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Research Article
Kasper Mølgaard*1, Anne Rahbech*1, Özcan Met1, Inge Marie Svane1, Per thor Straten1,3, Claus Desler2, Marlies J. W. Peeters1
1National Center for Cancer Immune Therapy, Department of Oncology,University Hospital Herlev, 2Department of Cellular and Molecular Medicine, Center for Healthy Aging,University of Copenhagen, 3Department of Immunology and Microbiology, Inflammation and Cancer Group,University of Copenhagen
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
대사 적응은 분화, 지속성 및 세포 독성을 지시하기 때문에 T 세포의 기본입니다. 여기서, 생체외 사이토카인-분화된 인간 일차 T 세포에서 미토콘드리아 호흡을 모니터링하기 위한 최적화된 프로토콜이 제시된다.
활성화하는 동안, T 세포의 신진 대사는 그들의 운명에 영향을 미치는 변화에 적응합니다. 미토콘드리아 산화 인산화의 증가는 T 세포 활성화에 필수적이며, 기억 T 세포의 생존은 미토콘드리아 리모델링에 의존한다. 결과적으로, 이것은 암 면역 요법의 장기적인 임상 결과에 영향을 미칩니다. T 세포 질의 변화는 종종 대사 상태에 의한 것이 아니라 잘 알려진 표면 마커를 사용하는 유세포 측정에 의해 연구됩니다. 이것은 세포외 플럭스 분석기와 T 세포 대사에 다르게 영향을 미치는 사이토카인 IL-2 및 IL-15를 사용하여 일차 인간 T 세포의 실시간 미토콘드리아 호흡을 측정하기 위한 최적화된 프로토콜입니다. T 세포의 대사 상태는 대사 경로에서 주요 복합체를 억제할 때 산소 소비량을 측정함으로써 명확하게 구별될 수 있으며, 이러한 측정의 정확도는 최적의 억제제 농도 및 억제제 주입 전략에 크게 의존한다는 것을 보여준다. 이 표준화 된 프로토콜은 암 면역 요법을 모니터링하고 연구하는 T 세포 적합성의 표준으로 미토콘드리아 호흡을 구현하는 데 도움이됩니다.
정확한 T 세포 발달 및 기능은 면역계가 항원을 인식하고 반응하는 능력에 필수적입니다. 미토콘드리아 산화적 인산화(OxPhos)는 T 세포의 상태에 따라 변화한다. Naïve T 세포는 주로 OxPhos를 사용하여 ATP를 생산하는 반면, 활성화 된 T 세포는 글리코 분해가 지배적이되는 대사 전이를 겪습니다1. 이펙터 단계 후에, 기억 T 세포의 작은 잔여 서브세트는 OxPhos2,3에 의해 지배되는 대사 상태로 되돌아간다. OxPhos의 변화는 T 세포의 서브세트조차도 그들의 특이적인 OxPhos 특성1에 의해 분화될 수 있는 정도까지 T 세포의 분화를 따른다. 반대로, OxPos는 T 세포의 기능에 중요하며, OxPhos의 억제는 T 세포의 증식 및 사이토카인 생산을 차단하는 것으로 입증되었습니다4. 따라서, T 세포 OxPhos의 특성을 정확하고 재현 가능한 방식으로 정량화하는 능력은 T 세포로 작업하는 모든 사람들에게 강력한 도구입니다.
이 프로토콜에서, T 세포 OxPhos의 특성은 세포외 플럭스 분석기를 사용하여 측정된다. 이 분석기의 핵심 기능은 분석하고자 하는 세포의 성장 배지의 산소 함량을 지속적으로 측정하는 것이다. 성장 배지로부터 제거된 산소는 세포에 의해 흡수되는 것으로 가정된다. 세포를 다양한 OxPhos 억제제 또는 개질제로 처리함으로써, 산소 흡수의 감소는 억제되거나 변조된 기능과 관련된다. 예를 들어, ATP 신타제의 억제는 산화적 인산화에 의해 ATP를 생산하는데 달리 사용될 산소의 감소된 세포 흡수를 야기할 것이다. Clark 전극 및 Oroboros 장비를 포함한 다른 장비는 유사한 기능을 제공하며 각 장비마다 다른 장점과 단점이 있습니다. 이러한 장치의 연구에 다양한 세포 유형을 사용할 수 있지만, 특히 도전적인 세포 유형 중 하나는 인간 원발성 T 림프구5입니다. 그들의 작은 크기, 열악한 생존 ex 생체 및 비-부착성 특성으로 인해, 인간 일차 T 세포는 연구하기가 어려울 수 있다.
이것은 세포외 분석기에 의한 인간 일차 T 세포의 미토콘드리아 호흡을 연구하기 위한 프로토콜이다. 프로토콜은 최적화 실행으로 나뉘며, 웰 당 세포 수의 최적 농도와 올리고 마이신 및 FCCP의 최적 농도가 결정됩니다. 또한 최적화된 조건이 사용되는 Assay가 실행됩니다.
혈액 유래 인간 PBMCs 및 생체외 일차 T 세포 배양물을 사용하여, 이 프로토콜은 민감한 세포 유형으로 작업할 때 미토콘드리아 억제제의 순차적 주사 대신에 별도의 사용의 최적 저해제 농도와 관련성의 중요성을 입증한다. 마지막으로, 이 검정이 사이토카인 IL-2 및 IL-15와의 분극시 미토콘드리아 호흡의 미묘한 차이를 견고하게 검출할 수 있음이 입증된다.
실험은 Herlev Hospital과 덴마크의 수도권의 지침에 따라 수행되었습니다.
참고: 이 프로토콜에는 최적화 실행과 분석 실행에 대한 지침이 포함되어 있습니다. 최적화 실행 또는 어세이 실행에 대한 지침이 있을 때 텍스트에 명확하게 기록됩니다. 분석 실행을 계속하기 전에 최적화 실행 실행
1. 버피 코트로부터의 인간 말초 혈액 단핵 (PBMC) 분리
2. 활성화된 인간 일차 T 림프구의 배양
3. 세포외 플럭스 분석
OxPhos 특성의 올바른 결정은 T 세포를 연구 할 때 없어서는 안될 도구입니다. 그러나 분석 조건이 최적화되지 않은 경우 오해의 소지가 있거나 잘못된 결과가 발생할 위험이 큽니다. 이 프로토콜에서, 사용되는 올리고마이신 및 FCCP의 웰 당 세포 수 및 농도의 최적화에 강한 초점이 있다. 설명된 셋업에서, 올리고마이신 및 FCCP는 동일한 웰에 증분적으로 첨가되어, 미토콘드리아 조절제의 농도를 증가시킨다. 올리고마이신 및 FCCP의 최적 농도는 고원에 도달하는 농도로서 웰의 결과 OCR 곡선으로부터 결정될 수 있다.
대표적인 실행에서, 올리고마이신은 증가하는 농도로 첨가되고 ATP 신타제 (전자 수송 사슬의 콤플렉스 V)를 억제하여, 감소된 미토콘드리아 호흡을 초래한다. OCR의 고원은 웰의 누적 농도가 1 μM에 도달 한 후에 도달합니다. 이러한 농도 및 증가된 농도로부터 OCR은 더 이상 감소되지 않았다(도 1A). 비커플러 FCCP의 증분 농도로 처리된 웰의 경우, 0.2 μM의 FCCP가 첨가된 후 고원에 도달할 때까지 OCR 수준이 예상대로 증가하였고, 이는 이 농도에서 완전한 결합이 얻어졌다는 것을 나타낸다(도 1B). 웰당 플레이팅된 세포의 최적화는 정확하고 재현 가능한 검정을 위해 중요하다. 사용된 세포 수가 너무 낮으면, 세포에 의해 분석 배지로부터 제거된 산소 수준이 너무 낮아서 분석기에 의해 정확하게 측정될 수 없다. 반면에 웰 당 세포 수가 너무 많으면 세포의 산소 소비가 너무 높아서 각 측정 후 시스템이 분석 매체의 산소 수준을 보충 할 수 없게되어 점점 저산소 환경과 잘못된 OxPhos 특성화로 이어질 수 있습니다.
대표적인 실행에서, 세포를 웰 당 200,000 및 400,000 세포의 밀도로 시딩하였다 (도 2A-C). 200,000개의 셀이 있는 실행의 경우 초기 OCR은 웰당 400,000개의 셀이 있는 실행의 약 절반입니다. FCCP 처리의 경우 최대 OCR은 61.6 pmol / min (200,000 세포) 대 190,4 pmol / min (400,000 세포)입니다. 올리고마이신 처리 후, 200,000개의 세포로 실행되는 OCR은 한 자리 OCR(6.4pmol/min)로 붕괴된다. 이것은 올리고마이신으로 처리된 웰 당 400,000개의 세포(각각 25.8 pmol/min)로 실행의 OCR보다 낮다.
따라서, 최적화 실행으로부터, 1 μM 올리고마이신 및 0.2 μM FCCP를 사용하여 미래의 검정을 위해 웰당 400,000 세포의 세포 수가 요구되었다는 것이 명백하다. 제조업체가 권장하는 고전적인 설정에서 올리고 마이신 및 FCCP는 항 마이신 A의 최종 첨가와 함께 순차적으로 첨가됩니다. T 세포의 경우, 올리고마이신 처리가 FCCP 처리 후 결합 해제를 제한하는 것을 알 수 있기 때문에 최적의 접근법이 아님을 알 수 있다(도 3A, B). 이 제시된 방법에서는 각 조건을 중복 웰에서 실행하고 한 웰을 올리고 마이신으로 처리하고 다른 웰을 FCCP로 처리하고 두 웰 모두에 항 마이신 A를 최종 첨가하는 것이 좋습니다. 이러한 접근법을 사용함으로써, 올리고마이신 처리는 FCCP 처리 후 OCR에 영향을 미치지 않는다. 이 접근법은 약물이 순차적으로 첨가되는 고전적인 설정과 동일한 미토콘드리아 특성을 결정할 수있게합니다 (그림 3C)
마지막으로, 사이토카인인 IL-2 및 IL-15의 효과가 생체외 배양된 인간 일차 T 세포의 대사에 분화될 수 있는지 여부를 조사하였다. 실제로, IL-15 배양된 세포는 이전에 보여진 바와 같이1 더 높은 최대 호흡 및 예비 호흡 능력을 보유하였다(도 4A-E). 기저 호흡 및 ATP 생산은 영향을 받지 않았다. 종합하면, 이러한 데이터는 생체외 배양된 인간 일차 T 세포의 미토콘드리아 호흡이 세포외 플럭스 분석기를 사용하여 성공적으로 분석될 수 있음을 보여준다.

도 1: 생체외 배양된 인간 일차 T 세포에서 올리고마이신 억제제 및 FCCP의 적정 동안 측정된 산소 소모율(OCR). (A) 0-1.25 μM의 최종 농도에서 올리고마이신을 단계적으로 적정하는 동안 OCR. (b) 0-0.5 μM 최종 농도에서 FCCP의 단계적 적정 동안 OCR. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

도 2: 생체외 배양된 인간 일차 T 세포에서의 OCR 측정에 대한 세포 농도의 영향. 생체외 배양된 인간 일차 T 세포의 OCR 측정은 (A) FCCP 또는 (B) 올리고마이신의 주사 후 웰 당 200,000 또는 400,000 세포로 배양하였다. (C) 웰 당 200,000 또는 400,000 세포를 사용하는 인간 일차 T 세포의 기저 호흡, 최대 호흡, ATP 생산 및 예비 호흡 능력. 세 가지 독립적 인 실험을 대표합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 미토콘드리아 조절제의 단일 또는 순차적 주사. (A) 올리고마이신 및 FCCP(a,b) 또는 안티마이신 A(c)를 단일 개별 주사 또는 순차적 주사로서 기준선 및 주사 후 동안 대표적인 OCR 측정. (b) 단일 주사 또는 순차 주사로서 올리고마이신 또는 FCCP의 주사 전(기저 호흡) 또는 주사 후 OCR 값. (C) 주입 및 측정 전략의 개략적 표현. 하나의 독립적 인 실험의 대표 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

도 4: 사이토카인-분화된 인간 일차 T 세포에서의 미토콘드리아 호흡의 차이. (A-D) 7일 동안 IL-2 또는 IL-15로 배양된 인간 일차 T 세포의 기저 호흡, 최대 호흡, ATP 생산, 및 예비 호흡 능력 (n=3). (e) 올리고마이신 또는 FCCP (a) 또는 안티마이신 A(b)의 주사와 함께 (A-D)의 대표적인 플롯. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 사이토카인 | [재고] | 희석 인자 | [결승전] | |
| 조건 1 | IL-2 | 3 x 106 U/mL | 30,000 | 100 U/mL |
| 조건 2 | IL-15 | 2 x 105 U/mL | 2,000 | 100 U/mL |
표 1: T 세포의 대사 변화를 안내하는데 사용되는 사이토카인 배양물의 제조.
| 올리고마이신 | 증권 시세 표시기 | |||||
| 작업 졸. | 최종 conc. | 집. | 작업 졸. | 최종 conc. | 집. | |
| 포트 A | 5.0 μM | 0.50 μM | 20 μL | 2.0 μM | 0.2 μM | 20 μL |
| 포트 B | 3.0 μM | 0.75 μM | 22 μL | 1.30 μM | 0.3 μM | 22 μL |
| 포트 C | 3.0 μM | 1.0 μM | 24 μL | 1.30 μM | 0.4 μM | 24 μL |
| 포트 D | 3.0 μM | 1.25 μM | 27 μL | 1.30 μM | 0.5 μM | 27 μL |
표 2: 미토콘드리아 억제제 및 조절제의 제조를 위한 전략. 최적화 실행을위한 준비 농도, 작업 농도 및 주입 전략.
| 행동 | 세부 정보 | 측정 세부 정보 |
| 기준선 | 기준선 측정 | 3 측정 |
| 주사 | 포트 A 주입 | 3 측정 |
| 주사 | 포트 B 주입 | 3 측정 |
| 주사 | 포트 C 주입 | 3 측정 |
| 주사 | 포트 D 주입 | 3 측정 |
| 치수를 재다 | 추가 측정 | 선택적 |
표 3: 각각 3개의 측정치가 있는 4개의 주사를 사용하여 미토콘드리아 억제제 및 조절제의 적정을 통한 최적화 실행의 프로토콜 설계.
| 미토콘드리아 산화 인산화의 요소 | 설명 |
| 기저 호흡 | 기저 호흡은 미토콘드리아 억제제의 첨가 전에 자극된 T 세포에 의해 소비되는 산소의 속도의 기준선 척도이다. 이는 미토콘드리아 양성자 누출로 인한 세포 ATP 수요를 충족시키기 위해 사용되는 산소 소비의 척도입니다. 이와 같이, ATP 합성 및 양성자 누출을 공급하기 위해 생성된 양성자 전류의 개요를 제공한다. 그러나, 이는 또한 성장 배지에 존재하는 기질, 분석 전의 세포의 자극 및 다른 외인성 인자에 따라 변경될 수 있는 척도이기도 하다. 따라서 기저 호흡은 세포의 세포 대사 상태에 영향을 미치는 것으로 여겨지는 둘 이상의 다른 세포 유형 및 / 또는 다른 치료법을 비교하는 데 사용되는 측정입니다. 기저 호흡은 미토콘드리아 조절제 (올리고마이신 또는 FCCP)를 추가하기 전과 안티마이신 A를 첨가 한 후 OCR의 차이로 계산됩니다. |
| 최대 호흡 | 이 측정은 산화 인산화를 위해 소비 될 수있는 산소의 최대 속도입니다. 산화적 인산화에 의해 소비되는 산소의 속도는 미토콘드리아 내부 막을 가로질러 양성자를 펌핑하는 전자 수송 사슬의 능력과 ADP로부터 ATP를 인산화하기 위해 양성자 구배를 사용하는 ATP 신타제의 능력에 의해 결정된다. ATP 합성효소의 속도는 자유 ADP 기질에 의해 제한되고, 이에 의해 세포의 일반적인 에너지 상태에 의해 제한된다. 세포를 미토콘드리아 언커플러 FCCP로 치료할 때, 양성자는 미토콘드리아 내부 막을 가로질러 자유롭게 다시 횡단할 수 있다. 이것은 세포가 불포화 에너지 수요를 경험하는 상황을 모방하며, 따라서 최대 호흡은 전자 수송 사슬에 의해 소비 될 수있는 최대 산소 속도의 척도입니다. 최대 호흡은 FCCP로 처리된 세포와 항마이신 A로 처리된 세포의 OCR의 차이로서 계산된다. |
| ATP 매출액 | ATP 결합 호흡은 올리고마이신을 이용한 ATP 합성효소의 억제 후 OCR의 차이로서 측정된다. 산화적 인산화에 의한 ADP의 인산화를 위해 소비되는 산소는 이 과정이 정지됨에 따라 더 이상 사용되지 않을 것이다. 따라서 ATP 결합 호흡은 산화적 인산화에 의해 생성된 ATP에 상대적이다. AT 연결 호흡의 변화는 세포의 변경된 ATP 요구에 대한 미토콘드리아의 반응입니다. ATP 연결 호흡은 미토콘드리아 조절제 (올리고마이신 또는 FCCP)를 추가하기 전과 올리고마이신을 첨가한 후 OCR의 차이로 계산됩니다. |
| 여분의 호흡 능력 | 예비 호흡 용량은 증가 된 에너지 수요에 대한 응답으로 ATP를 생산하기위한 이론적 인 추가 용량의 척도입니다. 그것은 기저 호흡과 최대 호흡의 차이로 정의됩니다. 예비 호흡 능력의 변화는 미토콘드리아 및 세포 적합성 및 유연성의 지표가 될 수 있습니다. |
표 4: 플럭스 분석기를 사용하여 연구되는 미토콘드리아 호흡의 다양한 성분에 대한 설명
저자는 이해 상충이 없다고 선언합니다.
대사 적응은 분화, 지속성 및 세포 독성을 지시하기 때문에 T 세포의 기본입니다. 여기서, 생체외 사이토카인-분화된 인간 일차 T 세포에서 미토콘드리아 호흡을 모니터링하기 위한 최적화된 프로토콜이 제시된다.
Kasper Mølgaard와 Anne Rahbech는 Tømmermester Jørgen Holm og Hustru Elisa f. Hansens Mindelegat로부터 보조금을 받았습니다. Kasper Mølgaard또한 Børnecancerfonden으로부터 보조금을 받았습니다.
| 24-웰 조직 배양 플레이트 | Nunc | 142485 | |
| Anti-CD3xCD28 비드 | Gibco | 11161D | |
| 안티마이신 A | Merck | A8674 | |
| 카르보닐 시안화물 4-(트리플루오로메톡시)-페닐히드라존(FCCP) | 시그마-알드리치 | C2920 | |
| 셀탁 | 코닝 | 354240 | 코팅용 |
| 설폭사이드(DMSO) | Sigma Aldrich | D9170 | |
| 인간 혈청 | Sigma Aldrich | H4522 | 56°C에서 열 비활성화; C 30분 |
| IL-15 | Peprotech | 200-02 | |
| IL-2 | Peprotech | 200-15 | |
| 림프렙 | 스템셀 기술 | 07801 | |
| 올리고마이신 | 머크 | O4876 | |
| PBS | 써모 피셔 | 10010023 | |
| RPMI 1640 | Gibco-Thermo Fisher | 61870036 | |
| Seahorse Calibrant | Agilent Technologies | 102416-100 | |
| Seahorse XF 1.0M 포도당 용액 | Agilent Technologies | 103577-100 | |
| Seahorse XF 100mM pytuvate 용액 | Agilent Technologies | 103578-100 | |
| Seahorse XF 200mM 글루타민 용액 | Agilent Technologies | 103579-100 | |
| Seahorse XF RPMI 배지, pH7.4 | 애질런트 Technologies | 103576-100 | XF RPMI 매체 |
| Seahorse XFe96 분석기 | Agilent Technologies | 플럭스 분석기 | |
| Seahorse XFe96 세포 배양 마이크로플레이트 | Agilent Technologies | 102416-100 | XF 세포 배양 플레이트 |
| Seahorse XFe96 센서 카트리지 | Agilent Technologies | 102416-100 | |
| 중탄산나트륨 농축액 0.1 M (NaHCO3) | Sigma Aldrich | 36486 | |
| 수산화나트륨 용액 1 N (NaOH) | Sigma Aldrich | S2770-100ML | |
| X-VIVO 15 | Lonza | BE02-060F | |
| T 셀 비드 자석 DynaMag-2 자석 | Thermo Fisher | 12321D | |
| Seahorse wave | Flux 분석기 소프트웨어 |