高分辨率呼​​吸测量,以评估线粒体功能的通透和完整细胞

Biology
 

Summary

高分辨率呼​​吸测量被用于确定线粒体耗氧量。这是一个简单的技术来确定线粒体呼吸链复合物'(I-IV)的呼吸率,最大线粒体电子传递系统容量,和线粒体外膜的完整性。

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Djafarzadeh, S., Jakob, S. M. High-resolution Respirometry to Assess Mitochondrial Function in Permeabilized and Intact Cells. J. Vis. Exp. (120), e54985, doi:10.3791/54985 (2017).

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Abstract

Introduction

线粒体履行细胞能量代谢的重要作用,特别是通过使用氧气产生三磷酸腺苷(ATP)。它们被牵连的细胞死亡,并在多种人类疾病。线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)结合一起耗氧量和ATP合成的电子传输链电子传递。线粒体三羧酸(TCA)循环涉及的蛋白质,碳水化合物和脂肪转化为能量丰富化合物作为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FADH 2)。 (I至IV)位于线粒体内膜则NADH和FADH 2的电子被转移到呼吸电子传递链蛋白复合物。此外,另外两个氧化还原途径可以转移电子至电子传输链:ⅰ)线粒体电子转移黄素蛋白(ETF),其位于内线粒体的基质面从脂肪酸β氧化chondrial膜,和供给电子;及ii)线粒体甘油脱氢酶氧化甘油至磷酸二羟丙酮和线粒体电子传递链馈送电子。复合物IV(最终电子受体)的电子传送到一个氧分子,转换氧两份水分子。从呼吸电子传递链复合体I的电子的移动至IV是加上从线粒体基质以它建立跨线粒体内膜的电化学梯度的间空间质子流量。事后,线粒体复合物V(ATP合酶)穿梭氢离子放回线粒体基质并合成ATP分子。 OXPHOS函数可以在体内体外使用各种技术和各种线粒体呼吸状态可以得到进行评估。在分离线粒体以下respiratoRY状态可测:ⅰ)基底线粒体呼吸(状态1)在加入线粒体呼吸链复合物的特异性底物的后,ⅱ)氧气量(状态2),ⅲ)最大线粒体耗氧量加入饱和浓度的后腺苷二磷酸(ADP)(状态3)和,ⅳ)ADP量(转化为ATP后搁置呼吸)(状态4)。在完整细胞以下呼吸状态可测:ⅰ)基底蜂窝耗氧内源性底物和ADP的存在下,ⅱ)在寡霉素的存在下基底蜂窝氧消耗(寡霉素不敏感的呼吸)和寡敏感呼吸(ATP营业额),ⅲ)FCCP解偶联呼吸作用和加法抗霉素A和鱼藤酮的后ⅳ)非线粒体呼吸。在透化的细胞中,电子传递链复合物和ADP的特异性底物,可以添加和最大复杂依赖性呼吸率小号UCH复杂I-,II-和IV依赖性呼吸率可以被测量。

细胞呼吸的测量提供了重要的见解特定络合物I-IV,线粒体完整性和能量代谢1,2,3线粒体呼吸的能力。其中之一使线粒体耗氧具有高精确度,分辨率和灵敏度的测量装置是高分辨率oxygraph 4。高分辨率oxygraph设备包含两个室与喷射口和每个室配备有极谱氧传感器。蜂窝式或分离的线粒体悬浮液中的呼吸连续搅拌。为了评估线粒体功能,底物和抑制剂对线粒体复合物活性可以根据标准协议来添加。底物和抑制剂可通过注射INT滴定澳oxygraph的内室,耗氧率正在使用的软件计算并表示为每细胞数第二皮摩尔。高分辨率呼​​吸测量比传统和常规极谱氧电极装置,包括增加的敏感性,并与生物样品如完整的或透化的细胞的小的数字工作能力提供了几个优点。此外,每个设备包括两个腔室,和呼吸率可以同时记录的氧浓度的比较。高分辨率oxygraph还具有相对于传统极谱氧电极装置从设备室的氧减少了泄漏的优点。最近开发的用于测量蜂窝氧消耗另一个设备是96孔细胞外磁通分析器5。胞外通量分析仪配有荧光代替极谱法传感器。外的优点因此磁通分析器相比高分辨率oxygraph是ⅰ)它是一个高度自动化设备,ii)其可以测量在24和用于高通量筛选96孔板耗氧量,需要较低量的生物样品,和iii)细胞糖酵解流量的附加测量是可能的。胞外通量分析仪相比于高分辨率oxygraph的缺点是:i)所述设备和消耗品如荧光板,这是不可再用的成本高,和ii)每测定只有四种化合物/孔是可注射因此该系统是不为衬底解偶联剂抑制剂滴定协议可行的。

在本研究中,我们使用高分辨率的呼吸测量来确定线粒体呼吸。用于蜂窝耗氧量的实验中,将细胞透化,以允许外源ADP和可氧化线粒体基质的入口用于供给电子到配合物S中的呼吸系统。这种方法允许个别线粒体络合物呼吸能力夹层,这是一个明显的优势相比完整细胞(多底物是细胞不通透性)。然而,细胞膜透化会破坏细胞质和细胞外的空间和介质(洗出胞质溶质)和细胞内空间的组合物之间的屏障与胞外介质平衡。一个透化的细胞在完整细胞的缺点之一是,如果细胞透期间采用洗涤剂过量线粒体外膜可被损坏。在完整细胞,基底,完整细胞的耦合和解偶联呼吸作用可以测量。这种方法计算的完整细胞的氧消耗而不添加外源性底物和ADP的,在一体化细胞再现呼吸功能并且还提供对最大线粒体电子TRANSPO信息室温容量6,7。之一的完整细胞的过度渗透细胞的优点是,蜂窝环境将不中断,线粒体是在与细胞的整个组分的接触。为了透化细胞质膜,洗涤剂如毛地黄皂苷已用于8。然而,如果采用毛地黄皂苷过量线粒体外膜的完整性可受到损害。以确认线粒体外膜的完整性在透化的细胞不受损害,毛地黄皂苷滴定被执行以确定用于蜂窝透的最佳浓度。对于这些实验,将细胞再悬浮于呼吸介质和毛地黄皂苷浓度由线粒体底物和ADP和呼吸速率的存在呼吸测量滴定进行测定。完好,无渗透细胞的呼吸是不mitocho的存在刺激ndrial基板和ADP。然而,随后逐步毛地黄皂苷滴定将产生等离子体的膜逐渐透,并且获得最佳的毛地黄皂苷浓度。这是由呼吸达到充分透的增加所示。线粒体的质量和外膜的完整性可以通过添加外源细胞色素C 2,9进行验证。细胞色素c是线粒体电子传递链10,11,12的12 kDa的电子携载蛋白。它被定位于线粒体膜间隙,并参与耗氧量,携带来自复合物III电子以复合物IV。一旦线粒体外膜被破坏,细胞色素C释放和线粒体氧消耗减少。在加入外源细胞色素c,在线粒体呼吸任何增强指示的一个破坏线粒体外膜。

在透细胞,基质和线粒体复合体活性的抑制剂加入以下各种协议3,9。例如为了研究线粒体复合驱动呼吸速率,可以使用以下协议。细胞的透化后,第一复合物I由基板苹果酸盐和谷氨酸盐,其中生成的NADH作为底物的呼吸链和挑衅复杂导之后,ADP加到转换为ATP(状态3,活性的活化刺激的复杂的I-依赖呼吸)。达到稳定的信号后,鱼藤酮(线粒体复合物I抑制剂)被施用以抑制复杂一鱼藤酮后跟琥珀到FADH 2和激活复合体II(状态3,活性复合物II依赖呼吸)。为了测量复合物IV依赖性呼吸,第一复合物III依赖呼吸是通过添加抗霉素A(线粒体复合物III抑制剂)抑制。之后,复合物IV依赖性呼吸通过施用抗坏血酸和tetramethylphenylendiamine(TMPD)刺激。在呼吸缓冲TMPD可自动氧化,因此最大复合物IV依赖性呼吸速率(状态3)由之前和加入叠氮化钠,线粒体复合物IV的抑制剂后减去呼吸速率计算。呼吸实验可以在平行酮作为对照(未刺激细胞)的oxygraph的两个腔室,另一个含有刺激的细胞来进行。显然,细胞可以以各种方式, 例如 ,预先处理,以影响线粒体功能的药物,在oxygraph室被测量它们的氧气消耗量之前。该协议允许个体线粒体呼吸链复合物的功能检查。此外,一个可以测量最大ADP刺激呼吸通透细胞,棕榈酸的形式使用外源性脂肪酸(状态3)。在这个协议中,棕榈酸钠的浓缩存量缀合的超无脂肪酸的牛血清白蛋白(BSA)(6:1摩尔比棕榈酸:BSA)中。之后,将细胞首先被透用毛地黄皂苷和线粒体呼吸通过加入肉碱评估和棕榈酸,随后加入ADP(状态3,最大呼吸)的。然后,寡霉素加到模拟状态4(状态40),并呼吸控制率(RCR值)计算为状态3 /状态4O。 β氧化促进生产乙酰CoA(其进入在TCA循环),并代FADH 2和NADH,电子内容通过电子转移黄素蛋白和β羟酰-CoA脱氢酶传递到电子传递链。线粒体是在脂肪酸代谢的中心与所述棕榈酸BSA的协议可以由研究者检查脂肪可以使用TY酸氧化。在完整细胞,活化和线粒体络合物活性的抑制剂加入以下一个不同的协议6,9。对于这些实验,在不存在外源性底物的非透化的细胞的第一氧消耗测量(磷酸呼吸率)。然后,所述非磷酸化的呼吸速率在加入寡的,这是线粒体ATP合酶的抑制剂后进行测定。此后,protonophore羰氰化物对 - trifluoromethoxyphenylhydrazone(FCCP)以各种浓度被施用并测量最大线粒体耦合呼吸速率。 Protonophores如FCCP可诱导内膜的质子透过性的增大,使质子的被动运动消散化学渗透梯度。质子通透性增加氧化脱开呼吸(无ATP生产),并诱导邻增加xygen消耗。之后,鱼藤酮和抗霉素A加到抑制线粒体呼吸和非线粒体呼吸从所有其他呼吸率中减去。

氧消耗率可以表示为其中是通过分割特定体积的氧通量(在闭合氧舱)计算值IO 2 [皮摩尔点¯x秒-1×10 -6细胞(每百万个细胞的氧气流量),N-,O- 2 [皮摩尔点¯x秒到1×毫升-1]通过细胞浓度在细胞室(细胞每卷号码[10 6个细胞∙毫升1])15。小区质量比氧通量,JO 2 [皮摩尔点¯x秒到1×毫克-1],是每信元流,IO 2 [皮摩尔点¯x秒-1×10 -6细胞],以质量每个小区划分[毫克∙10 ] 6细胞;或体积比通量,合资,O 2 [皮摩尔点¯x秒到1×毫升-1],每卷分为质量乌梅[毫克∙毫升1]。 JO 2是每细胞蛋白,干重或细胞体积的氧通量。

在使用高分辨率呼​​吸测量本研究中,我们描述了协议使用外源性细胞色素C来确定i)在完整细胞质膜通透性最佳毛地黄皂苷浓度(毛地黄皂苷滴定测定),ⅱ)线粒体外膜的完整性,ⅲ)线粒体呼吸链复合物我,在外源ADP和线粒体呼吸链底物,和存在毛地黄皂苷通透HepG2细胞II和IV最大呼吸率ⅳ)基,耦合和完整细胞的最大解偶联呼吸作用(最大电子传输容量)不加入外源基片的和ADP,再现中的一体化细胞的呼吸功能。

Protocol

1.细胞培养

  1. 培养人肝癌HepG2细胞6 25厘米的Dulbecco含有10%热灭活的胎牛血清(FBS)和1%青霉素-链霉素,在37℃的恒温箱中(5%CO改良的Eagle培养基(DMEM)2细胞培养烧瓶2,95%空气)(接种密度:1×10每25 6个细胞cm 2的细胞培养瓶中,在37℃培养箱培养时间:48小时,在汇合的细胞密度:每25厘米4-5×10 6细胞2细胞培养瓶)。
  2. 当细胞是90%至95%汇合进行实验。

极谱氧传感器2.高分辨率呼​​吸测量校准

  1. 吸管2.1毫升呼吸缓冲成oxygraph室中,并在37℃下连续地使用存在于所述腔室(700转)磁性搅拌棒1小时,直到稳定的氧通量信号搅拌该缓冲得到极谱氧传感器。
    注:每个oxygraph室测量氧气浓度范围内极谱氧电极和各室中计算耗氧量(光通量)。氧浓度和耗氧速率(流量)正在使用的数据采集和分析软件显示实时在线在计算机中。
  2. 根据制造商的协议14执行极谱氧传感器的空气校准。
    注意:仅每天一次在早晨进行在空气饱和实验温度在呼吸介质和氧气浓度极谱氧传感器在介质的校准。事后媒体可从腔室并重新悬浮于新鲜的呼吸媒体细胞去除被加入到oxygraph室和呼吸速率进行测量。第一个实验后,腔室可被洗涤并可以在叔进行额外系列的实验他同室而无需进一步校准。

3.胰蛋白酶消化贴壁细胞,细胞计数的

  1. 在实验的当天,吸距离为25cm 2细胞培养瓶中的DMEM中。
  2. 冲洗在培养烧瓶中的细胞培养物单层用5ml磷酸盐缓冲盐水(PBS)中。
  3. 吸管加入0.5ml 25mg / ml的胰蛋白酶溶液(在37℃水浴中预热至37℃)到培养烧瓶中的细胞单层,并在培养箱(5%CO 2孵育5分钟,在37℃ ,95%空气)。
  4. 吸管5ml含DMEM 10%胎牛血清成在细胞培养烧瓶中的分离的细胞,并通过移液悬浮细胞。
  5. 转移在室温下以350 xg离心悬浮细胞至15ml离心管中并离心5分钟,倒出上清液。
  6. 重悬细胞沉淀在1毫升呼吸缓冲13(T 能够1)的。
  7. I>使用细胞计数器计数细胞,并在呼吸缓冲器重悬至1×10 6个细胞/ ml的终密度。由于细胞呼吸速率将被标准化为细胞数,计数一个准确和精确的细胞计数细胞。

4.高分辨率呼​​吸测量

  1. 空气校准后(每日只执行一次,步骤2.1-2.2)中,从oxygraph的腔室吸出呼吸介质和来自步骤3.7至腔室加2.1的细胞悬浮液(1×10 6个细胞/ ml)的溶液中。
  2. 由止动器的插入关闭oxygraph室中。
  3. 搅拌该细胞在37℃下连续地使用存在于所述腔室(700转)磁性搅拌棒和直到一个稳定的氧通量信号实现记录细胞呼吸5-10分钟。
    注意:氧浓度和氧通量信号正在使用的数据采集和分析软件显示实时在线在计算机S =“外部参照”> 14。
  4. 之后,注入底物和抑制剂用于通过使用以下协议的挡块的钛喷射口线粒体呼吸。

5.滴定毛地黄皂苷通过呼吸测量完整细胞

  1. 以下步骤4.1到协议4.3中描述的方法制备的含oxygraph腔细胞悬浮液(1×10 6 / ml)中。
  2. 用注射器注入2微升0.2mM的鱼藤酮(0.2μM)“警告”的成通过室止动件的钛注射口含细胞悬液oxygraph腔和直到一个稳定的氧通量信号实现记录细胞呼吸5-10分钟。
    注意:在下面的步骤的所有注射通过使用注射器塞子的钛喷射口进行。鱼藤酮的加成是可选的(它可以防止反向电子流),并且可以对毛地黄皂苷滴定实验中省略,参见步骤6.3。
  3. 注射20微升的1M琥珀酸酯(10毫摩尔)进oxygraph腔和直到一个稳定的氧通量信号实现记录细胞呼吸5-10分钟。
  4. 注入10微升的0.5M ADP(2.5毫摩尔)到oxygraph腔和直到一个稳定的氧通量信号实现记录细胞呼吸5-10分钟。
  5. 注射2微升2毫米洋地黄(2微米)到oxygraph室,直到一个稳定的氧信号实现了创记录的细胞呼吸2-5分钟。
  6. 再次注入2微升2毫米的毛地黄皂苷进入oxygraph室,直到一个稳定的氧信号实现了创记录的细胞呼吸2-5分钟。
    注:逐步加成毛地黄皂苷的向细胞会诱发在蜂窝氧消耗的增加和氧通量信号将增加。
  7. 继续注射2-4微升2mM的毛地黄皂苷逐步(2-4微米的每一步)到腔室。每个步骤之后,记录细胞呼吸2-5米在直到一个稳定的氧通量信号得以实现。
    注:停止注入毛地黄皂苷当氧通量信号达到最大水平和毛地黄皂苷的进一步注射不增加呼吸率。读者应该使用自己的试剂和使用得到最佳洋地黄浓度的步骤6.2和以下协议7.2他们的实验确定在他们的实验室最佳洋地黄浓度。

6.评估线粒体外膜完整性:细胞色素C

  1. 以下步骤4.1到协议4.3中描述的方法制备的含oxygraph腔细胞悬浮液(1×10 6 / ml)中。
  2. 注入2微升8毫毛地黄皂苷(8微米)到含有细胞悬浮液(1×10 6 /毫升)的oxygraph腔和透化细胞5分钟。
  3. 注射20微升1M的琥珀酸酯(10毫米)进入oxygraph室和记录细胞respirat直到一个稳定的氧通量信号实现离子5-10分钟。
  4. 注入10微升的0.5M ADP(2.5毫摩尔)到oxygraph腔和直到一个稳定的氧通量信号实现记录细胞呼吸5-10分钟。
    注意:ADP的添加到细胞中会刺激复合I和诱导耗氧量的增加,并且氧通量信号将增加并稳定下来。
  5. 注入5μl的4mM的色素c(10μM)的进oxygraph腔和直到一个稳定的氧通量信号实现记录细胞呼吸5-10分钟。
  6. 最后注入1微升4毫克/毫升寡(2微克/毫升)和直到一个稳定的氧通量信号实现记录细胞呼吸。

7.最大ADP刺激呼吸透HepG2细胞(国3)

  1. 以下步骤4.1到协议4.3中描述的方法制备的含oxygraph腔细胞悬浮液(1×10 6 / ml)中。
  2. 注入2微升8毫毛地黄皂苷(8微米)到含有细胞悬浮液的oxygraph腔和透化细胞5分钟。
  3. 注入的0.8M的苹果酸(5毫摩尔)12.5微升和10微升的2M的谷氨酸(10毫米)到oxygraph室中。记录细胞呼吸,直到稳定的氧通量信号得以实现。
  4. 注入10微升的0.5M ADP(2.5毫摩尔)到oxygraph室并记录细胞呼吸,直到氧通量信号增加和稳定。
    注意:ADP的添加到细胞会诱发在氧消耗的增加和氧通量信号将增加。
  5. 注射2微升0.2毫米鱼藤酮(0.2μM)“小心”进入oxygraph室,并记录细胞呼吸,直到氧气流量信号下降并稳定。
  6. 随后,注入20微升1M的琥珀酸酯(10毫米)进入oxygraph室,并记录细胞呼吸,直到氧气流量信号增加并稳定。
  7. 然后,注入2微升5毫米的抗霉素A(5微米)“注意”到oxygraph室,并记录细胞呼吸,直到氧气流量信号下降并稳定。
  8. 然后注入2.5微升0.8毫抗坏血酸(1毫摩尔),并立即注入后2.5微升0.2mM的TMPD(0.25毫摩尔)进oxygraph室并记录细胞呼吸,直到氧通量信号增加和稳定。
  9. 最后注入10微升的1M叠氮化钠(5毫摩)'小心“的入oxygraph室并记录细胞呼吸,直到氧通量信号下降并稳定。

8.完整细胞耗氧

  1. 以下步骤4.1到协议4.3中描述的方法制备的含oxygraph腔细胞悬浮液(1×10 6 / ml)中。
  2. 注入1微升4毫克/毫升寡(2微克/毫升)装入含有oxygraph腔细胞悬浮液的D记录细胞呼吸,直到稳定的氧通量信号得以实现。
  3. 随后注入1微升0.2毫米FCCP(0.1μM)“小心”进入oxygraph室,并记录细胞呼吸,直到氧气流量信号增加和稳定。
  4. 注3微升0.2毫米FCCP(0.4微米)到oxygraph室,并进一步记录细胞呼吸,直到氧气流量信号增加和稳定。
  5. 通过注入1-3微升0.2至1mM FCCP(0.1至2微米的最终浓度在腔室)插入oxygraph室,直到氧通量信号达到其最大水平,并没有进一步增加,然后滴定在0.1至0.3微米的步骤FCCP开始下降。
    注:停止时氧信号达到最高水平,并开始下降,注射FCCP。
  6. 然后,注入2微升0.2mM的鱼藤酮(0.2μM)和2微升的5mM的抗霉素A(5微米)到腔室的。记录呼吸,直至时间T他氧气流量信号下降并稳定。

Representative Results

最佳毛地黄皂苷含量的测定细胞透:毛地黄皂苷滴定实验

毛地黄皂苷滴定被执行以确定用于HepG2细胞透化的最佳浓度。对于这些实验,毛地黄皂苷是在完整细胞滴定在鱼藤酮,琥珀酸盐(线粒体复合物II衬底)和ADP的饱和量的存在下,和呼吸率在基线和之后每个测量(到复合体II依赖性状态3诱导)滴定( 图1A1B)。该实验的结果表明,在不存在毛地黄皂苷的,细胞呼吸很低,完整的,非透化的细胞的呼吸线粒体基板和ADP的存在是不刺激。然而,在逐步加入毛地黄皂苷的,蜂窝质膜透化和mitochondrial呼吸(复合体II依赖性状态3)增加至充分透时琥珀酸和ADP进入细胞。结果表明,透在8-12微米的毛地黄皂苷浓度是最佳的HepG2细胞的ADP刺激呼吸。然而,如果采用毛地黄皂苷过量线粒体外膜的完整性可受到损害。正如图1所示,毛地黄皂苷过量诱导复合物II依赖性状态3呼吸指示损害线粒体外膜的完整性的降低。

在本和以下协议中,所有的氧消耗率表示为其中是通过分割特定体积的氧通量计算(在封闭的IO 2 [皮摩尔点¯x秒-1×10 -6细胞(每百万个细胞的氧气流量)氧舱),合资,O 2 [皮摩尔点¯x秒到1×毫升-1]通过细胞concentrat离子在细胞室(细胞每卷号码[10 6个单元×毫升-1])15。

图1
图1: 毛地黄皂苷滴定确定HepG2细胞透化的最佳浓度。蓝线代表氧气浓度;红线代表氧流量(氧气浓度的斜率)。作为细胞使用可用氧气随时间的氧浓度降低。氧消耗表示为皮摩尔/(细胞秒×号)。 (A)中从上述高分辨率呼吸测量描用毛地黄皂苷,ADP和琥珀酸盐作为底物对线粒体复合物II依赖呼吸(1实验)。从4个独立实验(B)线粒体呼吸速率以平均值±SD。上传/ 54985 / 54985fig1large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。

使用最优毛地黄皂苷浓度的线粒体外膜完整性评价

以评估线粒体外膜的完整性最佳毛地黄皂苷浓度(8微米)的影响,将细胞与毛地黄皂苷和线粒体外膜的完整性透通过线粒体呼吸测量随后加入琥珀酸后测试(线粒体复合物II依赖性休息状态2呼吸在不存在的ADP),ADP(ADP刺激复合物II依赖性状态3呼吸)和细胞色素C(ADP刺激复合物II依赖性状态3呼吸中的细胞色素C的存在下),然后加入寡(抑制剂ATP合酶)的模仿如在图2所示的状态4。

图2
图2:细胞色素C不增强用毛地黄皂苷(8微米)处理的细胞呼吸。代表呼吸痕迹,使用高分辨率的呼吸测量细胞色素C测试。将细胞透化与8微米毛地黄皂苷和线粒体外膜的完整性是由呼吸速率的测量在存在后续加入10mM琥珀酸盐(状态2),2.5毫ADP(状态3)和10μM细胞色素C(状态3的后测试细胞色素c)中,接着加入2微克/毫升寡模仿状态4呼吸速率表示为皮摩尔/(秒×的Million个单元)。 CII:复合体II。 请点击此处查看该图的放大版本。

用毛地黄皂苷高浓度的线粒体外膜完整性评价

为了证明毛地黄皂苷的非常高的浓度会损害线粒体外膜的完整性,我们使用毛地黄皂苷的高剂量进行的实验。对于本实验,将细胞与40μM的毛地黄皂苷而不是8微米,和线粒体外膜的完整性透通过线粒体呼吸测量随后加入琥珀酸后测试(线粒体复合物II依赖性搁在缺乏ADP的状态2呼吸) ,ADP(ADP刺激复合物II相关状态3呼吸)和细胞色素C(ADP刺激复合物II-Dependent状态3呼吸中的细胞色素C的存在下),然后加入寡的模仿寡的存在( 图3)的状态4。该实验的结果表明,细胞色素C增强了与高剂量的毛地黄皂苷的处理的细胞呼吸,指示从线粒体外膜指示损害线粒体外膜的完整性的细胞色素c的损失。

图3
图3:毛地黄皂苷的高剂量(40μM)损害线粒体外膜的完整性。从高分辨率呼​​吸测量用琥珀酸作为底描。蓝线代表氧气浓度;红线代表氧流量(氧气浓度的斜率)。作为细胞使用可用氧气随时间的氧浓度降低。氧消耗表示为皮摩尔/(秒细胞x个)。随后加入40μM的毛地黄皂苷,琥珀酸盐(10毫米),ADP(2.5毫摩尔),细胞色素C(10μM)和寡(2微克/毫升)的指示。 CII:复合体II。 请点击此处查看该图的放大版本。

最大ADP刺激呼吸透HepG2细胞(国3),使用过量外源性底物

复杂的I-,透HepG2细胞(1×10 6个细胞/ ml)的II-和IV依赖性最大ADP刺激呼吸(状态3),使用过量的外源性底物( 图4)在成功测量。对于本实验,将细胞用毛地黄皂苷和线粒体氧消耗率透如所描述的随后加入底物和抑制剂的后测定

图4
图4:透HepG2细胞的最大ADP刺激呼吸(状态3)成功的测量。呼吸速率表示为皮摩尔/(秒×百万细胞)。细胞与8μM洋地黄和线粒体呼吸速率透被随后加入谷氨酸和苹果酸(州3,复杂的I),鱼藤酮后测定抑制复合物I,琥珀酸酯(状态3,复合物II),抗霉素A抑制复合物III和抗坏血酸/ TMPD和叠氮化钠来抑制复合物IV。复合物IV呼吸(状态3)通过之前和加入叠氮化钠后减去耗氧解释。 CI:复合物I,CII:复合体II,CIV:复合物IV。 请点击此处查看该图的放大版本。

最大ADP刺激呼吸测量失败透HepG2细胞(国3)

复杂的I-,II-和IV依赖性最大ADP刺激呼吸透HepG2细胞(1×10 6个细胞/ ml)的(状态3)未成功使用过量的外源性底物( 图5)测量的。对于本实验,将细胞用毛地黄皂苷和线粒体氧消耗率透如图5中所描述的随后加入底物和抑制剂的后进行测量。 如图5 图4中所示的结果的呼吸速率在透化的细胞非常低。为减少呼吸的水平,可能的解释是与以前的实验线粒体酶抑制剂oxygraph室的污染。线粒体抑制剂如抗霉素和鱼藤酮可溶于乙醇,能坚持到oxygraph室和瓶塞。因此oxygraph室和瓶塞应在每次实验后充分洗涤。

图5
图5:透HepG2细胞的最大ADP刺激呼吸(状态3)不成功的测量。复杂的I-的一个不成功的实验的代表呼吸痕迹,II-IV和驱动使用高分辨率呼​​吸测量透HepG2细胞最大的ADP刺激呼吸(状态3)。呼吸率表示为皮摩尔/(秒×百万细胞)。细胞与8μM洋地黄和线粒体呼吸速率透被随后加入谷氨酸和苹果酸(州3,复杂的I),鱼藤酮后测定抑制复合物I,琥珀酸酯(状态3,复合物II),抗霉素A抑制复合物III和抗坏血酸/ TMPD和叠氮化钠来抑制复合物IV。复合物IV呼吸(状态3)由前和加入叠氮化钠后减去耗氧解释。 请点击此处查看该图的放大版本。

完整细胞耦合,解偶联呼吸作用

HepG2细胞“基底氧消耗在寡(寡霉素不敏感的呼吸)和顺序加入FCCP的( 图6)的存在下进行测量。巴萨升细胞呼吸速率表示内源性细胞底物的存在下完整HepG2细胞耗氧量和可响应于细胞内ATP的需求改变。寡不敏感的呼吸速率代表泄漏细胞呼吸和寡敏感的呼吸率,代表细胞内ATP营业额和减去从基础内源性呼吸速率的寡不敏感的呼吸速率计算。解偶联剂FCCP化学是在不同浓度和最大解偶联呼吸作用记录顺序加入。最大线粒体解偶联呼吸作用速率(最大的电子传输系统的容量),用于本实验条件下在0.9-1.2μMFCCP获得。结果显示FCCP的在完整HepG2细胞双相活性。因此,对于每个实验条件下,FCCP滴定以获得最大的解偶联呼吸作用速率。未偶联呼吸控制率(URCR)被除以FCCP计算通过在寡霉素的存在下,呼吸速率解偶联呼吸作用速率。寡敏感呼吸(ATP营业额)减去寡不敏感,从基础内源性呼吸呼吸速率计算。耦合表示线粒体氧消耗来合成ATP的比例通过由基础呼吸速率除以寡敏感呼吸速率计算效率。在实验结束时,获得的非线粒体呼吸速率,线粒体电子传递链的抑制剂被添加和非线粒体呼吸率从所有的结果中减去。对于图6中所示的实验中,非线粒体呼吸率是26皮摩尔/(秒×百万细胞),该基础呼吸速率是48皮摩尔/(秒×百万个细胞),寡霉素不敏感的呼吸率7皮摩尔/(秒点¯x百万细胞),寡霉素敏感呼吸(ATP周转)41皮摩尔/(秒×百万细胞)和couplin摹效率0.85。

图6
图6:耦合和完整细胞的解偶联呼吸作用。 HepG2细胞“基底氧消耗代表呼吸痕迹在寡(寡霉素不敏感的呼吸)和使用高分辨率呼​​吸测量顺序加入FCCP的存在进行测定。此后,一旦达到稳定的信号,呼吸抑制通过加入鱼藤酮和抗霉素A的和其余的背景呼吸(非线粒体呼吸)从所有的结果中减去。氧消耗表示为皮摩尔/(细胞秒×号)。 请点击此处查看该图的放大版本。

呼吸缓冲区13
化学浓度
蔗糖 110毫米
EGTA 0.5毫米
氯化镁 3.0毫米
氯化钾 80毫米
K-乳糖 60毫米
KH 2 PO 4 10毫
牛磺酸 20毫米
HEPES 20毫米
BSA 为1.0μg/μl
pH值 7.1

表1:呼吸缓冲液的组成。

Discussion

本议定书的目标是利用高分辨率的呼吸测量,测量线粒体呼吸链复合物“(I-IV)呼吸频率,最大线粒体电子传递系统的容量和线粒体外膜的完整性。

还有,本协议中的一些关键步骤。第一,蜂窝式氧消耗率通常标准化为细胞数目(皮摩尔/ [细胞秒×号])。因此,监测蜂窝氧消耗之前,重要的是使用的设备,使细胞的数目的精确和可靠的测量。在本协议的自动细胞计数器已使用(步骤材料的协议和表3.7)。第二个关键的一步,尤其是在渗透细胞,是呼吸缓冲区中透细胞悬浮(步骤协议的3.6)的选择。由于细胞通透性能诱导intracellula损失ř离子,这是很关键的是透过程中使用的培养基是与细胞内的环境相容。因此,呼吸缓冲器应包含的组合物和摩尔渗透压浓度反映两个细胞内和细胞外环境( 1)13。此外,对于最佳和有效的细胞透化,关键的是要滴定毛地黄皂苷浓度不仅对每种细胞类型,而且对于每个小区的密度,以确定其最佳的最低有效浓度。如果毛地黄皂苷浓度过低,则细胞不会被透化。与此相反,细胞对大量毛地黄皂苷的曝光会损伤线粒体外膜。因此,另一个重要的一点是要调查线粒体外膜的完整性。为了不低估蜂窝呼吸容量,这也是至关重要的呼吸测量实验在生理温度下进行(37℃)。另一个重要的考虑点是使用饱和的ADP量,因为ADP的与氧在透化的细胞和足以基底水平,以获得最大呼吸通量扩散限制。在透化的细胞的一些实验中,可能发生的是外源性底物和ADP不会导致在呼吸率的相当大的增加。这可以由多种因素造成的。例如,使用高浓度的毛地黄皂苷的通透细胞可能会损坏线粒体外膜。因此,应该滴定毛地黄皂苷,以确定每个细胞类型和密度的最佳浓度。此外,毛地黄皂苷纯度也是非常关键的,而市售的洋地黄可在纯度和购买洋地黄新批显著变化应滴定,以确定细胞通透性的最佳浓度。此外,有孔成形几种类型的细胞质膜的具有不同性质的试剂。例如,皂甙比毛地黄皂苷温和洗涤剂,并且取决于细胞类型,合适的细胞透化试剂应选择。

在呼吸测量测定,如鱼藤酮抗霉素A用于线粒体功能最抑制剂,只有乙醇是水溶性的,坚持oxygraph室和瓶塞,抑制细胞呼吸。为了避免这个问题,oxygraph腔和止动件必须广泛地与每次测定后95%的乙醇洗涤。另一个要考虑的重要的一点是,为完整和透化细胞呼吸试验,细胞密度,类型和细胞培养物汇合可能影响呼吸频率。例如,使用HepG2细胞,我们通常使用每室1至2百万个细胞的细胞密度。呼吸测量期间使用非常低的细胞密度可以产生非常弱的信号。我们还观察到细胞培养物汇合可能影响呼吸率。对于EXAmple,当HepG2细胞生长非常融合(超过100%),他们消耗更少的氧气。

为了获得在实验过程中稳定的和可重复的氧通量,另一个要考虑的重要的一点是高分辨率的呼吸测量仪器- 极谱氧传感器膜和仪器背景校正的定期交流的维护。用于与解偶联剂FCCP实验中,这可能是因为加入FCCP的向细胞不能得到细胞呼吸和最大通量,而是细胞呼吸作用受到抑制不刺激。在加入FCCP的蜂窝氧消耗的抑制可能表明FCCP浓度不是最佳和过高。对于这些实验,对每个测定,有必要仔细滴定FCCP浓度,以获得最大的通量。

高分辨率的呼吸测量的局限性是高通量筛选,建立剂量 - 响应曲线和限量的生物样品的时间过程实验是不可行的。对于这些测定,可以使用其他手段,例如胞外通量分析仪。其他限制是i)该设备不是自动的,需要操作者的持续存在,ⅱ)它是耗时的,ⅲ)它只有两个腔室和仅有两个测定可在同一时间内运行,ⅳ)仪器的维修,如改变膜和校准,需要大量的时间和v)的腔室不单次使用,并可能成为污染抑制剂。高分辨率oxygraph比传统极谱氧电极的设备的优点是:i)更高的灵敏度,ii)所需的生物样品的更小的数字,ⅲ)呼吸速率,可以同时在两个腔室测定和iv)该装置具有降低的氧气泄漏。高分辨率oxygraph在细胞外磁通分析器的一些优点是i)的成本降低设备和消耗品和ii)的底物解偶联剂抑制剂滴定协议的可行性。

掌握该技术后未来的应用或方向是细胞呼吸,线粒体膜电位的同时测量,H 2 O 2,使用光学传感器在同一室内ATP和钙的水平。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
ADP Sigma A 4386 Chemical
Antimycin A Sigma A 8674 Chemical, dissolve in ethanol
Ascorbate Merck 1.00127 Chemical
BSA Sigma A 6003 Chemical
FCCP Sigma C 2920 Chemical, dissolve in ethanol
Countess automated cell counter  Thermo Fisher Scientific n/a Automated cell counting instrument
Cytochrome c Sigma C 7752 Chemical
Digitonin Sigma D 5628 Chemical, dissolve in DMSO
DMEM Gibco 31966021 Medium
EGTA fluka 3779 Chemical
FBS Gibco 26010-074 Medium component
Glutamate Sigma G 1626 Chemical
Hepes Sigma H 7523 Chemical
KCl Merck 1.04936 Chemical
KH2PO4 Merck 1.04873 Chemical
K-lactobionate Sigma L 2398 Chemical
MgCl2 Sigma M 9272 Chemical
O2k-Core: Oxygraph-2k  Oroboros Instruments 10000-02 High-resolution respirometry instrument
Oligomycin Sigma O 4876 Chemical, dissolve in ethanol
Penicillin-streptomycin Gibco 15140122 Chemical
Sodium azide Sigma S2002 Chemical
Rotenone Sigma R 8875 Chemical, dissolve in ethanol
Succinate Sigma S 2378 Chemical
Taurine Sigma T 8691 Chemical
TMPD Sigma T 3134 Chemical
Trypsin Sigma T 4674 Chemical

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References

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