נשימה ברזולוציה גבוהה המוצמדת לחיישנים פלואורסצנטיים קובעת את צריכת החמצן המיטוכונדריה ואת ייצור מיני החמצן הריאקטיבי (ROS). הפרוטוקול הנוכחי מתאר טכניקה להערכת שיעורי הנשימה המיטוכונדריאליים וייצור ROS בעצב הסיאטי החודר.
Method Article
נשימה ברזולוציה גבוהה המוצמדת לחיישנים פלואורסצנטיים קובעת את צריכת החמצן המיטוכונדריה ואת ייצור מיני החמצן הריאקטיבי (ROS). הפרוטוקול הנוכחי מתאר טכניקה להערכת שיעורי הנשימה המיטוכונדריאליים וייצור ROS בעצב הסיאטי החודר.
תפקוד לקוי של המיטוכונדריה בעצבים היקפיים מלווה מספר מחלות הקשורות לנוירופתיה היקפית, אשר יכולות להיות מופעלות על ידי גורמים מרובים, כולל מחלות אוטואימוניות, סוכרת, זיהומים, הפרעות תורשתיות וגידולים. הערכת תפקוד המיטוכונדריה בעצבים ההיקפיים של העכבר יכולה להיות מאתגרת בשל גודל המדגם הקטן, מספר מוגבל של מיטוכונדריה הנמצאת ברקמה, ונוכחותו של נדן מיאלין. הטכניקה המתוארת בעבודה זו ממזערת את האתגרים הללו על ידי שימוש בפרוטוקול חדירה ייחודי המותאם מאחד המשמש לסיבי שריר, כדי להעריך את תפקוד המיטוכונדריה העצבית הסיאטית במקום לבודד את המיטוכונדריה מהרקמה. על ידי מדידת ייצור מינים תגובתיים פלואורימטריים עם Amplex Red/Peroxidase והשוואת מצעים ומעכבים מיטוכונדריאליים שונים בעצבים מחלחלים של סאפונין, ניתן היה לזהות מצבי נשימה מיטוכונדריאליים, מיני חמצן תגובתי (ROS) ופעילות של קומפלקסים מיטוכונדריאליים בו זמנית. לכן, השיטה המוצגת כאן מציעה יתרונות בהשוואה להערכת תפקוד המיטוכונדריה על ידי טכניקות אחרות.
המיטוכונדריה חיונית לשמירה על כדאיות התאים ומבצעת תפקודים תאיים רבים כגון חילוף חומרים של אנרגיה (גלוקוז, חומצת אמינו, שומנים ומסלולי חילוף חומרים של נוקלאוטידים). כאתר העיקרי לייצור מיני חמצן תגובתי (ROS), המיטוכונדריה היא מרכזית במספר תהליכי איתות תאיים כגון אפופטוזיס ומשתתפת בסינתזה של צבירי ברזל-גופרית (Fe-S), ייבוא והבשלה של חלבונים מיטוכונדריאליים, ושמירה על הגנום והריבוזומים שלהם 1,2,3. רשת הדינמיקה של הממברנות המיטוכונדריה נשלטת על ידי תהליכי היתוך וביקוע, ויש להם גם מכונות לבקרת איכותומיטופגיה 4,5,6.
תפקוד לקוי של המיטוכונדריה קשור להופעתם של מספר מצבים פתולוגיים כגון סרטן, סוכרת והשמנת יתר7. הפרעות בתפקוד המיטוכונדריה מזוהות בהפרעות נוירודגנרטיביות המשפיעות על מערכת העצבים המרכזית, כמו במחלת אלצהיימר 8,9, מחלת פרקינסון10,11, טרשת אמיוטרופית צידית12,13, ומחלת הנטינגטון14,15 . במערכת העצבים ההיקפית, אובדן תפקוד המיטוכונדריה באקסונים נצפה בנוירופתיה חיסונית, כגון תסמונת Guillain-Barré16,17, ובשילוב עם ייצור ROS מיטוכונדריאלי גבוה באקסונים, אירועים אלה מובילים להפעלת MAP Kinase בתאי שוואן18. זה מדגים כי פיזיולוגיה מיטוכונדריאלית עשויה להיות חיונית לא רק עבור תא ספציפי לאתר, אלא עבור רקמה שלמה. בפולינוירופתיה חושית דיסטלית הקשורה ל- HIV (HIV-DSP), למיטוכונדריה יש תפקיד במנגנון שבאמצעותו הגורם הטרנס-מפעיל של חלבון שעתוק (HIV-TAT) מאפשר ל- HIV להשתכפל ביעילות, כמו גם מספר תפקידים אחרים בפתוגנזה של הידבקות ב- HIV19,20.
הערכה של פיזיולוגיה מיטוכונדריאלית של עצבים סיאטיים התגלתה כמטרה חיונית לחקר נוירופתיה 7,21,22. בנוירופתיה סוכרתית, ניתוחים פרוטאומיים ומטבולומיים מצביעים על כך שרוב השינויים המולקולריים בסוכרת משפיעים על זרחון חמצון מיטוכונדריאלי של עצבים סיאטיים ועל חילוף החומרים של השומנים7. נראה כי שינויים אלה הם גם סימנים מוקדמים לסוכרת הנגרמת על ידי השמנת יתר21. במודל עכברי של נוירופתיה כואבת הנגרמת על ידי כימותרפיה, פגיעה מיטוכונדריאלית בעצב הסיאטי מזוהה כירידה בזרחון החמצוני22, והפחתה של פעילויות קומפלקסים מיטוכונדריאליים, פוטנציאל ממברנה ותכולת ATP23. עם זאת, למרות שכמה קבוצות ציינו תפקוד לקוי של המיטוכונדריה בנוירופתיה, מחקרים אלה מוגבלים למדידות של פעילות בקומפלקסים מיטוכונדריאליים ללא שימור של הממברנות המיטוכונדריה, ללא הערכה של שלמות המיטוכונדריה או מדידות של תוכן ATP כפרמטר לייצור ATP מיטוכונדריאלי. באופן כללי, הערכה נכונה של צריכת חמצן מיטוכונדריאלי וייצור ROS דורשת בידוד של מיטוכונדריה על ידי צנטריפוגה דיפרנציאלית בשיפוע פרקול/סוכרוז. בידוד המיטוכונדריה יכול גם להיות גורם מגביל לרקמת עצב סיאטית בגלל הכמות הגדולה של הרקמה הדרושה ואובדן מיטוכונדריה והפרעה.
המחקר הנוכחי נועד לספק פרוטוקול למדידת הפיזיולוגיה המיטוכונדרית כצריכה חמצן מיטוכונדריאלית וייצור ROS בעצב הסיאטי, תוך שמירה על ממברנות מיטוכונדריאליות וללא צורך בבידוד המיטוכונדריה. פרוטוקול זה מותאם ממדידות צריכת חמצן בסיבי שריר חודרניים24 על ידי נשימה ברזולוציה גבוהה (HRR). היתרונות של הליך זה הם האפשרות להעריך את המיטוכונדריה בכמויות קטנות של רקמות כגון העצב הסיאטי ולהעריך פרמטרים מיטוכונדריאליים באתרם, ובכך לשמר את הסביבה המיטוכונדרית, המבנה והפרופיל הביו-אנרגטי, כדי להשיג תוצאה אמינה מבחינה פיזיולוגית. מצבי הנשימה המיטוכונדריים נקבעו עם מצעים ומעכבים לאחר חדירת עצבים סיאטיים כדי להעריך כראוי ביו-אנרגיה מיטוכונדריאלית ומקדם ציטוכרום c לשלמות הממברנה המיטוכונדרית, וסיפקו מדריך לצעדים של הערכת מערכת הובלת האלקטרונים המיטוכונדרית (ETS) וחישוב פרמטרים חיוניים. מחקר זה יכול לספק כלים למענה על שאלות במנגנונים פתופיזיולוגיים שבהם מעורב חילוף החומרים העצבי הסיאטי, כגון נוירופתיות היקפיות.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
הפרוטוקול הנוכחי אושר על ידי ועדת האתיקה לשימוש בבעלי חיים במחקר, CCS/UFRJ (CEUA-101/19) והנחיות המכונים הלאומיים לבריאות לטיפול בחיות ניסוי ושימוש בהן. העצב הסיאטי מבודד מעכברי C57BL/6 זכרים בני ארבעה חודשים, המתים על ידי נקע צוואר הרחם בהתאם להנחיות המוסדיות. שלבי הפרוטוקול ממוטבים כדי למנוע הידרדרות מיטוכונדריאלית. לכן, בפרוטוקול זה, כיול של חיישני חמצן פולארוגרפיים בוצע לפני כריתה וחדירה של רקמת עצבים סיאטית של עכבר.
1. הכנת ריאגנטים
2. כיול חיישני חמצן פולארוגרפיים לנשימה ברזולוציה גבוהה (HRR)
3. כריתה וחדירה של העצב הסיאטי
4. צריכת חמצן וקביעת ייצור ROS
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
צריכת החמצן המיטוכונדריאלית על ידי העצב הסיאטי המחלחל מיוצגת באיור 2. העקבה האדומה מייצגת את שטף O2 ליחידת מסה ב-pmol/s.mg. לאחר רישום צריכת חמצן בסיסית עם מצעים אנדוגניים (נשימה שגרתית), מוזרק סוקינט (SUCC) לנשימה מונעת קומפלקס II (סוקסינט דהידרוגנאז), וכתוצאה מכך לעלייה בקצב צריכת החמצן. ברצף, מתווסף ריכוז רווי של ADP, המפעיל ATP סינתאז ומניע זרחון חמצוני. התוצאה היא מצב פוספורילטיבי של נשימה מיטוכונדריאלית. נשימת מצב זרחני פירושה ש-ATP synthase יכול לייצר ATP מ-ADP + Pi (פוספט ...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
מספר מחלות או מצבים המלווים נוירופתיות סובלים מתפקוד לקוי של המיטוכונדריה כגורם סיכון. ההערכה של תפקוד המיטוכונדריה בעצבים היקפיים חיונית כדי להבהיר כיצד המיטוכונדריה פועלת במצבים נוירודגנרטיביים אלה. ההערכה של תפקוד המיטוכונדריה היא מייגעת בשל הקושי של שיטת הבידוד והמחסור בחומר. לפיכך, התפתחות של טכניקות חדירת רקמות שאינן דורשות בידוד של מיטוכונדריה היא חיונית.
כדי להעריך את תפקוד המיטוכונדריה ברקמות מחלחלות, בחירת כימיקל שיכול לחלחל לקרום הפלזמה של התא מבלי להפריע לנשימה של התא היא קריטית. ב...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
למחברים אין מה לחשוף.
מחקר זה מומן על ידי מכון סראפילהירה, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (FAPERJ), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) ו-Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior-Brasil (CAPES). אנו מודים לד"ר אנטוניו גלינה פילו, לד"ר מוניקה מונטרו לומלי ולד"ר קלאודיו מסודה על התמיכה במתקני המעבדה, ולד"ר מרתה סורנסון על הערות טובות ובעלות ערך בשיפור המאמר.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| אדנוזין 5' טריפוספט מלח דיססודיום הידרט | סיגמא-אולדריץ' | A26209 | |
| אדנוזין 5&פריים;-דיפוספט מלח נתרן | סיגמא-אולדריץ' | A2754 | |
| אמפלקס אדום ריאגנט | תרמו פישר מדעי | A12222 | אמפלקס אדום מוכן ב-DMSO בהתאם לגיליון הנתונים של המוצר |
| Antimycin A (מ-Streptomyces sp.) | Sigma-Aldrich | A8674 | |
| סרום בקר אלבומין | Sigma-Aldrich | A7030 | שבר הלם חום, ללא פרוטאז, ללא חומצות שומן, למעשה ללא גלובולין, pH 7, ≥ 98% |
| סידן פחמתי | סיגמא-אולדריץ' | C6763 | |
| קרבוניל ציאניד 4-(טריפלואורומטוקסי)פנילהידרזון (FCCP) | סיגמא-אולדריץ' | C2920 | |
| ציטוכרום c | סיגמא-אולדריץ' | C7752 | (מלב סוסים; המפרוטאין קטן) |
| DataLab גרסה 5.1.1.91 | OROBOROS INSTRUMENTS, אוסטריה | זכויות יוצרים (c) 2002 - 13 מאת ד"ר אריך גנייגר | |
| שייקר מיקרופלייט אורביטלי דיגיטלי 120V | תרמו פישר | 88882005 | |
| DL-Dithiothreitol | Sigma-Aldrich | 43819 | |
| EGTA מלח נתרן | Sigma-Aldrich | E8145 | |
| מזרק המילטון | Sigma-Aldrich | HAM80075 | 10 uL, 25 uL ו-50 uL |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| מימן תמיסת מי חמצן 30% W/W | Merck | H1009 | |
| Imidazole | Sigma-Aldrich | I2399 | |
| L-(−)-חומצה מאלית | Sigma-Aldrich | M7397 | |
| מגנזיום כלוריד הקסהידרט | Sigma-Aldrich | M2393 | |
| MES מלח נתרן | Sigma-Aldrich | M3885 | |
| מלקחיים מיקרו-ניתוחים, מלקחיים מיקרו-ניתוחים מעוקלים | Sigma-Aldrich | F4142 | |
| ישר | Sigma-Aldrich | F4017 | |
| O2K - סט מסננים Amplex Red | OROBOROS INSTRUMENTS, אוסטריה | 44321-01 | Fasching M, Sumbalova Z, Gnaiger E (2013) O2k-Fluorometry: ייצור HRR ו- H2O2 במיטוכונדריה של מוח העכבר. רשת מיטוכונדר פיזיול 17.17. |
| O2K - פלואורסצנטי LED2 - רכיב מודול חיישן פלואורסצנטי ירוק | OROBOROS INSTRUMENTS, אוסטריה | 44210-01 | |
| אוליגומיצין | סיגמא-אולדריץ' | O4876 | (מ- Streptomyces diastatochromogenes; תערובת של אוליגומיצינים A, B ו- C |
| OROBOROS Oxygraph-2k | OROBOROS INSTRUMENTS, אוסטריה | http://www.oroboros.at | |
| פלמיטוילקרניטין (Palmitoyl-DL-carnitine-HCl) | Sigma-Aldrich | P4509 | |
| פרוקסידאז מחזרת | Sigma-Aldrich | P8375 | |
| צלחות פטרי, פוליסטירן | MERCK | P5606 | |
| פוספוקריאטין דיסודיום מלח הידרט | Sigma-Aldrich | P7936 | |
| אשלגן דימימן פוספט מונו-בסיסי | Sigma-Aldrich | PHR1330 | |
| אשלגן הידרוקסיד | סיגמא-אולדריץ' | 221473 | |
| רוטנון | סיגמא-אולדריץ' | R8875 | |
| ספונין | סיגמא-אולדריץ' | SAE0073 | |
| נתרן פירובט | סיגמא-אולדריץ' | P5280 | |
| נתרן סוקסינט הקסהידרט דו-בסיסי | סיגמא-אולדריץ' | S2378 | |
| סוכרוז | סיגמא-אולדריץ' | S9378 | |
| טאורין | סיגמא-אולדריץ' | T0625 |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission