RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ru_RU
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
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
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
В этом протоколе описаны два метода количественного анализа митофагии в β-клетках поджелудочной железы: во-первых, комбинация проницаемых для клеток митохондриально-специфических красителей, и, во-вторых, генетически кодируемый репортер митофагии. Эти два метода дополняют друг друга и могут быть применены в зависимости от конкретных потребностей, что обеспечивает гибкость и точность в количественном контроле качества митохондрий.
Митофагия – это механизм контроля качества, необходимый для поддержания оптимальной функции митохондрий. Дисфункциональная β-клеточная митофагия приводит к недостаточному высвобождению инсулина. Расширенная количественная оценка митофагии часто требует использования генетических репортеров. Мышиная модель mt-Keima, которая экспрессирует митохондриально-чувствительный рН-чувствительный ратиометрический зонд с двойным возбуждением для количественной оценки митофагии с помощью проточной цитометрии, была оптимизирована в β-клетках. Соотношение кислотных и нейтральных длин волн mt-Keima может быть использовано для надежной количественной оценки митофагии. Тем не менее, использование репортеров генетической митофагии может быть сложной задачей при работе со сложными генетическими моделями мышей или трудно трансфицируемыми клетками, такими как первичные островки человека. Этот протокол описывает новый комплементарный метод на основе красителя для количественной оценки митофагии β-клеток в первичных островках с использованием MtPhagy. MtPhagy — это pH-чувствительный, проницаемый для клеток краситель, который накапливается в митохондриях и увеличивает интенсивность флуоресценции, когда митохондрии находятся в среде с низким pH, например, лизосомы во время митофагии. Комбинируя краситель MtPhagy с флюозином-3-AM, индикатором Zn2+ , который селекционирует β-клетки, и тетраметилродамином, этиловым эфиром (TMRE) для оценки мембранного потенциала митохондрий, поток митофагии может быть количественно определен конкретно в β-клетках с помощью проточной цитометрии. Эти два подхода в значительной степени дополняют друг друга, обеспечивая гибкость и точность в оценке контроля качества митохондрий в многочисленных моделях β-клеток.
β-клетки поджелудочной железы вырабатывают и секретируют инсулин для удовлетворения метаболических потребностей, а дисфункция β-клеток ответственна за гипергликемию и начало диабета как при диабете 1-го, так и 2-го типа. β-клетки связывают метаболизм глюкозы с секрецией инсулина через митохондриальную энергетику и метаболический выход, которые зависят от резерва функциональной митохондриальной массы 1,2,3. Для поддержания оптимального функционирования β-клеток β-клетки полагаются на механизмы контроля качества митохондрий для удаления старых или поврежденных митохондрий и сохранения функциональной митохондриальной массы. Селективная митохондриальная аутофагия, также известная как митофагия, является ключевым компонентом пути контроля качества митохондрий.
Оценка митофагии в живых клетках часто основывается на изменениях рН митохондрий, которые происходят во время митофагии. Митохондрии имеют слабощелочной рН, а здоровые митохондрии обычно находятся в рН-нейтральном цитозоле. Во время митофагии поврежденные или дисфункциональные митохондрии избирательно включаются в аутофагосомы и, в конечном итоге, очищаются в кислых лизосомах5. Несколько моделей репортерных мышей с трансгенной митофагией in vivo, такие как mt-Keima6, mitoQC7 и CMMR8, а также трансфектабельные митофагические зонды, такие как плазмида Cox8-EGFP-mCherry9, используют это изменение рН для количественной оценки митофагии. Использование трансгенных мышей, экспрессирующих pH-чувствительный рН-чувствительный ритиометрический зонд с двойным возбуждением, было оптимизировано для оценки митофагии в островках и β-клетках с помощью проточной цитометрии10,11. Отношение кислотных и нейтральных длин волн mt-Keima (отношение кислотного возбуждения 561 нм к нейтральному возбуждению 480 нм) может быть использовано для надежной количественной оценки митофагии 6,12.
Данный протокол описывает оптимизированный подход к оценке потока митофагии в первичных островках и β-клетках, выделенных от трансгенных мышей mt-Keima10,11. Несмотря на то, что mt-Keima является высокочувствительным зондом, он требует либо сложных схем разведения животных, либо трансфекции клеток, что часто может быть сложной задачей при работе в сочетании с другими генетическими моделями или с первичными островками человека. Кроме того, использование нескольких флуоресцентных лазеров и детекторов для идентификации нейтральных и кислых клеточных популяций может ограничить комбинаторное использование других флуоресцентных репортеров.
Для преодоления этих проблем в этом протоколе также описан комплементарный метод на основе одного флуоресцентного канала на основе красителя для надежного обнаружения митофагии в β-клетках из изолированных островков мыши. Этот подход, называемый методом MtPhagy, использует комбинацию трех проницаемых для клеток красителей для отбора β-клеток, количественной оценки клеточных популяций, активно подвергающихся митофагии, и одновременной оценки мембранного потенциала митохондрий (MMP или Δψm).
Первым из этих красителей является Fluozin-3-AM, проницаемый для клеток индикатор Zn2+ с Ex/Em 494/516 нм13. Островки мышей представляют собой гетерогенную популяцию функционально различных клеток, включая α-, β-, δ- и PP-клетки. β-клетки составляют примерно 80% клеток в островке мыши и могут быть отличимы от других типов островковых клеток из-за их высокой концентрации Zn2+ в гранулах инсулина14,15, что позволяет идентифицировать β-клетки каквысокую популяцию Fluozin-3-AM. Вэтом протоколе также используется краситель MtPhagy, pH-чувствительный краситель, который иммобилизован на митохондриях посредством химической связи и излучает слабую флуоресценцию. При индукции митофагии поврежденные митохондрии включаются в кислую лизосому, и краситель MtPhagy увеличивает интенсивность флуоресценции в среде с низким pH (Ex/Em 561/570-700 нм).
Кроме того, для оценки ММР используется тетраметилродамин, этиловый эфир (TMRE). TMRE представляет собой проницаемый для клеток положительно заряженный краситель (Ex/Em 552/575 нм), который секвестрируется здоровыми митохондриями из-за относительного отрицательного заряда, поддерживаемого их мембранным потенциалом17. Поврежденные или нездоровые митохондрии рассеивают свой мембранный потенциал, что приводит к снижению способности связывать TMRE. Используя эти красители вместе, β-клетки, подвергающиеся митофагии, могут быть идентифицированы какнизкая популяция MtPhagyс высокимсодержанием флюозина MtPhagy high TMRE с помощью проточной цитометрии. Поскольку митофагия является динамическим, а не статическим процессом, этот протокол был оптимизирован для оценки потока митофагии с использованием валиномицина, K+-ионофора, который индуцирует митофагию после диссипации MMP18. Сравнение митофагии в присутствии и отсутствии валиномицина позволяет оценить поток митофагии в разных группах образцов.
Основанный на красителях характер современного подхода позволяет экстраполировать его на островки человека и другие трудно трансфицируемые типы клеток и обходит необходимость в сложных схемах разведения животных, в отличие от протокола mt-Keima. Главной целью этого протокола является количественная оценка митофагии в β-клетках на уровне одной клетки с помощью двух независимых методов, основанных на проточной цитометрии. Взятые вместе, этот протокол описывает два мощных и взаимодополняющих метода, которые обеспечивают как точность, так и гибкость в количественном исследовании контроля качества митохондрий.
Исследования на животных, представленные в этом протоколе, были рассмотрены и одобрены Комитетом по уходу за животными и их использованию Мичиганского университета. Для этого исследования были использованы 20-недельные самцы мышей C57BL/6J, находившиеся либо на 15-недельной диете с регулярным содержанием жиров (RFD), либо на диете с высоким содержанием жиров (HFD).
1. Оценка митофагии с помощью метода MtPhagy на основе красителя (Метод 1)
2. Оценка митофагии с помощью генетически кодируемого репортера mt-Keima (Метод 2)
Оценка митофагии с помощью метода MtPhagy на основе красителя
Этот подход, основанный на красителях, был оптимизирован для анализа потока митофагии в первичных β-клетках мышей без необходимости использования генетического репортера, с использованием Fluozin-3-AM, TMRE и MtPhagy, а также DAPI для исключения мертвых клеток. Соединяя эти красители с валиномицином для индуцирования митофагии, этот протокол описывает метод на основе красителя для селективного измерения потока митофагии в первичных β-клетках мышей18. Для данных, показанных с использованием этого метода MtPhagy, были проанализированы как базальная, так и валиномицин-индуцированная митофагия в островках, изолированных либо от обычной жировой диеты (RFD), либо от диеты с высоким содержанием жиров (HFD, 60 ккал% жира), чтобы оценить влияние метаболического стресса на поток митофагии. Для идентификации интересующей популяции клетки были построены с использованием необработанных островков RFD. Напряжения FSC и SSC сначала были отрегулированы для достижения равномерного распределения ячеек на графике SSC-A и FSC-A (рис. 1A). Для выбора отдельных ячеек необходимо использовать FSC-H и FSC-H FSC-W и SSC-H в сравнении с Использовались графики SSC-W, где мультиплеты были исключены из-за более высоких значений сигнала ширины по сравнению с одиночными ячейками (рис. 1B,C). Затем были отобраны DAPI-отрицательные клетки для исключения мертвых клеток20 (рис. 1D). После установления первичных ворот для создания флуоресцентных вентилей для Fluozin-3-AM, MtPhagy и TMRE (рис. 1E-G) использовали одиночные окрашенные контрольные затворы, а также компенсационные контрольные элементы для многоцветной флуоресцентной проточной цитометрии.
После того, как эти первичные и флуоресцентные ворота были установлены, β-клетки с высокой утилизацией митофагии были определены как флуозинс высокимсодержанием MtPhagyи низкойпопуляцией TMRE в квадранте 3 (Q3) с использованием RFD без воздействия валиномицина (рис. 1H). Используя эту стратегию стробирования, были охарактеризованы уровни базальной и валиномицин-индуцированной митофагии как в RFD, так и в HFD островках (рис. 2). Для количественной оценки потока митофаги, базального и Валиномицин-индуцированные уровни митофагии сравнивали с использованием следующего соотношения:

Используя это соотношение, поток митофагии был количественно оценен и сравнен в RFD и RFD. HFD β-клетки для оценки различий в митофагии после индукции ожирения и периферической инсулинорезистентности. Количественная оценка потока митофагии при РЧД в сравнении с Образцы HFD показаны на рисунке 2E. Этот результат подчеркивает возможность количественного определения митофагии в β-клетках с использованием простого подхода на основе красителя. Этот метод также может быть использован на человеческих островках, трудно трансфицируемых клетках и островках, изолированных из сложных генетических моделей, где скрещивание с трансгенной моделью mt-Keima было бы обременительным.
Оценка митофагии с помощью генетически кодируемого репортера mt-Keima
Mt-Keima представляет собой флуоресцентный белок с двойным возбуждением, соединенный с последовательностью локализации Cox8, что позволяет ему нацеливаться на внутреннюю мембрану митохондрий. Бимодальное флуоресцентное свойство mt-Keima позволяет ему переключать спектры возбуждения с нейтральной (405 нм) на кислую (561 нм) длину волны в зависимости от рН внутриклеточного компартмента6. Это позволяет проводить надежный ратиометрический флуоресцентный анализ митофагии, где увеличение соотношения кислотности и нейтральности указывает на индукцию митофагии. В этом протоколе Fluozin-3-AM также использовался для отбора β-клеток с помощью проточной цитометрии. В этих репрезентативных исследованиях поток митофагии оценивали с использованием островков, выделенных у мышей, получавших диету RFD10,11. Напряжения FSC и SSC сначала были отрегулированы для достижения равномерного распределения ячеек на SSC-A по сравнению с SSC-A. График FSC-A (рис. 3А). Для выбора отдельных ячеек необходимо использовать FSC-H и FSC-H FSC-W и SSC-H в сравнении с Использовались графики SSC-W, в которых мультиплеты были исключены из-за более высоких значений сигнала ширины по сравнению с одиночными ячейками (рис. 3B,C). Напряжение и стратегия стробирования для DAPI и Fluozin-3-AM были определены с помощью одноокрашенных островков (рис. 3D, E). Затем были идентифицированы треугольные ворота для кислой и нейтральной популяций с использованием положительного образца mt-Keima без воздействия валиномицина (рис. 3F).
После того, как эти первичные и флуоресцентные ворота были установлены, поток митофагии оценивали с использованием базальных и валиномицин-индуцированных изменений флуоресценции mt-Keima (рис. 3F, G). Для количественной оценки потока митофагии базальная митофагия в сравнении с Валиномицин-индуцированные уровни сравнивали с использованием следующего соотношения:

Используя это соотношение, поток митофагии был количественно оценен в клетках RFD. Количественная оценка этого результата показана на рисунке 3H. Важно отметить, что эти результаты сопоставимы с результатами на RFD-островках, полученных с использованием подхода MtPhagy (рис. 3H).

Рисунок 1: Схема стробирования для метода MtPhagy. (A) График потока, отображающий схему стробирования для выбора для всех ячеек. (B) Стробирование для выбора синглетов на основе FSC-H vs. FSC-W и (C) SSC-H в сравнении с ССК-В. (D) Стробирование DAPI-отрицательных клеток для исключения мертвых клеток. (E) Стробирование длявысоких клеток Fluozin-3-AM для отбора β-клеток. (F) Схема стробирования для красителя MtPhagy для идентификации популяций клеток свысоким инизким содержанием MtPhagy. (G) Схема стробирования для TMRE для выявления популяций клеток свысоким инизким уровнем TMRE. (H) Схема квадрантного стробирования, установленная с необработанными островками RFD для идентификациинизких клеток с высоким содержанием флюозина MtPhagyhighTMRE в квадранте 3 (Q3) как β-клеток, подвергающихся митофагии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Оценка различий в потоке митофагии в β-клетках мышей после метаболического стресса с использованием схемы стробирования MtPhagy. Репрезентативные графики проточной цитометрии (A) необработанных β-клеток RFD, (B) необработанных β-клеток HFD, (C) β-клеток, подверженных воздействию валиномицина, и (D) β-клеток HFD, экспонированных валиномицином. (E) Количественная оценка потока митофагии в β-клетках, рассчитанная с использованием соотношениянизких клеток MtPhagyhighTMRE, подвергшихся воздействию валиномицина, инизких клеток MtPhagyhighTMRE, не подвергающихся воздействию валиномицина, как для образцов RFD, так и для образцов HFD. *p < 0,05 по непарному t-критерию Стьюдента. n = 3/группа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Схема стробирования для метода mt-Keima и сравнение обоих методов. (A) График потока, отображающий схему стробирования для выбора для всех ячеек. (B) Стробирование для выбора синглетов на основе FSC-H vs. FSC-W и (C) SSC-H в сравнении с ССК-В. (D) Стробирование DAPI-отрицательных клеток для исключения мертвых клеток. (E) Стробирование длявысоких клеток Fluozin-3-AM для отбора β-клеток. (F) Репрезентативные графики проточной цитометрии необработанных клеток mt-Keima/+ и (G) клеток, подвергшихся воздействию валиномицина. (H) Количественная оценка потока митофагии в β-клетках мышей, получавших RFD, рассчитанная с использованием соотношения кислотных/нейтральных клеток, подвергшихся воздействию валиномицина, к соотношению кислотных/нейтральных клеток, не подвергавшихся воздействию валиномицина, с использованием метода mt-Keima и сравнения с методом MtPhagy (данные для протокола MtPhagy, первоначально показанные на рисунке 2E). n = 3/группа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Компания SAS получила грантовое финансирование от компании Ono Pharmaceutical Co., Ltd. и является консультантом компании «Ново Нордиск».
В этом протоколе описаны два метода количественного анализа митофагии в β-клетках поджелудочной железы: во-первых, комбинация проницаемых для клеток митохондриально-специфических красителей, и, во-вторых, генетически кодируемый репортер митофагии. Эти два метода дополняют друг друга и могут быть применены в зависимости от конкретных потребностей, что обеспечивает гибкость и точность в количественном контроле качества митохондрий.
Э.Л-Д. выражает признательность за поддержку со стороны NIH (T32-AI007413 и T32-AG000114). SAS выражает признательность за поддержку со стороны JDRF (COE-2019-861), NIH (R01 DK135268, R01 DK108921, R01 DK135032, R01 DK136547, U01 DK127747), Департамента по делам ветеранов (I01 BX004444), семьи Брем и семьи Энтони.
| Антибиотик-антимикотик | Life Technologies | 15240-062 | |
| Attune NxT Проточный цитометр | Thermofisher Scientific | A24858 | |
| Диметилсульфоксид | Sigma-Aldrich | 317275 | |
| жирных кислот Свободный тепловой шок BSA порошок | Equitech | BAH66 | |
| Фетальная бычья сыворотка | Gemini Bio | 900-108 | |
| Флуозин-3АМ | Thermofisher Scientific | F24195 | 100 μ г Флуозин-3АМ порошок восстановленный в 51 г; L DMSO и 51 μ L Pluronic F-127 достигнет запаса 1 мМ. |
| Gibco RPMI 1640 Medium | Fisher Scientific | 11-875-093 | |
| HEPES (1M) | Life Technologies | 15630-080 | |
| MtPhagy краситель | Dojindo | MT02-10 | 5 μ g Порошок MtPhagy, восстановленный с 50 μ L ДМСО до 100 μ M stock. |
| Краситель MtPhagy | Dojindo | MT02-10 | |
| Пенициллин-стрептомицин (100x) | Life Technologies | 15140-122 | 1x Раствор, используемый в прокотоле путем разбавления 1:10 в ddH2O |
| Фосфатный буферный раствор, 10x | Fisher Scientific | BP399-20 | 1x Раствор, используемый в прокотоле путем разбавления 1:10 в ddH2O |
| Пируват натрия (100x) | Life Технологии | 11360-070 | 5μ g Порошок MtPhagy, восстановленный с 50 μ L ДМСО до 100 μ M stock. |
| TMRE [Тетраметилродамин, этиловый эфир, перхлорат] | Anaspec | AS-88061 | Порошок TMRE восстановлен в ДМСО до 100 мкм; M stock. |
| Трипсин-ЭДТА (0,05%), феноловый красный | Thermofisher Scientific | 25300054 | |
| валиномицин | Sigma | V0627 | порошок валиномицина восстановлен в ДМСО до 250 нМ запаса. |