Bewertung der zellulären Bioenergetik in hämatopoetischen Stamm- und primitiven Vorläuferzellen der Maus mit dem extrazellulären Flussanalysator
Summary
Die hier vorgestellte Methode fasst optimierte Protokolle zur Beurteilung der zellulären Bioenergetik in hämatopoetischen Stamm- und primitiven Vorläuferzellen (HSPCs) der Maus mit dem extrazellulären Flussanalysator zusammen, um die extrazelluläre Versauerungsrate (ECAR) und die Sauerstoffverbrauchsrate (OCR) von HSPCs in Echtzeit zu messen.
Abstract
Im stationären Zustand bleiben hämatopoetische Stammzellen (HSCs) weitgehend ruhig und es wird angenommen, dass sie überwiegend auf Glykolyse angewiesen sind, um ihren energetischen Bedarf zu decken. Unter Stressbedingungen wie Infektionen oder Blutverlust werden HSCs jedoch proliferativ und produzieren schnell nachgeschaltete Vorläuferzellen, die sich wiederum weiter differenzieren und schließlich reife Blutzellen produzieren. Während dieses Übergangs- und Differenzierungsprozesses verlassen HSCs die Ruhephase und durchlaufen schnell einen metabolischen Wechsel von der Glykolyse zur oxidativen Phosphorylierung (OxPHOS). Verschiedene Stresszustände wie Alterung, Krebs, Diabetes und Fettleibigkeit können sich negativ auf die mitochondriale Funktion auswirken und somit die metabolische Reprogrammierung und Differenzierung von HSCs und Vorläufern während der Hämatopoese verändern. Wertvolle Einblicke in die glykolytischen und mitochondrialen Funktionen von HSCs und Vorläufern unter Normal- und Stressbedingungen können durch die Beurteilung ihrer extrazellulären Versauerungsrate (ECAR) und Sauerstoffverbrauchsrate (OCR) gewonnen werden, die Indikatoren für die zelluläre Glykolyse bzw. die mitochondriale Atmung sind.
Hier wird ein detailliertes Protokoll zur Messung von ECAR und OCR in Mausknochenmark-abgeleiteten liniennegativen Zellpopulationen bereitgestellt, die sowohl hämatopoetische Stamm- als auch primitive Vorläuferzellen (HSPCs) umfassen, mit dem extrazellulären Flussanalysator. Dieses Protokoll beschreibt Ansätze zur Isolierung von liniennegativen Zellen aus dem Knochenmark der Maus, erklärt die Optimierung der Zellaussaatdichte und der Konzentrationen von 2-Desoxy-D-Glukose (2-DG, ein Glukoseanalogon, das die Glykolyse hemmt) und verschiedener OxPHOS-zielgerichteter Medikamente (Oligomycin, FCCP, Rotenon und Antimycin A), die in diesen Assays verwendet werden, und beschreibt medikamentöse Behandlungsstrategien. Schlüsselparameter des glykolytischen Flusses, wie Glykolyse, glykolytische Kapazität und glykolytische Reserve, und OxPHOS-Parameter wie Basalatmung, maximale Atmung, Protonenleck, ATP-Produktion, freie Atemkapazität und Kopplungseffizienz können in diesen Assays gemessen werden. Dieses Protokoll ermöglicht ECAR- und OCR-Messungen an nicht adhärenten HSPCs und kann verallgemeinert werden, um die Analysebedingungen für jede Art von Suspensionszellen zu optimieren.
Introduction
Hämatopoese ist der Prozess, bei dem verschiedene Arten von reifen Blutzellen mit hochspezialisierten Funktionen aus HSCs1 gebildet werden. HSCs sind in der Lage, sich selbst zu erneuern und in verschiedene multipotente und linienspezifische Vorläuferpopulationen zu differenzieren. Diese Vorläufer produzieren letztendlich Zellen von lymphatischen, myeloischen, erythroiden und Megakaryozytenlinien. Um ihre Selbsterneuerungskapazität aufrechtzuerhalten, bleiben HSCs weitgehend ruhig und es wird angenommen, dass sie, wie andere Gewebestammzellen, auf Glykolyse und nicht auf mitochondriales OxPHOS für die ATP-Produktion angewiesen sind 2,3. Der Eintritt in den Zellzyklus führt zu einer verbesserten Atmung und OxPHOS, was zu erhöhten Werten an reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) führt, die sich nachteilig auf die HSC-Aufrechterhaltung und -Funktionauswirken 3. Eine wiederholte Zellteilung kann daher zu einer verminderten Selbsterneuerungskapazität von HSCs und letztlich zu deren Erschöpfung führen.
Bei der adulten Hämatopoese durchlaufen HSCs hauptsächlich eine asymmetrische Zellteilung, bei der eine der Tochterzellen das HSC-Potenzial behält und weiterhin auf den glykolytischen Stoffwechsel angewiesen ist. Die andere Tochterzelle wird zu einer primitiven Vorläuferzelle, die die Selbsterneuerungsfähigkeit verliert, sich aber vermehrt und schließlich zu differenzierten funktionellen hämatopoetischen Zellen führt4. Wenn HSCs differenzieren, um nachgeschaltete Vorläufer zu produzieren, wird angenommen, dass ein Wechsel von der Glykolyse zum mitochondrialen Stoffwechsel erfolgt, um die Energie und die Bausteine zu liefern, die zur Unterstützung dieses schnellen Übergangs benötigt werden5, wie die Beobachtungen nahelegen, dass HSCs inaktive mitochondriale Massebesitzen 6,7,8,9 . Im Gegensatz dazu ist die mitochondriale Aktivität (angezeigt durch verknüpfte ROS-Spiegel) bei der Abstammung gebundenen Vorläufer viel höher als bei HSCs 9,10,11. Metabolische Veränderungen, die während des frühesten Schritts der Hämatopoese auftreten, deuten daher auf eine direkte und entscheidende Rolle der Mitochondrien bei der Regulierung des HSC-Schicksals hin.
Dysfunktionale Mitochondrien, die unter verschiedenen Stressbedingungen wie Alterung, Krebs, Diabetes und Fettleibigkeit auftreten 12, können die HSC-Selbsterneuerungskapazität beeinträchtigen und ein Ungleichgewicht in der HSC / Vorläuferdifferenzierung induzieren, indem sie übermäßige Mengen an ROS produzieren, die ATP-Produktion beeinträchtigen und / oder andere Stoffwechselprozesse verändern9,12,13 . Störungen in der metabolischen Homöostase bei der HSC/Vorläufer-Differenzierung könnten die Hämatopoese signifikant beeinflussen und möglicherweise zur Entwicklung hämatogischer Anomalien beitragen13. Angesichts der kritischen Einflüsse von Glykolyse und mitochondrialem OxPHOS auf die HSC-Stammheit und -Differenzierung ist es von Interesse, sowohl metabolische Parameter unter normalen als auch unter Stressbedingungen zu untersuchen. Wertvolle Einblicke in die glykolytische und mitochondriale Funktion von HSCs und Vorläuferzellen können durch die Bewertung ihrer ECAR und OCR gewonnen werden, die Indikatoren für die zelluläre Glykolyse bzw. die mitochondriale Atmung sind.
Der extrazelluläre Flussanalysator von Seahorse ist ein leistungsstarkes Gerät, das mit zwei Sonden pro Bohrung ausgestattet ist, um ECAR und OCR in lebenden Zellen gleichzeitig zu messen und somit zur Beurteilung der zellulären Bioenergetik in Echtzeit als Reaktion auf verschiedene Substrate oder Inhibitoren verwendet werden kann. Die mit dem Analysator verwendete Assay-Kartusche enthält Injektionsanschlüsse, um bis zu vier Medikamente für die automatisierte Injektion während des Assays aufzunehmen. Ein Schema eines typischen Glykolyse-Stresstests ist in Abbildung 1A dargestellt. Der Assay beginnt mit der Messung von ECAR von Zellen, die in Glykolyse-Stresstestmedium inkubiert werden, das Glutamin, aber nicht Glucose oder Pyruvat enthält. Dies stellt eine Versauerung dar, die aufgrund nicht-glykolytischer Aktivitäten der Zellen auftritt, und wird als nicht-glykolytische Versauerung berichtet. Es folgt die Injektion von Glukose in einer gesättigten Konzentration. Über die Glykolyse wird Glukose in der Zelle in Pyruvat umgewandelt, das im Zytoplasma weiter metabolisiert wird, um Laktat zu produzieren, oder in Mitochondrien, um CO 2 und Wasser zu produzieren.
Die Umwandlung von Glukose in Laktat verursacht eine Nettoproduktion und anschließende Freisetzung von Protonen in das extrazelluläre Medium, was zu einem raschen Anstieg des ECAR14,15,16 führt. Diese glukosestimulierte Veränderung der ECAR wird als Glykolyse unter basalen Bedingungen berichtet. Die zweite Injektion besteht aus Oligomycin (einem Inhibitor der ATP-Synthase, auch bekannt als Komplex V17), das die mitochondriale ATP-Produktion hemmt. Während der Oligomycin-vermittelten OxPHOS-Hemmung regulieren die Zellen die Glykolyse maximal, um ihren energetischen Bedarf zu decken. Dies führt zu einem weiteren Anstieg der ECAR, der die maximale glykolytische Kapazität der Zellen offenbart. Die Differenz zwischen der maximalen glykolytischen Kapazität und der basalen Glykolyse wird als glykolytische Reserve bezeichnet. Schließlich wird 2-DG injiziert, was zu einem signifikanten Rückgang der ECAR führt, in der Regel in der Nähe von nicht-glykolytischen Säuerungsgraden. 2-DG ist ein Glukoseanalogon, das kompetitiv an die Hexokinase bindet, was zu einer Hemmung der Glykolyse18 führt. Somit bestätigt die 2-DG-induzierte Abnahme der ECAR weiter, dass die Glykolyse tatsächlich die Quelle von ECAR ist, die nach Glukose- und Oligomycin-Injektionen beobachtet wurde.
Abbildung 1B zeigt den Schaltplan für einen typischen mitochondrialen Stresstest. Der Assay beginnt mit der OCR-Basismessung der Zellen, die in mitochondrialem Stresstestmedium, das Glukose, Glutamin und Pyruvat enthält, inkubiert werden. Nach basalen OCR-Messungen wird Oligomycin in diesen Assay injiziert, das den Komplex V hemmt und dadurch den Elektronenfluss durch die Elektronentransportkette (ETC) reduziert17. Folglich wird die OCR als Reaktion auf die Oligomycin-Injektion reduziert, und diese Abnahme der OCR ist mit der mitochondrialen ATP-Produktion verbunden. Die zweite Injektion besteht aus Carbonylcyanid-4 (Trifluormethoxy)-phenylhydrazon (FCCP), einem Protonophor und einem Entkoppler des mitochondrialen OxPHOS17. FCCP kollabiert den mitochondrialen Protonengradienten, indem es den Fluss von Protonen durch die mitochondriale innere Membran ermöglicht. Aufgrund der FCCP-Injektion wird der Elektronenfluss durch das ETC unterdrückt, und Komplex IV verbraucht Sauerstoff auf dem maximalen Niveau. Der Unterschied zwischen maximaler OCR und basaler OCR wird als freie Atemkapazität bezeichnet, die ein Maß für die Fähigkeit der Zelle ist, auf einen erhöhten Energiebedarf unter Stressbedingungen zu reagieren. Schließlich wird eine Mischung aus zwei ETC-Inhibitoren (Rotenon, ein Komplex-I-Inhibitor, und Antimycin A, ein Komplex-III-Inhibitor17) injiziert, wodurch der Elektronenfluss vollständig abgeschaltet wird, und die OCR sinkt auf ein niedriges Niveau. OCR, gemessen nach Rotenon und Antimycin A-Injektion entspricht einer nicht-mitochondrialen OCR, die durch andere Prozesse in den Zellen angetrieben wird. Die nicht-mitochondriale OCR ermöglicht die Berechnung der Basalatmung, des Protonenlecks und der maximalen Atmung.
Die Basalatmung stellt den Unterschied zwischen der Baseline-OCR und der nicht-mitochondrialen OCR dar. Protonenleck bezieht sich auf den Unterschied zwischen OCR nach Oligomycin-Injektion und nicht-mitochondrialer OCR. Die maximale Atmung stellt den Unterschied zwischen OCR nach FCCP-Injektion und nicht-mitochondrialer OCR dar. Die Kopplungseffizienz wird als Prozentsatz der ATP-Produktionsrate zur Basalatmungsrate berechnet. Dieses Methodenpapier enthält ein detailliertes Protokoll zur Messung von ECAR und OCR in liniennegativen HSPCs mit dem extrazellulären Flussanalysator Seahorse XFe96. Dieses Protokoll beschreibt Ansätze zur Isolierung von Mauslinien-negativen HSPCs, erklärt die Optimierung der Zellaussaatdichte und der Konzentrationen verschiedener Medikamente, die in extrazellulären Flussassays verwendet werden, und beschreibt medikamentöse Behandlungsstrategien.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diese Methodenarbeit beschreibt ein optimiertes Protokoll zur Beurteilung der zellulären Bioenergetik (Glykolyse und OxPHOS) in Maus-HSPCs mit dem extrazellulären Flussanalysator Seahorse. Dieses Gerät ist ein leistungsfähiges Werkzeug, das gleichzeitig die ECAR und OCR lebender Zellen misst, bei denen es sich um Metriken der Glykolyse bzw. der mitochondrialen Atmung handelt. So kann es verwendet werden, um die zelluläre Bioenergetik in Echtzeit zu beurteilen. Darüber hinaus bietet die 96-Well-Microplate-basierte P…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Arbeit im lombardischen Labor wird vom NIH (NIGMS R01GM101171, NIEHS R21ES032305), DoD (CA190267, CA170628, NF170044 und ME200030) und der Glenn Foundation for Medical Research unterstützt. Die Arbeit im Li-Labor wird vom NIH (NHLBI 5R01HL150707) unterstützt.
Materials
| 0.2 μm filter | Corning | 430626 | Used to filter-sterilize the assay media |
| 100 mM sodium pyruvate | Life Technologies | 11360-070 | Component of mitochondrial stress test assay medium |
| 15 mL conical Falcon tubes | Corning | 352096 | Used during HSPCs harvest and to prepare assay drug solutions |
| 200 mM L-glutamine | Life Technologies | 25030-081 | Component of glycolysis stress test and mitochondrial stress test assay media |
| 2-Deoxy-D-glucose (2-DG) | Sigma-Aldrich | D8375 | 3rd drug injection during glycolysis stress test |
| 5x Enrichment buffer (MojoSort) | Biolegend | 480017 | Used for washings during HSPCs harvest |
| Ammonium chloride (NH4Cl) | Fisher Scientific | A661-3 | Component of ACK lysis buffer |
| Antimycin A | Sigma-Aldrich | A8674 | 3rd drug injection during mitochondrial stress test |
| Bio-Rad DC protein assay kit | Bio-Rad | 500-0112 | Used as per manufacturer's instructions |
| Carbonyl cyanide-4 (trifluoromethoxy) phenylhydrazone (FCCP) | Sigma-Aldrich | C2920 | 2nd drug injection during mitochondrial stress test |
| Cell-Tak | Corning | 354240 | Cell adhesive. Used for coating cell microplates |
| Countes 3 Automated Cell Counter | ThermoFisher Scientific | For cell counting | |
| EDTA | Fisher Scientific | O2793-500 | Component of ACK lysis buffer and RIPA lysis buffer |
| Falcon 70 μm filter | Fisher Scientific | 08-771-2 | Used as cells strainer during HSPCs harvest |
| Gibco Fetal bovine serum (FBS) | Fisher Scientific | 26400044 | Used to prepare assay buffer during HSPCs harvest |
| Gibco HBSS | Fisher Scientific | 14175095 | Used to prepare assay buffer during HSPCs harvest |
| Glucose | Sigma-Aldrich | G7528 | Component of mitochondrial stress test assay medium and first injection of glycolysis stress test |
| Oligomycin | Sigma-Aldrich | O4876 | 2nd drug injection during glycolysis stress test and 1st drug injection during mitochondrial stress test |
| PBS | Life Technologies | 10010-049 | Used to wash cells after assay for protein quantification |
| Potassium bicarbonate (KHCO3) | Fisher Scientific | P235-500 | Component of ACK lysis buffer |
| Protease Inhibitor Cocktail (PIC) | Roche | 11836170001 | Supplied as tablets. One tablet was dissolved in 10 mL of RIPA buffer to make 1x PIC. |
| Rat biotin antimouse-B220, Clone ID: RA3-6B2 | Biolegend | 103203 | Used for lineage depletion during HSPCs harvest |
| Rat biotin antimouse-CD2, Clone ID: RM2-5 | Biolegend | 100103 | Used for lineage depletion during HSPCs harvest |
| Rat biotin antimouse-CD3, Clone ID: 17A2 | Biolegend | 100243 | Used for lineage depletion during HSPCs harvest |
| Rat biotin antimouse-CD5, Clone ID: 53-7.3 | Biolegend | 100603 | Used for lineage depletion during HSPCs harvest |
| Rat biotin antimouse-CD8, Clone ID: 53-6.7 | Biolegend | 100703 | Used for lineage depletion during HSPCs harvest |
| Rat biotin antimouse-Gr-1, Clone ID: RB6-8C5 | Biolegend | 108403 | Used for lineage depletion during HSPCs harvest |
| Rat biotin antimouse-Ter-119, Clone ID: TER-119 | Biolegend | 116203 | Used for lineage depletion during HSPCs harvest |
| Rotenone | Sigma-Aldrich | R8875 | 3rd drug injection during mitochondrial stress test |
| Seahorse XFe96 extracellular flux analyzer | Seahorse Biosciences now Agilent | For ECAR and OCR measurments in real time. | |
| Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | S5761 | Used to make Cell-adhesive solution for microplate coating |
| Sodium chloride (NaCl) | Fisher | BP358 | Component of RIPA lysis buffer |
| Sodium deoxycholate | Sigma-Aldrich | D6750 | Component of RIPA lysis buffer |
| Sodium Fluoride (NaF) | Sigma-Aldrich | S7920 | Component of RIPA lysis buffer |
| Sodium hydroxide (NaOH) | Sigma-Aldrich | S8045 | Prepared 1 N solution. Used for pH normalization |
| Streptavidin Nanobeads (MojoSort) | Biolegend | 480015 | Used for lineage depletion during HSPCs harvest |
| Tris-HCl | Fisher | BP153 | Component of RIPA lysis buffer |
| XF base medium | Agilent | 102353-100 | base medium used to prepare glycolysis stress test and mitochondrial stress test assay media |
| XF prep station | Seahorse Biosciences | Used for non-CO2 37 °C incubations | |
| XFe96 extracellular FluxPak | Agilent | 102416-100 or 102601-100 | Includes assay cartridges with utility plates, loading guide flats for loading drugs onto the assay cartridge, XF calibrant solution, and XF cell culture microplate |
Referencias
- Rieger, M. A., Schroeder, T. Hematopoiesis. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 4 (12), 008250 (2012).
- Papa, L., Djedaini, M., Hoffman, R. Mitochondrial role in stemness and differentiation of hematopoietic stem cells. Stem Cells International. 2019, 4067162 (2019).
- Snoeck, H. W. Mitochondrial regulation of hematopoietic stem cells. Current Opinion in Cell Biology. 49, 91-98 (2017).
- Bujko, K., Kucia, M., Ratajczak, J., Ratajczak, M. Z. Hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). Advances in Experimental Medicine and Biology. 1201, 49-77 (2019).
- Ito, K., Suda, T. Metabolic requirements for the maintenance of self-renewing stem cells. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 15 (4), 243-256 (2014).
- Norddahl, G. L., et al. Accumulating mitochondrial DNA mutations drive premature hematopoietic aging phenotypes distinct from physiological stem cell aging. Cell Stem Cell. 8 (5), 499-510 (2011).
- de Almeida, M. J., Luchsinger, L. L., Corrigan, D. J., Williams, L. J., Snoeck, H. W. Dye-independent methods reveal elevated mitochondrial mass in hematopoietic stem cells. Cell Stem Cell. 21 (6), 725-729 (2017).
- Kim, M., Cooper, D. D., Hayes, S. F., Spangrude, G. J. Rhodamine-123 staining in hematopoietic stem cells of young mice indicates mitochondrial activation rather than dye efflux. Blood. 91 (11), 4106-4117 (1998).
- Filippi, M. D., Ghaffari, S. Mitochondria in the maintenance of hematopoietic stem cells: new perspectives and opportunities. Blood. 133 (18), 1943-1952 (2019).
- Inoue, S., et al. Mitochondrial respiration defects modulate differentiation but not proliferation of hematopoietic stem and progenitor cells. FEBS Letters. 584 (15), 3402-3409 (2010).
- Simsek, T., et al. The distinct metabolic profile of hematopoietic stem cells reflects their location in a hypoxic niche. Cell Stem Cell. 7 (3), 380-390 (2010).
- Bhatti, J. S., Bhatti, G. K., Reddy, P. H. Mitochondrial dysfunction and oxidative stress in metabolic disorders – A step towards mitochondria based therapeutic strategies. Biochimica et Biophysica Acta – Molecular Basis of Disease. 1863 (5), 1066-1077 (2017).
- Fontenay, M., Cathelin, S., Amiot, M., Gyan, E., Solary, E. Mitochondria in hematopoiesis and hematological diseases. Oncogene. 25 (34), 4757-4767 (2006).
- Nadanaciva, S., et al. Assessment of drug-induced mitochondrial dysfunction via altered cellular respiration and acidification measured in a 96-well platform. Journal of Bioenergetics and Biomembranes. 44 (4), 421-437 (2012).
- Nicholls, D. G., et al. Bioenergetic profile experiment using C2C12 myoblast cells. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (46), e2511 (2010).
- Mookerjee, S. A., Goncalves, R. L. S., Gerencser, A. A., Nicholls, D. G., Brand, M. D. The contributions of respiration and glycolysis to extracellular acid production. Biochimica et Biophysica Acta. 1847 (2), 171-181 (2015).
- Nicholls, D. G., Ferguson, S. J., Nicholls, D. G., Ferguson, S. J. . Bioenergetics, Fourth Edition. , 255-302 (2013).
- Aft, R. L., Zhang, F. W., Gius, D. Evaluation of 2-deoxy-D-glucose as a chemotherapeutic agent: mechanism of cell death. British Journal of Cancer. 87 (7), 805-812 (2002).
- Traba, J., Miozzo, P., Akkaya, B., Pierce, S. K., Akkaya, M. An Optimized protocol to analyze glycolysis and mitochondrial respiration in lymphocytes. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (117), e54918 (2016).
- Horan, M. P., Pichaud, N., Ballard, J. W. Review: quantifying mitochondrial dysfunction in complex diseases of aging. The Journals of Gerontology, Series A: Biological Sciences and Medical Sciences. 67 (10), 1022-1035 (2012).
- Morrison, S. J., Scadden, D. T. The bone marrow niche for haematopoietic stem cells. Nature. 505 (7483), 327-334 (2014).
