이 콘텐츠를 보려면 JoVE 구독이 필요합니다. 로그인하거나 오늘 무료 평가판을 시작하세요.

방법 논문

배양된 뼈 세포의 지방산 산화 평가

798 조회수

⸱

DOI:

10.3791/63638

⸱

2022년 4월 28일

 ,  , 
1Department of Orthopaedic Surgery, Johns Hopkins University School of Medicine, 2Research and Development Service, Baltimore Veterans Administration Medical Center

이 논문에서

요약

본 프로토콜은 일차 뼈 세포 또는 관련 세포주의 배양에서 지방산 산화 능력을 평가하기 위한 분석을 설명합니다.

초록

조골세포를 분화하여 뼈를 형성하려면 이러한 특수 세포가 뼈 조직을 구성하는 큰 세포외 기질 단백질을 합성한 다음 광물화에 필요한 이온을 농축해야 하기 때문에 상당한 에너지 입력이 필요할 것으로 예상됩니다. 뼈 형성에 필요한 대사 요건에 대한 데이터가 빠르게 등장하고 있습니다. 아직 밝혀야 할 점이 많지만, 중간 신진대사의 혼란이 골격계 질환의 원인이 될 것으로 예상됩니다. 여기에서는 14개의 C 표지 지방산을 14개의CO2 및 산용해성 대사 산물로 산화하는 조골세포 세포의 능력을 평가하기 위한 프로토콜이 요약되어 있습니다. 지방산은 섭식 후 또는 지방 조직 저장에서 해방된 후 순환계에서 흡수될 수 있는 풍부한 에너지 비축량을 나타냅니다. T-25 조직 배양 플라스크에서 수행된 이 분석은 지방산 이용에 대한 유전자 이득 또는 기능 상실 및 골량 유지에 필요한 성장 인자 또는 모르포겐 형태의 동화 신호의 영향에 대한 연구에 도움이 됩니다. 글루타민과 같은 아미노산 또는 포도당의 산화를 평가하기 위해 프로토콜을 조정하는 능력에 대한 세부 정보도 제공됩니다.

서론

골수와 골막에 존재하는 전구 세포에서 유래한 조골세포(osteoblast)는 뼈 조직을 구성하는 미네랄화된 콜라겐이 풍부한 기질의 합성과 분비를 담당합니다. 이러한 에너지 비용이 많이 드는 노력을 완수하고 골격 무결성의 평생 유지에 기여하기 위해 이러한 특수 세포는 세포 외 기질 단백질 1,2 및 연료 기질에서 필요한 화학 에너지를 수확하기 위해 수많은 높은 막 전위 미토콘드리아를 합성하는 데 필수적인 풍부한 거친 소포체를 유지합니다 3,4. 이 후자의 기능의 중요성은 뼈 성장의 중단과 칼로리 제한과 같은 에너지 결핍과 관련된 골감소증 5,6의 발달에 의해 예시됩니다. 조골세포가 선호하는 연료원의 정체와 분화 중 또는 동화 신호에 대한 반응으로 조골세포의 대사 요구 사항에 대한 데이터가 부상하고 있습니다 7,8.

장쇄 지방산은 혈청에 존재하며 칼로리 섭취 감소 또는 에너지 소비 증가에 대한 반응으로 지방 조직에서 방출되는 화학 에너지의 풍부한 공급을 나타냅니다. 용해도를 높이기 위해 세포막을 통과하고 코엔자임 A와 결찰한 후, 지방 아실-CoA는 외부 및 내부 미토콘드리아 막의 이중 카르니틴 팔미토일전이효소와 카르니틴-아실카르니틴 트랜스전로카제7에 의해 미토콘드리아 기질로 왕복됩니다. 미토콘드리아 매트릭스 내에서 β 산화 기계 사슬은 TCA 회로(트리카르복실산 회로)에 진입하고 등가물을 환원시키는 아세틸-CoA를 생성하는 4단계 공정에서 아실-CoA를 단축합니다. 동물에서 가장 흔한 지방산인 팔미테이트(C16)의 이화작용은 이 경로를 통해 ~131 ATP를 산출하며, 이는 포도당 산화에 의해 생성된 ~38 ATP보다 훨씬 더 많습니다7.

방사선 표지된 지질을 사용한 추적 연구는 뼈가 순환 지질의 상당한 부분을 차지하는 것으로 나타났습니다 9,10 지질 이화작용에 중요한 효소의 유전적 절제는 조골세포 활성과 뼈 손실의 감소로 이어집니다 9,11. 여기에 제시된 프로토콜은 14개의 C-표지 지방산을 사용하여 배양된 조골세포가 지방산을 산화 과정의 중간 단계를 나타내는 CO2 또는 산 용해성 대사 산물로 완전히 대사하는 능력을 평가합니다. 방사능의 사용이 필요하지만, 이 방법은 간단하고 투자가 제한적이며, 다른 방사성 표지 대사 산물 및 세포 유형의 이점에 적용할 수 있습니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

프로토콜

이 프로토콜은 [1-14C]-올레산을 14CO2 로 변환하는 것을 지방산 산화 용량의 지표로 사용합니다. 지역 방사선 안전 사무소는 실험을 시작하기 전에 방사성 물질 사용에 대한 프로토콜을 승인했습니다. 모든 방사선 절차는 플렉시글라스 차폐 뒤에서 적절한 개인 보호 장비를 사용하여 수행되었습니다. 지역 동물 관리 및 사용 위원회(Local Animal Care and Use Committee)는 일차 세포를 사용하기 전에 프로토콜을 승인했습니다.

1. 배양된 조골세포의 지방산 산화

  1. 1차 calvarial osteoblasts12 또는 Mc3t3-E1과 같은 osteoblastic cell line을 Subculture하고 10% 소 태아 혈청, 100 U/mL 페니실린 및 0.1 μg/mL 스트렙토마이신을 함유하는 α-MEM의 T-25 플라스크(5 x 105 cells/flask)에 플레이트를 배양합니다.
    1. 실험에 사용하기 위해 각 처리 그룹(즉, 대조군 및 유전자 녹아웃 또는 비히클 및 약리학적 치료)에 대해 3-4개의 플라스크를 파종합니다. 각 처리 그룹에 대해 추가로 1-2개의 플라스크를 파종하여 세포 수 또는 단백질 농도로 정규화합니다. 37°C의 가습된 세포 배양 인큐베이터에서 5%CO2로 배양 플라스크를 배양합니다.
  2. 플라스크가 합류할 때까지 2-3일 동안 세포를 배양합니다. 배양 배지에 50μg/mL의 아스코르브산과 10mM의 β-글리세롤 포스페이트( 재료 표 참조)를 첨가하여 융합 배양이 분화되도록 유도하고 최대 14일 동안 추가로 배양을 계속합니다.
    참고: 성장 인자 치료가 계획되어 있는 경우 하룻밤 사이에 혈청 결핍(0.5%-1% FBS 추가)이 필요합니다. FBS의 비율을 낮추면 배양물에서 방사성 표지되지 않은 지질의 양이 제한되고 외인성 성장 인자의 최대 효과를 얻을 수 있습니다. 호르몬의 효과를 검사해야 하는 경우 숯을 제거한 FBS를 사용합니다.
  3. 실험 전날 여과지, 15mm x 30mm 고무 슬리브 마개 및 폴리프로필렌 중앙 웰( 재료 표 참조)을 준비합니다.
    1. 1cm x 10cm 크기의 여과지 스트립을 팬 모양으로 접어 폴리프로필렌 중앙 우물의 양동이에 넣습니다. 고무 슬리브 스토퍼의 중앙을 통해 폴리프로필렌 중앙의 암을 잘 누르고 폴리프로필렌 중앙을 T-25 플라스크로 잘 내립니다. 그런 다음 슬리브 스토퍼로 플라스크를 밀봉합니다(그림 1).
      알림: 폴리프로필렌 중심이 배양 매체와 접촉하지 않도록 폴리프로필렌 중심의 위치를 잘 조정해야 할 수도 있습니다. 실험하는 동안 폴리 프로필렌 중앙 웰은 여과지가 라벨링 매체에 닿지 않도록하고 14CO2를 수집 할 수 있습니다.
  4. 실험 당일, 1.5mL 마이크로 원심분리 튜브에서 인산염 완충 식염수(플라스크당 5μL)에 20% 소 혈청 알부민을 0.1μCi/mL의 [1-14C]-올레산(0.6μL/플라스크)과 혼합하여 [1-14C]-올레산을 소 혈청 알부민(BSA)에 접합합니다.
    1. 그런 다음 튜브를 50mL 원뿔형 튜브에 넣고 37°C에서 30분 동안 부드럽게 흔들어 배양합니다. 피펫팅 오류를 설명하기 위해 oleic Acid-BSA conjugate에 대해 1-2개의 추가 플라스크를 준비합니다.
  5. 조직 배양 플라스크에서 배양 배지를 제거하고 1.5mL의 새로운 혈청 결핍 배지로 교체합니다(1.2단계).
  6. 각 플라스크에 대해 5.6μL의 올레산-BSA 용액(1.4단계)을 2μL의 100mM 카르니틴 용액 및 1mL의 배양 배지와 결합하여 라벨링 용액을 생성합니다. 배양 플라스크에 라벨링 용액을 추가합니다. 초과 용액을 유지하여 분석에 추가된 총 활성 계수를 읽습니다.
    참고: 라벨링 용액은 세포 수 또는 단백질 농도를 정량화하기 위한 추가 플라스크에 첨가되지 않습니다.
  7. 플라스크에 여과지가 들어 있는 폴리프로필렌 중앙 웰을 내린 다음 고무 마개로 캡을 씌웁니다.
    알림: 폴리프로필렌 중앙 웰이 배양 배지와 접촉하지 않는 것이 중요합니다. 이것은 CO2 대신 방사성 표지된 지방산으로 여과지의 교차 오염으로 이어질 것입니다.
  8. 세포 배양을 37°C에서 5%CO2로 3시간 동안 배양합니다.
  9. 14CO2 를 수집하려면 150 μL의 1 N NaOH를 폴리 프로필렌 중앙 웰에 주입하여 여과지를 적시고 200 μL의 1 M 과염소산을 배양 매체에 주입한다. 고무 마개를 통해 바늘을 밀어 NaOH와 과염소산을 주입합니다.
    알림: 플라스크에서 고무 마개를 제거해서는 안 됩니다. 이로 인해 14CO2 가 누출될 수 있습니다. 주입의 용이성을 위해 플라스크를 똑바로 세운 다음 주입이 완료된 후 배양 위치로 돌아갑니다.
  10. 플라스크를 55°C에서 1시간 동안 배양합니다.
  11. 세포 배양 후드에서 플라스크를 식힌 후 엽니다. 핀셋으로 폴리프로필렌 중앙 웰에서 여과지를 제거하고 섬광 바이알에 3-4mL의 섬광 액체( 재료 표 참조)에 넣습니다.
    참고: 100μL의 초과 라벨링 용액을 섬광 액체 3-4mL에 첨가하여 총 활성 수를 측정합니다. 100μL의 기저 배양 배지([1-14C]-올레산 제외)를 3-4mL의 섬광 액체에 첨가하여 백그라운드 활성을 측정합니다.
  12. 실온에서 1시간 또는 하룻밤 동안 배양한 후 섬광 계수기를 사용하여 방사능을 분당 카운트(cpm)로 측정합니다( 재료 표 참조).
  13. cpm 결과를 정규화하려면 각 배양 조건에 대해 표지되지 않은 T-25 플라스크에서 단백질 추출물을 분리합니다. 5mL의 인산염 완충 식염수로 세척하고, 각 플라스크에 1mL의 RIPA 세포 용해 완충액을 첨가하고, 세포 스크레이퍼로 세포 표면을 긁어냅니다.
    1. 피펫과 원심분리를 사용하여 19,000 x g 에서 4°C에서 20분 동안 RIPA 버퍼를 마이크로 원심분리 튜브로 옮깁니다. 피펫을 사용하여 상층액을 새로운 마이크로 원심분리 튜브로 옮기고 BCA 분석 프로토콜에 따라 단백질 농도를 측정합니다( 재료 표 참조).
    2. 섬광 계수기에서 판독된 원시 cpm을 단백질 농도로 나누어 생성된 14CO2 의 정규화된 cpm을 얻습니다(표 1).
  14. 섬광 바이알, 세포 배양 물질, 배지, 주사기 등을 폐기하기 위한 현지 요구 사항을 따르십시오. 작업 표면의 오염을 제거하고 현지 요구 사항에 따라 방사능 닦기 테스트를 수행합니다.

2. 산 녹는 대사 산물 수집

알림: 위의 1.8단계에서 사용된 3시간의 배양 기간은 세포가 흡수한 모든 [1-14C] 완전 올레산을 CO2로 산화시키기에 충분한 시간이 아닐 수 있습니다. 지방산 산화 경로의 플럭스는 산 용해성 분획의 방사능을 측정하여 평가할 수도 있습니다.

  1. 처리된 각 T-25 플라스크에서 산성화된 매체 1mL를 수집하여 1.5mL 마이크로 원심분리 튜브로 옮깁니다.
  2. 60μL의 20% BSA와 100μL의 16M 과염소산을 추가합니다.
  3. 소용돌이치고 4 °C에서 밤새 부화합니다.
  4. 다음으로, 20,000 x g 에서 4°C에서 30분 동안 와류 및 원심분리기를 합니다.
  5. 섬광 액체에 상등액 200μL를 첨가하고 활성을 측정합니다(단계 1.12).
  6. 단백질 농도 또는 DNA 측정에 대한 판독을 정규화합니다(단계 1.13.1).

3. 포도당 산화 또는 아미노산 산화의 측정

  1. 14개의 C 표지 올레산을 14개의 C 표지 포도당 또는 14개의 C 표지 아미노산으로 대체하여 이러한 연료 분자의 산화를 측정합니다.
  2. 1.1-1.2 단계에 따라 조골세포 배양을 준비합니다.
  3. 실험을 시작하려면 조직 배양 플라스크에서 배양 배지를 제거하고 1.5mL의 새로운 혈청 결핍 배지로 교체합니다.
  4. 1mL의 기아 배지에 0.6μCi의 14C 표지 포도당 또는 14C 표지 아미노산의 라벨링 용액을 준비하고 플라스크에 추가합니다.
  5. 1.6-1.13단계를 수행합니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

결과

카르니틴 팔미토일트랜스퍼라제-1(Cpt1)과 카르니틴 팔미토일트랜스퍼라제-2(Cpt2)의 효소 활성은 미토콘드리아 장쇄 지방산 산화에 필요합니다. Cpt1은 대사 경로의 속도 제한 효소이지만 포유류 게놈에는 세 가지 동형(Cpt-1a, Cpt-1b 및 Cpt-1c)이 암호화되어 있으며 한 동형의 유전적 파괴는 다른 동형의 보상 상향 조절로 이어질 수 있습니다13. 대조적으로, Cpt2는 단일 유전자에 의해 암호화됩니다. 그림 2A에 예시된 실험에서, Cpt2의 유전자 절제는 [1-14C]-올레산이 14CO2로 산화되는 것을 ~60% 감소시키고, 7일 동안 분화된 1차 마우스 calvarial osteoblasts의 배양에서 대조군에 비해 산성 대사 산물의 표지를 ~27% 감소시킵니다. 돌연변이 조골세포에서 올레산을CO2로 산화시키는 나머지 용량은 과산화솜 ...

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

토론

위에서 설명한 절차는 측정 된 출력이 NaOH에 담근 여과지에 수집 된 14CO2 및 과염소산으로 배양액의 산성화 후 수집 된 산 용해성 대사 산물이므로 지방산 산화를 직접 평가할 수 있습니다. 형광 표지된 지질 분자 또는 지질 유사체를 사용하는 시판되는 분석 키트는 지질 흡수를 측정할 수 있지만 에너지 생성을 위한 이화작용은 측정하지 않습니다. 13C-metabolic flux14와 같은 다른 이화 작용 측정에는 특수 분석 장비가 필요합니다. 이 분석은 14CO2 수준만 필요한 경우 하루 만에 완료할 수 있으므로 민감하고 상대적으로 빠릅니다(그림 2). 또는 여과지를 섬광 액체에서 하룻밤 동안 배양하고 두 결과의 결정이 필요한 경우 산성 용해성 대사 산물로 동시에 판독할 수 ...

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

공개 사항

저자는 경쟁 이익이 없음을 선언합니다.

감사의 글

이 연구는 재향 군인 사무국 연구 개발국(BX003724)의 생물의학 실험실 연구 개발 서비스(Biomedical Laboratory Research and Development Service)의 Merit Review Award와 미국 국립 당뇨병, 소화기 및 신장 질환 연구소(National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, DK099134)의 보조금으로 지원되었습니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
[1-14C]-올레산Perkin ElmerNEC317050UC
15 x 30mm 고무 슬리브 스토퍼VWR89097-542
1mL 주사기BD 정밀309628
25G 바늘(25G x 1 1/2인치)BD 정밀305127
아스코르브산시그마 알드리치A4403
BCA 단백질 분석 키트Thermo Fisher23225다른 키트도 적합합니다
Beckman Scintillation Counter 또는 BeckmanCoulterLS6000SC
Beta-glycerol phosphateSigma AldrichG6626
소 혈청 알부민Sigma Aldrich126609
CarnitineSigma AldrichC0283
세포 용해 완충액프로토콜은 일반적인 용해 완충액(예: RIPA)해
부 겸자에출처에서 사용 가능
DNA 정량 분석 키트여러 출처에서 사용 가능
Dulbecco' s 인산염 완충 식염수Corning20-030-CV
소 태아 혈청여러 출처에서 사용 가능
마이크로 원심분리기 튜브, 1.5mL여러 출처에서 사용 가능
최소 Essensial Medium, 알파 변형Corning10-022-CV
페니실린-스트렙토마이신Gibco15140122
과염소산시그마 알드리치50439
폴리 프로필렌 센터 웰VWR72760-048
수산화 나트륨시그마 알드리치S5881
T-25 경사 목 조직 배양 플라스크코닝430639
조직 배양 인큐베이터
트립신 (0.25 %) -EDTAGibco25200056
Ultima Gold (섬광 용액)PerkinElmer6013329
Whatman 크로마토그래피 종이Sigma AldrichWHA3030917
적합합니다. 여러

참고문헌

  1. Cameron, D. A. The fine structure of osteoblasts in the metaphysis of the tibia of the young rat. Journal of Biophysical and Biochemical Cytology. 9, 583-595 (1961).
  2. Dudley, H. R., Spiro, D. The fine structure of bone cells. Journal of Biophysical and Biochemical Cytology. 11 (3), 627-649 (1961).
  3. Shapiro, I., Haselgrove, J. in Ch. 5, Bone Metabolism and Mineralization. Bone Vol. 4. Hall, B. K. , CRC Press. 99-140 (1991).
  4. Komarova, S. V., Ataullakhanov, F. I., Globus, R. K. Bioenergetics and mitochondrial transmembrane potential during differentiation of cultured osteoblasts. American Journal of Physiology: Cell Physiology. 279 (4), 1220-1229 (2000).
  5. Bolton, J. G., Patel, S., Lacey, J. H., White, S. A prospective study of changes in bone turnover and bone density associated with regaining weight in women with anorexia nervosa. Osteoporosis International. 16 (12), 1955-1962 (2005).
  6. Nussbaum, M., Baird, D., Sonnenblick, M., Cowan, K., Shenker, I. R. Short stature in anorexia nervosa patients. Journal of Adolescent Health Care. 6 (6), 453-455 (1985).
  7. Alekos, N. S., Moorer, M. C., Riddle, R. C. Dual effects of lipid metabolism on osteoblast function. Frontiers in Endocrinology. 11, 578194(2020).
  8. Karner, C. M., Long, F. Glucose metabolism in bone. Bone. 115, 2-7 (2018).
  9. Kim, S. P., et al. Fatty acid oxidation by the osteoblast is required for normal bone acquisition in a sex- and diet-dependent manner. JCI Insight. 2 (16), 92704(2017).
  10. Niemeier, A., et al. Uptake of postprandial lipoproteins into bone in vivo: impact on osteoblast function. Bone. 43 (2), 230-237 (2008).
  11. Helderman, R. C., et al. Loss of function of lysosomal acid lipase (LAL) profoundly impacts osteoblastogenesis and increases fracture risk in humans. Bone. 148, 115946(2021).
  12. Jonason, J. H., O'Keefe, R. J. Isolation and culture of neonatal mouse calvarial osteoblasts. Methods in Molecular Biology. 1130, 295-305 (2014).
  13. Haynie, K. R., Vandanmagsar, B., Wicks, S. E., Zhang, J., Mynatt, R. L. Inhibition of carnitine palymitoyltransferase1b induces cardiac hypertrophy and mortality in mice. Diabetes, Obesity & Metabolism. 16 (8), 757-760 (2014).
  14. Long, C. P., Antoniewicz, M. R. High-resolution (13)C metabolic flux analysis. Nature Protocols. 14 (13), 2856-2877 (2019).
  15. Divakaruni, A. S., et al. Etomoxir inhibits macrophage polarization by disrupting CoA homeostasis. Cell Metabolism. 28 (3), 490-503 (2018).
  16. Raud, B., et al. Etomoxir actions on regulatory and memory T cells are independent of cpt1a-mediated fatty acid oxidation. Cell Metabolism. 28 (3), 504-515 (2018).
  17. Frey, J. L., et al. Wnt-Lrp5 signaling regulates fatty acid metabolism in the osteoblast. Molecular and Cellular Biology. 35 (11), 1979-1991 (2015).
  18. Frey, J. L., Kim, S. P., Li, Z., Wolfgang, M. J., Riddle, R. C. beta-catenin directs long-chain fatty acid catabolism in the osteoblasts of male mice. Endocrinology. 159 (1), 272-284 (2018).
  19. Li, Z., et al. Glucose transporter-4 facilitates insulin-stimulated glucose uptake in osteoblasts. Endocrinology. 157 (11), 4094-4103 (2016).
  20. Lee, J., et al. Loss of hepatic mitochondrial long-chain fatty acid oxidation confers resistance to diet-induced obesity and glucose intolerance. Cell Reports. 20 (3), 655-667 (2017).
  21. Kim, S. P., et al. Sclerostin influences body composition by regulating catabolic and anabolic metabolism in adipocytes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (52), 11238-11247 (2017).

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재인쇄 및 허가

더 많은 논문 탐색

조골세포 분화골 형성대사 요구량골격 질환14C 지방산골 무기질화동화 신호포도당 산화

이 논문이 게재되었습니다

동영상 곧 제공

문의하기
도서관에 추천하기

개인정보 처리방침

이용 약관

정책

저작권 © 2026 MyJoVE Corporation. 모든 권리 보유.