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Biology

Évaluation de l’oxydation du substrat énergétique in vitro avec piégeage de 14CO2

Published: March 23, 2022 doi: 10.3791/63568

Summary

Ce protocole décrit une méthode facile à utiliser pour examiner l’oxydation du substrat en suivant la production de 14CO2 in vitro.

Abstract

Les mitochondries hébergent la machinerie du cycle de l’acide tricarboxylique (TCA) et de la chaîne de transport d’électrons (ETC), qui génèrent de l’adénosine triphosphate (ATP) pour maintenir l’homéostasie énergétique. Le glucose, les acides gras et les acides aminés sont les principaux substrats énergétiques alimentant la respiration mitochondriale dans la plupart des cellules somatiques. Les preuves montrent que différents types de cellules peuvent avoir une préférence distincte pour certains substrats. Cependant, l’utilisation du substrat par diverses cellules du squelette n’a pas été étudiée en détail. De plus, comme le métabolisme cellulaire est adapté aux changements physiologiques et physiopathologiques, des évaluations directes de la dépendance au substrat dans les cellules squelettiques peuvent fournir des informations importantes sur la pathogenèse des maladies osseuses.

Le protocole suivant est basé sur le principe de la libération de dioxyde de carbone par les molécules de substrat après phosphorylation oxydative. En utilisant des substrats contenant des atomes de carbone marqués radioactivement (14C), la méthode fournit un test sensible et facile à utiliser pour le taux d’oxydation du substrat en culture cellulaire. Une étude de cas avec des préostéoblastes calvariaires primaires par rapport à des macrophages dérivés de la moelle osseuse (MGM) démontre une utilisation différente des principaux substrats entre les deux types de cellules.

Introduction

La phosphorylation oxydative (OXPHOS) chez les eucaryotes est le processus par lequel les nutriments sont décomposés à l’intérieur des mitochondries pour libérer de l’énergie chimique sous forme d’ATP par la consommation d’oxygène.  Le catabolisme de divers substrats à l’intérieur des mitochondries par le cycle de l’acide tricarboxylique (TCA) génère directement peu de molécules d’ATP, mais stocke plutôt de l’énergie par réduction des transporteurs d’électrons nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+) et flavine adénine dinucléotide (FAD+). Les porteurs réduits sont ensuite oxydés par ETC situé sur la membrane interne des mitochondries pour générer un gradient de concentration de protons à travers la membrane. Les protons finissent par descendre leur gradient dans la matrice mitochondriale à travers l’ATP synthase pour produire de l’ATP. OXPHOS est le moyen le plus efficace de production d’ATP à partir de substrats énergétiques et généralement préféré dans les environnements aérobies. Auparavant, la glycolyse aérobie - la production de lactate à partir du glucose alors que l’oxygène est présent - était considérée comme physiopathologique, souvent une caractéristique des cellules cancéreuses. De plus en plus, on découvre que certains types de cellules normales utilisent la glycolyse aérobie pour des raisons qui n’ont pas encore été entièrement déchiffrées.

La flexibilité métabolique est la capacité des cellules ou des organismes à s’adapter à l’évolution des demandes d’énergie et des sources de carburant disponibles. Par exemple, la demande énergétique du muscle squelettique est principalement satisfaite par OXPHOS à l’état d’équilibre mais par la glycolyse anaérobie lors d’exercices de haute intensité1. À mesure que la durée de l’exercice augmente, l’oxydation du glucose et des acides gras contribue davantage à la production globale d’énergie2. Cependant, l’utilisation du substrat ne dépend pas seulement de la disponibilité, car les substrats rivalisent de manière antagoniste lors de l’oxydation. Plus particulièrement, il a été démontré que l’oxydation des acides gras inhibe l’utilisation du glucose par le muscle squelettique dans un phénomène connu sous le nom d’effet Randle3. Un effet réciproque a été démontré par des études ultérieures 4,5. En outre, de nombreuses maladies sont associées à un changement de préférence de substrat et au développement d’une rigidité métabolique dans les cellules. Par exemple, l’oxydation des acides gras est réduite dans le muscle squelettique des patients diabétiques de type II par rapport aux sujets témoins normaux6. Les changements métaboliques dans les contextes de la maladie font l’objet d’une enquête intense car ils peuvent contribuer à la pathogenèse.

Le métabolisme énergétique dans les types de cellules squelettiques est relativement peu étudié, mais a attiré l’attention ces dernières années7. Des travaux antérieurs ont montré que la glycolyse aérobie est la voie énergétique dominante dans les ostéoblastes calvariaires, tandis que l’oxydation du glucose par le cycle TCA joue un rôle dans la formation d’ostéoclastes 8,9. D’autres ont fourni des preuves que les acides gras étaient une source d’énergie pour les ostéoblastes10. Il a également été démontré que le catabolisme de la glutamine favorise la différenciation des ostéoblastes par rapport aux progéniteurs11,12. Cependant, une compréhension globale de l’utilisation du substrat par divers types de cellules squelettiques fait encore défaut. En outre, les changements dans le métabolisme cellulaire au cours de la différenciation cellulaire ou en réponse à des signaux pathologiques devraient modifier l’utilisation du substrat de carburant. Décrit ci-dessous est un protocole facile à utiliser pour tester l’oxydation du substrat in vitro.

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Protocol

L’utilisation de matières radioactives (RAM) nécessite l’approbation préalable d’un comité de sûreté désigné dans chaque établissement. Les RAM utilisés dans ce protocole ont été approuvés par Environmental Health & Radiation Safety (EHRS) de l’Université de Pennsylvanie. L’utilisation d’animaux nécessite l’approbation préalable du Comité institutionnel de soins et d’utilisation des animaux (IACUC) de l’établissement d’origine. L’étude suivante a été approuvée par l’IACUC à l’hôpital pour enfants de Philadelphie.

1. Préparation de solutions mères pour 14substrats marqués C

  1. Préparer une solution mère d’albumine sérique bovine (BSA) de 4 mM en mélangeant 11 g de BSA et 33,1 mL de solution saline tamponnée au phosphate (DPBS) de Dulbecco et en la agitant doucement à température ambiante pendant environ 3 h jusqu’à ce que la BSA soit complètement dissoute. Réchauffer la solution mère BSA dans un bain-marie à 70 °C avant utilisation.
  2. Sécher à l’air libre 50 μCi 14C-oléate (50 μCi/μmol dans l’éthanol) dans le flacon avec le couvercle fermé pendant 8 h dans une hotte de travail RAM désignée. Ajouter 312,5 μL deH2O puis 3,5 mg (11,5 μmol) d’oléate de sodium. Mélanger.
  3. Réchauffer la solution obtenue à 70 °C au bain-marie. Ajouter 0,9375 mL de la solution mère de BSA préavertie pour obtenir une solution mère d’oléate chaud de 10 mM (contenant un rapport de 1:11,5 de 14anéate C par rapport à l’oléate non marqué). Aliquotez la solution mère et conservez-la à -20 °C pour une utilisation à long terme.
  4. Utilisez 14C-glucose et 14C-glutamine directement après la décongélation.

2. Préparation d’un milieu contenant 14substrats marqués C

REMARQUE: Pour assurer des concentrations fiables de substrats énergétiques dans les milieux, les milieux sur mesure doivent être utilisés avec des substrats frais ajoutés peu de temps avant utilisation. Ici, un milieu essentiel minimum (MEMα) sur mesure sans glucose, pyruvate, glutamine, rouge de phénol ou bicarbonate de sodium est utilisé. Cependant, un milieu optimal doit être déterminé pour chaque type de cellule.

  1. Reconstituer 8,67 g de la poudre moyenne dans 1 L d’eau purifiée. Ajouter 2,2 g de bicarbonate de sodium pour obtenir un pH de 7,4 et filtrer la solution à l’aide d’une filtration sous vide de 0,22 μm.
  2. Ajouter des ingrédients frais pour obtenir le milieu complet (cMEMα) avec des concentrations finales de 5,5 mM de glucose, 2 mM de glutamine, 1 mM de pyruvate et 10% de sérum fœtal bovin (FBS). Complétez en outre cMEMα avec 100 mM de L-carnitine et 10 μM d’HEPES pour faciliter l’oxydation des acides gras.
  3. Immédiatement avant utilisation, ajouter 14substrats marqués C au cMEMα fraîchement préparé pour obtenir un milieu chaud. Pour rendre le milieu oléate chaud, ajouter la solution mère d’oléate chaud de 10 mM à cMEMα pour une concentration finale de 100 μM d’oléate (dilution 1:100, radioactivité finale 0,4 μCi/mL).
    REMARQUE : Le stock d’oléate chaud de 10 mM contenant un rapport de 1:11,5 d’oléate chaud/froid (voir l’étape 1.3) est utilisé pour atteindre un niveau physiologique de 100 μM d’oléate total dans le milieu tout en minimisant la quantité de matière radioactive.
  4. Préparer 10 mM d’oléate non marqué en ajoutant 24,36 mg d’oléate de sodium à 2 mL deH2O au bain-marie à 70 °C pendant environ 20 min jusqu’à dissolution complète avant de mélanger rapidement avec 6 mL de la solution mère de BSA de 4 mM préavertilée à 70 °C. Transférer dans un bain-marie à 37 °C pendant 1 h et filtrer à travers un filtre de 0,22 μm. Aliquote et conserver à -20 °C pour une utilisation à long terme.
  5. Pour rendre le glucose chaud, ajouter 14C-glucose à une concentration finale de 1,333 μM (dilution 1:4 125, radioactivité finale 0,4 μCi/mL). Pour rendre la glutamine en milieu chaud, ajouter 14C-glutamine à la concentration finale de 2 μM (dilution 1:1 000, radioactivité finale 0,4 μCi/mL).
  6. Compléter le milieu chaud de glucose et de glutamine avec une solution mère de 10 mM d’oléate non marqué de l’étape 2.4 pour atteindre la concentration finale de 100 μM d’oléate, la même que celle du milieu chaud oléate.

3. Préparation des cellules

REMARQUE: Les préostéoblastes calvariaires et les macrophages de la moelle osseuse sont utilisés comme exemples ici. Les utilisateurs doivent préparer le type de cellule de leur choix selon les protocoles appropriés. Optimiser la concentration de collagénase II à utiliser pour la digestion dans des expériences pilotes, car l’activité enzymatique peut varier d’un lot à l’autre.

  1. Isolement et culture des préostéoblastes calvariaires
    1. Sacrifiez les chiots du jour postnatal 3-5 (P3-5) par décapitation et transférez-les dans un DPBS glacé contenant de la pénicilline-streptomycine (P / S).
    2. Exposez le calvaire en enlevant la peau et les tissus mous. Prélever la région médiane en coupant les tissus environnants de l’arrière vers l’avant dans le DPBS (Figure 1A). Grattez doucement les surfaces interne et externe de la calvarie à l’aide d’une pince à épiler pour aider à libérer les cellules lors de la digestion ultérieure.
    3. Préparer une solution de 2 mg/mL et une solution de 4 mg/mL de collagénase de type II dans du DPBS et filtrer chaque solution avec un filtre frais de 0,22 μm. Digérer d’abord la calvaire nettoyée avec la solution de collagénase de 2 mg/mL pendant 15 min et jeter la solution de digestion. Digérer les échantillons nettoyés dans une solution de collagénase de 4 mg/mL 3 fois pendant 15 min à chaque fois, en regroupant et en sauvegardant la solution de digestion.
    4. Filtrer la solution de digestion à travers des tamis cellulaires de 70 μm et centrifuger le filtrat à 300 × g pendant 5 min. Remettre en suspension la pastille de cellule en cMEMα (voir étape 2.2) contenant 10 % de FBS et de P/S.
    5. Compter et ensemencer les cellules à 4 × 104 cellules/cm2 dans des plaques de 10 cm. Cultivez les cellules dans un incubateur à 37 °C avec 5% de CO2 pendant 3 jours.
    6. Dissocier les cellules à 37 °C avec 0,25 % de trypsine-EDTA. Compter et ensemencer les cellules dans des plaques de culture cellulaire à 24 puits avec cMEMα contenant 10% de FBS et P/S à 7,5 × 105/cm2. Ensemencez au moins 4 puits par type de cellule et par substrat et au moins trois puits supplémentaires pour chaque type de cellule pour le comptage cellulaire avant le test.
    7. Cultiver les cellules à 37 °C pendant la nuit avant les essais d’oxydation du substrat.
  2. Isolement et culture des BMM
    REMARQUE: La culture des MMO nécessite un facteur de stimulation des colonies de macrophages (M-CSF), qui peut être acheté commercialement en tant que protéine recombinante. Le milieu conditionné de la lignée cellulaire CMG14-12 conçu pour exprimer le M-CSF est une alternative économique utilisée ici13.
    1. Recueillir les fémurs et les tibias de souris de 8 semaines après avoir enlevé le muscle et les tissus conjonctifs. Coupez et jetez les deux extrémités des os avec des ciseaux tranchants.
    2. Débusquez la moelle osseuse d’un fémur et d’un tibia dans une boîte de Petri de 10 cm avec une seringue équipée d’une aiguille de 23 G contenant 15 mL de cMEMα avec 10% de FBS, P / S et 10% de milieu conditionné CMG14-12 (milieu BMM). Cultiver les cellules dans la boîte de Pétri dans un incubateur à 37 °C avec 5% de CO2.
    3. Après 3 jours, jeter le milieu de culture et rincer avec du DPBS. Dissocier les cellules attachées à 37 °C avec 0,25 % de trypsine-EDTA pendant 5 min. Centrifuger et remettre en suspension la pastille de cellule dans le milieu BMM.
    4. Compter et ensemencer les cellules dans des plaques de culture cellulaire à 24 puits à 7,5 × 105/cm2 de la même manière que celle décrite au point 3.1.6. Culture à 37 °C pendant la nuit dans le milieu BMM avant de commencer les essais.

4. Dosage d’oxydation du substrat avec piège à CO2

REMARQUE: Une densité d’ensemencement appropriée doit être déterminée pour chaque type de cellule afin d’atteindre une confluence de 80 à 90% avant le début de l’essai. Notez que la densité cellulaire peut affecter l’état métabolique des cellules.

  1. Lavez les cellules dans les puits supplémentaires deux fois avec DPBS. Dissocier les cellules avec 0,25 % de trypsine-EDTA et mélanger des cellules de 20 μL remises en suspension dans du DPBS avec 20 μL de solution de colorant commercial prêt à l’emploi d’acridine orange/iodure de propidium (AO/PI). Déterminez le nombre de cellules vivantes à l’aide d’un compteur de cellules automatisé et enregistrez le nombre pour les calculs finaux.
  2. Lavez les cellules dans les puits d’essai deux fois avec DPBS. Ajouter 500 μL de milieu chaud à chaque puits d’essai dans la hotte de culture tissulaire désignée ram. Scellez les plaques avec un parafilm et incubez les cellules dans un incubateur désigné RAM à 37 °C pendant 4 h.
  3. Pendant l’incubation, coupez le papier filtre en morceaux circulaires légèrement plus grands que la zone à l’intérieur du capuchon des tubes de microcentrifugation de 1,5 ml et insérez le papier bien dans le capuchon (Figure 1B). Ajouter 200 μL d’acide perchlorique 1 M dans chaque tube et 20 μL d’hydroxyde de sodium sur le papier filtre inséré à l’intérieur du bouchon.
  4. Après l’incubation des cellules, transférer 400 μL de milieu de culture de chaque puits vers les tubes préparés et fermer immédiatement les bouchons. Laisser les tubes dans un porte-tubes à température ambiante pendant 1 h.
  5. Pendant l’incubation, installez un flacon de scintillation pour chaque tube et remplissez-le de 4 mL de liquide de scintillation. Transférer chaque morceau de papier filtre dans un flacon de scintillation et incuber à température ambiante pendant 30 min.
  6. Effectuez des tests d’essuyage sur la hotte de culture tissulaire, le bain-marie (utilisé pour la préparation de 14C-oléate), le réfrigérateur, l’incubateur, l’évier, le sol et toute autre zone de travail pour une contamination potentielle par la RAM. Mettez les lingettes en papier dans des flacons de scintillation contenant du liquide de scintillation.
  7. Mesurez la radioactivité de 14C dans les flacons de scintillation avec un compteur de scintillation. Enregistrez les résultats de lecture. Décontaminer l’environnement de travail selon les directives de radioprotection si nécessaire.

5. Analyse des données

REMARQUE: En supposant que chaque substrat est complètement oxydé pour libérer du CO2, le taux d’oxydation du substrat peut être calculé à partir de la radioactivité du CO2 piégé.

  1. Calculez le taux d’oxydation du substrat à l’aide de Eq (1) et des valeurs X, Y et Z indiquées dans le tableau 1 pour différents substrats.
    Taux d’oxydation du substrat (μmol/cellule/h) = Equation 1   (1)
    1. Calculer les désintégrations totales par min (DPM) pour chaque puits de réaction. Pour X, utilisez la valeur DPM (lecture du compteur de scintillation) à partir de 0,4 mL du milieu réactionnel utilisé pour le piégeage du CO2 sur 0,5 mL du milieu réactionnel total. Par conséquent, le DPM total de chaque puits de réaction est de X × 1,25.
    2. Divisez le DPM total par un facteur de 2 220 000 pour convertir en μCi.
    3. Convertir la radioactivité en μCi en nombre de 14molécules marquées C. Divisez la valeur μCi par l’activité spécifique (Y) de chaque substrat marqué. Utilisez les valeurs Y suivantes (tableau 1) : 14C-glucose : 300 mCi/mmol ; 14 C-glutamine : 200 mCi/mmol ; 14 C-oléate : 50 mCi/mmol.
    4. Calculer le nombre total de molécules oxydées à partir des 14molécules oxydées marquées C en multipliant ces dernières par le facteur de dilution chaud à total (Z). Utilisez les valeurs Z suivantes (tableau 1) : Glucose : 4 125; glutamine : 1 000; oléate: 12,5.
    5. Divisez le produit résultant par nombre de cellules (cellule#) et 4 (pour un temps de réaction de 4 h) pour déterminer le taux d’oxydation du substrat par cellule. Utilisez la cellule# déterminée dans les puits parallèles au début de l’essai.

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Representative Results

Dans cet exemple, la méthode de piégeage du CO2 est utilisée pour comparer l’oxydation du substrat par les préostéoblastes calvariaires primaires par rapport aux MBM, qui sont fréquemment utilisés pour la différenciation in vitro des ostéoblastes ou des ostéoclastes, respectivement. Une fois que les cellules primaires sont passées et cultivées dans cMEMα pendant la nuit, elles atteignent généralement 80 à 90% de la confluence et présentent leur morphologie caractéristique. Les préostéoblastes calvariaires sont nettement plus grands que les MMO (Figure 2). Chaque type de cellule est soumis à des tests d’oxydation pour le glucose, la glutamine et l’oléate en suivant les étapes 4.1 à 4.7. Les résultats sont analysés à l’aide d’Eq (1).

Les résultats montrent que le taux d’oxydation de chaque substrat est significativement plus élevé dans les préostéoblastes calvariaires que dans les MMO, ce qui indique probablement une plus grande production d’énergie par OXPHOS dans les préostéoblastes (Figure 3). Des études antérieures avec la technologie Seahorse ont montré que OXPHOS représente environ 60% de la production d’ATP dans les préostéoblastes, mais diminue nettement dans les ostéoblastes matures, où la glycolyse aérobie est responsable d’environ 80% de l’énergie9. Les résultats actuels démontrent que les trois principaux substrats contribuent à OXPHOS dans les préostéoblastes. Cependant, des recherches plus approfondies sont nécessaires pour déterminer si l’utilisation d’un ou de tous les substrats est réduite dans les ostéoblastes matures.

Figure 1
Figure 1 : Diagrammes pour le dosage du piégeage du CO2 et la dissection de calvaria. (A) La région médiane de la calvaire, indiquée par le triangle pointillé orange, est récoltée pour l’isolaton cellulaire. (B) Des tubes de microcentrifugation de 1,5 mL sont utilisés pour le piégeage du CO2 (étape 1). Les papiers filtres (papier bleu à des fins d’illustration) sont découpés pour tenir dans des bouchons de tube (étape 2). Ajouter 200 μL d’acide perchlorique 1 M à 400 μL de milieu chaud de la culture cellulaire dans chaque tube et 20 μL de NaOH au papier filtre (étape 3) avant de fermer le couvercle (étape 4). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Morphologie typique des MMO et des préostéoblastes calvariens. (A, B) Images représentatives à faible grossissement. (C, D) Images représentatives à un grossissement plus élevé. Barres d’échelle = 400 μm (A, B), 100 μm (C, D). Abréviations : BMM = macrophages dérivés de la moelle osseuse; preOBs = préostéoblastes. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Taux d’oxydation du substrat dans les préostéoblastes calvariaires et les BMM. (A) Glucose. B) Glutamine. (C) Oléate. Les calculs supposent que chaque molécule de substrat est entièrement oxydée. Abréviations : BMM = macrophage dérivé de la moelle osseuse; preOB = préostéoblaste. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Substrat Radioactivité (X) Activité spécifique (Y), mCi/mmol Facteur de dilution (Z)
Glucose DPM1 300 4,125
Glutamine DPM2 200 1,000
Oléate DPM3 50 12.5

Tableau 1 : Paramètres utilisés dans l’analyse des données.

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Discussion

Le protocole fournit une méthode facile à utiliser pour déterminer le taux d’oxydation des principaux substrats énergétiques. C’est une alternative plus simple aux autres protocoles qui utilisent des flacons contenant un puits central et coiffés de bouchons en caoutchouc 14,15,16. Bien que l’exemple d’étude ici soit réalisé avec une culture cellulaire, la méthode peut être facilement adaptée pour les explantes tissulaires ou les homogénats tissulaires contenant des mitochondries intactes, comme décrit précédemment17.

Certaines étapes clés à prendre en compte dans ce protocole concernent la préparation des réactifs et la mise en place des tubes pour le piégeage de 14CO2 . Assurer une conjugaison appropriée de l’oléate en BSA est crucial pour empêcher les acides gras libres (FFA) d’endommager les membranes cellulaires et pour permettre une absorption efficace par la cellule pour le métabolisme. Incuber la solution de BSA juste assez longtemps pour une dissolution complète, car de longues incubations avec du BSA à 70 °C conduisent à une solidification irréversible.

Le cMEMα frais doit être fabriqué pour chaque installation expérimentale en raison de la courte demi-vie de substrats tels que la L-glutamine. Enfin, le papier filtre doit être suffisamment grand pour tenir solidement dans le capuchon afin d’éviter les lectures erronées. Une chute accidentelle du papier filtre dans le liquide de réaction entraînera des valeurs de DPM anormalement élevées, qui devraient être omises d’une analyse plus approfondie. Quatre à cinq puits répliqués peuvent être établis en cas de contamination potentielle. Si les valeurs finales de DPM sont trop faibles, par exemple, inférieures à 100, il peut être utile d’augmenter la quantité de substrat radioactif ou le temps d’incubation.

Il existe des mises en garde pour l’utilisation de l’oléate comme substrat de substitution pour l’oxydation des acides gras. L’oléate est l’acide gras monoinsaturé à longue chaîne le plus abondant, constituant 32% de tous les acides gras dans la circulation et les tissus. Cependant, d’autres acides gras à longue chaîne, tels que le palmitate (28%) et le linoléate (14%), sont également des substrats majeurs in vivo18,19. Par conséquent, la supplémentation des milieux de culture cellulaire avec de l’oléate seul peut ne pas refléter avec précision le taux d’oxydation des acides gras lorsque d’autres espèces sont également présentes. Lors de l’exécution du test, cette préoccupation peut être améliorée en incluant ces autres acides gras dans le milieu de culture.

Il convient de noter que le métabolisme cellulaire dépend fortement du contexte et peut présenter une grande plasticité en fonction de la disponibilité du substrat et de la tension en oxygène, entre autres facteurs. Il est donc important d’évaluer les résultats in vitro dans le contexte des conditions physiologiques. Néanmoins, il est de plus en plus clair que les cellules ont tendance à maintenir au moins certains aspects de leurs caractéristiques métaboliques in vitro, probablement en raison de la programmation métabolique et de la mémoire spécifiques à la cellule. Ainsi, les méthodes in vitro simples, comme celle-ci, offrent un outil important pour mieux comprendre non seulement la diversité métabolique entre les types de cellules, mais aussi le dérèglement potentiel dans les maladies.

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Disclosures

Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.

Acknowledgments

Le travail a été soutenu en partie par la subvention R01 AR060456 (FL) des NIH. Nous remercions le Dr Michael Robinson et Elizabeth Krizman (The Children’s Hospital of Philadelphia) pour leur généreuse aide avec le compteur de scintillation.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
0.22 µm filters Sigma-Aldrich SLGVM33RS Used to filter BSA solution
0.25% Trypsin-EDTA Gibco 25200056 Dissociate cells from cell culture plates
1.5 mL Eppendorf tubes PR1MA PR MCT17 RB Used for reaction incubation
10 cm plates TPP 93100 Used for cell culture
10 mL syringe BD 302995 Used to flush marrow from long bones
10% FBS Atlanta biologicals S11550 For Cell culture medium preparation
14C-Glucose PerkinElmer NEC042X050UC Used to make hot media
14C-glutamine PerkinElmer NEC451050UC Used to make hot media
14C-oleate PerkinElmer NEC317050UC Used to make hot media
23 G needle BD 305120 Used to flush marrow from long bones
24-well plates TPP 92024 Used for cell culture
70 μm cell strainers MIDSCI 70CELL Used to filter supernatant during cavarial digestion
Acridine Orange/Propidium Iodide (AO/PI) dye Nexcelom Biosciences CS2-0106 Stains live cells to determine seed density
Bovine Serum Ablumin Proliant Biologicals 68700 Used for fatty acid conjugation
Cellometer Auto 2000 Nexcelom Biosciences Determine the number of viable cells
Centrifuge Thermo Fisher Legend Micro 21R Used to pellet cells
Collagenase type II Worthington LS004176 Dissociate cells from tissue
Custom MEM alpha GIBCO SKU: ME 18459P1 Used to create custom hot media
Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline Gibco 10010023 Used to dissolve and dilute reagents, and wash culture dishes
Filter Paper Millipore-Sigma WHA1001090 Traps CO2 with sodium hydroxide
Glucose Sigma-Aldrich g7528 Used to make custom media
HEPES Gibco 15630080 Traps CO2 during cell culture
L-carnitine Sigma-Aldrich C0283 Supplemented for fatty acid oxidation
L-Glutamine Sigma-Aldrich g3126 Used to make custom media
MEM alpha Thermo A10490 Cell culture medium
Parafilm Pecheney Plastic Packaging PM998 Used to seal cell culture dishes
Penicillin-Streptomycin Thermo Fisher 15140122 Prevents contamination in cell culture
Perchloric Acid Sigma-Aldrich 244252 Releases CO2 during metabolic assay
Pyruvate Sigma-Aldrich p5280 Used to make custom media
Scintillation Counter Beckman Coulter LS6500 Determines radioactivity from the filter paper
Scintillation Fluid MP Biomedicals 882453 Absorb the energy emitted by RAMs and re-emit it as flashes of light
Scintillation Vial Fisher Scientific 03-337-1 Reaction containers for scintillation fluid
Sodium carbonate Sigma-Aldrich S5761 Balance buffer for medium
Sodium Hydroxide Sigma-Aldrich 58045 Traps CO2 during metaboilc assay
Sodium oleate SANTA CRUZ SC-215879 BSA conjugated fatty acid preparation
Vaccum filtration 1000 TPP 99950 Filter cMEMα

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hargreaves, M., Spriet, L. L. Skeletal muscle energy metabolism during exercise. Nature Metabolism. 2 (9), 817-828 (2020).
  2. Jeukendrup, A. E. Regulation of fat metabolism in skeletal muscle. Annals of the New York Academy of Sciences. 967, 217-235 (2002).
  3. Randle, P. J., Garland, P. B., Hales, C. N., Newsholme, E. A. The glucose fatty-acid cycle. Its role in insulin sensitivity and the metabolic disturbances of diabetes mellitus. Lancet. 1 (7285), 785-789 (1963).
  4. Randle, P. J., Newsholme, E. A., Garland, P. B. Regulation of glucose uptake by muscle. 8. Effects of fatty acids, ketone bodies and pyruvate, and of alloxan-diabetes and starvation, on the uptake and metabolic fate of glucose in rat heart and diaphragm muscles. Biochemical Journal. 93 (3), 652-665 (1964).
  5. Taegtmeyer, H., Hems, R., Krebs, H. A. Utilization of energy-providing substrates in the isolated working rat heart. Biochemical Journal. 186 (3), 701-711 (1980).
  6. Cha, B. S., et al. Impaired fatty acid metabolism in type 2 diabetic skeletal muscle cells is reversed by PPARgamma agonists. American Journal of Physiology. Endocrinology and Metabolism. 289 (1), 151-159 (2005).
  7. Lee, W. C., Guntur, A. R., Long, F., Rosen, C. J. Energy metabolism of the osteoblast: implications for osteoporosis. Endocrine Reviews. 38 (3), 255-266 (2017).
  8. Li, B., et al. Both aerobic glycolysis and mitochondrial respiration are required for osteoclast differentiation. FASEB Journal. 34 (8), 11058-11067 (2020).
  9. Lee, W. C., Ji, X., Nissim, I., Long, F. Malic enzyme couples mitochondria with aerobic glycolysis in osteoblasts. Cell Reports. 32 (10), 108108 (2020).
  10. Kim, S. P., et al. Fatty acid oxidation by the osteoblast is required for normal bone acquisition in a sex- and diet-dependent manner. JCI Insight. 2 (16), 92704 (2017).
  11. Yu, Y., et al. Glutamine metabolism regulates proliferation and lineage allocation in skeletal stem cells. Cell Metabolism. 29 (4), 966-978 (2019).
  12. Karner, C. M., Esen, E., Okunade, A. L., Patterson, B. W., Long, F. Increased glutamine catabolism mediates bone anabolism in response to WNT signaling. The Journal of Clinical Investigation. 125 (2), 551-562 (2015).
  13. Takeshita, S., Kaji, K., Kudo, A. Identification and characterization of the new osteoclast progenitor with macrophage phenotypes being able to differentiate into mature osteoclasts. Journal of Bone and Mineral Research. 15 (8), 1477-1488 (2000).
  14. Itoh, Y., et al. Dichloroacetate effects on glucose and lactate oxidation by neurons and astroglia in vitro and on glucose utilization by brain in vivo. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (8), 4879-4884 (2003).
  15. Oba, M., Baldwin, R. L. 4th, Bequette, B. J. Oxidation of glucose, glutamate, and glutamine by isolated ovine enterocytes in vitro is decreased by the presence of other metabolic fuels. Journal of Animal Science. 82 (2), 479-486 (2004).
  16. Esen, E., Lee, S. Y., Wice, B. M., Long, F. PTH promotes bone anabolism by stimulating aerobic glycolysis via IGF signaling. Journal of Bone and Mineral Research. 30 (11), 1959-1968 (2015).
  17. Huynh, F. K., Green, M. F., Koves, T. R., Hirschey, M. D. Measurement of fatty acid oxidation rates in animal tissues and cell lines. Methods in Enzymology. 542, 391-405 (2014).
  18. Hodson, L., Skeaff, C. M., Fielding, B. A. Fatty acid composition of adipose tissue and blood in humans and its use as a biomarker of dietary intake. Progress in Lipid Research. 47 (5), 348-380 (2008).
  19. Abdelmagid, S. A., et al. Comprehensive profiling of plasma fatty acid concentrations in young healthy Canadian adults. PLoS One. 10 (2), 0116195 (2015).

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Biologie numéro 181
Évaluation de l’oxydation du substrat énergétique <em>in vitro</em> avec <sup>piégeage de 14</sup>CO<sub>2</sub>
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Song, C., Valeri, A., Long, F.More

Song, C., Valeri, A., Long, F. Assessing Energy Substrate Oxidation In Vitro with 14CO2 Trapping. J. Vis. Exp. (181), e63568, doi:10.3791/63568 (2022).

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