$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Mitochondria odgrywają kluczową rolę w bioenergetyce komórek, sygnalizacji wolnych rodników, homeostazie redoks, regulacji jonów i determinacji losu komórki1,2. Dysfunkcja mitochondriów często towarzyszy i leży u podstaw patogenezy chorób3-6. Szczególnie w układach mięśniowych, takich jak serce i mięśnie szkieletowe, oddychanie mitochondrialne dostarcza większość ATP, aby wspierać terminową regulację wewnątrzkomórkowego wapnia i solidny rozwój siły7,8. Mięśnie te posiadają dużą liczbę mitochondriów, które często zajmują do 20-40% całkowitej objętości komórki i są "umocowane" pomiędzy miofilamentami2.
Pomimo licznych badań, nasze zrozumienie regulacji funkcji mitochondriów, szczególnie in vivo i w fizjologicznie istotnych warunkach, jest ograniczone. Jednym z powodów jest to, że większość metod opracowanych do oceny funkcji mitochondriów opiera się na podejściach in vitro lub ex vivo, takich jak monitorowanie zużycia tlenu w izolowanych mitochondriach uzupełnionych sztucznymi substratami oraz pośrednie określanie funkcji mitochondriów poprzez morfologię (np. mikroskopia elektronowa), aktywność enzymów (np. aktywność tojadazy) lub wewnątrzkomórkowe poziomy ATP9-11.
Ostatnio, zastosowano małe cząsteczkowe wskaźniki fluorescencyjne o względnym wzbogaceniu mitochondriów, aby zapewnić wgląd w sygnały mitochondrialne, w tym potencjał błonowy, wapń i reaktywne formy tlenu (ROS), w nienaruszonych komórkach11-13. Ponadto opracowano kilka wskaźników redoks i ROS opartych na białku zielonej fluorescencji (GFP), aby uzyskać bardziej szczegółową ocenę podzielonych na przedziały wewnątrzkomórkowych sygnałów redoks lub ROS14-16. W ramach tego opracowaliśmy genetycznie kodowany wskaźnik ponadtlenkowy, koliste permutowane żółte białko fluorescencyjne, i skierowaliśmy je do mitochondriów (mt-cpYFP)17. mt-cpYFP może być wzbudzony przy 405 lub 488 nm z obydwoma szczytami emisji przy 515 nm. Emisja przy wzbudzeniu 488 nm jest specyficznie wrażliwa na ponadtlenek, jak wykazano w poprzednich kalibracjach in vitro i in vivo 17,18. Emisja przy wzbudzeniu 405 nm jest wykorzystywana jako kontrola wewnętrzna (szczegółowe informacje na temat widm emisji i wzbudzenia mt-cpYFP w różnych warunkach można znaleźć na rysunku 1 w odnośniku 17). Dzięki poklatkowemu obrazowaniu konfokalnemu wskaźnik ten wykrywa zdarzenia związane z produkcją ponadtlenków, zwane błyskami ponadtlenkami, w pojedynczych mitochondriach nienaruszonych komórek. Błysk ponadtlenkowy służy jako złożona funkcja oddychania mitochondrialnego, towarzysząc przejściowej depolaryzacji błony mitochondrialnej i produkcji ROS17-20. Niedawno wygenerowaliśmy transgeniczne myszy mt-cpYFP w obrębie tkanek przy użyciu wektora pUC-CAGGS-mt-cpYFP17,19 na tle C57 / BL6 i zweryfikowaliśmy silną ekspresję tego wskaźnika w sercu, mięśniach szkieletowych i innych tkankach (ryc. 2). Transgeniczne myszy będą dostępne dla zainteresowanych badaczy akademickich na żądanie i za zgodą MTA przez Uniwersytet Waszyngtoński.
W tym badaniu opisujemy obrazowanie in situ błysków ponadtlenkowych w perfundowanym sercu Langendorffa, jak również obrazowanie in vivo zdarzeń błyskowych w mięśniach szkieletowych znieczulonych myszy transgenicznych mt-cpYFP17,19. Technologia ta umożliwia monitorowanie w czasie rzeczywistym pojedynczych zdarzeń produkcji mitochondrialnych ROS w fizjologicznie istotnych warunkach lub in vivo 21,22. Możliwe jest również wykorzystanie systemu do monitorowania innych pojedynczych parametrów mitochondrialnych, takich jak potencjał błonowy i wapń, za pomocą odpowiednich wskaźników fluorescencyjnych. Ponadto można uzyskać jednoczesną lub równoległą ocenę funkcji mitochondriów ze zdarzeniami wewnątrzkomórkowymi (np. stany przejściowe wapnia) lub czynnością serca (np. frakcja wyrzutowa). Patologiczne zaburzenia, takie jak niedokrwienie i reperfuzja, można zastosować do perfundowanego serca w celu oceny wpływu stresu na funkcję pojedynczego mitochondria w nienaruszonym mięśniu sercowym.