Mitochondriale bioenergetica en respiratoire capaciteit kan worden onderzocht niet alleen gepermeabiliseerde cellen of vezels, maar ook in geïsoleerde mitochondriën. In de huidige studie beschrijven we een protocol om intact skeletspieren mitochondriën met behulp van differentiële centrifugatie voor hoge-resolutie respirometrie metingen te isoleren.
Intact mitochondria isoleren respirometrie, het weefsel gehomogeniseerd en mitochondria geïsoleerd door differentiële centrifugatie gebruikelijke methode. De differentiële centrifugatie methode waarbij in de centrifugaties (in een reeks van toenemende snelheid) weefsel homogenaten werd eerst geïntroduceerd door Pallade en medewerkers bijna 70 jaar geleden 1. Het weefsel wordt eerst fijngehakt met een schaar en mechanisch gehomogeniseerd in een glazen homogenisator met een loszittende stamper. Daarna het homogenaat wordt gecentrifugeerd bij lage snelheid en de resulterende pellet die ononderbroken weefsel bevat, cellulairepuin en kernen wordt weggegooid. Vervolgens wordt de bovenstaande vloeistof meerdere malen gecentrifugeerd bij hoge snelheid en de mitochondriale verrijkte fractie wordt verzameld. De voordelen van de differentiële centrifugatie methode voor het isoleren mitochondria dat: i) de werkwijze is snel en mitochondria kunnen worden geïsoleerd binnen 1-1,5 uur (respiratoire experimenten worden uitgevoerd zo snel mogelijk); ii) het is goedkoop; en iii) het is zeer efficiënt en verkregen door differentiële centrifugatie mitochondria zuiver genoeg voor respirometrie assays. De nadelen van differentiële centrifugatie methode voor het isoleren mitochondria zijn dat i) mitochondriën kunnen beschadigd raken en ontkoppeld tijdens homogenisering; ii) de verontreiniging van mitochondriën met andere cellulaire componenten (kan worden opgelost door verder wassen van het mitochondriale pellet extra centrifugatiestappen); iii) de mogelijkheid tot het selecteren van verschillende mitochondriale subpopulaties, bijvoorbeeld tijdens differentiële centrifugering stappen, mitochondria met lagere dichtheid kan worden uitgesloten 7; en iv) de cellulaire mitochondriale omringende ontbreekt en alleen de theoretische maximale ademhaling kan worden gemeten. Een andere werkwijze voor mitochondria isoleren respirometrie assays is de dichtheidsgradiënt centrifugatie 2. In deze techniek wordt het weefsel extract gelaagd over een oplossing van sucrose of een Percoll gradiënt (met hogere dichtheid op de bodem van de centrifugebuis) en gecentrifugeerd bij een bepaalde snelheid, waardoor de mitochondriën te isoleren uit andere cellulaire componenten op basis van hun dichtheden. Deze werkwijze wordt vaak gebruikt om de hersenen mitochondriën geïsoleerd met zeer lage verontreiniging uit synaptosomen. Echter, de rattenlever mitochondriën geïsoleerd door dichtheidsgradiënt centrifugatie sterk verontreinigd met andere cellulaire organellen 3. Een van de beperkingen van deze methode is dat de sucrosegradiënt in de centrifugebuis zo kan scheurenme mitochondria (osmotische shock).
Afhankelijk van het type weefsel; er enkele belangrijke factoren te overwegen voor de isolatie van intacte mitochondriën door differentiële centrifugatie. Allereerst moet weefsels homogeniseren op een zachte manier. Zachte weefsels zoals de nieren, de hersenen en lever nodig zachte mechanische krachten die tijdens homogenisering. Dit in tegenstelling tot harde weefsels zoals hart en skeletspier sterker mechanische krachten vereisen. Gehakt weefsel wordt gewoonlijk behandeld met proteinase vóór de homogenisatie om het weefsel te verzachten. Alle buffers tijdens homogenisatie en centrifugatie moet ijskoud zijn en een fysiologisch relevante pH met een ionische sterkte en osmotische geschikt cytosol 4, 5.
Een van de voordelen van het bestuderen geïsoleerd mitochondriale bioenergetica dat cellulaire plasmamembranen hoeft te zijn permeabiseerd met detergentia zoals digitonine en saponine 4, 6, waarbij de buitenste mitochondriale membraan integriteit in gevaar kan brengen. Een ander voordeel van de geïsoleerde mitochondria is de afwezigheid van andere cytosolische factoren, die kunnen interfereren met de analyse van de mitochondriële functies zoals zuurstofconsumptie. De nadelen van het gebruik van de geïsoleerde mitochondriën de mogelijke selectie van bepaalde mitochondriale populatie tijdens de centrifugatiestappen, schade aan de mitochondriën tijdens homogenisatie, en het vereiste van grote hoeveelheden biologische monsters om een goede opbrengst van geïsoleerde mitochondria 7, 8 te verkrijgen.
Na de isolatie procedure, de luchtwegen tarieven van de mitochondriale complexen I, II en IV-afhankelijke (staten 2, 3 en 4) worden bepaald met behulp van hoge-resolutie respirometrie. Voor complexe innovatie aangestuurde ademhaling, glutamaaten malaat worden toegevoegd, gevolgd door adenosine difosfaat (ADP). Voor complexe II aangedreven ademhaling, succinaat wordt toegevoegd gevolgd door ADP. Voor complexe IV aangedreven ademhaling, ascorbaat en tetramethylphenylendiamine (TMPD) worden toegevoegd gevolgd door ADP 9, 10, 11, 12. State 2 verwijst naar zuurstofverbruik in aanwezigheid van alleen substraten. State 3 verwijst naar zuurstofverbruik in aanwezigheid van substraten en ADP. Staat 4 verwijst naar het zuurstofverbruik na ADP uitputting. De respiratoire controle ratio (RCR) is een index van koppeling van zuurstofverbruik ATP productie wordt berekend als de verhouding tussen toestand 3 en 4 staat 13, 15.
Samengevat beschrijven we een protocol om functionele en intacte skeletspier mitochondria geïsoleerd door differentiële centrifugatie en gebruikt deze geïsoleerde mitochonDria voor functionele en bio-energetische studies zoals hoge-resolutie respirometrie.