$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Nieprawidłowości lub przeprogramowanie metabolizmu energii mitochondrialnej są kluczowe dla szerokiego spektrum zaburzeń, w tym neurodegeneracji, nowotworów, chorób zapalnych, schorzeń kardiometabolicznych oraz różnych zaburzeń genetycznych. Aby lepiej zrozumieć rolę metabolizmu mitochondrialnego w patogenezie chorób, opracowano kilka strategii analitycznych. Obejmują one pomiary tempa zużyciaO2 (OCR), tempa zakwaszenia zewnątrzkomórkowego (ECAR), ilościowości ATP, wykorzystania substratów, profilowanie lub analizę metabolitów cyklu Krebsa oraz śledzenie izotopów1. Wśród tych technik OCR pełni rolę kluczowego wskaźnika oddychania mitochondrialnego i można go oceniać za pomocą instrumentów takich jak wysokorozdzielcza respirometria (HRR; np. Oroboros O2k)2, elektroda typu Clark czy analizator strumienia zewnętrznego
System Oroboros O2k mierzy stężenieO2 w szczelnej komorze za pomocą polarograficznego czujnika Clark O2 (POS)3,4,5 i jest odpowiedni dla próbek takich jak izolowane mitochondria, komórki przepuszczalne oraz homogenity tkankowe. Składa się z katody ze złota/platyny, anody srebrnej oraz zbiornika elektrolitowego KCl, oddzielonych od próbkiprzepuszczalną i chemicznie odporną na fluorację etylen-propylenową o pojemności 25 μm, odporną chemicznie membraną z fluorowanego etylenpropylenu (FEP). Elektroda typu Clark3 pracuje również w zamkniętej komorze, wykrywając zmiany stężeniaO2 za pomocą elektrody czułej naO2, i jest powszechnie stosowana do izolowanych mitochondriów lub zawiesin komórkowych. Dla porównania, analizator strumienia zewnątrzkomórkowego ilościowo ilościowo określa OCR i ECAR w żywych komórkach przylegających lub izolowanych mitochondriach za pomocą czujników fluorescencjowych wbudowanych w mikropłytki, co umożliwia wysokoprzepustowe profilowanie metaboliczne. Praktyczną zaletą platformy analizatora strumienia zewnętrznego jest zautomatyzowana, wieloparametryczna ocena równolegle dla wielu warunków, podczas gdy systemy zamkniętokomorowe (np. elektrody typu HRR lub Clark) zazwyczaj zapewniają niższą przepustowość i wymagają większej obsługi ręcznej.
Analizator strumienia zewnątrzkomórkowego jest szczególnie przydatny do oceny funkcji mitochondriów w nienaruszonych komórek przylegających lub komórkach zawiesin, które osadzają się na dole mikropłytki. W testach z wykorzystaniem nienaruszonych komórek adherentnych metamorfozę mitochondrialną można profilować za pomocą substratów takich jak glukoza lub pirokrowinian6. Alternatywnie, testy wykorzystujące niewielkie ilości wzbogaconych frakcji mitochondrialnych pozwalają na sekwencyjne pomiary oddechu bazalnego, oddychania stymulowanego ADP (stan 3), oddechu spoczynkowego (stan 4) oraz oddychania stymulowanego przez niespojliwe z wykorzystaniem kombinacji substratów i inhibitorów7. Jednak w nienaruszonych układach komórkowych metabolity cyklu kwasu trikarboksylowego (TCA), które nie są przepuszczalne dla komórek, nie mogą być użyte do bezpośredniej oceny ich metabolizmu. Natomiast izolowane mitochondria pozwalają na wykorzystanie takich metabolitów ze względu na brak barier z błony plazmatycznej. Analiza izolowanego wzbogaconego podejścia mitochondrialnego ma ograniczenia: struktura mitochondriów może ulegać zmianom podczas izolacji, a czynniki cytosolowe wpływające na metabolizm mitochondrialny i transport metabolitów są ograniczone lub nieobecne. W związku z tym selektywne metody permeabilizacji są często stosowane jako kompromis, który pozwala zachować elementy architektury komórkowej, jednocześnie umożliwiając kontrolowany dostęp do mitochondriów. Aby przezwyciężyć ograniczenia związane z wykorzystaniem nienaruszonych komórek lub izolowanych mitochondriów do testów metabolicznych, protokół ten opisuje metodę permeabilizacji komórek adherentnego neuroblastoma (BE(2)-C) za pomocą digitoniny. Takie podejście ułatwia import metabolitów, które nie były przenikliwe do komórek, przez błonę plazmatyczną, jednocześnie utrzymując funkcjonalne odpowiedzi mitochondrialne na określone substraty i inhibitory.
Selektywność digitoniny opiera się na różnicach w składzie lipidów błonowych: błona plazmatyczna jest bogata w cholesterol, podczas gdy błony mitochondrialne — szczególnie błona mitochondrialna wewnętrzna — zawierają bardzo mało cholesterolu. W niskich stężeniach digitonina (lub saponina) selektywnie i całkowicie przepuszcza błonę plazmatową ze względu na wysoką zawartość cholesterolu, podczas gdy błony mitochondrialne są dotknięte tylko przy wyższych stężeniach 9,10. Cyfrytonina wiąże się z cholesterolem i tworzy pory w błonie plazmatycznej, umożliwiając małym cząsteczkom, takim jak pośrednie składniki cyklu TCA, dostanie się do cytosolu bez zakłócania struktury lub funkcji mitochondriów, jeśli jest odpowiednio optymalizowana. To podejście najlepiej sprawdza się w komórkach hodowanych, które można powtórnie pokrywać jako przylegające monowarstwy w mikropłytce analizatora strumienia zewnątrzkomórkowego i wymaga empirycznej miareczki stężenia digitoniny dla każdego typu komórki i gęstości zasiew. Wskaźniki operacyjne zachowanej integralności mitochondrialnej obejmują silne, na inhibitory wrażliwe odpowiedzi OCR (np. oczekiwane spadki przy rotenonie/antymycynie A oraz nienaruszone oddychanie sterowane kompleksem IV przy ascorbate/TMPD), a także brak zapadania się OCR, które sygnalizowałoby nadprzepuszczalność. Dlatego optymalizacja digitoniny powinna być przeprowadzona przed porównaniami eksperymentalnymi i powtarzana za każdym razem, gdy zmieniają się warunki hodowli lub gęstość komórek. Ponadto optymalne stężenie digitoniny różni się w zależności od typu komórki i musi być empirycznie określone, aby ustanowić okno permeabilizacji umożliwiające wejście substratów nieprzepustnych (np. sukcynanu), przy jednoczesnym zachowaniu funkcji mitochondriów wrażliwych na inhibitory. W niniejszym badaniu ilustrujemy tę zasadę, optymalizując digitoninę nie tylko w komórkach BE(2)-C, ale także w komórkach HEK293 oraz pierwotnych neuronach grzbietowych korzenia szczura (DRG).
Protokół ten został zademonstrowany przy użyciu komórek neuroblastoma BE(2)-C, które pierwotnie zostały wyizolowane z mózgu męskiego pacjenta z neuroblastomą. Komórki BE(2)-C wyrażają różne receptory muscarinowe, szczególnie receptor cholinergiczny muskarynowy typu 1 (CHRM1). W naszych wcześniejszych badaniach wykazaliśmy, że CHRM1 jest związany z mitochondriami zarówno w ciałach komórkowych, jak i neuritach hodowanych neuronów zwojowych grzbietowych szczurów, a takżew komórkach HEK293 transfekowanych przez CHRM1. Ponadto genetyczne usuwanie Chrm1 u myszy zmienia wiele aspektów struktury i funkcji mitochondriów12,13. Dlatego zakładamy, że komórki BE(2)-C mogą być wykorzystane do badania modulacyjnych wpływów ligandów muskarynowych na funkcjonowanie OXPHOS. W tej demonstracji badaliśmy wpływ środków muskarynowych — w tym agonistycznej acetylocholiny, stronniczego antagonisty pirenzepiny14 oraz antagonisty atropiny — na oddychanie mitochondrialne w obecności sukcynianu lub pirosiernianu/malata jako substratów oraz porównaliśmy ich wpływ.