トリプシン消化と差別遠心分離を組み合わせた標準化されたプロトコルが、マウス骨格筋からのミトコンドリアの分離、精製、機能的特徴付けおよびミトコンドリア移植への応用評価のために確立されました。
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方法論記事
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トリプシン消化と差別遠心分離を組み合わせた標準化されたプロトコルが、マウス骨格筋からのミトコンドリアの分離、精製、機能的特徴付けおよびミトコンドリア移植への応用評価のために確立されました。
ミトコンドリアは、真核細胞におけるエネルギー代謝、シグナル伝達、細胞恒常性を調節する重要な小器官です。ミトコンドリア機能障害は多くの疾患の病因に寄与し、再生治療戦略としてのミトコンドリア移植の開発を促進しています。ミトコンドリア移植の成功は、高度に精製され機能的に完全なミトコンドリアの利用可能性に依存しています。骨格筋は、その高いミトコンドリア含有量、代謝活動、アクセスのしやすさから、適切なドナー供給源です。この研究では、マウス骨格筋から機能的ミトコンドリアの分離、精製、特徴付けのための標準化かつ再現性のあるプロトコルを確立し、ミトコンドリア移植における利用を評価しました。手術は主に2つの段階で構成されていました。まず、トリプシン消化と差分遠心分離を用いてC57BL/6マウスの骨格筋からミトコンドリアを単離しました。次に、単離ミトコンドリアを特性評価し、純度、超微細構造、機能活性を評価しました。ミトコンドリア純度はビシンコニン酸(BCA)タンパク質定量およびウェスタンブロット解析で評価されました。超微構造の完全性は透過電子顕微鏡で検証されました。機能活性はJC-1およびミトコンドリア蛍光標識を用いて評価し、高分解能呼吸計システムを用いて酸素消費量、ATP産生能力、呼吸制御比の測定を行いました。分離されたミトコンドリアは膜電位の保存、完全な超微細構造、安定した呼吸活動を示し、下流の機能研究やミトコンドリア移植の応用に適していることを示しました。
ミトコンドリアはアデノシン三リン酸(ATP)産生の主要な部位であり、アポトーシス、カルシウム恒常性、活性酸素種(ROS)の代謝において中心的な役割を果たします。したがって、ミトコンドリアの機能的完全性は細胞の恒常性を維持し、細胞の運命を決定する上で極めて重要です1,2。ミトコンドリア機能障害、特にミトコンドリアDNA(mtDNA)変異や電子伝達連鎖(ETC)異常は、エネルギー代謝障害、酸化ストレス、アポトーシスの調節障害を引き起こします3,4。これらの異常は、遺伝性ミトコンドリア障害、神経変性疾患、心血管疾患など幅広い疾患に関連しています5,6。抗酸化物質や代謝補因子などの従来のミトコンドリア機能障害治療法は、ミトコンドリア機能を直接回復させることなく症状を緩和するため、一般的に限定的な効果しかありません 7,8。その結果、ミトコンドリア移植は再生医療における有望な治療アプローチとして浮上しています。この戦略は、損傷または機能不全の細胞に完全な外因性ミトコンドリアを送達し、ミトコンドリアの活動と細胞エネルギー代謝を回復させることを含みます9,10。過去の研究では、外因性ミトコンドリアが受容細胞に内部化され、内因性ミトコンドリアネットワークに組み込まれることで、生体エネルギー機能の向上と細胞生存率の向上が図られていることが示されています11,12,13。
骨格筋は、その高いミトコンドリア含有量、代謝活性、アクセス性の高さから、ミトコンドリア分離に適したドナーと考えられています14,15,16。ミトコンドリア移植には、ミトコンドリアの分離、精製、機能的特徴付け、そして受容者細胞への効率的な投与など、いくつかの重要なステップが必要です。しかし、特に組織均質化、酵素消化、温度制御、精製に関わる手法において、これまで報告されているプロトコルには依然として大きな方法論的ばらつきが残っています。このような変動はミトコンドリアの収率、純度、機能的完全性に影響を与え、実験的再現性を制限します。
方法論的一貫性と再現性を向上させるため、本研究はトリプシン消化と差異遠心分離を用いてマウス骨格筋から機能的ミトコンドリアを分離・特徴づける標準化されたプロトコルを提示します。分離されたミトコンドリアは、ビシンコニン酸(BCA)タンパク質定量、ウェスタンブロッティング、透過電子顕微鏡、蛍光膜電位測定法、高分解能呼吸法を用いて純度、超微細構造の完全性、機能活性を評価しました。さらに、単離されたミトコンドリアの受容細胞による取り込みの量を評価し、ミトコンドリア移植への適合性を評価しました。このプロトコルは、下流の実験研究のために機能的な骨格筋由来ミトコンドリアを得るための再現可能なワークフローを提供します。
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すべての動物実験は特定の病原体フリー(SPF)施設で実施され、空軍医科大学第三付属病院の動物倫理・利用委員会(承認番号:IACUC-2024kq-065)によって承認されました。
オスのC57BL/6マウス(生後6〜8週、18〜20g)は空軍医科大学実験動物センターから購入されました(製造許可:SCXK(陝西)2024-002)。マウスは個別換気ケージ(IVC)に収容され、陽圧かつ清潔な環境で、温度は20〜26°C、相対湿度は40%〜70%、12時間の明暗サイクル、1時間に少なくとも15回の換気が行われました。滅菌された食事、飲料水、環境改善が提供されました。
プロトコルで使用される試薬、化学物質、実験機器は 材料表に記載されています。
1. 動物の生贄と組織採取
2. 組織のミンシングと均質化
3. 差動遠心分離
4. ミトコンドリアの精製と貯蔵
5. ミトコンドリアおよび細胞質タンパク質抽出およびBCA定量
6. 骨格筋由来ミトコンドリアの純度評価
7. 骨格筋由来ミトコンドリアのミトラッカー染色
8. JC-1染色を用いたミトコンドリア膜電位の評価
9. 透過電子顕微鏡による孤立骨格筋ミトコンドリアの超微細解析
10. 骨格筋由来ミトコンドリアの細胞取り込み
11. 高分解能呼吸計を用いたミトコンドリア呼吸機能の測定
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ミトコンドリアの分離および精製ワークフローの概略図は 図1に示されています。すべての処置はミトコンドリアの完全性と機能活性を維持するために4°Cで実施されました。新たに分離された骨格筋組織は細切に刻み、トリプシンで消化して組織解離を促進し、その後ガラスホモジナイザーを用いた等張性分離バッファーで均質化しました。その後、ミトコンドリアを組織の残骸や細胞質汚染物質から分離するために差別遠心分離が行われました。1,000 × gでの初期遠心分離では核や大きな破片が除去され、その後の12,000 × gでの遠心分離では粗いミトコンドリアペレットが得られました。追加の洗浄および遠心分離工程により細胞質汚染がさらに減少し、下流の構造および機能解析に適した精製ミトコンドリアが得られました(図1)。
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ミトコンドリア移植は、機能的に完全なミトコンドリアを送達することで、エネルギー代謝が障害のある細胞の生理機能を回復させる細胞療法および再生医療における新たな戦略です。細胞のエネルギー代謝を調節するだけでなく、この技術はアポトーシスや酸化ストレスなどの重要な生物学的プロセスを調節し、さまざまな疾患に対して新たな治療機会を提供します。しかし、ミトコンドリア移植の臨床移植には依然としていくつかの課題があり、その中には標準化され効率的かつ再現性の高いミトコンドリア分離プロトコルの欠如が依然として大きなボトルネックとなっています。
この問題に対処するため、本研究では、C57BL/6マウス骨格筋から機能的遊離ミトコンドリアを効率的に分離するための、差分遠心分離に基づく標準化...
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著者たちは利益相反を一切認めていない。
この研究は中国国家自然科学基金(助成金番号82301046)および陝西衛生科学研究イノベーションチームによる複雑顔面損傷の包括的治療(助成金番号2024TD-07)の支援を受けました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Anti-Cytochrome C antibody | Abcam | EPR1327 | ミトコンドリアの特徴づけ |
| Anti-fade mounting medium | PlantChemMed | PC-90016 | 蛍光色素の光減衰を減少させる |
| BCA Protein Assay Kit | Zhonghui Hecai Biotechnology Co., Ltd. | PQ003 | タンパク質濃度測定 |
| Beta-actin antibody | Cell Signaling technology | 3700s | ベータアクチン抗体は、分離されたミトコンドリアの純度を検出するために使用されました |
| BSA | Sigma | A6003 | 分離中は、遊離脂肪酸と結合してミトコンドリアの活性を保護します。 |
| Centrifuge | Eppendorf | 5418R | 4 °C 遠心 |
| CCCP | Solarbio | C6700 | ミトコンドリアの酸化リン酸化を解離し、最大のプロトン漏れを誘導する |
| Confocal Laser Scanning Microscope | Olympus Corporation | FV4000 | 免疫蛍光染色観察 |
| COX IV polyclonal antibody | Proteintech | 11242-1-AP | ミトコンドリアの特徴づけ |
| DAPI | Plant Chem Medicine | PC-90004 | 核反染 |
| D-mannitol | Solarbio | IM00402 | 分離中の浸透圧バランスを維持し、ミトコンドリアの膨潤を防ぐ |
| EGTA | Sigma | E4378 | ミトコンドリア分離バッファーで一般的に使用され、Ca2+を特異的に結合することでミトコンドリア機能を保護します |
| Fetal bovine serum | Every Green | 11011-08611 | L929細胞の培養 |
| Forceps | RWD Life Science Co., Ltd. | F11003-11 | 組織をつかむ、保持し、持ち上げるために使用 |
| Glass homogenizer | Beyotime | FGH005 | 組織のホモジネート化とミトコンドリアの分離に使用 |
| Glutaraldehyde | LEAGENE | DF0151 | タンパク質を架橋することで細胞の超微細構造を迅速に固定し安定化させ、オートライシスを防ぎ、細胞器の自然な形態を保存します。 |
| HEPES | Thermo Fisher | J67485 | 安定したpH環境を提供します。 |
| Incubator | Thermo Fisher | 51032874 | L929細胞の培養 |
| JC-1 | Solarbio | M8650 | 精製ミトコンドリアの膜電位の変化を検出します。 |
| L929 cell line | Procell | CL-0137 | ミトコンドリアの内在化アッセイ用 |
| Lead citrate | Sigma | 15326 | 精細な細胞下構造観察用に超薄切片を染色します。 |
| MEM Alpha basic (1x) | Gibco | 6125510 | L929細胞の培養 |
| Methanol | Fuyu Chemical (China) | 67-56-1 | 転移バッファーの構成要素として、SDSを除去し、ゲルから固相膜へのタンパク質の転移を促進するために使用されます。 |
| Microplate Reader | Thermo Fisher | Varioskan LUX | JC-1染色ミトコンドリアの吸光度を測定 |
| Mitochondrial Membrane Potential Detection Kit | Solarbio | M8650 | 骨格筋におけるミトコンドリア膜電位の検出 |
| Mitochondrial isolation Buffer | Solarbio | SM0020 | 差動遠心に基づく抽出キット |
| Mitochondria Storage Buffer | Solarbio | SM0020 | ミトコンドリアの保存用 |
| Mito Tracker Red CMXRos | Yeasen Biotechnology | 40741ES50 | ミトコンドリアの特徴づけ |
| MOPS | MedChemExpress | HY-D0859 | 溶液調製におけるバッファーとして |
| Multi-rAb HRP-Goat Anti-Mouse Recombinant Secondary Antibody (H+L) | Proteintech | RGAM001 | RGAM001は、ウェスタンブロットでマウスIgG (H+L)を標的とします |
| Multi-rAb HRP-Goat Anti-Rabbit Recombinant Secondary Antibody (H+L) | Proteintech | RGAR001 | RGAR001はELISAとウェスタンブロットでウサギIgG (H+L)を標的とします |
| Non-fat dry milk | NCM Biotech | WB6503 | 主にブロッキング剤として使用され、膜上の非特異的結合部位を占有することでバックグラウンドシグナルを減少させます。 |
| O2k-FluoRespirometer | Oroboros Instruments | O2K | ミトコンドリアの呼吸機能と酸素代謝を決定します。 |
| Osmium tetroxide | Sigma | 75633 | またはTEMサンプルの脂質を保存し、膜のコントラストを向上させるための後処理。 |
| PBS (1x) | Plant Chem Medicine | PC-00003 | 筋肉組織の清掃 |
| Penicillin-Streptomycin | Procell | PB180120 | L929細胞の培養 |
| Phalloidin-488 | Beyo |
