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Research Article
Elena Levi-D’Ancona1,2, Vaibhav Sidarala1, Scott A. Soleimanpour1,3,4
1Department of Internal Medicine, Division of Metabolism, Endocrinology and Diabetes,University of Michigan, Ann Arbor, 2Graduate Program in Immunology,University of Michigan Medical School, 3Department of Molecular and Integrative Physiology,University of Michigan, Ann Arbor, 4VA Ann Arbor Healthcare System
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Este protocolo descreve dois métodos para a análise quantitativa da mitofagia em células β pancreáticas: primeiro, uma combinação de corantes específicos para mitocôndrias permeáveis a células e, segundo, um repórter de mitofagia codificado geneticamente. Essas duas técnicas são complementares e podem ser empregadas com base em necessidades específicas, permitindo flexibilidade e precisão na abordagem quantitativa do controle de qualidade mitocondrial.
A mitofagia é um mecanismo de controle de qualidade necessário para manter a função mitocondrial ideal. A mitofagia disfuncional de células β resulta em liberação insuficiente de insulina. Avaliações quantitativas avançadas de mitofagia geralmente requerem o uso de repórteres genéticos. O modelo de camundongo mt-Keima, que expressa uma sonda de dupla excitação sensível ao pH para quantificar a mitofagia via citometria de fluxo, foi otimizado em células β. A razão entre as emissões de comprimento de onda mt-Keima ácido-neutro pode ser usada para quantificar robustamente a mitofagia. No entanto, o uso de mitofagia genética pode ser um desafio ao trabalhar com modelos genéticos complexos de camundongos ou células difíceis de transfectar, como ilhotas humanas primárias. Este protocolo descreve um novo método complementar baseado em corantes para quantificar a mitofagia de células β em ilhotas primárias usando MtPhagy. A MtPhagy é um corante celular sensível ao pH que se acumula nas mitocôndrias e aumenta sua intensidade de fluorescência quando as mitocôndrias estão em ambientes de pH baixo, como os lisossomos durante a mitofagia. Combinando o corante MtPhagy com Fluozin-3-AM, um indicador de Zn2+ que seleciona para células β, e Tetrametilrodamina, éster etílico (TMRE) para avaliar o potencial de membrana mitocondrial, o fluxo de mitofagia pode ser quantificado especificamente em células β via citometria de fluxo. Essas duas abordagens são altamente complementares, permitindo flexibilidade e precisão na avaliação do controle de qualidade mitocondrial em inúmeros modelos de células β.
As células β pancreáticas produzem e secretam insulina para atender às demandas metabólicas, e a disfunção das células β é responsável pela hiperglicemia e pelo aparecimento de diabetes tanto no diabetes tipo 1 quanto no tipo 2. As células β acoplam o metabolismo da glicose à secreção de insulina via produção energética e metabólica mitocondrial, que dependem de uma reserva de massa mitocondrial funcional 1,2,3. Para manter a função ótima das células β, as células β dependem de mecanismos de controle de qualidade mitocondrial para remover mitocôndrias envelhecidas ou danificadas e preservar a massa mitocondrial funcional4. A autofagia mitocondrial seletiva, também conhecida como mitofagia, é um componente-chave da via de controle de qualidade mitocondrial.
Avaliações de mitofagia em células vivas geralmente dependem de mudanças no pH mitocondrial que ocorrem durante a mitofagia. As mitocôndrias têm um pH ligeiramente alcalino, e as mitocôndrias saudáveis normalmente residem no citosol neutro em pH. Durante a mitofagia, mitocôndrias danificadas ou disfuncionais são seletivamente incorporadas aos autofagossomos e, eventualmente, eliminadas dentro dos lisossomos ácidos5. Vários modelos de mitofagia transgênica in vivo em camundongos, como mt-Keima6, mitoQC7 e CMMR8, bem como sondas transfectáveis de mitofagia, como o plasmídeo Cox8-EGFP-mCherry9, utilizam essa mudança de pH para fornecer avaliações quantitativas da mitofagia. O uso de camundongos transgênicos expressando a sonda de dupla excitação mt-Keima-sensível ao pH foi otimizado para avaliações de mitofagia em ilhotas e células β por citometria de fluxo10,11. A razão entre as emissões ácidas/neutras do comprimento de onda mt-Keima (a razão entre a excitação ácida de 561 nm e a excitação neutra de 480 nm) pode ser usada para quantificar robustamente a mitofagia 6,12.
Este protocolo descreve uma abordagem otimizada para avaliar o fluxo de mitofagia em ilhotas primárias e células β isoladas de camundongos transgênicos mt-Keima10,11. Embora a mt-Keima seja uma sonda altamente sensível, ela requer esquemas complicados de melhoramento animal ou a transfecção de células, o que muitas vezes pode ser desafiador quando se trabalha em combinação com outros modelos genéticos ou com ilhotas humanas primárias. Além disso, o uso de múltiplos lasers e detectores de fluorescência para identificar populações de células neutras e ácidas pode limitar o uso combinatório de outros repórteres fluorescentes.
Para superar esses desafios, este protocolo também descreve um método complementar, de canal único fluorescente, baseado em corantes para detecção robusta de mitofagia em células-β de ilhotas isoladas de camundongos. Esta abordagem, conhecida como método MtPhagy, utiliza uma combinação de três corantes permeáveis a células para selecionar células β, quantificar as populações celulares ativamente submetidas à mitofagia e avaliar o potencial de membrana mitocondrial (MMP ou Δψm) simultaneamente.
O primeiro desses corantes é o Fluozin-3-AM, um indicador Zn2+ permeável a células com um Ex/Em 494/516 nm13. As ilhotas de camundongos compreendem uma população heterogênea de células funcionalmente distintas, incluindo células α, β, δ e PP. As células-β compreendem aproximadamente 80% das células dentro da ilhota de camundongo e podem ser distinguidas de outros tipos de ilhotas devido à sua alta concentração de Zn2+ dentro dos grânulos de insulina14,15, permitindo a identificação de células-β comoa alta população de Fluozina-3-AM. O corante MtPhagy, um corante sensível ao pH que é imobilizado na mitocôndria através de uma ligação química e emite fluorescência fraca, também é utilizado neste protocolo16. Após a indução da mitofagia, as mitocôndrias danificadas são incorporadas ao lisossomo ácido, e o corante MtPhagy aumenta sua intensidade de fluorescência dentro do ambiente de pH baixo (Ex/Em 561/570-700 nm).
Além disso, a tetrametilrodamina, éster etílico (TMRE), é usada para avaliar a MMP. TMRE é um corante permeável a células com carga positiva (Ex/Em 552/575 nm) que é sequestrado por mitocôndrias saudáveis devido à carga negativa relativa sustentada por seu potencial de membrana17. Mitocôndrias danificadas ou insalubres dissipam seu potencial de membrana, resultando na diminuição da capacidade de sequestrar TMRE. Utilizando esses corantes em conjunto, as células β submetidas à mitofagia podem ser identificadas como a população baixa de MtPhagyaltaFluozin MtPhagyatravésda citometria de fluxo. Como a mitofagia é um processo dinâmico e não estático, este protocolo foi otimizado para avaliar o fluxo mitofágico usando valinomicina, um ionóforo K+ que induz mitofagia após dissipação de MMP18. A comparação da mitofagia na presença e ausência de valinomicina permite avaliar o fluxo de mitofagia em diferentes grupos amostrais.
A natureza baseada em corantes da abordagem atual permite que ela seja extrapolada para ilhotas humanas e outros tipos de células difíceis de transfectar e contorna a necessidade de esquemas complicados de criação de animais, ao contrário do protocolo mt-Keima. O objetivo geral deste protocolo é quantificar a mitofagia em células β em nível de célula única através de dois métodos independentes baseados em citometria de fluxo. Em conjunto, este protocolo descreve dois métodos poderosos e complementares que permitem precisão e flexibilidade no estudo quantitativo do controle de qualidade mitocondrial.
Os estudos em animais apresentados neste protocolo foram revisados e aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais da Universidade de Michigan. Camundongos C57BL/6J machos de vinte semanas de idade, com dieta regular de gordura (RFD) ou dieta hiperlipídica (HFD), foram usados para este estudo.
1. Avaliação da mitofagia através da abordagem MtPhagy baseada em corantes (Método 1)
2. Avaliação da mitofagia utilizando o repórter mt-Keima codificado geneticamente (Método 2)
Avaliação da mitofagia através da abordagem MtPhagy baseada em corantes
Esta abordagem baseada em corante foi otimizada para analisar o fluxo de mitofagia dentro de células primárias de β de camundongos sem a necessidade de um repórter genético, usando Fluozin-3-AM, TMRE e MtPhagy, bem como DAPI para excluir células mortas. Ao emparelhar esses corantes com valinomicina para induzir mitofagia, este protocolo delineia um método baseado em corantes para medir seletivamente o fluxo de mitofagia em células-β primárias de camundongos18. Para os dados mostrados usando este método de MtPhagy, tanto a mitofagia basal quanto a induzida por valinomicina foram analisadas em ilhotas isoladas de dieta com gordura regular (RFD) ou dieta hiperlipídica (HFD, 60 kcal% de gordura) alimentadas com camundongos para avaliar o efeito do estresse metabólico sobre o fluxo de mitofagia. Para identificar a população de interesse, as células foram confinadas usando ilhotas RFD não tratadas. As tensões FSC e SSC foram primeiramente ajustadas para obter uma distribuição uniforme de células em um gráfico SSC-A vs. FSC-A (Figura 1A). Para selecionar células únicas, FSC-H vs. FSC-W e SSC-H vs. Foram utilizados gráficos SSC-W, onde os multipletos foram excluídos devido aos seus maiores valores de sinal de largura em comparação com células individuais (Figura 1B,C). Em seguida, células DAPI-negativas foram selecionadas para excluir células mortas20 (Figura 1D). Após o estabelecimento das comportas primárias, controles corados com coloração única foram utilizados para estabelecer comportas de fluorescência para Fluozin-3-AM, MtPhagy e TMRE (Figura 1E-G), bem como controles de compensação para citometria de fluxo de fluorescência multicolorida.
Uma vez estabelecidas essas comportas primárias e de fluorescência, as células β com alta utilização de mitofagia foram definidas comoa população baixa de TMREaltaMtPhagydeFluozin no quadrante 3 (Q3) usando RFD sem exposição à valinomicina (Figura 1H). Usando essa estratégia de gateing, os níveis basais e de mitofagia induzidos por valinomicina foram caracterizados em ambas as ilhotas de DDF e HFD (Figura 2). Para quantificar o fluxo mitofágico, basal vs. Os níveis de mitofagia induzida por valinomicina foram comparados usando a seguinte razão:

Usando esta razão, o fluxo de mitofagia foi quantificado e comparado em RFD vs. Células β HFD para avaliar diferenças na mitofagia após a indução de obesidade e resistência periférica à insulina. Quantificação do fluxo mitofágico em RFD vs. As amostras de HFD são mostradas na Figura 2E. Este resultado destaca a viabilidade deste ensaio para quantificar a mitofagia em células β usando uma abordagem simples baseada em corantes. Este método também pode ser empregado em ilhotas humanas, células de difícil transfecção e ilhotas isoladas de modelos genéticos complexos, onde o cruzamento com o modelo transgênico mt-Keima seria complicado.
Avaliação da mitofagia utilizando o repórter mt-Keima codificado geneticamente
Mt-Keima é uma proteína fluorescente de excitação dupla fundida com uma sequência de localização de Cox8 que permite seu direcionamento para a membrana mitocondrial interna. A propriedade fluorescente bimodal do mt-Keima permite alternar seus espectros de excitação do comprimento de onda neutro (405 nm) para ácido (561 nm), dependendo do pH do compartimento intracelular6. Isso permite uma análise robusta de fluorescência ratiométrica da mitofagia, onde um aumento na razão ácido-neutro indica indução da mitofagia. Nesse protocolo, a fluozina-3-AM também foi utilizada para seleção de células β por citometria de fluxo. Nesses estudos representativos, o fluxo de mitofagia foi avaliado utilizando ilhotas isoladas de camundongos alimentados com dieta RFD10,11. As tensões FSC e SSC foram primeiramente ajustadas para atingir uma distribuição uniforme de células em um SSC-A vs. Gráfico FSC-A (Figura 3A). Para selecionar células únicas, FSC-H vs. FSC-W e SSC-H vs. Foram utilizados gráficos SSC-W, onde os multipletos foram excluídos devido aos seus maiores valores de sinal de largura em comparação com células individuais (Figura 3B,C). A voltagem e a estratégia de gating para DAPI e Fluozin-3-AM foram determinadas utilizando ilhotas de coloração simples (Figura 3D,E). Portas triangulares para as populações ácida e neutra foram então identificadas usando a amostra mt-Keima positiva sem exposição à valinomicina (Figura 3F).
Uma vez estabelecidas essas comportas primárias e de fluorescência, o fluxo mitofágico foi avaliado por meio das alterações basais e induzidas pela valinomicina na fluorescência da mt-Keima (Figura 3F,G). Para quantificar o fluxo mitofágico, mitofagia basal vs. Os níveis induzidos por valinomicina foram comparados usando a seguinte razão:

Usando esta razão, o fluxo de mitofagia foi quantificado em células RFD. A quantificação desse resultado é mostrada na Figura 3H. É importante ressaltar que esses resultados são comparáveis aos resultados em ilhotas RFD geradas usando a abordagem MtPhagy (Figura 3H).

Figura 1: Esquema de Gating para o método MtPhagy. (A) Gráfico de fluxo exibindo esquema de gating a ser selecionado para todas as células. (B) Gating para selecionar singlets com base em FSC-H vs. FSC-W e (C) SSC-H vs. SSC-W. (D) Gating para células DAPI-negativas para excluir células mortas. (E) Gating para célulasaltas de Fluozin-3-AM para selecionar células β. (F) Esquema de Gating para o corante MtPhagy para identificar populaçõesde células altas e baixas deMtPhagy. (G) Esquema de Gating para TMRE para identificar populaçõesde células TMRE altas ebaixas TMRE. (H) Esquema de agrupamento de quadrantes estabelecido com ilhotas RFD não tratadas paraidentificar células baixas de FluozinhighMtPhagyhighTMRE no quadrante 3 (Q3) como células β submetidas à mitofagia. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Avaliação das diferenças do fluxo mitofágico em células β de camundongo após estresse metabólico usando o esquema de gating MtPhagy. Gráficos representativos de citometria de fluxo de (A) células β RFD não tratadas, (B) células β HFD não tratadas, (C) células β RFD expostas à valinomicina e (D) células β HFD expostas à valinomicina. (E) Quantificação do fluxo de mitofagia em células β, calculado usando uma razão entreas células baixas TMREaltasMtPhagy expostas à valinomicina eas células baixas TMREaltasMtPhagy não expostas à valinomicina, tanto para amostras de RFD quanto HFD. *p < 0,05 pelo teste t de Student não pareado. n = 3/grupo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Esquema de Gating para o método mt-Keima e comparação entre os dois métodos. (A) Gráfico de fluxo exibindo esquema de gating para selecionar para todas as células. (B) Gating para selecionar singlets com base em FSC-H vs. FSC-W e (C) SSC-H vs. SSC-W. (D) Gating para células DAPI-negativas para excluir células mortas. (E) Gating para célulasaltas de Fluozin-3-AM para selecionar células β. (F) Gráficos representativos de citometria de fluxo de células mt-Keima/+ não tratadas e (G) células mt-Keima/+ expostas à valinomicina. (H) Quantificação do fluxo de mitofagia em células β de camundongos alimentados com RFD, calculado usando uma razão entre as células ácidas/neutras expostas à valinomicina e a razão entre as células ácidas/neutras não expostas à valinomicina usando o método mt-Keima e comparado com o método MtPhagy (dados para o protocolo MtPhagy originalmente mostrados na Figura 2E). n = 3/grupo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A SAS recebeu financiamento da Ono Pharmaceutical Co., Ltd. e é consultora da Novo Nordisk.
Este protocolo descreve dois métodos para a análise quantitativa da mitofagia em células β pancreáticas: primeiro, uma combinação de corantes específicos para mitocôndrias permeáveis a células e, segundo, um repórter de mitofagia codificado geneticamente. Essas duas técnicas são complementares e podem ser empregadas com base em necessidades específicas, permitindo flexibilidade e precisão na abordagem quantitativa do controle de qualidade mitocondrial.
E.L-D. reconhece o apoio dos NIH (T32-AI007413 e T32-AG000114). A SAS agradece o apoio do JDRF (COE-2019-861), do NIH (R01 DK135268, R01 DK108921, R01 DK135032, R01 DK136547, U01 DK127747), do Departamento de Assuntos de Veteranos (I01 BX004444), da família Brehm e da família Anthony.
| Antibiótico-Antimicótico | Life Technologies | 15240-062 | |
| Attune NxT Citômetro de Fluxo | Thermofisher Scientific | A24858 | |
| Dimetil Sulfóxido | Sigma-Aldrich | 317275 | |
| Choque térmico livre BSA pó | Equitech | BAH66 | |
| Soro bovino fetal | Gemini Bio | 900-108 | |
| Fluozin-3AM | Thermofisher Scientific | F24195 | 100 μ g Fluozin-3AM pó reconstituído em 51 μ L DMSO e 51 μ L Pluronic F-127 para atingir estoque de 1 mM. |
| Gibco RPMI 1640 Médio | Fisher Scientific | 11-875-093 | |
| HEPES (1M) | Life Technologies | 15630-080 | |
| Corante MtPhagy | Dojindo | MT02-10 | 5 μ g MtPhagy pó reconstituído com 50 μ L DMSO para chegar a 100 μ Estoque M. |
| Corante MtPhagy | Dojindo | MT02-10 | |
| Penicilina-Estreptomicina (100x) | Life Technologies | 15140-122 | 1x Solução usada em procotol diluindo 1:10 em ddH2O |
| Solução tamponada com fosfato, 10x | Fisher Scientific | BP399-20 | 1x Solução usada em procotol diluindo 1:10 em ddH2O |
| Piruvato de Sódio (100x) | Life Tecnologias | 11360-070 | 5 μ g MtPhagy pó reconstituído com 50 μ L DMSO para chegar a 100 μ Estoque M. |
| TMRE [Tetrametilrodamina, éster etílico, perclorato] | Anaspec | AS-88061 | TMRE pó reconstituído em DMSO para atingir 100 μ Estoque M. |
| Tripsina-EDTA (0,05%), vermelho de fenol | Thermofisher Scientific | 25300054 | |
| Valinomicina | Sigma | V0627 | Valinomicina em pó reconstituída em DMSO para atingir 250 nM de estoque. |