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Research Article
Elizabeth R. M. Zunica1,2,3, Christopher L. Axelrod1, L. Anne Gilmore2,4, John P. Kirwan1,3
1Integrated Physiology and Molecular Medicine Laboratory,Pennington Biomedical Research Center, 2Clinical Oncology and Metabolism,Pennington Biomedical Research Center, 3Department of Nutrition,Case Western Reserve University, 4Department of Clinical Nutrition,University of Texas Southwestern Medical Center
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
우리는 신선한 종양 균질화에서 미토콘드리아 산화 인산화 및 전자 전달 용량을 평가하기 위한 실용적인 프로토콜 및 분석 접근법을 개발했습니다. 이 프로토콜은 암 개시, 진행 및 치료 반응에 기여하는 다양한 미토콘드리아 기능을 조사하기 위해 쉽게 적응할 수 있습니다.
미토콘드리아는 에너지 생산, 반응성 산소 종 조절 및 거대 분자 합성을 통해 암의 발병 및 진행에 필수적입니다. 미토콘드리아의 유전적 및 기능적 적응은 종양 환경에 대한 확산 및 전이성 전위 잠재력을 유발합니다. DNA와 RNA 염기서열 분석의 출현은 종양 발생의 유전 중재자의 평가에 중요한 장벽을 제거했습니다. 그러나 현재까지 종양 미토콘드리아 기능을 평가하기 위한 방법론적 접근법은 여전히 애매하며 타당성을 제한하는 기술적 숙련도가 필요하며 궁극적으로 실험 및 임상 설정 모두에서 진단 및 예후 값을 감소시다. 여기서, 우리는 고해상도 호흡법을 사용하여 갓 절제된 고형 종양 균질화에서 산화 인산화(OXPHOS) 및 전자 전달(ET) 용량의 비율을 정량화하는 간단하고 신속한 방법을 간략하게 설명합니다. 프로토콜은 종 및 종양 모형에 걸쳐 재보적으로 적용될 수 있을 뿐만 아니라 미토콘드리아 ET 통로의 다양성을 평가하기 위하여 적응될 수 있습니다. 이 프로토콜을 사용하여, 우리는 발광 B 유방암을 가진 마우스가 OXPHOS를 통해 아데노신 삼위산염을 생성하기 위하여 간결한 에 결함이 있는 니코틴아마미드 adenine dinucleotide 연결호흡 및 의존을 전시한다는 것을 보여줍니다.
모든 세포는 분자 에너지 통화인 아데노신 트리호스페이트(ATP)를 생산하고 섭취해야 할 필요성에 의해 밀접하게 연결됩니다. 세포 돌연변이가 종양의 형성을 초래함에 따라, 미토콘드리아는 비암조직1,2,3과일반적으로 구별되는 에너지 생산의 다양화를 통해 생존을 보장한다. 이와 같이, 종양 유형, 암 개시, 진행 및 치료 반응의 분류를 용이하게 하기 위해 미토콘드리아 호흡 기능의 신속하고 깊은 프로파일링을 위한 중요한 필요성이 있다.
OXPHOS에 대한 1차 기판은 세포 투과성이 없기 때문에 절제된 조직 표본의 호흡 기능은 그대로 평가될 수 없다. 이러한 한계를 극복하기 위해 미토콘드리아는 절연, 화학 적 투과성 또는 기계적 균질화에 의해 제조 될 수 있습니다. 미토콘드리아 절연은 호흡기 기능의 평가를 위한 금 본위제로 오랫동안 간주됩니다. 그러나, 그것은 조직의 다량을 필요로하고, 시간이 많이 소요되며, 미토콘드리아4의특정 분획에 대한 가능한 선택 편향으로 낮은 항복이다. 과미성화는 플라즈마 멤브레인5를선택적으로 저하시키는 온화한 세제에 대한 조직 섹션 또는 섬유 번들의 기계적 분리 및 노출로 구성된다. 개별 섬유 번들이 따로 놀릴 수 있기 때문에 투과는 골격 및 심장 근육과 같은 현저한 조직에서 자주 사용됩니다. 격리에 비해, 투과성 생성은 그들의 네이티브 세포 환경 및 물리적 양식 5에서 더 많은 미토콘드리아를산출합니다. 과미성비화는 종양6,7 및 태반8과같은 다른 조직에서 성공적으로 적용되었습니다. 그러나, 퍼미빌리화섬유 제제의 재현성은 해부 및 산소 요구 사항의 일관성으로 인해 확산한계를극복하기 위해 어려울 수 있다 9. 추가적으로, 과소 섬유는 조밀하게 세포및 높게 섬유성인 특정 종양 모형에서 부적당할 지도 모릅니다. 조직 균질화는 플라즈마 멤브레인의 기계적 중단을 통해 생성되며 미토콘드리아 수율 및무결성(10)의관점에서 과구 섬유와 유사하다. 조직 균질화는 또한 산소 확산의 한계를 최소화하고 기계적힘(11,12)의최적화를 통해 조직 유형 전반에 걸쳐 용이하게 사용될 수 있다.
여기서, 우리는 신선하게 절제된 고형 종양 균질화에서 산화 인산화(OXPHOS) 및 전자 전달(ET) 용량의 비율을 정량화하는 간단하고 신속한 방법을 간략하게 설명합니다. 이 프로토콜은 기악 설정 및 교정에 대한 사전 지식이 필요하지만 클라크 형 전극, 해마 분석기 또는 플레이트 판독기를 사용하여 유사하게 조정할 수있는 Oxygraph-2k (O2k) 고해상도 호흡을 사용하여 신선한 조직을 평가하기 위해 최적으로 설계되었습니다. 프로토콜은 종 및 종양 모형에 걸쳐 재보적으로 적용될 수 있을 뿐만 아니라 미토콘드리아 ET 통로의 다양성을 평가하기 위하여 적응될 수 있습니다.
동물과 관련된 모든 실험과 절차는 페닝턴 생물 의학 연구 센터 기관 동물 관리 및 사용 위원회에 의해 승인되었습니다.
1. 시약 준비.
2. 종양 성장
3. 악기 설정 및 교정
4. 종양 균등제 준비
5. 기판, 분리기, 억제제 적정 프로토콜 (SUIT)
6. ADP 감도 프로토콜
7. 권장 최적화 실험
8. 데이터 분석
9. 기악 품질 관리
초기 연구 결과는 EO771 종양이 낮은 산화이고 이렇게 적당한 O2 플럭스 평가를 위한 높은 균질 농도를 요구했다는 것을 밝혔습니다. 최적화 실험은 연구를 위한 최적의 조직 균등포 농도 범위를 결정하기 위해 수행되었다. 종양 균질화는 처음에 40 mg/mL에서 제조된 다음 선형으로 희석하였다. 조직 질량으로 정규화된O2 플럭스는농도(그림 1A-D)에걸쳐 일관되었다. 40 mg/mL이 급속한 산소 고갈을 초래하고실험(도 1A)에적합하지 않은 것으로 관찰되었다. 산소 소비는 30 mg/mL 및 20 mg/mL로 실질적으로 둔화되었지만 기판 이나 ADP(그림 1B,C)가없는 상태에서 짧은 시간에 여전히 급격히 감소했습니다. 10 mg/mL 농도는 90분 더 긴 슈트 프로토콜을 지원하는 최적의 산소 소비율(도1D)을초래하였다.
SUIT 프로토콜은 NADH-및 간결한 OXPHOS 및 ET뿐만 아니라 CIV활동(그림 2A)을평가하는 데 사용되었습니다. Pyruvate 및 malate는 NADH를 통해 누출 (L)을 구동하는 ADP의 부재에 조직 호모전에 첨가되었다. 포화 ADP는 최대 NADH 연결 OXPHOS (P)를 구동하기 위해 추가된 다음 글루타민트를 첨가했습니다. 사이토크롬 c는 외부 막 무결성을 보장하기 위해 첨가되었다; 호흡률의 증가는 모든샘플(도 2B)에서20% 미만이었다. NADH 연결 기판에 대한 반응이 매우 낮을 때, 시토크롬 c 방출은 또한 간결하고 로테톤의 존재에서 평가되고 최소한의 사이토크롬 c 자극(도2B)을관찰하였다. 흥미롭게도, NADH-연결된 OXPHOS는 EO771종양(도 2C)에서무시할 수 있었다. 그런 다음 수치네이트는 피루바테, 말린, 글루타민트의 존재에 첨가되어 간결한 탈수소효소를 통해 전자흐름을 자극했다. FCCP는 EO771 종양에서 산화가 아닌 인산화가호흡(도 2C)으로제한되었다는 것을 밝혀낸 최대 전자 흐름(E)을 구동하기 위해 적정하였다. 로테네안 과 항마이신 A는 각각 복잡한 I와 복잡한 III를 억제하기 위해 적정하였다. 아스코르베이트와 TMPD는 CIV를 통해 최대 전자 흐름을 구동하기 위해 첨가되었고, 이는 나트륨 아지드에 의해 억제된다. 표 1은 도 2C에플롯된 호흡기 파라미터를 양량화하기 위해 원시 데이터(표2)의분석 적 감소 방정식을 도시한다. 전반적으로, 종양 균등호흡프로파일(도 2C)은종양내 N-및 S-연결된 기판에 의해 지원되는 감소된 최대 전자 전달을 제외하고 이식되지 않은 디지토닌-투과성 EO771 세포(도2D)와유사하다.
NADH-연결된 호흡은 무시할 수 있었기 때문에, 간결한 호흡 운동은 최대 속도(VMAX)가달성될 때까지 서브 포화 ADP의 단계별 적정에 의해 더 평가되었다(그림3A,3B). 간결한 + 로테네네의 존재시 ADP의 반최대 농도(KM)는37.5 μM이었고 VMAX는 ~10.5 pmol/s/mg(도3C)이었다. 따라서, 상대적으로 가난한 산화 속도에도 불구 하 고, EO771 종양 ADP에 매우 민감한 상대적으로 낮은 ADP 농도에서 지속적인 ATP 합성.
추출을 위해 원시 데이터의 적절한 영역을 선택하는 것은 실험의 재현성과 정확한 정량화에 매우 중요합니다. 사이토크롬 c의경우, 주사 직전의 정상 상태에서 마크를 선택해야한다(도 4A,마크 1). O2 플럭스가 안정되지 않는 기간(약 5-10분)이 뒤따를 수 있는 초기 사출 아티팩트가 종종 있습니다. 시토크롬 c 효율의 평가는O2 플럭스가 안정화되면 추가 선택을 함으로써 이루어진다(도4A,마크 2). 기판, ADP 또는 대부분의 억제제의 첨가 후 선택은 주사 유물 이후에 이루어지고 일단O2 플럭스가 안정화되면(도4B). 최대 결합되지 않은 호흡을 결정하는 데 사용되는 선택은 종종 최종 주입이 아닌 FCCP의 적정 시 달성된 피크증가(도 4C)에이루어진다. TMPD에 대한 선택은 아스코르베이트와 TMPD가 추가된 후 호흡의 최대증가(도 4D,마크 1)에 이루어진다. 이 피크 직후, 억제제, 아지드 나트륨이 첨가되어 호흡을 빠르게 감소시킬 뿐만 아니라 종종 주사 유물이 억제된 호흡속도(도4D)보다낮습니다. 억제제 마크는 주사 아티팩트(도4D,마크 2)직후에 이루어진다. O2 플럭스일반적으로 안정화되지 않고 계속 감소합니다.
표 1: 호흡기 표기막 및 분석 파생. 이 테이블을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
표 2: 발광 B 유방 종양균질의 샘플 및 호흡 특성. 이 테이블을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

도 1: 종양 균등포 농도의 최적화. O2 플럭스(red) 및O2 농도(파란색)에서 제조된 유방 종양 균질화(A)40 mg/mL,(B)30 mg/mL,(C)20 mg/mL,(D)10 mg/mL에서 제조하였다. 톰: 조직 균모 호흡. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: OXPHOS 및 ET 용량의 평가는 갓 절제된 종양 균질화에서 고해상도 호흡학에 의한 평가. (A)기판, 억제제, 비커플기 프로토콜의 과정을 통해 산소 소비(red) 및 농도(blue)의 대표적인 플롯. PM: 피루바테 + 말레이트, D: ADP, G: 글루타메이트, c: 사이토크롬 c,S: 수치네이트, F: FCCP, 로트: 로테논, 아마: 안티마이신 A, Asc/TMPD: 아스코르바테/테트라메틸-phenyleniamine. (B)시토크롬 c를첨가하면O2 플럭스의 퍼센트 증가. (C-D) Malate, pyruvate, 글루타민트에 의해 지원되는 호흡은 ADP, FCCP 및 아스코르바테/TMPD의 존재에서 간결하게(C)EO771 유래 종양 균질화 및(D)비 이식 EO771 디포닌-퍼메아빌화 세포. 톰: 조직 균모 호흡; PM: 피루바테 + 말레이트; PMG: 피루바테 + 말린 + 글루타민트; PMGS: 피루바테 + 말린 + 글루타민트 + 수치네이트; CIV: 복잡한 IV; -L: 누출 상태; -P: 산화 인산화 상태, -E: 전자 전송 상태; N-연결: 정의된 NADH 생성 기판 조합에 의해 지원되는 O2 플럭스; NS 연결: 정의된 NADH 생성 기판 조합및 간결함의 수렴에 의해 지원되는 O2 플럭스. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: EO771 유방 종양은 높은 ADP (아데노신 5′-디포스페이트) 감도를 나타냈다. (A)S-연결된 ADP 적정 프로토콜 을 통하여 산소 소비(red) 및 농도(blue)의 대표적인 플롯. 톰: 조직 균모 호흡; S/로트: 수치네이트/로테네네; D: ADP. (B)로테네론의 존재와 ADP의 농도 증가 (0 μM ADP = S/Rot-L)의 증가 농도에서 간결에 의해 지원되는 호흡. (C)간결한 + 로테네론의 존재에서 ADP의 최대값(VMAX)및 반최대 농도(KM). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

도 4: 대표적인 추적은 데이터 추출을 위한 원시 O2 플럭스의 마크 선택을 보여주는 것입니다. (A)Cytochrome c 선택:O2 플럭스가 안정화되면 주입 후 Cytochrome c 주입 및 선택 번호 2 전에 선택 번호 1. c 사이토크롬 c. (B)기판, ADP 및 억제제 선택:O2 플럭스가 안정화된 주사 후 선택 번호 1(이 대표적인 플롯에서 간결). S: 수치네이트. (C)언커플러 선택: 선택 번호 1 은 분리기 적정 시 호흡이 최대 증가합니다. 이 대표적인 FCCP 적정 플롯에서 세 번째 주사는 호흡을 약간 감소시켜 선택에 사용되지 않습니다. F: ACCP. (D)TMPD 선택: 아스코르베이트 및 TMPD 주사 후 호흡의 피크 증가에 선택 번호 1. 나트륨 아지드 선택: 호흡이 처음에 감소할 때 급성 주사 유물 후 선택 번호 2. As/Tm: 아스코르베이트/TMPD; 아즈드: 아지데. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
저자는이 작품과 관련된 이해 상충이 없습니다.
우리는 신선한 종양 균질화에서 미토콘드리아 산화 인산화 및 전자 전달 용량을 평가하기 위한 실용적인 프로토콜 및 분석 접근법을 개발했습니다. 이 프로토콜은 암 개시, 진행 및 치료 반응에 기여하는 다양한 미토콘드리아 기능을 조사하기 위해 쉽게 적응할 수 있습니다.
우리는 동물 치료를위한 페닝턴 생물 의학 연구 센터 비교 생물학 핵심 직원에게 감사드립니다. 이 연구는 건강의 국가 학회보조금 U54GM104940 (JPK) 및 KL2TR003097 (LAG)에 의해 부분적으로 지원되었습니다. 동물과 관련된 모든 실험과 절차는 페닝턴 생물 의학 연구 센터 기관 동물 관리 및 사용 위원회에 의해 승인되었습니다.
| 2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid hydrate | Sigma-Aldrich | M8250 | |
| Adenosine 5′-diphosphate sodium salt | Sigma-Aldrich | A2754 | |
| Adenosine 5'-triphosphate disodium salt hydrate | Sigma-Aldrich | A2383 | |
| Amphotericin B | Gibco | 15290018 | |
| Antimycin A | Sigma-Aldrich | A8674 | |
| Ascorbate | Sigma-Aldrich | A4544 | |
| 소 혈청 알부민, 분획 V, 열 충격, 지방산 무료 | Sigma-Aldrich | 3117057001 | Roche |
| BD 50 mL Luer-Lok 주사기 | Fisher Scientific | 13-689-8 | |
| BD Vacutainer 범용 주사기 바늘 | Fisher Scientific | 23-021-020 | |
| 탄산칼슘 | 시그마-알드리치 | C4830 | |
| 카르보닐 시안화물 4-(트리플루오로메톡시)페닐히드라존 | 시그마-알드리치 | C2920 | |
| 말 심장의 시토크롬 c | 시그마-알드리치 | C2506 | |
| Datlab 7.4 소프트웨어 | Oroboros Instruments | ||
| Dimethylsulfoxide | Amresco | N182 | |
| Dithiothreitol | Sigma-Aldrich | D0632 | |
| D-Sucrose | Sigma-Aldrich | S7903 | |
| Dumont # 5 집게 | Fine Science Tools | 11251-30 | Dumoxel, 오토클레이브 |
| Dumont # 7 집게 | Fine Science Tools | 11271-30 | Dumoxel, 오토클레이브 가능 |
| 디지털 캘리퍼스 150 mm/6 in | World Precision Instruments | 501601 | |
| EO771 셀 | CH3 BioSystems | SKU: 94APV1-바이알-프렘 | 병원체 테스트 |
| 에틸렌 글리콜-비스(2-아미노에틸에테르)-N,N,N′,N′ -테트라아세트산 | Sigma-Aldrich | E4378 | |
| 여성 C57BL/6J 마우스 | 잭슨 연구소 | 재고 #000664 | |
| HEPES | 시그마-알드리치 | H4034 | |
| 이미다졸 | 시그마-알드리치 | 56750 | |
| Kimwipes | 피셔 사이언티픽 | 34120 | |
| L-(&마이너스;)-말산 | : 시그마-알드리치 | G1626 | |
| 락토비온산 | , 시그마-알드리치 | L2398 | |
| 말레이트 | 시그마-알드리치 | M6413 | |
| 마트리겔 매트릭스 | 코닝 | 354248 | |
| MgCl· 6H2O | Sigma-Aldrich | M2670 | |
| 마이크로 주사기 | Hamilton | 87919, 80383, 80521, 80665, 80765, 80865, 87943 | |
| N,N,N′,N′-Tetramethyl-p-phenylenediamine | Sigma-Aldrich | T7394 | |
| Oxygraph-2k | Oroboros Instruments | 10023-03 | |
| Oxygraph-2k FluoRespirometer | Oroboros 기기 | 10003-01 | |
| PBS | Gibco | 10010023 | |
| 페니실린-스트렙토마이신 | Gibco | 15140122 | |
| 포스포크레아틴 디소듐 염 수화물 | 시그마-알드리치 | P7936 | |
| 수산화칼 | 륨 시그마-알드리치 | P1767 | |
| 인산칼륨 일염기 | 성 시그마-알드리치 | P5655 | |
| 로테논 | 시그마-알드리치 | R8875 | |
| RPMI 1640 | Gibco | 21875034 | |
| 아지드화 나트륨 | 시그마-알드리치 | S2002 | |
| 피루브산 나트륨 | 시그마-알드리치 | P5280 | |
| 숙시네이트(디소듐) | 시그마-알드리치 | W327700 | |
| 타우린 | 시그마-알드리치 | T0625 | |
| Whatman 여과지, 5등급 | Sigma-Aldrich | 1005-090 | |
| Wheaton Tenbroeck 조직 분쇄기, 7 mL | Duran Wheaton Kimble | 357424 | |
| 스트레이트 팁 마이크로 해부 가위 | Roboz | RS-5914SC | |
| 비안전 메스 No. 11 | McKesson | 1029065 | |
| BD 정밀 글라이드 바늘 27 G x 1/2 | Becton, Dickinson and Company | 305109 | |
| BD 정밀 글라이드 바늘 18 g x 1 | Becton, Dickinson and Company | 305195 | |
| BD 1mL 슬립 팁 주사기 | Becton, Dickinson and Company | 309659 | |
| Pyrex 재사용 가능한 페트리 접시, 60 mm | Thermo Fisher Scientific | 316060 | |
| 설치류 초고지방 다이어트, 지방에서 60% kcal, 단백질에서 20% kcal, 탄수화물에서 20% kcal | 연구 다이어트 | D12492 | |
| 파이렉스 시계 유리, 100mm | Thermo Fisher Scientific | S34819 |