הפרוטוקול מציג שיטה מבוססת ציטומטריית זרימה המשתמשת בכימיה כדי לחקור מטבוליזם אנרגיה בתאים.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
הפרוטוקול מציג שיטה מבוססת ציטומטריית זרימה המשתמשת בכימיה כדי לחקור מטבוליזם אנרגיה בתאים.
עם גירוי אנטיגן, תאי T נאיביים עוברים התפשטות והתרחבות מהירה לתאי T אפקטיביים. חילוף החומרים ממלא תפקיד חשוב ביצירת ביומסה הדרושה לתאים אלה המתרבים במהירות וליצירת מולקולות הנדרשות להתמיינות ותפקוד תאי T אפקטיביים, המשפיעים על התוצאה של התגובה החיסונית הנרכשת בזיהום או בסרטן. תאי T נאיביים מתכנתים מחדש את חילוף החומרים שלהם על ידי גירוי אנטיגני כדי להגביר את ייצור ה-ATP, הנדרש כדי לתמוך בגדילה, בביוסינתזה ובתפקודי האפקטור שלהם. ATP יכול להיווצר בתא על ידי מסלול הזרחן המיטוכונדריאלי-חמצוני (OXPHOS) או על ידי המסלול הגליקוליטי. מכיוון שרוב ה-ATP שנוצר בתא מתחלק וגדל משמש לסינתזה של חלבונים, סינתזת חלבון שימשה כתחליף לרמות ATP. ניתן למדוד סינתזת חלבון על ידי שילוב של פורומיצין, המחקה את האדנוזין 3' של tRNA טעון בטירוזין שונה ומוביל לסיום ספונטני של תרגום החלבון. ניתן להשתמש במעכבים מטבוליים כמו 2-דאוקסיגלוקוז (2DG), החוסם את המסלול הגליקוליטי, ואוליגומיצין (O), החוסם קומפלקס 5 של שרשרת הובלת האלקטרונים (ETC), כדי לחקור את התלות של יצירת ATP תאית בשני המסלולים הללו בשילוב עם הערכת סינתזת החלבון בשיטה הנקראת SCENITH. אנו מתארים כאן וריאציה של שיטה זו המזהה שילוב פורומיצין על ידי זרימה ציטומטרית באמצעות כימיה. שיטה זו לחקר חילוף החומרים קלה יחסית וניתן להשתמש בה להערכת אוכלוסיות תאים נדירות, כמו גם דגימות חולים, על ידי ציטומטריית זרימה.
בשנים האחרונות גוברת ההערכה לתפקיד החשוב של חילוף החומרים בוויסות תאי T. חילוף החומרים התאי מווסת פונקציות קריטיות רבות בלימפוציטים, כולל התרחבות משובטת של תאי T ספציפיים לפתוגן והתמיינות שלהם לתת-קבוצות של תאי אפקטור, המסנתזים מגוון מולקולות אפקטור, כולל ציטוקינים דלקתיים וגראנזימים ציטוליטיים הנדרשים להרוג פתוגנים1. לכן חקר חילוף החומרים של תאי T חשוב הן להערכת תפקוד תקין של תאי T והן לפיתוח טיפולים פוטנציאליים.
תאי T נאיביים הם שקטים מבחינה מטבולית ומסתמכים על מטבוליזם קטבולי וזרחון חמצוני (OXPHOS) לצרכי האנרגיה שלהם 1,2. עם הפעלת קולטן תאי T (TCR), תאי T עוברים תכנות מחדש מטבולי מהיר המונע בין היתר על ידי ויסות של מובילי חומרים מזינים על פני התאים, מה שמגביר את ספיגת הגלוקוז וחומצות אמינו מרובות, כולל גלוטמין, מהסביבה. לאחר מכן משתמשים באבני הבניין התזונתיות הללו במסלולים אנבוליים לייצור מקרומולקולות התורמות לצמיחת התאים ותומכות בדרישות האנרגיה המוגברות הקשורות לצמיחה מוגברת של תאים וחלוקה 1,2,3. תכנות מחדש מטבולי בתאי T מופעלים הופך את התאים לתלויים יותר בגליקוליזה אירובית ובגלוטמינוליזה לצרכי האנרגיה שלהם 1,2,3. עם גירוי TCR, ספיגת החומרים המזינים ממלאת גם תפקיד קריטי בהפעלת מסלולים מולקולריים במורד הזרם3. לדוגמה, ספיגה של חומצות אמינו וריכוז מוגבר של חומצות אמינו מקומיות מפעילים את איתות mTORC14. לעומת זאת, הפחתת הזמינות של חומצות אמינו תוך-תאיות מפחיתה את מסלול האיתות mTORC1 2,3,5,6,7. לפיכך, חילוף החומרים ותפקוד התא קשורים קשר הדוק בתא T אפקטור.
הגידול הגדול בביומסה הנדרשת לחלוקה מהירה של תאי T דורש ויסות מוגבר של סינתזת חלבון/תרגום8. ניתן לכמת סינתזת חלבון בתא על ידי חקר השילוב של פורומיצין9, חיקוי טירוזיל-tRNA החוסם תרגום על ידי שילוב, סימון ושחרור שרשראות פוליפפטיד מתארכות מתרגום ריבוזומים9. תרגום חלבונים הוא תהליך תלוי באנרגיה גבוהה; ואכן, רוב ה-ATP שנוצר בתאים מתחלקים וגדלים משמש לסינתזה של חלבונים. לפיכך, סינתזת חלבון שימשה כמדידה חלופית ל-ATP10 תאי. כדי לייצר ATP, תאים מסתמכים בדרך כלל על גליקוליזה ו/או מסלול OXPHOS המיטוכונדריאלי11. גליקוליזה מייצרת שתי מולקולות ATP לכל מולקולת גלוקוז. מסלול OXPHOS מייצר 36 ATPs לכל גלוקוז12,13, אך גליקוליזה יכולה לייצר ATP מהר יותר14. לפיכך, תאי T מופעלים המתחלקים במהירות, כמו תאים סרטניים, מסתמכים במידה רבה על המסלול הגליקוליטי ליצירת ATP.
ניתן ללמוד את התלות של תא בכל מסלול מטבולי על ידי שימוש במעכבים ספציפיים. מעכב המסלול הגליקוליטי 2-דאוקסיגלוקוז (2-DG), שהוא אנלוגי גלוקוז, פועל כמעכב תחרותי לאנזים הגליקוליטי הקסוקינאז15. 2-DG עובר זרחן ל-2DG-פוספט (2DG-P) על ידי הקסוקינאז. לא ניתן לבצע חילוף חומרים נוסף של 2DG-P על ידי איזומראז פוספוהקסוזה, אשר בדרך כלל ממיר גלוקוז-6-פוספט (G-6-P) לפרוקטוז-6-פוספט16. 2DG-P, אם כן, נלכד ומצטבר בתאים, מה שמוביל לעיכוב הגליקוליזה ולדלדול ה-ATP התאי, ובכך חוסם את סינתזת החלבון17. באופן דומה, ניתן לחקור את התלות של תאים במסלול OXPHOS המיטוכונדריאלי באמצעות אוליגומיצין, שנקשר לתעלת הפרוטונים של ATP סינתאז של שרשרת הובלת האלקטרונים (ETC)18, ובכך חוסם את סינתזת ה-ATP המיטוכונדריאלית (איור 1). השימוש במעכבים אלה בשילוב עם הערכה של סינתזת חלבון יכול לספק תמונה של המצב המטבולי של התאים ונעשה בו שימוש בשיטה חד-תאית רבת עוצמה המכונה SCENITH המעריכה שילוב פורומיצין באמצעות זרימה ציטומטרית10. עם זאת, הזמינות של ריאגנטים של SCENITH יכולה להיות מגבילה. טכניקות נפוצות אחרות להערכת גליקוליזה ו-OXPHOS כוללות ניתוחי שטף חוץ-תאי של סוסון ים, הדורשים מספרי תאים גדולים יותר, שאולי אינם אפשריים מבחינה ניסויית. במאמר זה, אנו מתארים שיטה חלופית להערכת שילוב פורומיצין באמצעות ריאגנט כימי Click-it זמין מסחרית. הקלות של שיטה זו מאפשרת הערכה מהירה של המצב המטבולי של לימפוציטים, כולל אוכלוסיות תאים נדירות ודגימות חולים.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
גידול בעלי חיים וניסויים בוצעו בהתאם לפרוטוקול G98-3 שאושר על ידי הוועדה לשימוש וטיפול בבעלי חיים של המכון הלאומי לחקר הגנום האנושי, NIH, ופרוטוקול מאושר LISB 22E על ידי הוועדה לטיפול ושימוש בבעלי חיים של המכון הלאומי לאלרגיה ומחלות זיהומיות, NIH. עכברים זכרים C57Bl/6J בגילאי 6-12 שבועות, שגודלו ושוכנו בתנאים ספציפיים ללא פתוגן (SPF), שימשו למחקר הנוכחי. תוצאות דומות התקבלו עם עכברים נקבות. דם מלא אנושי התקבל מבנק הדם של ה-NIH תחת פרוטוקול 99-CC-0168 שאושר על ידי המרכז הקליני של ה-NIH IRB איסוף והפצה של רכיבי דם מתורמים בריאים לשימוש במחקר חוץ גופית. הסכמה מדעת בכתב התקבלה מכל הנבדקים בהתאם להצהרת הלסינקי.
1. בידוד ותרבית תאי CD4+ T נאיביים של עכבר
2. בידוד ותרבות PBMCs אנושיים
3. בדיקה מטבולית
הערה: חשוב לשמור על כל התאים, המעכבים [אוליגומיצין (O), 2-דאוקסיגלוקוז (2-DG), DMSO (Co)], ומגיב O-פרופרגיל-פורומיצין (OPP) קרוב ככל האפשר ל-37 מעלות צלזיוס. יש להוציא את התאים, המעכבים ומגיב ה-OPP על 96 צלחות עם תחתית U ולהשאיר את הצלחות באינקובטור של 37 מעלות צלזיוס ככל האפשר. מעכבי Aliquot 2-DG ו-O לנפחים קטנים יותר כדי למנוע הפשרה מרובה של הקפאה.
4. ניתוח בדיקה מטבולית
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
תאי CD4+ T נאיביים בודדו מהטחול ובלוטות הלימפה של עכברים והתמיינו לשושלות Th0 או לא מקוטבות (NP) למשך 72 שעות. התאים נאספו אחרי 0 שעות, 48 שעות ו-72 שעות של תרבית, ושילוב OPP נמדד על ידי התבוננות ב-MFI של ה-OPP. תאי CD4+ T נאיביים היו פחות סינתטיים מתאי T המופעלים, כפי שניתן לראות על ידי ה-MFI של OPP (איור 3). תאים נאיביים היו תלויים חלקית בגליקוליזה אך יותר במסלול OXPHOS כפי שהוערך על ידי MFI ושינוי הקיפול של שילוב OPP. אם ניקח את הבקרה (Co) שנקבעה ל-100%, אז חסימת גלי...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מאמר זה מספק שיטה לחקר חילוף החומרים בתאי לימפה על ידי זרימה ציטומטרית, המבוססת על טכנולוגיית SCENITH, אך באמצעות תיוג כימי של פורומיצין משולב. למרות שהתמקדנו בלימפוציטים, ניתן להתאים פרוטוקול זה לחקר חילוף החומרים בכל סוג תא. שיטה זו מועילה גם לחקר חילוף החומרים באוכלוסיות נדירות של תאים ודגימות חולים, כאשר טכניקות אחרות, כגון סוסון ים, דורשות מספר גדול יותר של תאים.
שלב קריטי בפרוטוקול הוא לוודא שהתאים, המעכבים וכל הריאגנטים המשמשים נמצאים בטמפרטורת החדר אלא...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
למחברים אין ניגודי אינטרסים לחשוף.
אנו מודים לד"ר צ'ין שו ולד"ר אביק דוטה על אספקת דגימות PBMC והצעות ניסיוניות יקרות ערך. מחקר זה נתמך בחלקו על ידי המחלקה למחקר תוך-מוראלי של NIAID, NIH.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 2-Mercaptoethanol | Thermo Fisher | 21985-023 | |
| Alexa Fluor 488 נוגדן נגד Puromycin | Biolegend | 381506 | דילול בשימוש: 1/100 |
| Alexa Fluor 647 אנטי-אנושי CD4 נוגדן | Biolegend | 357422 | דילול בשימוש: 1/50 |
| BD Horizon BUV737 עכברוש נגד עכבר CD4 | BD | 612761 | דילול בשימוש: 1/200 |
| Click-iT Plus OPP Alexa Fluor 488 ערכת בדיקת סינתזת חלבון | Thermo Fisher | C10456 | |
| HEPES (1 מ') | Thermo Fisher | 15630080 | |
| סרום אנושי | Millipore Sigma | H4522 | |
| IMDM, תוסף GlutaMAX, 500 מ"ל | Thermo Fisher | 31980030 | |
| InVivoMAb נגד עכבר CD28, שיבוט: 37.51 | BioXcell | BE0015-1 | |
| InVivoMAb נגד עכבר CD3ε, שיבוט: 145-2C11 | BioXcell | BE0001-1 | |
| InVivoMAb נגד עכבר IFNγ, שיבוט: XMG1.2 | BioXcell | BE0055 | |
| InVivoMAb נגד עכבר IL-12 p40, שיבוט: C17.8 | BioXcell | BE0051 | |
| InVivoMAb נגד עכבר IL-4, שיבוט: 11B11 | BioXcell | BE0045 | |
| L-גלוטמין (200 מ"מ) | Thermo Fisher | 25030081 | |
| LIVE / DEAD ערכת כתמי תאים מתים לתיקון, לעירור 405 ננומטר דילול | Thermo Fisher | L34966 | בשימוש: 1/600 |
| LSM הפרדת לימפוציטים בינוני | MP Biomedicals | 50494X | |
| MEM תמיסת חומצות אמינו לא חיוניות (100X) | Thermo Fisher | 11140050 | |
| מיטומיצין C מ- Streptomyces caespitosus | Sigma | M0503-10X2MG | |
| Naive CD4 ערכת בידוד, עכבר | Miltenyi Biotec | 130-104-453 | |
| פרפורמלדהיד 16% תמיסה מימית | מדעי מיקרוסקופיה אלקטרונית | 15710 | |
| PBS (1X), pH 7.4, 500 מ"ל | ביולוגיות באיכות | 114-058-101 | |
| פניצילין-סטרפטומיצין (10,000 U/mL). 100 מ"ל | תרמו פישר | 15140122 | |
| פיטוהמגלוטינין-L (PHA-L) | Millipore Sigma | 11249738001 | |
| סרום בקר עוברי בדרגת פרימיום (FBS) | Avantor | 97068-085 | |
| RPMI 1640 בינוני, ללא גלוטמין | תרמו פישר | 21870076 | |
| ספונין | תרמו פישר | A18820.22 | |
| נתרן פירובט (100 מ"מ) | תרמו פישר | 11360070 |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
