה והמיטוכונדריאלית OxPHOS על גזע והבחנה של HSC, מעניין לחקור הן פרמטרים מטבוליים בתנאי שגרה והן בתנאי לחץ. ניתן לקבל תובנות חשובות על התפקוד הגליקוליטי והמיטוכונדריאלי של HSCs ותאי אב על ידי הערכת ה-ECAR וה-OCR שלהם, שהם אינדיקטורים לגליקוליזה תאית ולנשימה מיטוכונדריאלית, בהתאמה.
מנתח השטף החוץ-תאי של סוסון הים הוא מנגנון רב עוצמה המצויד בשתי בדיקות לכל באר כדי למדוד בו זמנית ECAR ו- OCR בתאים חיים ולכן ניתן להשתמש בו כדי להעריך ביו-אנרגיה תאית בזמן אמת, בתגובה למצעים או מעכבים שונים. מחסנית הבדיקה המשמשת את המנתח מכילה יציאות הזרקה להחזקת עד ארבע תרופות להזרקה אוטומטית במהלך הבדיקה. סכימה של בדיקת מאמץ טיפוסית לגליקוליזה מוצגת באיור 1A. הבדיקה מתחילה במדידת ECAR של תאים, דגירה במדיום בדיקת מאמץ גליקוליזה המכיל גלוטמין אך לא גלוקוז או פירובט. הדבר מייצג החמצה המתרחשת עקב פעילות לא גליקוליטית של התאים ומדווחת כהחמצה לא גליקוליטית. זה ואחריו הזרקת גלוקוז בריכוז רווי. באמצעות גליקוליזה, גלוקוז בתא מומר לפירובט, אשר עובר מטבוליזם נוסף בציטופלסמה כדי לייצר לקטט, או במיטוכונדריה כדי לייצר CO2 ומים.
המרה של גלוקוז לקטט גורמת לייצור נטו ולשחרור נוסף של פרוטונים לתוך המדיום החוץ-תאי, וכתוצאה מכך לעלייה מהירה ב-ECAR 14,15,16. שינוי זה המעורר גלוקוז ב-ECAR מדווח כגליקוליזה בתנאים בסיסיים. הזריקה השנייה מורכבת מאוליגומיצין (מעכב של ATP סינתאז, א.ק.א. קומפלקס V17), המעכב ייצור ATP מיטוכונדריאלי. במהלך עיכוב OxPHOS בתיווך אוליגומיצין, התאים מווסתים את הגליקוליזה באופן מרבי כדי לענות על הדרישות האנרגטיות שלהם. זה גורם לעלייה נוספת ב- ECAR, וחושף את הקיבולת הגליקוליטית המרבית של התאים. ההבדל בין הקיבולת הגליקוליטית המרבית לבין הגליקוליזה הבסיסית מכונה עתודה גליקוליטית. לבסוף, 2-DG מוזרק, מה שגורם לירידה משמעותית ב- ECAR, בדרך כלל קרוב לרמות החמצה לא גליקוליטיות. 2-DG הוא אנלוגי לגלוקוז שנקשר באופן תחרותי להקסוקינאז, וכתוצאה מכך מעכב את הגליקוליזה18. לפיכך, הירידה המושרה על ידי 2-DG ב-ECAR מאשרת עוד יותר כי הגליקוליזה היא אכן המקור ל-ECAR שנצפה לאחר זריקות גלוקוז ואוליגומיצין.
איור 1B מציג את הסכימה עבור מבחן מאמץ מיטוכונדריאלי טיפוסי. הבדיקה מתחילה במדידת OCR בסיסית של התאים, תוך דגירה במדיום בדיקת דחק מיטוכונדריאלי המכיל גלוקוז, גלוטמין ופירובט. לאחר מדידות OCR בסיסיות, אוליגומיצין מוזרק במבחן זה, אשר מעכב V מורכב, ובכך מפחית את זרימת האלקטרונים דרך שרשרת הובלת האלקטרונים (ETC)17. כתוצאה מכך, OCR מופחת בתגובה להזרקת אוליגומיצין, וירידה זו ב- OCR קשורה לייצור ATP מיטוכונדריאלי. הזריקה השנייה מורכבת מקרבוניל ציאניד-4 (טריפלואורומתוקסי) פניל הידרזון (FCCP), פרוטונופור ובלתי מתמצא של OxPHOS17 מיטוכונדריאלי. FCCP מכווץ את שיפוע הפרוטונים המיטוכונדריאליים בכך שהוא מאפשר זרימה של פרוטונים על פני הממברנה הפנימית המיטוכונדרית. בגלל הזרקת FCCP, זרימת האלקטרונים דרך ה- ETC היא derepressed, ו- IV מורכב צורך חמצן ברמה המקסימלית. ההבדל בין OCR מקסימלי לבין OCR בסיסי מכונה קיבולת הנשימה הרזרבית, שהיא מדד ליכולתו של התא להגיב לביקוש מוגבר לאנרגיה בתנאי עקה. לבסוף, מוזרקת תערובת של שני מעכבי ETC (רוטנון, מעכב I מורכב, ואנטימיצין A, מעכב IIIמורכב 17), מה שמכבה לחלוטין את זרימת האלקטרונים, ו- OCR יורד לרמה נמוכה. זיהוי תווים אופטי (OCR) שנמדד לאחר הזרקת רוטנון ואנטי-מיצין A מתאים ל-OCR שאינו מיטוכונדריאלי המונע על-ידי תהליכים אחרים בתוך התאים. זיהוי תווים אופטי (OCR) שאינו מיטוכונדריאלי מאפשר חישוב של נשימה בסיסית, דליפת פרוטונים ונשימה מקסימלית.
נשימה בסיסית מייצגת את ההבדל בין זיהוי תווים אופטי (OCR) בסיסי לבין זיהוי תווים אופטי (OCR) שאינו מיטוכונדריאלי. דליפת פרוטון מתייחסת להבדל בין OCR לאחר הזרקת אוליגומיצין לבין זיהוי תווים אופטי (OCR) שאינו מיטוכונדריאלי. נשימה מקסימלית מייצגת את ההבדל בין OCR לאחר הזרקת FCCP לבין זיהוי תווים אופטי (OCR) שאינו מיטוכונדריאלי. יעילות הצימוד מחושבת כאחוז מקצב הייצור של ATP לשיעור הנשימה הבסיסי. מאמר שיטה זה מספק פרוטוקול מפורט למדידת ECAR ו- OCR ב- HSPCs שליליים לשושלת באמצעות מנתח השטף החוץ-תאי של סוסון הים XFe96. פרוטוקול זה מתאר גישות לבידוד HSPCs שליליים לשושלת עכברים, מסביר את האופטימיזציה של צפיפות זריעת התאים וריכוזים של תרופות שונות המשמשות בבדיקות שטף חוץ-תאיות, ומתאר אסטרטגיות לטיפול תרופתי.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
כל הניסויים בבעלי חוליות אושרו על ידי ובוצעו בהתאם לתקנות הוועדה לשימוש וטיפול בבעלי חיים באוניברסיטת מישיגן.
1. יום לפני הבדיקה (סה"כ זמן: ~ 10 דקות)
2. יום הבדיקה (סה"כ זמן: ~ 9 שעות 30 דקות)
הערה: הזמן הכולל שצוין לעיל כולל משכי זמן מצטברים של שלבים 2.1-2.4 בנוסף לשלב 2.5 או שלב 2.6.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
באמצעות פרוטוקול זה, מספר התא והריכוזים של תרופות שונות המכוונות ל-OxPHOS (המשמשות במבחני השטף החוץ-תאי) הותאמו למדידת ECAR ו-OCR של HSPCs שבודדו מנקבות עכברי C57BL/6 בנות 24 שבועות. ראשית, בדיקת הלחץ של הגליקוליזה בוצעה כדי לייעל את מספר התא ואת ריכוז האוליגומיצין. מספר משתנה של HSPCs לכל באר הנע בין 5 × 104 4 ל 2.5 × 105 שימשו במבחן זה. כפי שניתן לראות באיור 2A ובאיור 2C, קצב ההחמצה הלא-גליקוליטי עולה עם מספר תאים מוגבר מ-5 ×-104
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מאמר שיטה זה מתאר פרוטוקול ממוטב להערכת ביו-אנרגיה תאית (גליקוליזה ו-OxPHOS) ב-HSPCs של עכברים באמצעות מנתח השטף החוץ-תאי של סוסון הים. מכשיר זה הוא כלי רב עוצמה המודד בו זמנית את ה- ECAR וה- OCR של תאים חיים, שהם מדדים של גליקוליזה ונשימה מיטוכונדריאלית, בהתאמה. לפיכך, ניתן להשתמש בו כדי להעריך את הביו-אנרגיה התאית בזמן אמת. יתר על כן, הפלטפורמה מבוססת המיקרו-פלטה בעלת 96 הבאר מציעה כימות בתפוקה גבוהה עם רגישות גבוהה, ומאפשרת ניתוח סימולטני של דגימות מרובות באמצעות לוח יחיד, בהשוואה לרספורומטר אחר ברזולוציה גבוהה, Orobo...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
המחברים מצהירים כי אין ניגוד עניינים.
העבודה במעבדת לומברד נתמכת על ידי NIH (NIGMS R01GM101171, NIEHS R21ES032305), DoD (CA190267, CA170628, NF170044 ו- ME200030), וקרן גלן למחקר רפואי. העבודה במעבדת לי נתמכת על ידי NIH (NHLBI 5R01HL150707).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 0.2 μ m מסנן | קורנינג | 430626 | משמש לעיקור סינון אמצעי הבדיקה |
| 100 מ"מ נתרן פירובט | Life Technologies | 11360-070 | רכיב של בדיקת מאמץ מיטוכונדריאלית מבחן מדיום |
| 15 מ"ל צינורות פלקון חרוטיים | קורנינג | 352096 משמש במהלך קציר HSPCs ולהכנת תמיסות תרופות בדיקה | |
| 200 מ"מ L-גלוטמין | Life Technologies | 25030-081 | מרכיב של בדיקת מאמץ גליקוליזה ובדיקת מאמץ מיטוכונדריאלית מדיית |
| בדיקה 2-Deoxy-D-glucose (2-DG) | Sigma-Aldrich | D8375 | הזרקת תרופה שלישית במהלך מבחן מאמץ גליקוליזה |
| 5x מאגר העשרה (MojoSort) | Biolegend | 480017 משמש לשטיפות במהלך קציר HSPCs | |
| אמוניום כלוריד (NH4Cl) | Fisher Scientific | A661-3 | רכיב של ליזיס ACK מאגר |
| אנטימיצין A | Sigma-Aldrich | A8674 | הזרקת תרופה שלישית במהלך בדיקת מאמץ מיטוכונדריאלי |
| ערכת בדיקת חלבון Bio-Rad DC | Bio-Rad | 500-0112 | משמש לפי הוראות היצרן |
| קרבוניל ציאניד-4 (טריפלואורומטוקסי) פנילהידרזון (FCCP) | Sigma-Aldrich | C2920 | הזרקת תרופה שנייה במהלך בדיקת מאמץ מיטוכונדריאלי |
| Cell-Tak | קורנינג | 354240 | דבק תאים. משמש לציפוי מיקרו-לוחות תאים |
| ספירת 3 מונה תאים אוטומטי | ThermoFisher Scientific | לספירת תאים | |
| EDTA | Fisher Scientific | O2793-500 | רכיב של מאגר ליזה ACK ומאגר ליזה RIPA |
| Falcon 70 μ m filter | Fisher Scientific | 08-771-2 | משמש כמסננת תאים במהלך קציר HSPCs |
| Gibco סרום בקר עוברי (FBS) | Fisher Scientific | 26400044 | משמש להכנת מאגר בדיקה במהלך קציר HSPCs |
| Gibco HBSS | Fisher Scientific | 14175095 | משמש להכנת מאגר בדיקה במהלך קציר HSPCs |
| גלוקוז | סיגמא-אולדריץ' | G7528 | מרכיב של בדיקת מאמץ מיטוכונדריאלית מבחן בינוני והזרקה ראשונה של מבחן מאמץ גליקוליזה |
| אוליגומיצין | סיגמא-אולדריץ' | O4876 | הזרקת תרופה שנייה במהלך בדיקת מאמץ גליקוליזה והזרקת תרופה ראשונה במהלך בדיקת מאמץ מיטוכונדריאלית |
| PBS | Life Technologies | 10010-049 | משמש לשטיפת תאים לאחר בדיקה לכימות חלבון |
| אשלגן ביקרבונט (KHCO3) | פישר סיינטיפיק | P235-500 | רכיב של מאגר ליזה ACK |
| קוקטייל מעכב פרוטאז (PIC) | Roche | 11836170001 מסופק כטבליות. טבליה אחת הומסת ב-10 מ"ל של מאגר RIPA כדי ליצור 1x PIC. | |
| ביוטין נגד עכברים של חולדות-B220, מזהה שיבוט: RA3-6B2 | Biolegend | 103203 | משמש לדלדול שושלת במהלך קציר HSPCs |
| נוגד עכברים ביוטין חולדות-CD2, מזהה שיבוט: RM2-5 | Biolegend | 100103 | משמש לדלדול שושלת במהלך קציר HSPCs |
| ביוטין נגד עכברים של חולדות-CD3, מזהה שיבוט: 17A2 | Biolegend | 100243 | משמש לדלדול שושלת במהלך קציר HSPCs עכברוש |
| ביוטין נגד עכבר-CD5, שיבוט מזהה: 53-7.3 | Biolegend | 100603 | משמש לדלדול שושלת במהלך קציר HSPCs |
| עכברוש ביוטין נגד עכבר-CD8, מזהה שיבוט: 53-6.7 | Biolegend | 100703 | משמש לדלדול שושלת במהלך קציר HSPCs |
| עכברוש ביוטין נגד עכבר-Gr-1, מזהה שיבוט: RB6-8C5 | Biolegend | 108403 | משמש לדלדול שושלת במהלך קציר HSPCs |
| נוגד עכברים ביוטין חולדות-Ter-119, מזהה שיבוט: TER-119 | Biolegend | 116203 | משמש לדלדול שושלת במהלך קציר HSPCs |
| רוטנון | סיגמא-אולדריץ' | R8875 | הזרקת תרופה שלישית במהלך מבחן מאמץ מיטוכונדריאלי |
| Seahorse XFe96 מנתח שטף חוץ-תאי | Seahorse Biosciences כעת Agilent | למדידות ECAR ו-OCR בזמן אמת. | |
| נתרן ביקרבונט | Sigma-Aldrich | S5761 | משמש לייצור תמיסת דבק תאים לציפוי מיקרופלייט |
| נתרן כלורי (NaCl) | פישר | BP358 | רכיב של מאגר ליזה RIPA |
| נתרן דאוקסיכולט | סיגמא-אולדריץ' | D6750 | רכיב של מאגר ליזה RIPA |
| נתרן פלואוריד (NaF) | סיגמא-אולדריץ' | S7920 | רכיב של מאגר ליזה RIPA |
| נתרן הידרוקסיד (NaOH) | Sigma-Aldrich | S8045 | הכין תמיסה של 1 N. משמש לנורמליזציה של pH |
| Streptavidin Nanobeads (MojoSort) | Biolegend | 480015 | משמש לדלדול שושלת במהלך קציר HSPCs |
| Tris-HCl | Fisher | BP153 | רכיב של מאגר ליזה RIPA |
| מדיום בסיס XF | Agilent | 102353-100 | מדיום בסיס המשמש להכנת בדיקת מאמץ גליקוליזה ובדיקת מאמץ מיטוכונדריאלית מדיה |
| תחנת הכנה XF | סוסון ים מדעי הביולוגיה | המשמשים ללא-CO2 37 ° דגירה | |
| C XFe96 חוץ-תאית FluxPak | Agilent | 102416-100 או 102601-100 | כולל מחסניות בדיקה עם לוחות שירות, טעינת מדריכים שטוחים לטעינת תרופות על מחסנית הבדיקה, תמיסת קליברנט XF ומיקרו-צלחת תרבית תאים XF |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה