פיתחנו פרוטוקול מעשי וגישה אנליטית להערכת זרחן חמצוני מיטוכונדריאלי ויכולת העברת אלקטרונים בהומוגנטים של גידול טרי. פרוטוקול זה יכול להיות מותאם בקלות כדי לסקור פונקציות מיטוכונדריאליות שונות התורמות ייזום סרטן, התקדמות, תגובה לטיפול.
המיטוכונדריה חיוניים להתפרצות ולהתקדמות הסרטן באמצעות ייצור אנרגיה, ויסות מיני חמצן תגובתי וסינתזה מקרומולקולית. התאמות גנטיות ותפקודיות של המיטוכונדריה לסביבת הגידול מניעות פוטנציאל רב ונדעי. הופעתם של DNA ורצף RNA הסיר חסמים קריטיים להערכה של מתווכים גנטיים של tumorigenesis. עם זאת, עד כה, גישות מתודולוגיות להערכת תפקוד מיטוכונדריאלי הגידול נשארות חמקמקות ודורשות מיומנות טכנית המגבילה את ההיתכנות, ובסופו של דבר מפחיתה את הערך האבחוני והפרוצדורלי הן בהגדרות ניסיוניות והן בסביבה קלינית. כאן, אנו מתארים שיטה פשוטה ומהירה לכימות שיעורי זרחן חמצוני (OXPHOS) וקיבולת העברת אלקטרונים (ET) בהומוגנטים של גידול מוצק טרי באמצעות ספירומטריה ברזולוציה גבוהה. הפרוטוקול יכול להיות מיושם באופן רב על פני מינים וסוגי גידולים, כמו גם מותאם כדי להעריך מגוון של מסלולי ET מיטוכונדריאלי. באמצעות פרוטוקול זה, אנו מדגימים כי עכברים הנושאים סרטן ממארי B זוהרים מציגים נשימה פגומה של ניקוטינאמיד אדנין דינוקלאוטיד והסתמכות על תמציתי כדי ליצור אדנוסין טריפוספט באמצעות OXPHOS.
כל התאים מקושרים קשר הדוק על ידי הצורך שלהם לייצר ולצרוך אדנוסין טריפוספט (ATP), מטבע האנרגיה המולקולרית. כמו מוטציות הסלולר להוליד היווצרות של גידולים, המיטוכונדריה להבטיח הישרדות באמצעות גיוון של ייצור אנרגיה כי הוא לעתים קרובות פנוטיפי להבחין בין רקמות לא סרטניות1,2,3. ככזה, קיים צורך קריטי בפרופיל מהיר ועמוק של תפקוד הנשימה המיטוכונדריאלי על מנת להקל על סיווג סוג הגידול, חניכת הסרטן, התקדמות ותגובת הטיפול.
פונקציות נשימה של דגימות רקמה excised לא ניתן להעריך ללא פגע כמו המצעים העיקריים עבור OXPHOS אינם חדורים לתא. כדי להתגבר על מגבלה זו, המיטוכונדריה יכולה להיות מוכנה על ידי בידוד, פרמביליזציה כימית, או הומוגניזציה מכנית. בידוד מיטוכונדריאלי נחשב זה מכבר לסטנדרט זהב להערכת תפקוד הנשימה. עם זאת, זה דורש כמויות גדולות של רקמה, הוא זמן רב, והוא מניב נמוך עם הטיית בחירה אפשרית עבור שברים מסוימים של המיטוכונדריה4. Permeabilization מורכב הפרדה מכנית וחשיפה של קטעי רקמות או חבילות סיבים דטרגנט קל כי באופן סלקטיבי משפיל את קרום הפלזמה5. Permeabilization משמש לעתים קרובות ברקמות מפוספס כגון שריר השלד והלב כמו חבילות סיבים בודדים ניתן להקניט בנפרד. בהשוואה לבידוד, permeabilization מניב יותר מיטוכונדריה בסביבה התאית הטבעית שלהם ואת הצורה הפיזית5. פרמזביליזציה יושמה בהצלחה ברקמות אחרות כגון גידול6,7 ושליה8; עם זאת, רבייה של תכשירי סיבים מחלחלים יכול להיות קשה בשל עקביות של דרישות ביתור וחמצן כדי להתגבר על מגבלות דיפוזיה9. בנוסף, סיבים מחלחלים עשויים להיות לא מתאימים בסוגי גידולים מסוימים שהם תאיים צפופים וסיברוטיים מאוד. הומוגנטים רקמות נוצרים באמצעות הפרעה מכנית של קרום הפלזמה והם דומים סיבים permeabilized במונחים של תשואה מיטוכונדריאלית ושלמות10. הומוגנטים רקמות גם למזער את המגבלות של דיפוזיה חמצן והוא יכול להיות מועסק בקלות על פני סוגי רקמות באמצעות אופטימיזציה של כוח מכני11,12.
כאן, אנו מתארים שיטה פשוטה ומהירה לכימות שיעורי זרחן חמצוני (OXPHOS) וקיבולת העברת אלקטרונים (ET) בהומוגנטים של גידול מוצק טרי. הפרוטוקול מתוכנן בצורה אופטימלית להערכת רקמה טרייה באמצעות נשימה ברזולוציה גבוהה של Oxygraph-2k (O2k), הדורש ידע מוקדם של התקנה וכיול אינסטרומנטליים אך ניתן להתאים אותו באופן דומה באמצעות כל אלקטרודה מסוג קלארק, מנתח סוסון ים או קורא לוחות. הפרוטוקול יכול להיות מיושם באופן רב על פני מינים וסוגי גידולים, כמו גם מותאם כדי להעריך מגוון של מסלולי ET מיטוכונדריאלי.
גישות להערכת נשימה מיטוכונדריאלית בסרטן הוגבלו במידה רבה למודלים במבחנה 13,14,15,16. הצלחה מסוימת הושגה במדידת נשימה מיטוכונדריאלית בגידולים באמצעות פרמביליזציה כימית6,7,17, אבל אין גישה אחידה, תקן זהב שניתן ליישם באופן אוניברסלי ולהשוות בין סוגי גידולים. בנוסף, היעדר ניתוח נתונים עקביים ודיווח מוגבלים על יכולת ההכללה והשחזור של הנתונים. השיטה המתוארת כאן מספקת גישה פשוטה ומהירה יחסית למדידת נשימה מיטוכונדריאלית18 בתכשירים מיטוכונדריאליים מדגימות גידול מוצקות טריות. גידולים גדלו ממורין לומינאל B מושתל אורתוטופית, ERα שלילי EO771 תאי סרטן המאמרי19.
חריצות וטיפול ברקמות ישפרו מאוד את הדיוק והנורמליזציה של שיעורי צריכת החמצן. הרקמה והמיטוכונדריה עלולות להיפגע בקלות אם המדגם אינו נשמר קר, אינו שקוע בעקביות באמצעי השימור, או מטופל יתר על המידה, וכתוצאה מכך שגרה תת-אופטימלית ושיעורי OXPHOS. בנוסף, משקל רטוב מדויק של הרקמה הומוגנית הוא בעל חשיבות קריטית שכן זוהי שיטת הנורמליזציה העיקרית. שיטות נורמליזציה אחרות עשויות להיחשב, כגון סך חלבון או סמנים ספציפיים מיטוכונדריאליים, כגון פעילות סינתאזציטוט 20. בנוסף, הטרוגניות רקמות יהיה צורך לטפל, עם החלטות על אזורי הגידול לכלול בניסויים שנעשו מראש. רקמת נמק, פיברוטית וחיבור לא יכולה להומוגני ו/או להנשים היטב ויש להימנע ממנה אלא אם כן היא מנסחת בכוונה את אזורי הגידול האלה. ראוי לציין, הגידול עשוי להיות דביק מאוד בהתאם לסוג ואת אזור כריתה, מה שהופך את השקילה המדויקת ולהעביר מאתגר יותר. מספר השבץ המשמש הומוגניזציה צריך להיות מותאם כדי להבטיח הכנה מלאה של המיטוכונדריה תוך צמצום נזק לממברנות המיטוכונדריאלי החיצוני.
לשיפור הדיוק וההתרבות, אנו ממליצים לבצע ניסויי אופטימיזציה עבור מספר השבץ להכנת הומוגניות, ריכוז רקמות, ומצע, uncoupler, ריכוז מעכב. מחקרים יכולים להשוות את המספר השונה של שבץ וכיצד הם תואמים את התגובה לתוספת של ציטוכרום c בתוך המחקר, כמו גם את יכולת הנשימה המיטוכונדריאלית המקסימלית 21. למרות שיש קבלה כללית כי פחות תגובה cytochrome c הוא טוב יותר, כמו עלייה בצריכת חמצן לאחר תוספת של cytochrome c יכול להצביע על נזק לממברנה המיטוכונדריאלית החיצונית, אין תקן זהב לגבי מה סף זה הוא עבור כל רקמה ויש לחקור באופן ניסיוני כדי להבטיח את הרקמה לא להיות overworked או לא מוכן. ברקמת הגידול הזו, נמצא כי תגובת ציטוכרום c מתחת ל- ~ 30% לא פגעה בתפקוד הנשימה. השימוש בציטוכרום c הופך לקריטי לכימות מדויק של יכולת הנשימה אם הבדיקה חיובית. במקרה זה, התוספת מחדשת את הציטוכרום האנדיגני c, אשר, אם מרוקן, יגרום לזלזל בשיעורי הנשימה.
ניסויי טיטריון ריכוז רקמות יכולים להתבצע על פני מגוון של ריכוזים אפשריים, באופן אידיאלי, ייעשה עם SUITs כי ייחקר במהלך המחקר. קיבולת הנשימה תשתנה בהתאם לסוג הגידול והרכבו. לכן, גידולים צפופים עם מיטוכונדריה או יכולת נשימה גבוהה ידרשו ריכוזים נמוכים יותר (0.5-5 מ”ג /מ”ל). גידולים עם מעט מיטוכונדריה או קיבולת נמוכה של הנשימה ידרשו ריכוזים גבוהים יותר (7-12 מ”ג/מ”ל). בנוסף, SUITs ארוכים או שיש להם מצעים נצרכים מאוד עשויים להזדקק לפחות רקמה כדי למנוע reoxygenation של התא או מגבלת ADP. לרקמות מסוימות יהיה קשר ליניארי בצריכת חמצן, בעוד שאחרות יראו רגישות משופרת וחמצון מקסימלי בטווחי ריכוז מסוימים. ריכוז הרקמה שנבחר צריך להיות מותאם כדי למקסם את שטף החמצן תוך הגבלת מספר אירועי reoxygenation. בנוסף, לעתים קרובות עדיף למעלה להיפטר מהצורך או לשאוף לקצה הגבוה יותר של טווח הריכוז. המעכבים, החיוניים לכמות של שטפי נשימה, מדויקים יותר כאשר משתמשים בהם בבריכות גדולות יותר של המיטוכונדריה.
שיקול חיוני נוסף הוא ריכוז התרופות המשמשות במהלך הפרוטוקולים. שינויים בריכוז הומוגני עשויים לשנות את הריכוזים של מצעים, uncouplers, ומעכבים הנדרשים לתגובה מקסימלית. לכן, לאחר בחירת טווח הריכוז האופטימלי, ניסוי הבודק את המינונים הנדרשים לפרוטוקול SUIT צריך להתבצע. ניתן להוסיף ADP נוסף כדי להבטיח שריכוזים אדנילט אינם מגבילים שטפי נשימה. כימיקלים unouplers כגון FCCP או CCCP יעכב נשימה בריכוזים גבוהים יותר22. ככזה, זה חיוני כדי titrate בכמויות קטנות כדי לחשוף את השיעור המרבי שהושג. מעכבים, כגון רוטנון ואנטימיצין A, משמשים בצורה הטובה ביותר כאשר הם רוויים בתוך הזריקה הראשונה. בעוד ריכוזים אופטימליים נקבעו בניסויים ראשוניים, ראינו גם הבדלים הקשורים לטיפול בתגובה מעכבים ולכן לעתים קרובות להוסיף זריקה אחת נוספת של מעכבים כדי להפגין עיכוב מקסימלי כמו שיעורי התוצאה לשמש כבסיס לכימות. עיכוב כימי של אסקורבאט/TPMD חיוני להפחתה אנליטית מדויקת מכיוון ש- TMPD עובר אוטוקסידציה23. שלטנו על חמצון אוטומטי של אסקורבט / TMPD / cytochrome c באמצעות תוספת של נתרן אזיד, מעכב אזרחי מבוסס. עבור מחקרי ק”מ, תוספת של רוטנון בנוכחות תמציתי לבד מונע הצטברות oxaloacetate אשר יכול לעכב פעילות דהידרוגנאז תמציתי בריכוזים נמוכים24. הנפח והריכוז של ADP תלויים מאוד ברגישות המיטוכונדריה לשילוב המצע השורר. תכשירים מיטוכונדריאליים רגישים מאוד ADP ידרשו ריכוזי התחלה נמוכים יותר. בנוסף, כימיקלים מאומתים והכנת תרופות נכונה עם תשומת לב ל- pH, רגישות לאור אם ישים, וטמפרטורת האחסון חיוניים לניסויים מוצלחים.
הגדרת מכשירים וטיפול שגרתי הם בעלי חשיבות קריטית להצלחת ניסויים אלה. ניקוי נאות ונכון של התאים חיוני להתרבות ומניעה של זיהום ביולוגי, חלבון, מעכב או לא משתף. אלקטרודות מסוג קלארק ומערכות O2k משתמשות בתאי תגובה מזכוכית המהווה יתרון עלות משמעותי למערכות מבוססות צלחת הנתמכות על חומרים מתכלים. עם זאת, תאי הזכוכית חייבים להיות מנוקים במרץ והוא יכול להיות מקור של זיהום מעכבות במחקרים הבאים. דגירה עם דגימות עשירות במיטוכונדריה במהלך תהליך הכביסה (מיטוכונדריה מבודדת של לב או כבד, למשל) יכולה להפחית את הסיכון לזיהום ניסיוני ומומלץ בנוסף להליכי דילול ושטיפה על בסיס אלכוהול. אם מחקרים רצופים מנוהלים, ניקוי עם אתנול ומיטוכונדריה ממזער את האפשרות של זיהום מעכבות. כיול חיישן החמצן מומלץ לפני כל ניסוי כדי לקבל מדידות מדויקות של נשימה ביחס ללחץ החלקי השורר של חמצן. אם כיולים מרובים אינם אפשריים, כיול אחד ביום עשוי להספיק אם ריכוז החמצן נשאר יציב ועקבי לאחר הליך הכביסה.
ההליכים המתוארים לעיל ממנפים את מכשיר Oroboros O2k למדידת צריכת חמצן ברקמת הגידול תוך 4 שעות של כריתת גידול באמצעות פתרון שימור תוכנן בעבר ואופטימיזציה ומדייתנשימה 25,26,27. ניתן לשנות פרמטרים מרובים בפרוטוקול זה עבור יישומים הבאים. ההתקנה וכיול המכשיר, homogenizers המשמש להכנת רקמות, וריכוז הומוגני אופטימלי חמצן התא ניתן להתאים את כולם לשימוש על מכשירים אחרים עם פוטנציאל ניטור חמצן. לדוגמה, התאים היו מעט מלאים יתר על המידה בעת הוספת הומוגני, ולכן כאשר התא סגור לחלוטין, נימי החדר נשאר מלא. זה יצרך קצת חמצן בחדר, אבל עם אופטימיזציה של ריכוז מדגם, אנחנו יכולים להסביר את הצריכה הזאת בקביעת מה רמת החמצן להתחיל עם. לחלופין, ניתן לאפשר לדגימה להתוות בחמצן סביבתי לפני סגירת התא, אך לעתים קרובות זה יגדיל את משך הזמן לפני תחילת הניסוי ויעכב את הוספת המצעים. בעוד homogenizers בשימוש בפרוטוקול זה נגישים באופן נרחב, טכניקות הומוגניזציה מסחרית אחרות ניתן להשתמש, כגון מגרסת רקמות או homogenizer אוטומטי28.
בנוסף, הכנת הרקמות ואת הליכי המכשיר ניתן להשתמש עם מספר SUITs שונים כדי ללמוד שליטה נשימתית על ידי מגוון של צימוד ובקרת מסלולים קובע29. פרוטוקולי SUIT אלה פותחו כדי למדוד יכולת תפקודית, ולכן, לתרומה של מצעים אנדוגניים פוטנציאליים אין השפעה על מדידת הקיבולת. אנו מבחינה אנליטית להסביר צריכת חמצן שאינם מיטוכונדריאליים ו /או צריכה שיורית של הומוגנט באמצעות חיסור של אנטיצין A-רוטנון, או נתרן אזיד שיעורי רגישות, לפי הצורך. המיטוכונדריה יכולה להישאר בת קיימא ב- BIOPS או פתרונות שימור שנבנו באופן דומה לתקופות זמן ממושכות (>24 שעות) בהתאם לסוג הרקמה ושלמות30,31. מחקרים יכולים להתבצע מראש כדי לקבוע את מגבלות האחסון הזמני כמו OXPHOS של מצעים מסוימים עשויים להיות מגבלות שונות. זה חיוני אם הניסוי לא יכול להתבצע בתוך כמה שעות של כריתת רקמות / ביופסיה. 37°C היא טמפרטורה אופטימלית ופיזיולוגית להערכת תפקוד הנשימה ברוב מערכות היונקים. עם זאת, אם נראה שטמפרטורת ההסתה מפריעה להערכה32, מחקרים השוואתיים עשויים להתבצע על פני טווח טמפרטורות רחב (25-40 מעלות צלזיוס) כדי להבטיח היענות נאותה. אילוצים אינסטרומנטליים עשויים להגביל את היכולת לנהל מחקרים כאלה.
המגבלות העיקריות של השיטה המתוארת לעיל הן 1) הפוטנציאל לפגיעה במיטוכונדריה באמצעות הומוגניזציה מכנית, 2) נוכחות של ATPases או ביוכימיקלים תת-תאיים אחרים בתכשירים הומוגניים שיכולים להפריע לקביעה סימולטנית של ATP או משתנים אחרים של עניין ועשויים לדרוש שיטות תיקון נוספות או שימוש במעכב33 ו-3) הערכה של דגימות רבות ו/או SUITs מרובים לכל מדגם גוזלת זמן רב מכיוון שמכשיר אחד יכול להכיל שני ניסויים בכל פעם ודורש ניקוי והגדרת ניסויים רצופים., ניסויי אופטימיזציה והכנה עקבית של דגימות יכולים למזער נזק מיטוכונדריאלי משמעותי שיתרום לנתונים לא עקביים.
המשמעות של השיטה ביחס לשיטות קיימות/חלופיות היא היתכנות משופרת בהשוואה לכמות החומר ההתחלתי, אתגר בידוד המיטוכונדריה, או אתגר טכני ברקמות מחלחלות. הכנת הומוגנטים מהירה יותר, חמצן אינו מגביל כמעט, והוא פחות רגיש לשונות בין כוח אדם לעומת רקמה מחלחלת. חשוב לציין, כמעט כל סוגי המדגם מתאימים להכנה הומוגנית המאפשרת ניתוח השוואתי על פני רקמות. ספירומטריה ברזולוציה גבוהה היא המדידה בתקן הזהב של OXPHOS מיטוכונדריאלי ו- ET. היישום של שיטה זו במחקר סרטן פרה קליני וקליני יש את היכולת להרחיב את חקירות במבחנה הנוכחית מחקרים ex vivo. יתר על כן, הוא מציע יישומים פוטנציאליים בהגדרות קליניות ואבחון.
The authors have nothing to disclose.
אנו מודים לצוות הליבה לביולוגיה ביו-רפואית של מרכז פנינגטון על טיפול בבעלי חיים. מחקר זה נתמך בחלקו על ידי המכון הלאומי לבריאות מענקי U54GM104940 (JPK) ו KL2TR003097 (LAG). כל הניסויים וההליכים הקשורים לבעלי חיים אושרו על ידי מרכז המחקר הביו-רפואי פנינגטון הוועדה לטיפול ושימוש בבעלי חיים.
2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid hydrate | Sigma-Aldrich | M8250 | |
Adenosine 5′-diphosphate sodium salt | Sigma-Aldrich | A2754 | |
Adenosine 5'-triphosphate disodium salt hydrate | Sigma-Aldrich | A2383 | |
Amphotericin B | Gibco | 15290018 | |
Antimycin A | Sigma-Aldrich | A8674 | |
Ascorbate | Sigma-Aldrich | A4544 | |
Bovine serum albumin, fraction V, heat shock, fatty acid free | Sigma-Aldrich | 3117057001 | Roche |
BD 50 mL Luer-Lok Syringe | Fisher Scientific | 13-689-8 | |
BD Vacutainer General Use Syringe Needles | Fisher Scientific | 23-021-020 | |
Calcium carbonate | Sigma-Aldrich | C4830 | |
Carbonyl cyanide 4-(trifluoromethoxy)phenylhydrazone | Sigma-Aldrich | C2920 | |
Cytochrome c from equine heart | Sigma-Aldrich | C2506 | |
Datlab 7.4 software | Oroboros Instruments | ||
Dimethylsulfoxide | Amresco | N182 | |
Dithiothreitol | Sigma-Aldrich | D0632 | |
D-Sucrose | Sigma-Aldrich | S7903 | |
Dumont # 5 Forceps | Fine Science Tools | 11251-30 | Dumoxel, autoclavable |
Dumont # 7 Forceps | Fine Science Tools | 11271-30 | Dumoxel, autoclavable |
Digital Calipers 150 mm/6 in | World Precision Instruments | 501601 | |
EO771 cells | CH3 BioSystems | SKU: 94APV1-vial-prem | Pathogen Tested |
Ethylene glycol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N′,N′-tetraacetic acid | Sigma-Aldrich | E4378 | |
Female C57BL/6J mice | Jackson Laboratory | Stock #000664 | |
HEPES | Sigma-Aldrich | H4034 | |
Imidazole | Sigma-Aldrich | 56750 | |
Kimwipes | Fisher Scientific | 34120 | |
L-(−)-Malic acid | Sigma-Aldrich | G1626 | |
Lactobionic acid | Sigma-Aldrich | L2398 | |
Malate | Sigma-Aldrich | M6413 | |
Matrigel Matrix | Corning | 354248 | |
MgCl·6H2O | Sigma-Aldrich | M2670 | |
Microsyringes | Hamilton | 87919, 80383, 80521, 80665, 80765, 80865, 87943 | |
N,N,N′,N′-Tetramethyl-p-phenylenediamine | Sigma-Aldrich | T7394 | |
Oxygraph-2k | Oroboros Instruments | 10023-03 | |
Oxygraph-2k FluoRespirometer | Oroboros Instruments | 10003-01 | |
PBS | Gibco | 10010023 | |
Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15140122 | |
Phosphocreatine disodium salt hydrate | Sigma-Aldrich | P7936 | |
Potassium hydroxide | Sigma-Aldrich | P1767 | |
Potassium phosphate monobasic | Sigma-Aldrich | P5655 | |
Rotenone | Sigma-Aldrich | R8875 | |
RPMI 1640 | Gibco | 21875034 | |
Sodium azide | Sigma-Aldrich | S2002 | |
Sodium pyruvate | Sigma-Aldrich | P5280 | |
Succinate (disodium) | Sigma-Aldrich | W327700 | |
Taurine | Sigma-Aldrich | T0625 | |
Whatman Filter Paper, grade 5 | Sigma-Aldrich | 1005-090 | |
Wheaton Tenbroeck Tissue Grinder, 7 mL | Duran Wheaton Kimble | 357424 | |
Straight Tip Micro Dissecting Scissors | Roboz | RS-5914SC | |
Non-Safety Scalpel No. 11 | McKesson | 1029065 | |
BD Precision Glide Needle 27 G x 1/2 | Becton, Dickinson and Company | 305109 | |
BD Precision Glide Needle 18 G x 1 | Becton, Dickinson and Company | 305195 | |
BD 1mL Slip Tip Syringe | Becton, Dickinson and Company | 309659 | |
Pyrex Reusable Petri Dish, 60 mm | Thermo Fisher Scientific | 316060 | |
Rodent Very High Fat Diet, 60% kcal from fat, 20% kcal from protein, and 20% kcal from carbohydrate | Research Diet | D12492 | |
Pyrex Watch Glass, 100 mm | Thermo Fisher Scientific | S34819 |