Opisujemy stopniowe protokoły mierzące oddychanie mitochondrialne mysich i ludzkich neutrofili oraz komórek HL60 za pomocą analizatora metabolicznego przepływu zewnątrzkomórkowego.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Opisujemy stopniowe protokoły mierzące oddychanie mitochondrialne mysich i ludzkich neutrofili oraz komórek HL60 za pomocą analizatora metabolicznego przepływu zewnątrzkomórkowego.
Neutrofile są pierwszą linią obrony i najliczniejszymi leukocytami u ludzi. Te komórki efektorowe pełnią takie funkcje, jak fagocytoza i wybuch oksydacyjny, a także tworzą zewnątrzkomórkowe pułapki neutrofili (NET) w celu usunięcia drobnoustrojów. Nowe informacje na temat aktywności metabolicznej neutrofili podważają wczesną koncepcję, że opierają się one głównie na glikolizie. Precyzyjny pomiar aktywności metabolicznej może ujawnić różne wymagania metaboliczne neutrofili, w tym cykl kwasu trikarboksylowego (TCA) (znany również jako cykl Krebsa), fosforylację oksydacyjną (OXPHOS), szlak pentozofosforanowy (PPP) i utlenianie kwasów tłuszczowych (FAO) w warunkach fizjologicznych i w stanach chorobowych. W tym artykule opisano krok po kroku protokół i wymagania wstępne dotyczące pomiaru wskaźnika zużycia tlenu (OCR) jako wskaźnika oddychania mitochondrialnego na neutrofilach pochodzących ze szpiku kostnego myszy, neutrofilach pochodzących z ludzkiej krwi i neutrofilopodobnej linii komórkowej HL60 podobnej do neutrofili, przy użyciu analizy strumienia metabolicznego na analizatorze strumienia metabolicznego zewnątrzkomórkowego. Metoda ta może być stosowana do ilościowego określania funkcji mitochondrialnych neutrofili w warunkach normalnych i chorobowych.
Mitochondria odgrywają główną rolę w bioenergetyce komórek, która wytwarza adenozynotrójfosforan (ATP) poprzez fosforylację oksydacyjną (OXPHOS). Oprócz tego rola mitochondriów rozciąga się na wytwarzanie i detoksykację reaktywnych form tlenu, cytoplazmatyczną i mitochondrialną macierz regulację wapnia, syntezę komórkową, katabolizm i transport metabolitów w komórce1. Oddychanie mitochondrialne jest niezbędne we wszystkich komórkach, ponieważ ich dysfunkcja może powodować problemy metaboliczne2, w tym choroby sercowo-naczyniowe3 i wiele innych chorób neurodegeneracyjnych, takich jak zwyrodnienie plamki żółtej związane z wiekiem4, choroby Parkinsona i Alzheimera5 oraz choroba Charcota-Marie-Tootha 2 A (CMT2A)6.
Badania mikroskopowe neutrofili wykazały, że mitochondriów jest stosunkowo niewiele7, a ich produkcja energii opiera się głównie na glikolizie, ponieważ tempo oddychania mitochondriów jest bardzo niskie8. Jednak mitochondria mają kluczowe znaczenie dla funkcji neutrofili, takich jak chemotaksja9 i apoptoza10,11,12. Poprzednie badanie ujawniło złożoną sieć mitochondrialną w ludzkich neutrofilach o wysokim potencjale błonowym. Utrata potencjału błony mitochondrialnej jest wczesnym wskaźnikiem apoptozy neutrofili10. Leczenie mitochondrialnym cyjankiem karbonylu cyjanku m-chlorofenylu (CCCP) wykazało znaczące hamowanie chemotaksji, wraz ze zmianą morfologii mitochondriów9,10.
Chociaż głównym źródłem energii dla neutrofili jest glikoliza, mitochondria dostarczają ATP, które inicjuje aktywację neutrofili poprzez napędzanie pierwszej fazy sygnalizacji purynergicznej, która wzmacnia sygnalizację Ca2+, wzmacnia produkcję ATP w mitochondriach i inicjuje funkcjonalne reakcje neutrofili13. Dysfunkcja mitochondrialnego łańcucha oddechowego powoduje nadmierną produkcję toksycznych reaktywnych form tlenu (ROS) i prowadzi do uszkodzeń chorobotwórczych14,15,16. NEToza, czyli proces tworzenia zewnątrzkomórkowych pułapek neutrofili (NET), jest kluczową właściwością neutrofili, która pomaga im w walce z patogenami17 i przyczynia się do wielu stanów patologicznych, w tym raka, zakrzepicy i zaburzeń autoimmunologicznych18. ROS pochodzące z mitochondriów przyczyniają się do NETosis19, mitochondrialne DNA może być składnikiem NETs18, a zmieniona homeostaza mitochondriów upośledza NETosis20,21,22,23,24. Ponadto, podczas normalnego różnicowania lub dojrzewania, przeprogramowanie metaboliczne neutrofili zostaje odwrócone poprzez ograniczenie aktywności glikolitycznej i angażują się one w oddychanie mitochondrialne i mobilizują wewnątrzkomórkowe lipidy25,26.
Analizator metabolicznego strumienia zewnątrzkomórkowego może stale monitorować i określać ilościowo oddychanie mitochondrialne i glikolizę żywych komórek. Analizator wykorzystuje 96-dołkowy wkład czujnika w formacie płytki i dwa fluorofory do ilościowego określania stężenia tlenu (O2) i zmian pH. Wkład czujnika znajduje się nad monowarstwą komórki podczas testu i tworzy mikrokomorę o wysokości ~200 nm. Wiązki światłowodów w analizatorze służą do wzbudzania fluoroforów i wykrywania zmian intensywności fluorescencji. Zmiany stężeniaO2 i pH w czasie rzeczywistym są automatycznie obliczane i pokazywane jako wskaźnik zużycia tlenu (OCR) i wskaźnik zakwaszenia zewnątrzkomórkowego (ECAR). Na kartridżu czujnika znajdują się cztery porty, które umożliwiają załadowanie do czterech związków do każdego dołka podczas pomiarów testowych. Protokół ten koncentruje się na ilościowym określeniu oddychania mitochondrialnego neutrofili myszy i ludzi, a także neutrofilopodobnych komórek HL60, przy użyciu analizatora metabolicznego strumienia zewnątrzkomórkowego.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Próbki pełnej krwi z dodatkiem heparyny pobrano od zdrowych dawców ludzi po uzyskaniu świadomej zgody, zgodnie z zatwierdzeniem przez Institutional Review Board UConn Health oraz zgodnie z Deklaracją Helsińską. Wszystkie doświadczenia na zwierzętach przeprowadzono zgodnie z wytycznymi Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) UConn Health, a zgodę na wykorzystanie gryzoni uzyskano z IACUC UConn Health zgodnie z kryteriami opisanymi w Guide for the Care and Use of Laboratory Animals National Institutes of Health. W badaniu wykorzystano samce myszy C57BL/6 w wieku 6 tygodni.
1. Przygotowanie płytki 96-dołkowej do analizy metabolicznego przepływu zewnątrzkomórkowego
2. Przygotowanie i wysiew komórek

Rycina 1: Schemat izolacji komórek szpiku kostnego i neutrofili. (A) Pozyskiwanie komórek szpiku kostnego od myszy oraz (B) izolacja neutrofili z krwi ludzkiej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
| Typ komórki | Liczba komórek na studzienkę | Związki/Odczynniki | Stężenie roztworu roboczego | Objętość wtrysku do portów | Stężenie końcowe w studzienkach |
| Neutrofile mysie | 2 × 105 | Oligomycyna | 25 µM | 20 µL | 2.5 µM |
| FCCP | 7.5 µM | 17.6 µL | 0.61 µM | ||
| mieszanina rotenonu i antymycyny A | 10 µM | 24 µL | 1 µM | ||
| Neutrofile ludzkie | 4 × 105 | Oligomycyna | 10 µM | 20 µL | 1 µM |
| FCCP | 12.5 µM | 22 µL | 1.25 µM | ||
| mieszanina rotenonu i antymycyny A | 10 µM | 24 µL | 1 µM | ||
| Nieróżnicowane lub zróżnicowane komórki HL60 | 2.5 × 105 | Oligomycyna | 25 µM | 20 µL | 2.5 µM |
| FCCP | 15 µM | 22 µL | 1.5 µM | ||
| mieszanina rotenonu i antymycyny A | 10 µM | 24 µL | 1 µM |
Tabela 1: Liczba komórek i stężenia odczynników dla testu stresu mitochondrialnego.
3. Przygotowanie związków w zestawie do testu stresu mitochondrialnego

Rysunek 2: Kaseta do analizy stresu mitochondrialnego oraz jej porty wtryskowe.Na obrazie przedstawiono kasetę do analizy stresu mitochondrialnego oraz powiększony widok pokazujący wprowadzanie poszczególnych leków/pośredek do portów. Skrót: FCCP = karbonylocyjanek p-trifluorometoksyfenylohydrazonu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
4. Wykonanie testu stresu mitochondrialnego
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedstawiono reprezentatywną dynamikę OCR, wskazującą na zmiany w oddychaniu mitochondrialnym w odpowiedzi na oligomycynę, FCCP oraz mieszaninę rotenonu/antymycyny A w neutrofilach myszy (Rycina 3A), neutrofilach ludzkich (Rycina 3B) oraz nieróżnicowanych i zróżnicowanych komórkach HL60 (Rycina 3C). We wszystkich komórkach traktowanie oligomycyną obniża wartość OCR poprzez hamowanie kanału protonowego syntazy ATP; traktowanie FCCP ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Standardowa procedura, która mierzy oddychanie mitochondrialne neutrofili za pomocą metabolicznego analizatora strumienia zewnątrzkomórkowego, jest ograniczona przez wiele czynników, w tym liczbę komórek, wzrost komórek i żywotność. Stężenie każdego związku różni się w zależności od typu i źródła komórek w tym teście. Oligomycyna i rotenon/antymycyna A są najczęściej stosowane w podobnym stężeniu wśród większości typów komórek. Ponieważ jednak maksymalna częstość oddechów wywołana przez FCCP różni się w zależności od róż...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak konkurencyjnych interesów finansowych.
Dziękujemy dr Anthony T. Vella i dr Federice Aglianoin z Wydziału Immunologii UConn Health za ich szkolenie w zakresie korzystania z analizatora metabolicznego przepływu zewnątrzkomórkowego, oraz dr Lynn Puddington z Wydziału Immunologii UConn Health za jej wsparcie dla tych instrumentów. Dziękujemy dr Genewie Hargis z UConn School of Medicine za jej pomoc w pisaniu naukowym i redagowaniu tego manuskryptu. Badania te były wspierane przez granty z National Institutes of Health, National Heart, Lung and Blood Institute (R01HL145454), National Institute of General Medical Sciences (R35GM147713 i P20GM139763), fundusz startowy z UConn Health oraz stypendium Career Re-entry od American Association of Immunologs.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 37 &stopnie; C bez CO2 inkubator | Precision | Economy Model 2EG | Instrument |
| Biorender | Software | ||
| Application Centrifuge | Eppendorf | Model 5810R | Instrument |
| Corning Cell-Tak Klej do komórek i tkanek | Odczynnik Corning | 102416-100 | |
| Magnes EasySep | Magnes | STEMCELL | 18000 |
| Zestaw do wzbogacania neutrofili EasySepMouse Odczynniki | Graphpad | ||
| Prism 9 | Aplikacja oprogramowania | ||
| Roztwór albuminy ludzkiej surowicy (25%) | Odczynniki | ||
| Ketamina (VetaKet) | DAILYMED | NDC 59399-114-10 | Znieczulenie |
| PBS | Cytiva | SH30256.01 | Odczynniki |
| Wiadra na talerze | Akcesorium | Eppendorf | UL155 |
| PolymorphPrep | PROGEN | 1895 (poprzedni 1114683) | roztwór polisacharydowy |
| Oczyszczone mysie przeciwciało anty-ludzkie CD18 | Biolegend | 302102 | Klon TS1/18 |
| RPMI 1640 Medium | Gibco | 11-875-093 | Odczynniki |
| Analizator metabolicznego strumienia zewnątrzkomórkowego konika morskiego | Instrument Agilent | XFe96 | |
| Zestaw do testów wysiłkowych Seahorse XF Cell Mito | Zestaw do testu wysiłkowego mitochondriów | Agilent | 103015-100 |
| Wirnik | Eppendorf | A-4-62 | Rotor |
| Vactrap 2 Pułapka próżniowa | Fox Nauki biologiczne | 3052101-FLS | Aplikacja oprogramowania Instrument |
| Wave | |||
| XF 1.0 M Roztwór glukozy | Agilent | 103577-100 | Odczynnik |
| XF 100 mM Roztwór pirogronianu | Agilent | 103578-100 | Odczynnik |
| XF 200 mM Roztwór glutaminy | Agilent | 103579-100 | Odczynnik |
| XF DMEM medium | Agilent | 103575-100 | Odczynnik |
| XFe96 FluxPak | Agilent | 102601-100 | Materiał |
| Ksylazyna (AnaSed Injection) | DAILYMED | NDC 59399-110-20 | Znieczulenie |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.