$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
תפקוד לקוי או תכנות מחדש של מטבוליזם האנרגיה המיטוכונדריאלית הוא מרכזי למגוון רחב של הפרעות, כולל ניוונית עצבית, סרטן, מחלות דלקתיות, מצבים קרדיומטבוליים והפרעות גנטיות שונות. כדי להבין טוב יותר את תפקיד המטבוליזם המיטוכונדריאלי בפתוגנזה של מחלות, פותחו מספר אסטרטגיות אנליטיות. אלה כוללים מדידות של קצב צריכת חמצן2 (OCR), קצב החמצה חוץ-תאית (ECAR), כימות ATP, ניצול סובסטרט, פרופילינג או ניתוח מטבוליטים במחזור קרבס, ומעקב אחר איזוטופים1. מבין הטכניקות הללו, OCR משמש כאינדיקטור מרכזי לנשימה מיטוכונדריאלית וניתן להעריך אותו באמצעות כלים כגון מסריפת נשימה ברזולוציה גבוהה (HRR; לדוגמה, Oroboros O2 k)2, אלקטרודה מסוג קלארק או מנתח שטף חוץ-תאי
מערכת Oroboros O2k מודדת ריכוז O2 בתא אטוםבאמצעות חיישן O 2 פולרוגרפי מסוג קלארק (POS)3,4,5 ומתאימה לדגימות כמו מיטוכונדריה מבודדת, תאים חדירים והומוגנטים של רקמות. הוא מורכב מקתודה זהב/פלטינה, אנודת כסף ומאגר אלקטרוליטים KCl המופרדים מהדגימה באמצעות ממברנת פרופילן פלואורית אתילן פלואורית (FEP)חדירה ועמידה כימית בגודל 25 מיקרון O 2. אלקטרודה מסוג קלארק3 פועלת גם היא בתא סגור, ומזהה שינויים בריכוז חמצן2 באמצעות אלקטרודה רגישהל-O 2, והיא משמשת בדרך כלל למיטוכונדריה מבודדת או תלויות תאים. לעומת זאת, מנתח השטף החוץ-תאי מכמת את OCR ו-ECAR בתאים דבקים חיים או במיטוכונדריה מבודדת באמצעות חיישני פלואורסצנטיים המוטמעים במיקרופלטות, ומאפשר פרופיל מטבולי בקצב גבוה. יתרון מעשי של פלטפורמת אנלייזר השטף החוץ-תאית הוא הערכה אוטומטית ורב-פרמטרית בתנאים מרובים במקביל, בעוד שמערכות סגורות (כגון HRR או אלקטרודות מסוג קלארק) בדרך כלל מספקות תפוקה נמוכה יותר ודורשות טיפול ידני רב יותר.
אנלייזר השטף החוץ-תאי שימושי במיוחד להערכת תפקוד מיטוכונדריה בתאים דבקים שלמים או בתאי תלייה המתיישבים בתחתית המיקרופלטה. במבחנים המשתמשים בתאים דבקים שלמים, ניתן לפרופיל את מטבוליזם האנרגיה המיטוכונדריאלית באמצעות סובסטרטים כמו גלוקוז או פירובט6. חלופה נוספת היא בדיקות המשתמשות בכמויות קטנות של שברים מיטוכונדריאליים מועשרים מאפשרות מדידה רציפה של נשימה בסיסית, נשימה מונעת על ידי ADP (מצב 3), נשימה במנוחה (מצב 4), ונשימה מגויה ללא מקשר באמצעות שילובים של סובסטרטים ומעכבים7. עם זאת, במערכות תאים שלמות, מטבוליטים במחזור חומצה טריקרבוקסילית (TCA) שאינם חדירים לתאים אינם יכולים לשמש להערכת חילוף החומרים שלהם ישירות. בעוד שמיטוכונדריה מבודדת מאפשרת שימוש במטבוליטים כאלה בשל היעדר מחסומי ממברנה בפלזמה. ניתוח הגישה הביואנרגטית של מיטוכונדריאלית מבודדת ומועשרת סובל ממגבלות: מבנה המיטוכונדריה יכול להשתנות במהלך הבידוד, וגורמים ציטוזוליים המשפיעים על מטבוליזם המיטוכונדריה והובלת מטבוליטים מופחתים או נעדרים. בהתאם לכך, גישות פרמיאביליזציה סלקטיביות משמשות לעיתים כפשרה שיכולה לשמר היבטים של ארכיטקטורת התא תוך מתן גישה מבוקרת למיטוכונדריה. כדי להתגבר על המגבלות של שימוש בתאים שלמים או מיטוכונדריה מבודדת לבדיקות מטבוליות, פרוטוקול זה מתאר שיטה לחדירת תאי נוירובלסטומה דבקים (BE(2)-C) באמצעות דיגיטונין. גישה זו מאפשרת ייבוא מטבוליטים שאינם תאי דרך ממברנת הפלזמה, תוך שמירה על תגובות מיטוכונדריאליות פונקציונליות לסובסטרטים ומעכבים מוגדרים.
הסלקטיביות של דיגיטונין מבוססת על הבדלים בהרכב השומנים של הממברנה: ממברנת הפלזמה עשירה בכולסטרול, בעוד שממברנות המיטוכונדריאל—במיוחד הממברנה הפנימית—מכילות מעט מאוד כולסטרול8. בריכוזים נמוכים, דיגיטונין (או סאפונין) חודר באופן סלקטיבי ומלא לממברנת הפלזמה בשל תכולת הכולסטרול הגבוהה בו, בעוד שקרומנותיו המיטוכונדריות מושפעות רק בריכוזים גבוהיםיותר 9,10. דיגיטונין נקשר לכולסטרול ויוצר נקבוביות בקרום הפלזמה, ומאפשר למולקולות קטנות כמו ביניים במחזור TCA להיכנס לציטוזול מבלי להפריע למבנה או לתפקוד המיטוכונדריאלי כאשר הם מאופטמים כראוי. גישה זו מתאימה במיוחד לתאים מתורבתים שניתן לצלום באופן חוזר כשכבות מונו-שכבות דבקות במיקרופלטה של מנתח שטף חוץ-תאי, ודורשת טיטרציה אמפירית של ריכוז הדיגטונין לכל סוג תא וצפיפות זריעה. אינדיקטורים תפעוליים של שלמות מיטוכונדריה נשמרת כוללים תגובות OCR חזקות ורגישות למעכבים (למשל, ירידות צפויות עם רוטנון/אנטימיצין A ונשימה שלמה מונעת קומפלקס IV עם אסקורבט/TMPD), יחד עם היעדר קריסת OCR שתסמן חדירות יתר. לכן, יש לבצע אופטימיזציה של דיגיטונין לפני השוואות ניסיוניות ולחזור על עצמה כאשר תנאי התרבית או צפיפות התא משתנים. יתרה מזאת, ריכוז הדיגיטונין האופטימלי משתנה לפי סוג התא ויש לקבוע אותו אמפירית כדי לקבוע חלון חדירות שמאפשר כניסה של סובסטרטים אימפרמיים (למשל, סוקסינט) תוך שמירה על תפקוד מיטוכונדריה רגיש למעכבים. במחקר זה, אנו ממחישים עיקרון זה על ידי אופטימיזציה של דיגיטונין לא רק בתאי BE(2)-C, אלא גם בתאי HEK293 ובנוירונים ראשוניים של הגנגליון השורש הגבי של העכברים (DRG).
פרוטוקול זה הודגם באמצעות תאי נוירובלסטומה BE(2)-C, שבודדו במקור ממוחו של גבר עם נוירובלסטומה. תאי BE(2)-C מבטאים קולטנים מוסקריניים שונים, במיוחד הקולטן הכולינרגי מוסקריני סוג 1 (CHRM1). במחקרים הקודמים שלנו הראינו כי CHRM1 קשור למיטוכונדריה הן בגופי התאים והן בנויריטים של נוירוני גנגליון שורש גבי של עכברוש מתורבת, וכן בתאי HEK293 שעברו טרנספקט CHRM111. יתרה מזאת, מחיקה גנטית של Chrm1 בעכברים משנה היבטים רבים של מבנה ותפקוד המיטוכונדריה12,13. לכן, אנו משערים שתאי BE(2)-C יכולים לשמש לחקירת ההשפעות המודולטוריות של ליגנדים מוסקריניים על תפקוד OXPHOS. בהדגמה זו בחנו את השפעות החומרים המוסקריניים — כולל אגוניסטים אצטילכולין, האנטגוניסט המוטה פירנצפין14, והאנטגוניסט אטרופין — על נשימת מיטוכונדריאלית בנוכחות סוקסינט או פירובאט/מלאט כסובסטרטים והשווינו את השפעתם.