Abordagens Complementares para Interrogar o Fluxo de Mitofagia em Células β Pancreáticas

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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 fluxo^10,11. 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 insulina^14,15, permitindo a identificação de células-β como^{a 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 MtPhagy^altaFluozin MtPhagy^atravésda 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.

Protocol

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) Preparação e tratamento de ilhotas de camundongosRealiz…

Representative Results

Avaliação da mitofagia através da abordagem MtPhagy baseada em corantesEsta 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 …

Discussion

Este protocolo descreveu dois métodos complementares para quantificar o fluxo de mitofagia em ilhotas primárias dissociadas de camundongos. Usando o método mt-Keima, um aumento na mitofagia foi quantificado como um aumento da razão de células ácidas (561 nm)/neutras (405 nm), enquanto no método MtPhagy, o aumento do fluxo de mitofagia foi quantificado como um aumento na população de células baixas de MtPhagy^altaMtPhagy Fluozin^alta. Esses métodos permitem avaliações rápidas,…

Materials

Antibiotic-Antimycotic	Life Technologies	15240-062
Attune NxT Flow Cytometer	Thermofisher Scientific	A24858
DAPI (4',6-Diamidino-2-Phenylindole, Dihydrochloride)	Thermofisher Scientific	D1306	DAPI reconstituted in ddH2O to reach 0.2 µg/mL stock
Dimethyl Sulfoxide	Sigma-Aldrich	317275
Fatty Acid Free heat shock BSA powder	Equitech	BAH66
Fetal bovine serum	Gemini Bio	900-108
Fluozin-3AM	Thermofisher Scientific	F24195	100 μg Fluozin-3AM powder reconstituted in 51 μL DMSO and 51 μL Pluronic F-127 to reach 1 mM stock.
Gibco RPMI 1640 Medium	Fisher Scientific	11-875-093
HEPES (1M)	Life Technologies	15630-080
MtPhagy dye	Dojindo	MT02-10	5 μg MtPhagy powder reconstituted with 50 μL DMSO to reach 100 μM stock.
MtPhagy dye	Dojindo	MT02-10
Penicillin-Streptomycin (100x)	Life Technologies	15140-122	1x Solution used in procotol by diluting 1:10 in ddH2O
Phosphate buffered saline, 10x	Fisher Scientific	BP399-20	1x Solution used in procotol by diluting 1:10 in ddH2O
Sodium Pyruvate (100x)	Life Technologies	11360-070	5 μg MtPhagy powder reconstituted with 50 μL DMSO to reach 100 μM stock.
TMRE [Tetramethylrhodamine, ethyl ester, perchlorate]	Anaspec	AS-88061	TMRE powder reconstituted in DMSO to reach 100 μM stock.
Trypsin-EDTA (0.05%), phenol red	Thermofisher Scientific	25300054
Valinomycin	Sigma	V0627	Valinomycin powder reconsituted in DMSO to reach 250 nM stock.