Этот протокол описывает простой в использовании метод исследования окисления субстрата путем отслеживания производства 14CO2 in vitro.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Этот протокол описывает простой в использовании метод исследования окисления субстрата путем отслеживания производства 14CO2 in vitro.
Митохондрии содержат механизм для цикла трикарбоновой кислоты (TCA) и цепи переноса электронов (ETC), которые генерируют аденозинтрифосфат (АТФ) для поддержания энергетического гомеостаза. Глюкоза, жирные кислоты и аминокислоты являются основными энергетическими субстратами, подпитывающими митохондриальное дыхание в большинстве соматических клеток. Фактические данные показывают, что различные типы клеток могут иметь явное предпочтение определенным субстратам. Однако использование субстрата различными клетками скелета подробно не изучено. Более того, поскольку клеточный метаболизм настроен на физиологические и патофизиологические изменения, прямые оценки субстратной зависимости в скелетных клетках могут дать важное представление о патогенезе заболеваний костей.
Следующий протокол основан на принципе высвобождения углекислого газа из молекул субстрата после окислительного фосфорилирования. Используя субстраты, содержащие радиоактивно меченые атомы углерода (14С), способ обеспечивает чувствительный и простой в использовании анализ скорости окисления субстрата в клеточной культуре. Тематическое исследование с первичными кальвариальными преостеобластами по сравнению с макрофагами, полученными из костного мозга (BMM), демонстрирует различное использование основных субстратов между двумя типами клеток.
Окислительное фосфорилирование (OXPHOS) у эукариот — это процесс, посредством которого питательные вещества расщепляются внутри митохондрий для высвобождения химической энергии в виде АТФ за счет потребления кислорода. Катаболизм различных субстратов внутри митохондрий через цикл трикарбоновой кислоты (TCA) генерирует несколько молекул АТФ напрямую, а скорее накапливает энергию за счет восстановления носителей электронов никотинамидадениндинуклеотида (NAD+) и флавинадениндинуклеотида (FAD+). Восстановленные носители затем окисляются ETC, расположенными на внутренней мембране митохондрий, чтобы генерировать градиент концентрации протонов по всей мембране. Протоны в конечном итоге текут вниз по своему градиенту обратно в митохондриальный матрикс через АТФ-синтазу с образованием АТФ. OXPHOS является наиболее эффективным средством производства АТФ из энергетических субстратов и, как правило, предпочтительным в аэробных средах. Ранее аэробный гликолиз - производство лактата из глюкозы при наличии кислорода - считался патофизиологическим, часто отличительной чертой раковых клеток. Все больше и больше обнаруживается, что некоторые нормальные типы клеток используют аэробный гликолиз по причинам, которые еще предстоит полностью расшифровать.
Метаболическая гибкость — это способность клеток или организмов адаптироваться к изменяющимся потребностям в энергии и доступным источникам топлива. Например, энергетическая потребность скелетных мышц в основном удовлетворяется OXPHOS в устойчивом состоянии, но анаэробным гликолизом во время высокоинтенсивных упражнений1. По мере увеличения продолжительности упражнений окисление глюкозы и жирных кислот вносит больший вклад в общее производство энергии2. Однако использование субстрата зависит не только от доступности, так как субстраты антагонистически конкурируют во время окисления. В частности, было показано, что окисление жирных кислот ингибирует утилизацию глюкозы скелетными мышцами в явлении, известном как эффект Рэндла3. Обратный эффект был продемонстрирован последующими исследованиями 4,5. Кроме того, многие заболевания связаны с изменением предпочтения субстрата и развитием метаболической негибкости в клетках. Например, окисление жирных кислот снижается в скелетных мышцах пациентов с диабетом II типа по сравнению с нормальными контрольными субъектами6. Метаболические изменения в условиях заболевания являются предметом интенсивного исследования, поскольку они могут способствовать патогенезу.
Энергетический метаболизм в типах скелетных клеток относительно недостаточно изучен, но привлек к себе внимание в последние годы7. Предыдущая работа показала, что аэробный гликолиз является доминирующим энергетическим путем в кальвариальных остеобластах, в то время как окисление глюкозы через цикл TCA играет роль в образовании остеокластов 8,9. Другие предоставили доказательства того, что жирные кислоты являются источником энергии для остеобластов10. Было также показано, что катаболизм глутамина поддерживает дифференциацию остеобластов от прародителей11,12. Тем не менее, всестороннее понимание использования субстрата различными типами клеток скелета все еще отсутствует. Кроме того, ожидается, что изменения клеточного метаболизма во время дифференцировки клеток или в ответ на патологические сигналы изменят использование топливного субстрата. Ниже описан простой в использовании протокол для анализа окисления субстрата in vitro.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Использование радиоактивных материалов (ОЗУ) требует предварительного одобрения назначенного комитета по безопасности в каждом учреждении. RAM, используемые в этом протоколе, были одобрены Environmental Health & Radiation Safety (EHRS) в Университете Пенсильвании. Использование животных требует предварительного одобрения Институционального комитета по уходу за животными и их использованию (IACUC) в домашнем учреждении. Следующее исследование было одобрено IACUC в Детской больнице Филадельфии.
1. Подготовка стоковых растворов для 14субстратов с маркировкой C
2. Приготовление среды, содержащей 14С-меченых субстратов
ПРИМЕЧАНИЕ: Для обеспечения надежной концентрации энергетических подложек в среде необходимо использовать специальные среды со свежими подложками, добавленными незадолго до использования. Здесь используется изготовленная на заказ минимальная необходимая среда (MEMα) без глюкозы, пирувата, глутамина, фенола красного или бикарбоната натрия. Однако для каждого типа клеток должна быть определена оптимальная среда.
3. Подготовка клеток
ПРИМЕЧАНИЕ: В качестве примеров здесь используются кальвариальные преостеобласты и макрофаги костного мозга. Пользователи должны подготовить свой тип ячейки к выбору в соответствии с соответствующими протоколами. Оптимизировать концентрацию коллагеназы II для использования для пищеварения в пилотных экспериментах, так как ферментативная активность может варьироваться между различными партиями.
4. Анализ окисления субстрата с помощью ловушки CO2
ПРИМЕЧАНИЕ: Для каждого типа клеток должна быть определена соответствующая плотность посева для достижения 80-90% слияния до начала анализа. Обратите внимание, что плотность клеток может влиять на метаболическое состояние клеток.
5. Анализ данных
ПРИМЕЧАНИЕ: Предполагая, что каждая подложка полностью окислена для высвобождения CO2, скорость окисления субстрата может быть рассчитана на основе захваченной радиоактивности CO2 .
(1)Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
В этом примере метод улавливания CO2 используется для сравнения окисления субстрата первичными кальвариальными преостеобластами по сравнению с БММ, которые часто используются для дифференцировки остеобластов in vitro или остеокластов, соответственно. После того, как первичные клетки проходят и культивируются в cMEMα в течение ночи, они обычно достигают 80-90% слияния и демонстрируют свою характерную морфологию. Кальвариальные преостеобласты заметно больше, чем КБМ (рисунок 2
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол обеспечивает простой в использовании метод определения скорости окисления основных энергетических субстратов. Это более простая альтернатива другим протоколам, которые используют колбы, содержащие центральный колодец и увенчанные резиновыми пробками 14,15,16. Хотя пример исследования здесь выполняется с клеточной культурой, способ может быть легко адаптирован для тканевых эксплантов или тканевых гомогенатов, содержащих ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Работа была частично поддержана грантом NIH R01 AR060456 (FL). Мы благодарим доктора Майкла Робинсона и Элизабет Кризман (Детская больница Филадельфии) за их щедрую помощь со сцинтилляционным счетчиком.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| 0,22 & микро; m фильтры | Sigma-Aldrich | SLGVM33RS | Используются для фильтрации раствора BSA |
| 0,25% Trypsin-EDTA | Gibco | 25200056 | Диссоциируют клетки из планшетов для клеточных культур |
| 1,5 мл Eppendorf tubes | PR1MA | PR MCT17 RB | Используются для реакционной инкубации |
| 10 см планшеты | TPP | 93100 | Используются для клеточных культур |
| 10 мл шприц | BD | 302995 | Используется для промывания костного мозга из длинных костей |
| 10% FBS | Atlanta biologicals | S11550 | Для подготовки среды для клеточных культур |
| 14C-глюкоза | PerkinElmer | NEC042X050UC | Используется для приготовления горячей среды |
| 14C-глутамин | PerkinElmer | NEC451050UC | Используется для приготовления горячей среды |
| 14C-олеат | PerkinElmer | NEC317050UC | Используется для изготовления горячих сред |
| 23 G игла | BD | 305120 | Используется для промывания костного мозга из длинных костей |
| 24-луночные планшеты | TPP | 92024 | Используется для клеточных культур |
| 70 μ m клеточные фильтры | MIDSCI | 70CELL | Используется для фильтрации надосадочной жидкости во время кавариального пищеварения |
| Краситель Acridine Orange/Propidium Iodide (AO/PI) | Nexcelom Biosciences | CS2-0106 | Окрашивает живые клетки для определения плотности семян |
| Сыворотка крупного рогатого скота Ablumin | Proliant Biologicals | 68700 | Используется для конъюгации жирных кислот |
| Cellometer Auto 2000 | Nexcelom Biosciences | Определение количества жизнеспособных клеток | |
| Центрифуга | Thermo Fisher | Legend Micro 21R | Используется для гранулирования клеток |
| Коллагеназа типа II | Worthington | LS004176 | Диссоциация клеток из ткани |
| Custom MEM alpha | GIBCO | SKU: ME 18459P1 | Используется для создания пользовательских горячих сред |
| Фосфатно-солевой буферный раствор | Gibco | от | Используется для растворения и разбавления реагентов, а также мытья тарелок для культур |
| Фильтровальная бумага | Millipore-Sigma | WHA1001090 | Ловушки CO2 с гидроксидом натрия |
| Глюкоза | Sigma-Aldrich | g7528 | Используется для изготовления пользовательских сред |
| HEPES | Gibco | 15630080 | Ловушки CO2 во время культивирования клеток |
| L-карнитина | Sigma-Aldrich | C0283 | Добавка для окисления жирных кислот |
| L-глутамин | Sigma-Aldrich | g3126 | Используется для изготовления пользовательских сред |
| MEM alpha | Thermo | A10490 | Среда для клеточной культуры |
| Парапленка | Печеней Пластиковая упаковка | PM998 | Используется для запечатывания чашек для клеточных культур |
| Пенициллин-стрептомицин | Thermo Fisher | 15140122 | Предотвращает загрязнение в клеточной культуре |
| Хлорная кислота | Sigma-Aldrich | 244252 | выделяет CO2 при метаболическом анализе |
| Pyruvate | Sigma-Aldrich | p5280 | Используется для изготовления пользовательских сред |
| Сцинтилляционный счетчик | Beckman Coulter | LS6500 | Определяет радиоактивность из фильтровальной бумаги |
| Scintillation Fluid | MP Biomedicals | 882453 | Поглощайте энергию, излучаемую RAM, и повторно излучайте ее в виде вспышек света |
| Мерцающий флакон | Fisher Scientific | 03-337-1 | Реакционные контейнеры для сцинтилляционной жидкости |
| Карбонат натрия | Sigma-Aldrich | S5761 | Балансовый буфер для среды |
| Гидроксид натрия | Sigma-Aldrich | 58045 | Улавливает CO2 во время анализа метафурункулов |
| Олеат | натрияСАНТА-КРУЗ | SC-215879 | Препарат конъюгированных жирных кислот BSA |
| Вакуумная фильтрация 1000 | TPP | 99950 | Фильтр cMEMα |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.