$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Mitochondria odgrywają kluczową rolę w funkcjonowaniu komórek i homeostazie. Mitochondria są głównymi napędami metabolizmu komórkowego, regulując produkcję ATP poprzez fosforylację utleniającą. Służą również jako organella sygnałowe, które dyktując los komórki, regulują szlaki apoptotyczne, a także sygnał ROS i Ca+21. Tym samym, dysfunkcja mitochondriów może prowadzić do różnych chorób neurodegeneracyjnych, mięśniowych i układu krążenia2,3. Mimo że mitochondria odgrywają kluczową rolę w progresji chorób, ocena funkcji mitochondriów może być inwazyjna, kosztowna i ograniczona.
Kluczowe wskaźniki funkcji mitochondriów, takie jak wskaźnik zużycia tlenu, fosforylacja utleniająca i aktywność różnych kompleksów w łańcuchu transportu elektronowym (ETC), są mierzone za pomocą respirometrii. ETC składa się z czterech kompleksów (I–IV) osadzone w wewnętrznej błonie mitochondrialnej (IMM). Te kompleksy, z pomocą innych koenzymów, przenoszą elektrony z zredukowanych substratów, takich jak NADH i FADH2, do końcowego akceptora elektronów, O2, który jest następnie zredukowany do wody. Większość współczesnych testów respirometrii, takich jak Seahorse i Orobros O2k, wymaga przetwarzania tkanki, co ogranicza ich zastosowanie do badań translacyjnych4,5. Pomiar potencjału membran mitochondriów (MMP) to kolejna metoda oceny dysfunkcji mitochondriów, która wykorzystuje kationiczne lipofilowe fluorofory, takie jak JC-1, wraz z obrazowaniem mikroskopowym, gdzie sprzężone (zdrowe) i nie sprzężone (uszkodzone) mitochondria fluoreskują na różnych długościach fal6. Jednak te testy mogą mieć niską czułość5. Sam barwnik może również mieć wysoką cytotoksyczność w wysokich stężeniach5. Ostatnio, podobnie jak pomiary respirometrii, ta technika również wymaga przetwarzania tkanki. Techniki oparte na spektroskopii zostały ostatnio wykorzystane jako nieinwazyjne metody oceny zdrowia mitochondriów. Na przykład, Spektroskopia Rezonansu Magnetycznego Fosforu (P-MRS), metoda oceny metabolizmu komórkowego przez pomiar stężeń metabolitów zawierających fosfor, została wykorzystana do charakteryzacji inżynieryjnych tkanek adypogennych poddanych różnicowaniu7. Jednak ta technika również wymaga specjalistycznego sprzętu i szkolenia.
Nasza grupa niedawno zademonstrowała technikę czasu rzeczywistego, nieinwazyjną i wysoce specyficzną do pomiaru stanu redoks mitochondriów jako markera żywotności narządów przy użyciu Spektroskopii Rezonansu Ramana (RRS). RRS wykorzystuje nieelastyczne rozpraszanie fotonów do ilościowego określania stanów redoks cytochromów mitochondrialnych. Pierścienie porfiryny w hemowych częściach cząsteczek, takich jak cytochromy mitochondrialne, hemoglobina i mioglobina, wytwarzają charakterystyczne widmo Ramana w zależności od ich stopnia utlenienia po pobudzeniu laserem o długości fali 441 nm8. Chociaż system RRS wykorzystuje długość fali 441 nm, można również zastosować lasery o długości fali 420 nm i 405 nm, z których każdy preferencyjnie wzmacnia inny kompleks cytochromowy. Spektrum uzyskane z nieznanej próbki interesującej jest skontrastowane z wcześniej nagranym księgozbiorem w pełni utlenionych lub zredukowanych, nieuszkodzonych mitochondriów, dając stosunek zredukowanych do całkowitych mitochondriów lub średni stan redoks in situ cytochromów ETC. Stosunek ten jest definiowany jako Rezonansowy Raman Redukowany Stosunek Mitochondriów (3RMR).
Istnieją 3 odrębne obliczenia/typy 3RMR: mitochondrialny 3RMR (mito-3RMR), 3RMR kompleksu III (cIII-3RMR) i 3RMR kompleksu IV (cIV-3RMR). Każdy z tych indeksów jest obliczany przez ułamek zredukowany do liczby wszystkich danych składników. Na przykład 3RMR cIII byłby stosunkiem zredukowanego cIII do całkowitej liczby cIII w tkankach (cIII-R/(cIII-O+CIII-R). Ten sam wzorzec dotyczy cIV. Tym samym, 3RMR-cIII odnosiłby się do stosunku zredukowanego cIII do całkowitej ilości cIII, a 3RMR-cIV odnosiłby się do stosunku zredukowanego cIV do całkowitej ilości cIV. Poprzez analizę regresji, albo mitochondrialne stany redoks (mito-3RMR) są obliczane za pomocą bibliotek spektralnych nieuszkodzonych mitochondriów, albo pojedyncze stany redoks kompleksów (cIII-3RMR i cIV-3RMR) są obliczane za pomocą bibliotek spektralnych cIII i cIV. Niedawny artykuł9 wykazał, że mito-3RMR jest reprezentatywny dla ważonej średniej stanów redoks cIII i cIV (lub cIII-3RMR i cIV-3RMR). Ważne jest, aby zauważyć, że cI i cII nie są aktywne Ramanem ani resonantnie wzmacniane przez długość fali 441 nm. W konsekwencji nie są obliczane podczas obliczania mito-3RMR.
Wykorzystując te typy 3RMR, określiliśmy optymalny zakres 3RMR. W "zdrowych" narządach mitochondria są nietknięte i mają