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Research Article
Elena Levi-D’Ancona1,2, Vaibhav Sidarala1, Scott A. Soleimanpour1,3,4
1Department of Internal Medicine, Division of Metabolism, Endocrinology and Diabetes,University of Michigan, Ann Arbor, 2Graduate Program in Immunology,University of Michigan Medical School, 3Department of Molecular and Integrative Physiology,University of Michigan, Ann Arbor, 4VA Ann Arbor Healthcare System
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Questo protocollo delinea due metodi per l'analisi quantitativa della mitofagia nelle cellule β pancreatiche: in primo luogo, una combinazione di coloranti specifici per mitocondri permeabili alle cellule e, in secondo luogo, un reporter mitofagico geneticamente codificato. Queste due tecniche sono complementari e possono essere implementate in base a esigenze specifiche, consentendo flessibilità e precisione nell'affrontare quantitativamente il controllo di qualità mitocondriale.
La mitofagia è un meccanismo di controllo della qualità necessario per mantenere una funzione mitocondriale ottimale. La mitofagia disfunzionale a β cellule provoca un rilascio insufficiente di insulina. Le valutazioni quantitative avanzate della mitofagia spesso richiedono l'uso di reporter genetici. Il modello murino mt-Keima, che esprime una sonda raziometrica a doppia eccitazione sensibile al pH mirata ai mitocondri per quantificare la mitofagia tramite citometria a flusso, è stato ottimizzato in cellule β. Il rapporto tra le emissioni acide e neutre della lunghezza d'onda mt-Keima può essere utilizzato per quantificare in modo robusto la mitofagia. Tuttavia, l'utilizzo di reporter di mitofagia genetica può essere difficile quando si lavora con modelli murini genetici complessi o cellule difficili da trasfettare, come le isole umane primarie. Questo protocollo descrive un nuovo metodo complementare basato su coloranti per quantificare la mitofagia a β cellule nelle isole primarie utilizzando MtPhagy. La mtfagia è un colorante sensibile al pH e permeabile alle cellule che si accumula nei mitocondri e aumenta la sua intensità di fluorescenza quando i mitocondri si trovano in ambienti a basso pH, come i lisosomi durante la mitofagia. Combinando il colorante MtPhagy con Fluozin-3-AM, un indicatore Zn2+ che seleziona le cellule β, e Tetrametilrodamina, estere etilico (TMRE) per valutare il potenziale di membrana mitocondriale, il flusso mitofagico può essere quantificato in modo specifico nelle cellule β tramite citometria a flusso. Questi due approcci sono altamente complementari e consentono flessibilità e precisione nella valutazione del controllo di qualità mitocondriale in numerosi modelli di cellule β.
Le cellule β pancreatiche producono e secernono insulina per soddisfare le richieste metaboliche e la disfunzione delle cellule β è responsabile dell'iperglicemia e dell'insorgenza del diabete sia nel diabete di tipo 1 che in quello di tipo 2. Le cellule β accoppiano il metabolismo del glucosio con la secrezione di insulina attraverso l'energetica mitocondriale e l'output metabolico, che dipendono da una riserva di massa mitocondriale funzionale 1,2,3. Per mantenere una funzione ottimale delle cellule β, le cellule β si affidano a meccanismi di controllo della qualità mitocondriale per rimuovere i mitocondri invecchiati o danneggiati e preservare la massa mitocondriale funzionale4. L'autofagia mitocondriale selettiva, nota anche come mitofagia, è una componente chiave del percorso di controllo della qualità mitocondriale.
Le valutazioni della mitofagia nelle cellule vive spesso si basano sui cambiamenti del pH mitocondriale che si verificano durante la mitofagia. I mitocondri hanno un pH leggermente alcalino e i mitocondri sani risiedono normalmente nel citosol a pH neutro. Durante la mitofagia, i mitocondri danneggiati o disfunzionali vengono selettivamente incorporati negli autofagosomi e infine eliminati all'interno dei lisosomi acidi5. Diversi modelli murini reporter di mitofagia transgenica in vivo, come mt-Keima6, mitoQC7 e CMMR8, nonché sonde di mitofagia trasfettabili, come il plasmide Cox8-EGFP-mCherry9, utilizzano questa variazione di pH per fornire valutazioni quantitative della mitofagia. L'uso di topi transgenici che esprimono la sonda raziometrica a doppia eccitazione sensibile al pH mt-Keima è stato ottimizzato per le valutazioni della mitofagia nelle isole e nelle cellule β tramite citometria a flusso10,11. Il rapporto tra le emissioni acide e neutre della lunghezza d'onda mt-Keima (il rapporto tra l'eccitazione acida di 561 nm e quella neutra di 480 nm) può essere utilizzato per quantificare in modo robusto la mitofagia 6,12.
Questo protocollo descrive un approccio ottimizzato per valutare il flusso mitofagico nelle isole primarie e nelle cellule β isolate da topi transgenici mt-Keima 10,11. Sebbene mt-Keima sia una sonda altamente sensibile, richiede complicati schemi di allevamento animale o la trasfezione di cellule, che spesso possono essere difficili quando si lavora in combinazione con altri modelli genetici o con isole umane primarie. Inoltre, l'uso di laser e rivelatori a fluorescenza multipli per identificare popolazioni cellulari neutre e acide può limitare l'uso combinatorio di altri reporter fluorescenti.
Per superare queste sfide, questo protocollo descrive anche un metodo complementare, a canale fluorescente singolo, basato su coloranti per il rilevamento robusto della mitofagia in cellule β da isole di topo isolate. Questo approccio, denominato metodo MtPhagy, utilizza una combinazione di tre coloranti permeabili alle cellule per selezionare le cellule β, quantificare le popolazioni cellulari attivamente sottoposte a mitofagia e valutare contemporaneamente il potenziale di membrana mitocondriale (MMP o Δψm).
Il primo di questi coloranti è la Fluozin-3-AM, un indicatore Zn2+ permeabile alle cellule con un Ex/Em 494/516 nm13. Le isole di topo comprendono una popolazione eterogenea di cellule funzionalmente distinte, tra cui cellule α, β, δ e PP. Le cellule β comprendono circa l'80% delle cellule all'interno dell'isolotto di topo e possono essere distinte da altri tipi di cellule insulari a causa della loro elevata concentrazione di Zn2+ all'interno dei granuli di insulina14,15, consentendo l'identificazione delle cellule β come la popolazionead alto contenuto di Fluozin-3-AM. Il colorante MtPhagy, un colorante sensibile al pH che è immobilizzato sui mitocondri tramite un legame chimico ed emette una debole fluorescenza, è utilizzato anche in questo protocollo16. Dopo l'induzione della mitofagia, i mitocondri danneggiati vengono incorporati nel lisosoma acido e il colorante MtPhagy aumenta la sua intensità di fluorescenza all'interno dell'ambiente a basso pH (Ex/Em 561/570-700 nm).
Inoltre, la tetrametilrodamina, estere etilico (TMRE), viene utilizzata per valutare la MMP. TMRE è un colorante permeabile alle cellule carica positiva (Ex/Em 552/575 nm) che viene sequestrato dai mitocondri sani a causa della relativa carica negativa sostenuta dal loro potenziale di membrana17. I mitocondri danneggiati o malsani dissipano il loro potenziale di membrana, con conseguente diminuzione della capacità di sequestrare la TMRE. Utilizzando questi coloranti insieme, le cellule β sottoposte a mitofagia possono essere identificate comela bassa popolazione di Fluozinad altaMtPhagyad altoTMRE tramite citometria a flusso. Poiché la mitofagia è un processo dinamico piuttosto che statico, questo protocollo è stato ottimizzato per valutare il flusso mitofagico utilizzando valinomicina, uno ionoforo K+ che induce la mitofagia dopo la dissipazione di MMP18. Il confronto della mitofagia in presenza e assenza di valinomicina consente di valutare il flusso mitofagico in diversi gruppi di campioni.
La natura basata sul colorante dell'attuale approccio consente di estrapolarlo alle isole umane e ad altri tipi di cellule difficili da trasfettare e aggira la necessità di complicati schemi di allevamento degli animali, a differenza del protocollo mt-Keima. L'obiettivo generale di questo protocollo è quello di quantificare la mitofagia nelle cellule β a livello di singola cellula attraverso due metodi indipendenti basati sulla citometria a flusso. Nel loro insieme, questo protocollo descrive due metodi potenti e complementari che consentono sia precisione che flessibilità nello studio quantitativo del controllo di qualità mitocondriale.
Gli studi sugli animali presentati in questo protocollo sono stati esaminati e approvati dal Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali dell'Università del Michigan. Per questo studio sono stati utilizzati topi maschi C57BL/6J di 20 settimane, con una dieta grassa regolare (RFD) di 15 settimane o una dieta ricca di grassi (HFD).
1. Valutazione della mitofagia tramite l'approccio MtPhagy basato su coloranti (Metodo 1)
2. Valutazione della mitofagia utilizzando il reporter mt-Keima geneticamente codificato (Metodo 2)
Valutazione della mitofagia tramite l'approccio MtPhagy basato su coloranti
Questo approccio basato su coloranti è stato ottimizzato per analizzare il flusso mitofagico all'interno delle cellule primarie di β di topo senza la necessità di un reporter genetico, utilizzando Fluozin-3-AM, TMRE e MtPhagy, nonché DAPI per escludere le cellule morte. Accoppiando questi coloranti con valinomicina per indurre la mitofagia, questo protocollo delinea un metodo basato su coloranti per misurare selettivamente il flusso mitofagico nelle cellule β primarie di topo18. Per i dati mostrati utilizzando questo metodo MtPhagy, sia la mitofagia basale che quella indotta da valinomicina sono state analizzate in isolotti isolati da topi alimentati con dieta grassa normale (RFD) o dieta ad alto contenuto di grassi (HFD, 60 kcal% di grassi) per valutare l'effetto dello stress metabolico sul flusso mitofagico. Per identificare la popolazione di interesse, le cellule sono state sottoposte a gating utilizzando isole RFD non trattate. Le tensioni FSC e SSC sono state prima regolate per ottenere una distribuzione uniforme delle celle su un grafico SSC-A rispetto a FSC-A (Figura 1A). Per selezionare le celle singole, sia FSC-H che FSC-H FSC-W e SSC-H a confronto. Sono stati utilizzati grafici SSC-W, in cui i multipletti sono stati esclusi a causa dei loro valori di segnale di larghezza più elevati rispetto alle singole celle (Figura 1B,C). Successivamente, sono state selezionate cellule DAPI-negative per escludere le cellule morte20 (Figura 1D). Dopo aver stabilito i gate primari, sono stati utilizzati controlli colorati singoli per stabilire i gate di fluorescenza per Fluozin-3-AM, MtFagy e TMRE (Figura 1E-G), nonché i controlli di compensazione per la citometria a flusso di fluorescenza multicolore.
Una volta che questi gate primari e di fluorescenza sono stati stabiliti, le cellule β con elevato utilizzo della mitofagia sono state definite come la popolazione Fluozinad altoMtPhagyad altoTMREnel quadrante 3 (Q3) utilizzando RFD senza esposizione a valinomicina (Figura 1H). Utilizzando questa strategia di gating, i livelli di mitofagia basale e indotta da valinomicina sono stati caratterizzati sia nelle isole RFD che HFD (Figura 2). Per quantificare il flusso mitofagico, basale vs. I livelli di mitofagia indotta da valinomicina sono stati confrontati utilizzando il seguente rapporto:

Utilizzando questo rapporto, il flusso mitofagico è stato quantificato e confrontato in RFD vs. HFD β cellule per valutare le differenze nella mitofagia in seguito all'induzione dell'obesità e dell'insulino-resistenza periferica. Quantificazione del flusso mitofagico in RFD vs. I campioni HFD sono mostrati nella Figura 2E. Questo risultato evidenzia la fattibilità di questo test per quantificare la mitofagia nelle cellule β utilizzando un approccio semplice basato sul colorante. Questo metodo può essere impiegato anche in isole umane, cellule difficili da trasfettare e isole isolate da modelli genetici complessi in cui l'incrocio con il modello transgenico mt-Keima sarebbe ingombrante.
Valutazione della mitofagia utilizzando il reporter mt-Keima geneticamente codificato
Mt-Keima è una proteina fluorescente a doppia eccitazione fusa con una sequenza di localizzazione Cox8 che ne consente il targeting alla membrana mitocondriale interna. La proprietà fluorescente bimodale di mt-Keima gli consente di cambiare i suoi spettri di eccitazione dalla lunghezza d'onda neutra (405 nm) a quella acida (561 nm), a seconda del pH del compartimento intracellulare6. Ciò consente una robusta analisi di fluorescenza raziometrica della mitofagia, in cui un aumento del rapporto acido-neutro indica l'induzione della mitofagia. In questo protocollo, la fluozin-3-AM è stata utilizzata anche per selezionare le cellule β tramite citometria a flusso. In questi studi rappresentativi, il flusso mitofagico è stato valutato utilizzando isole isolate da topi alimentati con una dieta RFD10,11. Le tensioni FSC e SSC sono state prima regolate per ottenere una distribuzione uniforme delle celle su un SSC-A vs. Grafico FSC-A (Figura 3A). Per selezionare le celle singole, sia FSC-H che FSC-H FSC-W e SSC-H a confronto. Sono stati utilizzati grafici SSC-W, in cui i multipletti sono stati esclusi a causa dei loro valori di segnale di larghezza più elevati rispetto alle celle singole (Figura 3B,C). La tensione e la strategia di gating per DAPI e Fluozin-3-AM sono state determinate utilizzando isolotti a colorazione singola (Figura 3D,E). I gate triangolari per le popolazioni acide e neutre sono stati quindi identificati utilizzando il campione positivo di mt-Keima senza esposizione alla valinomicina (Figura 3F).
Una volta che queste porte primarie e di fluorescenza sono state stabilite, il flusso mitofagico è stato valutato utilizzando cambiamenti basali e indotti dalla valinomicina nella fluorescenza mt-Keima (Figura 3F,G). Per quantificare il flusso mitofagico, la mitofagia basale vs. I livelli indotti dalla valinomicina sono stati confrontati utilizzando il seguente rapporto:

Utilizzando questo rapporto, il flusso mitofagico è stato quantificato nelle cellule RFD. La quantificazione di questo risultato è mostrata nella Figura 3H. È importante sottolineare che questi risultati sono paragonabili ai risultati delle isole RFD generate utilizzando l'approccio MtPhagy (Figura 3H).

Figura 1: Schema di gating per il metodo MtPhagy. (A) Diagramma di flusso che mostra lo schema di gating da selezionare per tutte le celle. (B) Gating per selezionare i singoletti in base a FSC-H vs. FSC-W e (C) SSC-H vs. SSC-W. (D) Gating per le cellule DAPI-negative per escludere le cellule morte. (E) Gating per celle alte di Fluozin-3-AM per selezionare le celluleβ . (F) Schema di gating per il colorante MtPhagy per identificare le popolazioni cellulariMtPhagy alte eMtPhagy basse . (G) Schema di gating per TMRE per identificare le popolazioni cellulari di TMREalto eTMRE basso . (H) Schema di gating a quadrante stabilito con isole RFD non trattate per identificare le cellule Fluozinad altoMtPhagyad altoTMREnel quadrante 3 (Q3) come cellule β sottoposte a mitofagia. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Valutazione delle differenze di flusso mitofagico nelle cellule β di topo a seguito di stress metabolico utilizzando lo schema di gating MtPhagy. Grafici rappresentativi della citometria a flusso di (A) cellule β RFD non trattate, (B) cellule β HFD non trattate, (C) cellule β RFD esposte alla valinomicina e (D) cellule β HFD esposte alla valinomicina. (E) Quantificazione del flusso mitofagico nelle cellule β, calcolato utilizzando un rapporto trale cellule ad alto TMREespostea valinomicina e le cellule abasso TMREnonesposte a valinomicina, sia per i campioni RFD che per quelli HFD. *p < 0,05 dal test t spaiato di Student. n = 3/gruppo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Schema di gating per il metodo mt-Keima e confronto tra i due metodi. (A) Diagramma di flusso che mostra lo schema di gating da selezionare per tutte le celle. (B) Gating per selezionare i singoletti in base a FSC-H vs. FSC-W e (C) SSC-H vs. SSC-W. (D) Gating per le cellule DAPI-negative per escludere le cellule morte. (E) Gating per celle alte di Fluozin-3-AM per selezionare le celluleβ . (F) Grafici rappresentativi di citometria a flusso di cellule mt-Keima/+ non trattate e (G) cellule esposte a mt-Keima/+ valinomicina. (H) Quantificazione del flusso mitofagico in cellule β di topi alimentati con RFD, calcolato utilizzando un rapporto tra le cellule acide/neutre esposte alla valinomicina e il rapporto tra le cellule acide/neutre non esposte alla valinomicina utilizzando il metodo mt-Keima e confrontato con il metodo MtPhagy (dati per il protocollo MtPhagy originariamente mostrati nella Figura 2E). n = 3/gruppo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
SAS ha ricevuto sovvenzioni da Ono Pharmaceutical Co., Ltd. ed è consulente per Novo Nordisk.
Questo protocollo delinea due metodi per l'analisi quantitativa della mitofagia nelle cellule β pancreatiche: in primo luogo, una combinazione di coloranti specifici per mitocondri permeabili alle cellule e, in secondo luogo, un reporter mitofagico geneticamente codificato. Queste due tecniche sono complementari e possono essere implementate in base a esigenze specifiche, consentendo flessibilità e precisione nell'affrontare quantitativamente il controllo di qualità mitocondriale.
E.L-D. riconosce il sostegno del NIH (T32-AI007413 e T32-AG000114). SAS riconosce il sostegno della JDRF (COE-2019-861), del NIH (R01 DK135268, R01 DK108921, R01 DK135032, R01 DK136547, U01 DK127747), del Dipartimento degli affari dei veterani (I01 BX004444), della famiglia Brehm e della famiglia Anthony.
| Antibiotico-Antimicotico | Life Technologies | 15240-062 | |
| Citometro a flusso Attune NxT | Thermofisher Scientific | A24858 | |
| Dimetil solfossido | Sigma-Aldrich | 317275 | |
| Acido grasso Shock termico libero Polvere BSA | Equitech | BAH66 | |
| Siero fetale bovino | Gemini Bio | 900-108 | |
| Fluozin-3AM | Thermofisher Scientific | F24195 | 100 μ g Fluozin-3AM polvere ricostituita in 51 μ L DMSO e 51 μ L Pluronic F-127 per raggiungere 1 mM di magazzino. |
| Gibco RPMI 1640 Medium | Fisher Scientific | 11-875-093 | |
| HEPES (1M) | Life Technologies | 15630-080 | |
| Colorante MtPhagy | Dojindo | MT02-10 | 5 μ g MtPhagy polvere ricostituita con 50 μ L DMSO per raggiungere 100 μ M magazzino. |
| Colorante MtPhagy | Dojindo | MT02-10 | |
| Penicillina-Streptomicina (100x) | Life Technologies | 15140-122 | 1x Soluzione utilizzata nel procotolo diluendo 1:10 in ddH2O |
| Soluzione salina tamponata con fosfato, 10x | Fisher Scientific | BP399-20 | 1x Soluzione utilizzata nel procotolo diluendo 1:10 in ddH2O |
| Piruvato di sodio (100x) | Life Tecnologie | 11360-070 | 5 μ g MtPhagy polvere ricostituita con 50 μ L DMSO per raggiungere 100 μ M magazzino. |
| TMRE [Tetrametilrodamina, estere etilico, perclorato] | Anaspec | AS-88061 | TMRE polvere ricostituita in DMSO per raggiungere 100 μ M stock. |
| Tripsina-EDTA (0,05%), rosso fenolo | Thermofisher Scientific | 25300054 | |
| Valinomycin | Sigma V0627 | Valinomycin polvere ricomposta in DMSO per raggiungere 250 nM stock. |