우리는 형질막을 선택적으로 투과시키는 프로토콜을 제시하여, 기질과 억제제의 표적 전달을 가능하게 하여 배양된 세포에서 미토콘드리아 산화 인산화(OXPHOS)를 평가하고, 일반적으로 이러한 분석을 방해하는 원형질막 수송 장벽을 극복합니다. 이 기법을 사용하여 우리는 OXPHOS 기능이 무스카린 작용제와 길항제에 의해 어떻게 조절되는지 입증했습니다.
Research Article
우리는 형질막을 선택적으로 투과시키는 프로토콜을 제시하여, 기질과 억제제의 표적 전달을 가능하게 하여 배양된 세포에서 미토콘드리아 산화 인산화(OXPHOS)를 평가하고, 일반적으로 이러한 분석을 방해하는 원형질막 수송 장벽을 극복합니다. 이 기법을 사용하여 우리는 OXPHOS 기능이 무스카린 작용제와 길항제에 의해 어떻게 조절되는지 입증했습니다.
본 연구의 목적은 정의된 기질-억제제 조합을 사용하여 배양된 세포에서 산화 인산화(OXPHOS) 기능을 평가하면서도 분리된 미토콘드리아 준비물에서 손실된 세포 구조와 세포질 맥락을 유지하는 것이었습니다. 온전한 세포는 여러 크렙스 사이클 중간체에 대한 투과성이 낮기 때문에, 특정 전자전달 사슬(ETC) 진입점을 통한 기질 지지 호흡을 직접 평가하는 것은 제한적입니다. 이를 극복하기 위해 디토닌 매개 선택적 원형질막 투과법을 적용하고, BE(2)-C 신경모세포종 세포에서 세포외 플럭스 분석기 기반 결합 및 전자 흐름 분석을 수행하였습니다. 세포 유형 의존성을 확인하기 위해, 디지토닌은 HEK293 세포와 쥐 등뿌리 신경절(DRG) 신경세포에서 숙시네이트 + 로테논을 사용해 경험적으로 용량 조절하여 복합체 II–IV 유도 호흡을 분리하였습니다.
복합체 I 억제를 받은 수시네이트 지원 호흡은 투과성 세포에서 비투과성 세포에 비해 복합체 II–IV 구동 산소(O₂) 소비가 증가했으며, 이는 막 비전면 기질의 미토콘드리아 접근성 개선과 일치하였다. 반면, 내인성 수송 경로(예: 피루브산/말산)를 통해 침입하는 기질에 의해 지지되는 호흡은 조건 간 차이가 더 작았습니다. 이 플랫폼을 이용해 무스카린 리간드를 시험한 결과, 결합 분석에서 작용제와 길항제 관련 O₂ 섭취량 차이를 관찰한 반면, 전자 흐름 분석법에서는 시험 조건에서 리간드 관련 효과가 미미했습니다. 이 결과들은 최대 전자 전달 능력보다 결합 정의 호흡 상태 수준에서 감지 가능한 리간드 효과가 더 두드러졌음을 시사한다. 전반적으로 선택적 투과는 배양 세포 생체에너지 분석에서 기질 접근성을 확장하고 미토콘드리아 호흡의 약리학적 조절 분석을 가능하게 합니다.
미토콘드리아 에너지 대사의 기능 장애 또는 재프로그래밍은 신경퇴행, 암, 염증성 질환, 심장대사 질환, 다양한 유전 질환 등 다양한 질환의 중심적인 원인입니다. 미토콘드리아 대사가 질병 발병 기전에서 어떤 역할을 하는지 더 잘 이해하기 위해 여러 분석 전략이 개발되었습니다. 여기에는산소 소비 율(OCR), 세포외산성화율(ECAR), ATP 정량, 기질 이용, 프로파일링 또는 크렙스 사이클 대사물 분석, 동위원소 추적1 등이 포함됩니다. 이 중 OCR은 미토콘드리아 호흡의 주요 지표로, 고해상도 호흡법(HRR; 예: Oroboros O2k)2, 클라크형 전극, 세포외 플럭스 분석기와 같은 기기를 사용하여 평가할 수 있습니다
Oroboros O2k 시스템은 클라크형 극광 O2 센서(POS)3,4,5를 사용하여 밀폐된 챔버 내O2 농도를 측정하며, 분리된 미토콘드리아, 투과성 세포, 조직 균질체 샘플에 적합합니다. 이 장치는 금/백금 음극, 은 양극, 그리고 25 μm O2 투과성 및 화학적으로 저항성 플루오린화 에틸렌 프로필렌 막(FEP)으로 시료와 분리된 KCl 전해질 저장소로 구성되어 있습니다. 클라크형 전극3은 또한 폐쇄된 챔버에서 작동하며,O2 민감 전극을 통해 산소 농도 변화를 감지하며, 고립된 미토콘드리아나 세포 현탁액에 일반적으로 사용됩니다. 반면, 세포외 플럭스 분석기는 마이크로플레이트에 내장된 형광 센서를 사용해 살아있는 부착 세포나 분리된 미토콘드리아에서 OCR과 ECAR를 정량하여 고처리량 대사 프로파일링을 가능하게 합니다. 세포외 플럭스 분석기 플랫폼의 실용적인 장점 은 여러 조건에서 병렬로 자동화된 다중 매개변수 평가가 가능하다는 점입니다. 반면, 폐쇄형 챔버 시스템(예: HRR 또는 클락형 전극)은 일반적으로 처리량이 낮고 더 많은 수작업 작업이 필요합니다.
세포외 플럭스 분석기는 마이크로플레이트 바닥에 침착하는 온전한 부착 세포나 현탁 세포의 미토콘드리아 기능을 평가하는 데 특히 유용합니다. 온전한 부착 세포를 이용한 검사에서는 포도당이나 피루베이트6와 같은 기질을 사용하여 미토콘드리아 에너지 대사를 프로파일링할 수 있습니다. 또는 소량의 농축된 미토콘드리아 분획을 이용한 검사법을 통해 기저호흡, ADP 자극호흡(상태 3), 안정 호흡(상태 4), 그리고 기질과 억제제의 조합을 이용한 비결합자 자극호흡의 순차적 측정이 가능합니다7. 그러나 온전한 세포 시스템에서는 세포 투과성이 없는 트리카복실산(TCA) 주기 대사산물을 직접 대사를 평가할 수 없습니다. 반면, 분리된 미토콘드리아는 원형질막 장벽이 없기 때문에 이러한 대사산물의 사용을 허용합니다. 분리된 농축 미토콘드리아 생체에너지학 분석에는 한계가 있습니다: 분리 과정에서 미토콘드리아 구조가 변화할 수 있고, 미토콘드리아 대사와 대사산물 수송에 영향을 미치는 세포질 인자가 감소하거나 사라집니다. 따라서 선택적 투과화 접근법은 세포 구조의 일부 측면을 유지하면서도 미토콘드리아에 대한 통제된 접근을 가능하게 하는 타협안으로 자주 사용됩니다. 대사 검사에 온전한 세포나 분리된 미토콘드리아를 사용하는 한계를 극복하기 위해, 이 프로토콜은 디지토닌을 이용해 부착성 신경모세포종(BE(2)-C) 세포를 투과시키는 방법을 설명합니다. 이 접근법은 원형질막을 통해 비세포 전과성 대사산물을 수입하는 것을 용이하게 하면서도 정의된 기질과 억제제에 대한 기능적 미토콘드리아 반응을 유지합니다.
디토닌의 선택성은 막 지질 조성의 차이에 기반합니다: 원형질막은 콜레스테롤이 풍부한 반면, 미토콘드리아 막, 특히 내부 미토콘드리아 막은 콜레스테롤이 매우 적습니다. 낮은 농도에서는 디지토닌(또는 사포닌)이 높은 콜레스테롤 함량 때문에 원형질막을 선택적이고 완전히 투과시키는 반면, 미토콘드리아 막은 높은 농도에서만 영향을 받습니다 9,10. 디지토닌은 콜레스테롤에 결합하여 원질막에 기공을 형성하여, 적절히 최적화되면 TCA 사이클 중간체와 같은 소분자가 미토콘드리아 구조나 기능을 방해하지 않고 세포질에 들어갈 수 있게 합니다. 이 방법은 세포외 플럭스 분석기 마이크로플레이트에서 부착 단분포로 재현 가능하게 도판될 수 있는 배양 세포에 가장 적합하며, 각 세포 유형과 시딩 밀도에 대해 디지토닌 농도의 경험적 적정이 필요합니다. 보존된 미토콘드리아 무결성의 운영 지표로는 강력하고 억제제에 민감한 OCR 반응(예: 로테논/항마이신 A 시 예상 감소, 아스코르베이트/TMPD로 인한 복합체 IV 주도 호흡 온전함), 과투과를 알리는 OCR 붕괴 부재가 포함됩니다. 따라서 디지토닌 최적화는 실험 비교 전에 수행되어야 하며, 배양 조건이나 세포 밀도가 변할 때마다 반복해야 합니다. 더불어, 최적의 디토닌 농도는 세포 유형에 따라 다르며, 억제제 민감성 미토콘드리아 기능을 유지하면서 비기질(예: 숙시네이트)이 침투할 수 있는 투과성 창을 확립하기 위해 경험적으로 결정되어야 합니다. 본 연구에서는 BE(2)-C 세포뿐만 아니라 HEK293 세포와 1차 쥐 등뿌리 신경절(DRG) 뉴런에서도 디토닌을 최적화함으로써 이 원리를 설명합니다.
이 프로토콜은 원래 남성 신경모세포종 환자의 뇌에서 분리된 BE(2)-C 신경모세포종 세포를 사용하여 입증되었습니다. BE(2)-C 세포는 다양한 무스카린 수용체, 특히 콜린성 수용체 무스카린 1형(CHRM1)을 발현합니다. 이전 연구에서 우리는 CHRM1이 배양된 쥐 배양된 배 등뿌리 신경절 신경세포의 세포체와 신경돌, 그리고 CHRM1 형질전환된 HEK293 세포11에서 미토콘드리아와 연관되어 있음을 입증했습니다. 더 나아가, 쥐에서 Chrm1의 유전적 결실은 미토콘드리아 구조와 기능의 여러 측면을 변화시킵니다12,13. 따라서 우리는 BE(2)-C 세포가 무스카린 리간드가 OXPHOS 기능에 미치는 조절 효과를 조사하는 데 사용될 수 있다고 가설을 세웁니다. 이 시연에서는 작용제 아세틸콜린, 편향된 길항제 피렌제핀14, 길항제 아트로핀이 미토콘드리아 호흡에 미치는 영향을 숙신산 또는 피루브산/말레이트 기질에서 비교하였다.
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1. 해동 및 초기 도금
참고: BE(2)-C 세포의 기본 배지는 ATCC 조제된 Eagle's 최소 필수 배지와 F12 배지를 1:1 혼합하여 10% 태아 소 혈청(FBS)으로 보충합니다.
2. 서브컬처링
3. 트립신화 및 단세포 현탁 준비
4. 세포외 플럭스 분석기에 사용되는 24웰 세포 배양 마이크로플레이트의 세포 시딩 프로토콜
5. 세포외 플럭스 분석기 기반 분석 준비
참고: 여기서 사용되는 결합 및 전자 흐름 분석법 형식은 확립된 마이크로플레이트 기반 미토콘드리아 호흡 워크플로우7을 따르며, 디토닌 적정과 무스카린 리간드 처리 조건을 이용한 BE(2)-C 세포의 투과화 등 수정이 포함된다.
6. 실험 당일
참고: 모든 용액을 신선하게 준비하고, 필요하면 pH를 조절하며, 사용 전까지는 얼음 보관하세요.
7. 기기 프로그래밍 및 분석 실행
8. 세포외 플럭스 분석기 분석용 세포판 준비
9. 분석 및 데이터 분석 종료
10. 결과 수출
11. 데이터 처리
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결합 분석에서 BE(2) C 세포 투과화를 위한 디토닌 농도 최적화
이 프로토콜 초기에 우리는 미토콘드리아 호흡을 저해하지 않으면서 효과적인 세포 투과성을 위해 필요한 최적의 디토닌 농도를 표준화했습니다. 이 프로토콜에서는 시작 농도로 5 μM 및 10 μM 디토닌을 검사하고 결합 분석을 수행했습니다. 이 분석법은 ETC와 OXPHOS 기구 간의 결합 정도를 평가하여 ETC와 OXPHOS 유도 호흡을 구분할 수 있게 합니다. 로테논은 복합체 I을 억제하는 데 사용되었고, 석신산은 복합체 II의 전자 공여체 역할을 하여 복합체 II를 통한 전자 흐름을 유도하고 산소 소비를 지원했습니다(그림 1A). 복합체 II–IV에 의한 기저호흡은 10 μM 디토닌에서 5 μM보다 유의하게 높았으며, 이는 높은 농도에서 투과화된 세포막을 통한 숙신산 수송이 더 효율적임을 시사한...
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본 연구는 배양된 신경모세포종 세포에서 무스카린 리간드 매개 OXPHOS 조절을 신속하고 비용 효율적인 프로토콜로 소개합니다. 선택적 원형질막 투과제인 디토닌과 정의된 기질-억제제 쌍을 결합하여 석신네이트와 같은 대사 기질을 미토 콘드리아에 직접 표적 전달할 수 있게 했습니다. 이 접근법은 일반적으로 주요 TCA 사이클 중간체에 대한 접근을 제한하는 온전한 세포막의 한계를 극복합니다. 중요한 점은, 이 프로토콜이 세포 구조와 세포질 상호작용을 보존하여, 신경퇴행성 질환 모델과 관련된 약물 치료를 포함한 다양한 실험 조건에서 미토콘드리아 기능을 평가할 수 있는 생리학적으로 적합한 플랫폼을 제공한다는 것입니다.
성공의 가장 중요한 결정 요인은 특정 세포 유형과 씨앗 밀도에 맞는 디토닌 농도를 경험적으로 최적화하는 것입니다. 이러한 세포 유형 의존성을 뒷받침하기 위해, 최적의 디토닌 농도는 세포 유형에 따라 ...
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저자들은 이해 상충을 선언할 필요가 없습니다.
저자들은 캐나다 위니펙에 위치한 매니토바 대학교 세인트 보니파스 병원 연구; 그리고 미국 플로리다주 포트로더데일에 위치한 노바 사우스이스턴 대학교(NSU)에 자금 지원과 인프라 지원을 제공했습니다. 저자들은 또한 캘리포니아 샌디에이고의 Alzo Biosciences와 미국 플로리다주 마이애미의 Capillus에 자금 지원을 제공해 주신 것에 감사를 표합니다.
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 아세틸콜린 클로라이드 | 밀리포어 시그마 | A6625 | 무스카린 작용제 |
| ADP | MP 바이오메디컬스 주식회사 | ICN19014901 | 전자 수용체, ATP 합성을 위한 기질. |
| 안티마이신 A | AAJ63522MA | 써모 사이언티픽 | 미토콘드리아 복합체 III를 억제합니다 |
| 아트로핀 | 밀리포어 시그마 | 1044990 | 무스카린 길항제 |
| Be2C 셀 | 미국 타체 문화 컬렉션 | CRL-2268 | 신경모세포종 남성 환자의 뇌에서 분리된 신경아세포가 무스카린 수용체를 발현합니다 |
| 디지토닌 | 밀리포어 시그마 | D141 | 순한 세제, 막 투과제. |
| D-만니톨 | 열보 사이언티브 케미컬스 | AA3334236 | 삼투압 안정화 및 막 보호에 사용되는 비대사성 당알코올입니다 |
| EGTA | 밀리포어 시그마 | E0396 | 칼슘 킬레이션은 미토콘드리아 단백질을 분해할 수 있는 칼슘 의존성 프로테아제 및 기타 효소의 활성화를 방지합니다. |
| 지방산 없는 BSA | 밀리포어 시그마 | 126575 | 통제되지 않은 지방산 변화를 방지하고 미토콘드리아를 안정화합니다 |
| FCCP | 케이맨 케미컬 | NC0904863 | 미토콘드리아에서 산화적 인산화의 프로토노포어이자 분리체 |
| 젠장 | 밀리포어 시그마 | 391340 | pH 완축, 미토콘드리아 기능과의 적합성 |
| L-아스코르베이트 | TCI 아메리카 | A053925G | TCA 사이클 중간, OXPHOS의 기질 |
| 염화마그네슘 | 밀리포어 시그마 | M8266 | 이온 균형을 위해, 효소 활성 지원 |
| N1,N1,N1,N1-테트라메틸-1,4-페닐렌 디아민 (TMPD) | 전자 공여체를 시토크롬 c로 보고, 복합체 I 및 II를 우회하여 복합체 IV 기능을 평가하는 TMPD/아스코르베이트는 복합체 IV 의존적 산소 소비를 직접 측정할 수 있게 합니다 | ||
| 올리고마이신 | 밀리포어 시그마 | 1404-19-9 | 미토콘드리아 ATP 합성을 억제하며, 복합체 V |
| 피렌제핀 디하이드로클로라이드 | 밀리포어 시그마 | P7412 | 무스카린 편향 작용제 |
| 피루빅산 | 열보 사이언티브 케미컬스 | AC132155000 | TCA 사이클 기판 |
| 로테논 | 밀리포어 시그마 | 557368 | 미토콘드리아 복합체 I 억제 |
| Seahorse XF24 V7 PS 세포 배양 마이크로플레이트 | 애질런트 | 102340-100 | 세포 배양 마이크로플레이트 |
| 시호스 XFe24 분석기 | 애질런트 | S7801BR | 애질런트 씨호스 XFe24 분석기는 24웰 플레이트 형식으로 생세포의 산소 소비율(OCR)과 세포외산성화율(ECAR)을 측정합니다. |
| 석신산 | 피셔 케미컬 | AC158742500 | TCA 사이클 중간, OXPHOS의 기질 |
| XFe24 센서 카트리지 보정 버퍼 | 애질런트 | 102340100 | PBS 버퍼 pH 7.2 |
| XFe24 센서 카트리지 | 애질런트 | 102340-100 | OCR 및 ECAR 측정용 센서 |
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