Il protocollo mostra un metodo basato sulla citometria a flusso che utilizza la chimica per studiare il metabolismo energetico nelle cellule.
Articolo metodologico
Il protocollo mostra un metodo basato sulla citometria a flusso che utilizza la chimica per studiare il metabolismo energetico nelle cellule.
Dopo la stimolazione dell'antigene, le cellule T naive subiscono una rapida proliferazione ed espansione in cellule T effettrici. Il metabolismo svolge un ruolo importante nella generazione della biomassa necessaria per queste cellule in rapida proliferazione e per la generazione di molecole necessarie per la differenziazione e la funzione delle cellule T effettrici, che influenzano l'esito della risposta immunitaria adattativa nelle infezioni o nei tumori. Le cellule T naive riprogrammano il loro metabolismo in seguito a stimolazione antigenica per aumentare la generazione di ATP, necessaria per sostenere la loro crescita, biosintesi e funzioni effettrici. L'ATP può essere generato in una cellula sia dalla via della fosforilazione mitocondriale-ossidativa (OXPHOS) sia dalla via glicolitica. Poiché la maggior parte dell'ATP generato in una cellula in divisione e in crescita viene utilizzato per la sintesi delle proteine, la sintesi proteica è stata utilizzata come surrogato dei livelli di ATP. La sintesi proteica può essere misurata mediante l'incorporazione della puromicina, che imita l'adenosina 3' di un tRNA caricato con una tirosina modificata e porta alla cessazione spontanea della traduzione proteica. Inibitori metabolici come il 2-desossiglucosio (2DG), che blocca la via glicolitica, e l'oligomicina (O), che blocca il complesso 5 della catena di trasporto degli elettroni (ETC), possono essere utilizzati per studiare le dipendenze della generazione cellulare di ATP su queste due vie in combinazione con la valutazione della sintesi proteica in un metodo chiamato SCENITH. Descriviamo qui una variante di questo metodo che rileva l'incorporazione della puromicina mediante citometria a flusso utilizzando la chimica. Questo metodo di studio del metabolismo è relativamente semplice e può essere utilizzato per valutare popolazioni cellulari rare, nonché campioni di pazienti, mediante citometria a flusso.
Negli ultimi anni, c'è stato un crescente apprezzamento dell'importante ruolo del metabolismo nella regolazione delle cellule T. Il metabolismo cellulare regola molte funzioni critiche nei linfociti, tra cui l'espansione clonale delle cellule T patogeno-specifiche e la loro differenziazione in sottogruppi di cellule effettrici, che sintetizzano una varietà di molecole effettrici, tra cui citochine infiammatorie e granzimi citolitici necessari per uccidere i patogeni1. Lo studio del metabolismo delle cellule T è quindi importante sia per valutare la normale funzione delle cellule T sia per lo sviluppo di potenziali terapie.
Le cellule T naïve sono metabolicamente quiescenti e si affidano al metabolismo catabolico e alla fosforilazione ossidativa (OXPHOS) per il loro fabbisogno energetico 1,2. Dopo l'attivazione del recettore delle cellule T (TCR), le cellule T subiscono una rapida riprogrammazione metabolica guidata in parte dalla sovraregolazione dei trasportatori di nutrienti sulla superficie delle cellule, che aumentano l'assorbimento di glucosio e di più aminoacidi, tra cui la glutammina, dall'ambiente. Questi elementi costitutivi dei nutrienti vengono poi utilizzati nelle vie anaboliche per produrre macromolecole che contribuiscono alla crescita cellulare e supportano l'aumento delle richieste di energia associate all'aumento della crescita e della divisione cellulare 1,2,3. La riprogrammazione metabolica nelle cellule T attivate rende le cellule più dipendenti dalla glicolisi aerobica e dalla glutamminolisi per il loro fabbisogno energetico 1,2,3. Dopo la stimolazione del TCR, l'assorbimento dei nutrienti svolge anche un ruolo critico nell'attivazione delle vie molecolari a valle3. Ad esempio, l'assorbimento di aminoacidi e l'aumento della concentrazione locale di aminoacidi attivano la segnalazione mTORC14. Al contrario, la riduzione della disponibilità di aminoacidi intracellulari diminuisce la via di segnalazione mTORC1 2,3,5,6,7. Pertanto, il metabolismo e la funzione cellulare sono strettamente collegati in una cellula T effettrice.
Il grande aumento della biomassa necessaria per la rapida divisione delle cellule T richiede l'upregolazione della sintesi/traduzione proteica8. La sintesi proteica può essere quantificata in una cellula studiando l'incorporazione della puromicina9, un imitatore del tirosil-tRNA che blocca la traduzione incorporando, marcando e rilasciando catene polipeptidiche allunganti dai ribosomi traducenti9. La traduzione delle proteine è un processo altamente dipendente dall'energia; infatti, la maggior parte dell'ATP generato nella divisione e nella crescita delle cellule viene utilizzato per la sintesi delle proteine. Pertanto, la sintesi proteica è stata utilizzata come misura surrogata dell'ATP10 cellulare. Per generare ATP, le cellule si affidano comunemente alla glicolisi e/o alla via mitocondriale OXPHOS11. La glicolisi genera due molecole di ATP per molecola di glucosio. La via OXPHOS genera 36 ATP per glucosio12,13, ma la glicolisi può generare ATP più velocemente14. Pertanto, le cellule T attivate in rapida divisione, come le cellule tumorali, dipendono fortemente dalla via glicolitica per la generazione di ATP.
La dipendenza di una cellula da ciascuna via metabolica può essere studiata mediante l'uso di inibitori specifici. L'inibitore della via glicolitica 2-desossiglucosio (2-DG), che è un analogo del glucosio, agisce come un inibitore competitivo per l'enzima glicolitico esochinasi15. Il 2-DG è fosforilato a 2DG-fosfato (2DG-P) dall'esochinasi. La 2DG-P non può essere ulteriormente metabolizzata dalla fosfoesoso isomerasi, che normalmente converte il glucosio-6-fosfato (G-6-P) in fruttosio-6-fosfato16. Il 2DG-P è, quindi, intrappolato e si accumula nelle cellule, portando all'inibizione della glicolisi e alla deplezione dell'ATP cellulare, bloccando così la sintesi proteica17. In modo simile, la dipendenza delle cellule dalla via mitocondriale OXPHOS può essere studiata utilizzando l'oligomicina, che si lega al canale protonico dell'ATP sintasi della catena di trasporto degli elettroni (ETC)18, bloccando così la sintesi mitocondriale dell'ATP (Figura 1). L'uso di questi inibitori in combinazione con una valutazione della sintesi proteica può fornire un quadro dello stato metabolico delle cellule ed è stato utilizzato in un potente metodo a singola cellula noto come SCENITH che valuta l'incorporazione della puromicina utilizzando la citometria a flusso10. Tuttavia, la disponibilità di reagenti SCENITH può essere limitante. Altre tecniche comunemente utilizzate per valutare la glicolisi e l'OXPHOS includono le analisi del flusso extracellulare del cavalluccio marino, che richiedono un numero maggiore di cellule, che potrebbero non essere praticabili sperimentalmente. In questo articolo, descriviamo un metodo alternativo per valutare l'incorporazione della puromicina utilizzando un reagente chimico Click-it disponibile in commercio. La facilità di questo metodo consente una rapida valutazione dello stato metabolico dei linfociti, comprese le popolazioni cellulari rare e i campioni di pazienti.
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L'allevamento degli animali e gli esperimenti sono stati eseguiti in conformità con il protocollo approvato G98-3 dal National Human Genome Research Institute's Animal Use and Care Committee, NIH, e con il protocollo approvato LISB 22E dal National Institute of Allergy and Infectious Diseases Animal Care and Use Committee, NIH. Per il presente studio sono stati utilizzati topi maschi C57Bl/6J di età compresa tra 6 e 12 settimane, allevati e alloggiati in condizioni specifiche prive di patogeni (SPF). Risultati simili sono stati ottenuti con topi femmine. Il sangue intero umano è stato ottenuto dalla banca del sangue NIH nell'ambito del protocollo 99-CC-0168 approvato dal NIH Clinical Center IRB Raccolta e distribuzione di componenti del sangue da donatori sani per uso di ricerca in vitro. Il consenso informato scritto è stato ottenuto da tutti i soggetti in conformità con la Dichiarazione di Helsinki.
1. Isolamento e coltura di cellule T CD4+ naïve al topo
2. Isolamento e cultura delle PBMC umane
3. Dosaggio metabolico
NOTA: È importante mantenere tutte le cellule, gli inibitori [oligomicina (O), 2-desossiglucosio (2-DG), DMSO (Co)] e il reagente O-propargil-puromicina (OPP) il più vicino possibile a 37 °C. Aliquotare le cellule, gli inibitori e il reagente OPP su 96 piastre con fondo a U e lasciare le piastre in un incubatore a 37 °C il più possibile. Aliquotare gli inibitori 2-DG e O in volumi più piccoli per evitare il congelamento-disgelo multiplo.
4. Analisi del dosaggio metabolico
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Le cellule T CD4+ naive sono state isolate dalla milza e dai linfonodi dei topi e differenziate in linee Th0 o non polarizzate (NP) per 72 ore. Le cellule sono state raccolte dopo 0 ore, 48 ore e 72 ore di coltura e l'incorporazione dell'OPP è stata misurata osservando l'MFI dell'OPP. Le cellule T CD4+ naive erano meno sintetiche delle cellule T attivate, come si vede dall'MFI dell'OPP (Figura 3). Le cellule naive erano parzialmente dipendenti dalla glicolisi, ma soprat...
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Questo articolo fornisce un metodo per studiare il metabolismo nelle cellule linfoidi mediante citometria a flusso, basato sulla tecnologia SCENITH, ma utilizzando la marcatura chimica della puromicina incorporata. Sebbene ci siamo concentrati sui linfociti, questo protocollo può essere adattato per studiare il metabolismo in qualsiasi tipo di cellula. Questo metodo è anche vantaggioso per studiare il metabolismo in rare popolazioni di cellule e campioni di pazienti, dove altre tecniche,...
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Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.
Ringraziamo il Dr. Qin Xu e il Dr. Avik Dutta per aver fornito campioni di PBMC e preziosi suggerimenti sperimentali. Questa ricerca è stata supportata in parte dalla Divisione di Ricerca Intramurale del NIAID, NIH.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| 2-Mercaptoetanolo | Thermo Fisher | 21985-023 | |
| Alexa Fluor 488 anticorpo anti-Puromicina Biolegend | 381506 | Diluizione utilizzata: 1/100 | |
| Alexa Fluor 647 anticorpo CD4 umano | Biolegend | 357422 | Diluizione utilizzata: 1/50 |
| BD Horizon BUV737 Rat Anti-Mouse CD4 | BD Biosciences | 612761 | Diluizione utilizzata: Kit |
| analisi della sintesi proteica 1/200 Click-iT Plus OPP Alexa Fluor 488 | Thermo Fisher | C10456 | |
| HEPES (1 M) | Thermo Fisher | 15630080 | |
| siero umano | Millipore Sigma | H4522 | |
| IMDM, integratore GlutaMAX, 500 ml | Thermo Fisher | 31980030 | |
| InVivoMAb anti-topo CD28, clone: 37.51 | BioXcell | BE0015-1 | |
| InVivoMAb anti-topo CD3ε, Clone: 145-2C11 | BioXcell | BE0001-1 | |
| InVivoMAb anti-topo IFNγ, Clone: XMG1.2 | BioXcell | BE0055 | |
| InVivoMAb anti-topo IL-12 p40, Clone: C17.8 | BioXcell | BE0051 | |
| InVivoMAb anti-topo IL-4, Clone: 11B11 | BioXcell | BE0045 | |
| L-Glutammina (200 mM) | Thermo Fisher | 25030081 | |
| Kit di colorazione Aqua Dead Cell fissabile LIVE/DEAD, per eccitazione a 405 nm | Thermo Fisher | L34966 | Diluizione utilizzata: Mezzo |
| separazione dei linfociti | MP Biomedicals | 50494X | |
| aminoacidi non essenziali MEM (100X) | Thermo Fisher | 11140050 | |
| Mitomicina C da Streptomyces caespitosus | Sigma | M0503-10X2MG | |
| Kit di isolamento CD4 Naive, topo | Miltenyi Biotec | 130-104-453 | |
| Paraformaldeide 16% Soluzione acquosa | Scienze della microscopia elettronica | 15710 | |
| PBS (1X), pH 7,4, 500 mL | Qualità Biologici | 114-058-101 | |
| Penicillina-Streptomicina (10.000 U/mL). 100mL | Thermo Fisher | 15140122 | |
| Fitoemoagglutinina-L (PHA-L) | Millipore Sigma | 11249738001 | |
| Siero fetale bovino di prima qualità (FBS) | Avantor | 97068-085 | |
| RPMI 1640 Medium, senza glutammina | Thermo Fisher | 21870076 | |
| Saponina | Thermo Fisher | A18820.22 | |
| Piruvato di sodio (100 mM) | Thermo Fisher | 11360070 |
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