Este protocolo descreve um método fácil de usar para examinar a oxidação do substrato rastreando a produção de 14CO2 in vitro.
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Artigo de método
Este protocolo descreve um método fácil de usar para examinar a oxidação do substrato rastreando a produção de 14CO2 in vitro.
Mitocôndrias hospedam o maquinário para o ciclo de ácido tricarboxílico (TCA) e cadeia de transporte de elétrons (ETC), que geram triptosfato de adenosina (ATP) para manter a homeostase energética. Glicose, ácidos graxos e aminoácidos são os principais substratos de energia que alimentam a respiração mitocondrial na maioria das células somáticas. Evidências mostram que diferentes tipos de células podem ter uma preferência distinta por certos substratos. No entanto, a utilização do substrato por várias células no esqueleto não foi estudada em detalhes. Além disso, como o metabolismo celular está sintonizado com alterações fisiológicas e fisiodicos, avaliações diretas da dependência de substratos em células esqueléticas podem fornecer insights importantes sobre a patogênese das doenças ósseas.
O protocolo a seguir baseia-se no princípio da liberação de dióxido de carbono de moléculas de substrato após a fosforilação oxidativa. Ao usar substratos contendo átomos de carbono radioativos rotulados (14C), o método fornece um ensaio sensível e fácil de usar para a taxa de oxidação de substrato na cultura celular. Um estudo de caso com preosteoblasts primários do calvário versus macrófagos derivados da medula óssea (MMC) demonstra diferente utilização dos principais substratos entre os dois tipos de células.
A fosforilação oxidativa (OXPHOS) em eucariotes é o processo pelo qual os nutrientes são divididos dentro das mitocôndrias para liberar energia química na forma de ATP através do consumo de oxigênio. O catabolismo de vários substratos dentro das mitocôndrias através do ciclo do ácido tricarboxílico (TCA) gera poucas moléculas de ATP diretamente, mas armazena energia através da redução dos portadores de nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+) e dinucleotídeo de adenina flavin (FAD+). Os portadores reduzidos são então oxidados por ETC localizados na membrana interna das mitocôndrias para gerar um gradiente de concentração de prótons através da membrana. Os prótons eventualmente fluem de volta para a matriz mitocondrial através da synthase ATP para produzir ATP. Oxphos é o meio mais eficiente de produção de ATP a partir de substratos de energia e geralmente preferido em ambientes aeróbicos. Anteriormente, a produção de glicólise aeróbica de lactato a partir da glicose, enquanto o oxigênio está presente- pensava-se ser fiofosiológica, muitas vezes uma marca registrada das células cancerosas. Cada vez mais, está sendo descoberto que alguns tipos normais de células usam glicolise aeróbica por razões que ainda não foram totalmente decifradas.
Flexibilidade metabólica é a capacidade de células ou organismos se adaptarem às mudanças nas demandas energéticas e às fontes de combustível disponíveis. Por exemplo, a demanda energética do músculo esquelético é atendida principalmente pelo OXPHOS em estado estável, mas por glicólise anaeróbica durante o exercício de alta intensidade1. À medida que a duração do exercício aumenta, a oxidação da glicose e do ácido graxo contribuem mais para a produção global de energia2. No entanto, o uso de substrato não depende apenas da disponibilidade, pois substratos competem antagonistamente durante a oxidação. Mais notavelmente, a oxidação por ácidos graxos tem sido demonstrada para inibir a utilização da glicose pelo músculo esquelético em um fenômeno conhecido como efeito Randle3. Um efeito recíproco foi demonstrado pelos estudos subsequentes 4,5. Além disso, muitas doenças estão associadas à mudança na preferência por substrato e ao desenvolvimento da inflexibilidade metabólica nas células. Por exemplo, a oxidação por ácidos graxos é reduzida no músculo esquelético dos pacientes diabéticos tipo II em comparação com os sujeitos de controle normal6. As alterações metabólicas nos cenários da doença são objeto de intensa investigação, pois podem contribuir para a patogênese.
O metabolismo energético nos tipos de células esqueléticas é relativamente pouco estudado, mas ganhou atenção nos últimos anos7. Trabalhos anteriores mostraram que a glicólise aeróbica é a via de energia dominante nos osteoblastos calvariais, enquanto a oxidação da glicose através do ciclo TCA desempenha um papel na formação osteoclasta 8,9. Outros forneceram evidências de ácidos graxos como fonte de energia para os osteoblastos10. O catabolismo da glutamina também tem sido demonstrado para apoiar a diferenciação do osteoblasto dos progenitores11,12. No entanto, ainda falta uma compreensão abrangente da utilização de substratos por vários tipos de células esqueléticas. Além disso, espera-se que mudanças no metabolismo celular durante a diferenciação celular ou em resposta a sinais patológicos alterem a utilização do substrato de combustível. Descrito abaixo é um protocolo fácil de usar para avaliar a oxidação de substrato in vitro.
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O uso de materiais radioativos (RAM) requer aprovação prévia por um comitê de segurança designado em cada instituição. Os RAMs usados neste protocolo foram aprovados pela Environmental Health & Radiation Safety (EHRS) na Universidade da Pensilvânia. O uso de animais requer aprovação prévia do Comitê Institucional de Atenção e Uso de Animais (IACUC) na instituição de origem. O estudo seguinte foi aprovado pela IACUC no Hospital Infantil da Filadélfia.
1. Preparação de soluções de estoque para substratos rotulados em C
2. Preparação de meio contendo substratos rotulados em C
NOTA: Para garantir concentrações confiáveis de substratos de energia na mídia, as mídias personalizadas devem ser usadas com substratos frescos adicionados pouco antes do uso. Aqui, é utilizado um meio essencial mínimo personalizado (MEMα) sem glicose, piruvato, glutamina, vermelho fenol ou bicarbonato de sódio. No entanto, um meio ideal deve ser determinado para cada tipo de célula.
3. Preparação de células
NOTA: Preosteoblasts calvariais e macrófagos de medula óssea são usados como exemplos aqui. Os usuários devem preparar seu tipo de escolha celular de acordo com os protocolos apropriados. Otimize a concentração de colagenase II para ser usada para digestão em experimentos piloto, pois a atividade enzimática pode variar entre diferentes lotes.
4. Ensaio de oxidação de substrato com armadilha de CO2
NOTA: Uma densidade de semeadura adequada deve ser determinada para que cada tipo de célula atinja 80-90% de confluência antes do início do ensaio. Note que a densidade celular pode afetar o estado metabólico das células.
5. Análise de dados
NOTA: Supondo que cada substrato esteja totalmente oxidado para liberar CO2, a taxa de oxidação do substrato pode ser calculada a partir da radioatividade de CO2 preso.
(1)Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Neste exemplo, o método de captura de CO2 é usado para comparar a oxidação do substrato por preosteoblasts pré-sísceros do calvário primário versus BMMs, que são frequentemente usados para a diferenciação de osteoblasto in vitro ou osteoclasta, respectivamente. Depois que as células primárias são passaged e cultivadas em cMEMα durante a noite, elas normalmente atingem 80-90% de confluência e exibem sua morfologia característica. Os preosteoblastas calvariais são notavelmente maiores que os BMMs (
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O protocolo fornece um método fácil de usar para determinar a taxa de oxidação dos principais substratos de energia. É uma alternativa mais simples a outros protocolos que usam frascos contendo um poço central e tampados com rolhas de borracha 14,15,16. Embora o exemplo de estudo aqui seja realizado com cultura celular, o método pode ser facilmente adaptado para explantos teciduais ou homogeneizadores de tecidos contendo mitocôn...
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Os autores não declaram conflitos de interesse.
O trabalho foi apoiado em parte pela concessão do NIH R01 AR060456 (FL). Agradecemos ao Dr. Michael Robinson e Elizabeth Krizman (Hospital Infantil da Filadélfia) por sua generosa ajuda com o contador de cintilação.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| 0,22 µ m filtros | Sigma-Aldrich | SLGVM33RS | Usado para filtrar a solução BSA |
| 0,25% Tripsina-EDTA | Gibco | 25200056 | Dissociar células de placas de cultura de células Tubos |
| Eppendorf de 1,5 mL | PR1MA | PR MCT17 RB | Usado para incubação de reação |
| Placas de 10 cm | TPP | 93100 | Usado para cultura de células |
| Seringa de 10 mL | BD | 302995 | Usado para lavar a medula de ossos longos |
| 10% FBS | Atlanta biologicals | S11550 | Para preparação de meio de cultura de células |
| 14C-Glucose | PerkinElmer | NEC042X050UC | Usado para fazer meios |
| quentes14C-glutamina | PerkinElmer | NEC451050UC | Usado para fazer meios |
| quentes14C-oleato | PerkinElmer | NEC317050UC | Usado para fazer mídia quente |
| Agulha de 23 G | BD | 305120 | Usado para lavar medula de ossos longos |
| Placas de 24 poços | TPP | 92024 | Usado para cultura de células |
| 70 μ filtros de células m | MIDSCI | 70CELL | Usado para filtrar o sobrenadante durante a digestão cavarial |
| Corante Acridine Orange/Propidium Iodide (AO/PI) | Nexcelom Biosciences | CS2-0106 | Cora células vivas para determinar a densidade da semente Soro |
| bovino Ablumin | Proliant Biologicals | 68700 | Usado para conjugação de ácidos graxos |
| Celômetro Auto 2000 | Nexcelom Biosciences | Determinar o número de células viáveis | |
| Centrifuge | Thermo Fisher | Legend Micro 21R | Usado para pellet células |
| Colagenase tipo II | Worthington | LS004176 | Dissociar células do tecido |
| MEM alfa personalizado | GIBCO | SKU: ME 18459P1 | Usado para criar meios quentes personalizados |
| Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline | Gibco | 10010023 | Usado para dissolver e diluir reagentes, e lavar pratos de cultura |
| Papel de Filtro | Millipore-Sigma | WHA1001090 | Armadilhas CO2 com hidróxido de sódio |
| Glicose | Sigma-Aldrich | g7528 | Usado para fazer meios personalizados |
| HEPES | Gibco | 15630080 | Armadilhas CO2 durante a cultura de células |
| L-carnitina | Sigma-Aldrich | C0283 | Suplementado para oxidação de ácidos graxos |
| L-Glutamina | Sigma-Aldrich | g3126 | Usado para fazer meios personalizados |
| MEM alpha | Thermo | A10490 | Meio de cultura celular |
| Parafilm | Pecheney Plastic Packaging | PM998 | Usado para selar placas de cultura |
| de células Penicilina-estreptomicina | Thermo Fisher | 15140122 | Previne a contaminação em cultura de células |
| Ácido Perclórico | Sigma-Aldrich | 244252 | Libera CO2 durante o ensaio metabólico |
| Pyruvate | Sigma-Aldrich | p5280 | Usado para fazer meios personalizados |
| Contador de Cintilação | Beckman Coulter | LS6500 | Determina a radioatividade do papel de filtro |
| Fluido de Cintilação | MP Biomedicals | 882453 | Absorva a energia emitida pelas RAMs e reemite-a como flashes de luz |
| Frasco de cintilação Fisher | Scientific | 03-337-1 | Recipientes de reação para fluido de cintilação |
| Carbonato de sódio | Sigma-Aldrich | S5761 | Tampão de equilíbrio para meio |
| Hidróxido de sódio | Sigma-Aldrich | 58045 | Retém CO2 durante o ensaio de metaboilização |
| Oleato | de sódioSANTA CRUZ | SC-215879 | BSA preparação de ácidos graxos conjugados |
| Filtração a vácuo 1000 | TPP | 99950 | Filtro cMEMα |
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