Calorespirometry: Hücresel enerji metabolizması araştırmak için bir güçlü, invaziv olmayan bir yaklaşım
Summary
Bu iletişim kuralı calorespirometry, ısı dağılımı ve enerji metabolizmasını değerlendirmek için invaziv olmayan bir yaklaşım sağlar solunum yolu tarif etmek ve aynı anda ölçümü anlatılmaktadır. Bu teknik enerji kullanımı aerobik ve anaerobik yolları katkısı toplam hücresel enerji akışı izleyerek değerlendirmek için kullanılır.
Abstract
Temel biyolojik ve Biyomedikal araştırmalarda kullanılan birçok hücre çizgiler aerobik ve anaerobik solunum bir birleşimi yoluyla enerji homeostazı korumak. Ancak, hangi hücresel enerji üretim yatay olarak her iki yolları katkıda ölçüde sürekli olarak gözden olduğunu. Dönüştürülmüş hücrelerin glikoz düzeyleri genellikle doyurarak kültürlü azalmış bir bağımlılık Oksidatif fosforilasyon artış substrat düzeyinde fosforilasyon tarafından telafi olduğu ATP üretimi için göster. Metabolik dengeyi bu vardiyada mitokondrial toksinlerin varlığı rağmen çoğalırlar hücreleri sağlar. Değiştirilmiş metabolik dengeyi dönüştürülmüş hücrelerin ihmal, bir ilaç tarama sonuçlarından beri misinterpreted potansiyel olarak mitotoxic etkileri modeli hücre satırları huzurunda yüksek glikoz kültürlü kullanarak algılanmayabilir konsantrasyonları. Bu protokol iki güçlü teknikleri, basınçlırespirometri ve hücresel ATP üretimi aerobik ve anaerobik katkılar nicel ve noninvaziv değerlendirilmesi için sağlayan Kalorimetre, eşleştirme açıklar. Aerobik ve anaerobik solunum Kalorimetre izlenen yolu ile olabilir ısı üretir. Bu arada, oksijen tüketim hızı ölçüm aerobik solunum ölçüde değerlendirebilirsiniz. Isı dağılımı ve oksijen tüketimi aynı anda ölçülen zaman calorespirometric oranı belirlenebilir. Deneysel olarak elde edilen değer o zaman teorik oxycaloric eşdeğer karşılaştırılabilir ve anaerobik solunum ölçüde değerlendirilecektir. Böylece, calorespirometry biyolojik sorular, ilaç geliştirme, mikrobiyal büyüme ve normoxic ve hipoksik koşullar altında temel bioenergetics de dahil olmak üzere geniş bir analiz etmek için benzersiz bir yöntem sağlar.
Introduction
Biyolojik sistemlerde, ısı-yayın veya entalpisi metabolizma sırasında genellikle değişimdir ya doğrudan izlenir (üzerinden doğrudan Kalorimetre) ya da dolaylı olarak O2 tüketimi ve/veya CO2 üretim (via basınçlırespirometri) aracılığıyla. Bu teknikler yalıtım modunda kullanıldığında, ne yazık ki, önemli bilgileri, hücre metabolizması anaerobik yolları katkısını gibi kaybolur. Calorespirometry ısı dağılımı ve solunum eş zamanlı ölçüm dayanır güçlü bir tekniktir. Calorespirometric iş öncü tam oksijenli memeli hücrelerinde anaerobik metabolizma incelenmiş ve eş zamanlı enerji homeostazı olmak dönüştürülmüş hücrelerin rağmen aerobik ve anaerobik yolları katkılarıyla gösterdi bir tam olarak oksijenli ortamı1. Calorespirometry beri çok çeşitli biyolojik sorular uygulanmıştır. Bazı örnekler, düşük oksijen düzeyde hayvan enerji bilimi çalışma, solungaçları bivalvia, karasal organizmaların metabolizma ve organik toprak madde2, mikrobiyal ayrışma herbisit ve östrojen etkileri 3 , 4 , 5 , 6. Ayrıca calorespirometry sahip hücreleri7donma önce ortaya nasıl metabolik Önkoşullanma memeli dondurma geliştirir. Her yaklaşım, diferansiyel ve basınçlırespirometri, hücresel ve organizma bioenergetics ile ilgili bilgilerimizi bağımsız olarak artmıştır. Ancak, calorespirometry kullanılarak yanıtlanabilir temel biyolojik soru nispeten keşfedilmemiş kalır.
Hess’ın hukuk bir reaksiyon toplam entalpi değişimine ilk ve son durumlar arasındaki yolun bağımsız olduğunu belirtir. Örneğin, toplam entalpi değişimi biyokimyasal bir yol için yol içinde bütün tepkiler enthalpies değişikliği toplamı olduğunu. Kalorimetre gelişigüzel aerobik ve anaerobik yolları algılar hücresel ısı üretim ölçmek için gerçek zamanlı bir yaklaşım sunmaktadır. Bu hiçbir enerji sistem dışında deneysel ampul8duvarları üzerinden değiştirilir temel üzerine dayanır. Isı dağılımı bir değişiklik değişiklik tüm metabolik reaksiyonlar ampul içinde serbest entalpi eşittir. Böylece, negatif bir entalpi ısı kaybına yol sistemden karşılıklı olarak ilişkilendirir. Son dört yılda ayrıntılı araştırma katabolizma ve Anabolizma termodinamik peyzaj karakterize. Bu araştırma makaleleri arama terimleri “biyolojik” ve “tarafından Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Kütüphane, tıp (NLM) Ulusal Sağlık Enstitüleri (PubMed) adlı dizine gibi Kalorimetre” altında bulunan sürekli bir artış ile temsil edilir. Arama bundan önce 1970, toplam 27 yayınlar başvuru biyolojik Kalorimetre ortaya koymaktadır; Bu arada, 2016 yılında 546 yayınlar tekniği kullanılmıştır.
Isı üretim belirlemek için kurulan calorimetric yöntemlerdir. Ancak, daha fazla esneklik respirometric değer çözmek için verilir. Respirometric ölçüm O2, CO2, ya da hem O2 ve CO2bileşiminden oluşabilir. Ayrıca, O2 veya CO2 ölçüm optrodes, Clark-tip elektrotlar ve akort diyot lazer soğurma spektroskopisi7,9,10 dahil olmak üzere çeşitli teknikler tarafından gerçekleştirilebilir ,11. CO2 üretim birçok respirometric çalışma içinde değerli bir ölçü olsa da, kültürlü hücreler için orta bikarbonik tampon sistemi pH kontrolü12,13kez kullanır. Bikarbonat sisteminde CO2 ölçü komplikasyonları önlemek için tek respirometric parametre olarak O2 hücre kültüründe calorespirometry için aşağıdaki iletişim kuralı kullanır.
Oksijen akı ölçme ile eşzamanlı, belirli respirometers ( Tablo malzemelerigörmek) mitokondriyal işlev detaylı değerlendirmeler için tasarlanmıştır. Substrat-uncoupler-inhibitörü-titrations (SUIT) protokolleri iyi kurulmuş ve membran potansiyeli veya reaktif oksijen türleri (ROS) oluşumu14ölçmek için tasarlanmış deneyler ile uyumlu değildir. Calorespirometry sağlam hücre için sunulan Protokolü karbonil siyanür-p-trifluoromethoxyphenylhydrazone (FCCP) ve F0F1-ATP sentaz inhibitörü oligomycin gibi kimyasal uncouplers getirilmesi ile uyumludur. FCCP ek, oksijen tüketimi mitokondrial performans15potansiyel tedavi etkisini değerlendirmek yararlı olan ATP üretimden edilişi olabilir. Ayrıca, oligomycin eklenmesi sızıntı solunum ölçüde aydınlatır. Böylece, calorespirometry sırasında gerçekleştirilen respirometric ölçümleri mitokondrial fizyolojisi daha fazla aydınlatmak için tasarlanmış kapsamlı iletişim kuralları ile uyumludur.
Isı dağılımı ve oksijen akışı eş zamanlı ölçüm calorespirometric (CR) oranı hesaplanması için sağlar. Bu oran, daha sonra Thornton’s sabit veya-430 bağlı olarak hücre satır veya doku ilgi-480 kJ mol-1 için ve desteklenmiştir karbon yüzeyler1, arasında değişmektedir teorik oxycaloric eşdeğer, karşılaştırılır 16. böylece daha olumsuz bir CR oranı artan anaerobik yolları genel olarak metabolik aktivite katkıları ortaya koymaktadır. Örneğin, rutin kas doku solunum çalışmalarının etkin performans olmadan CR oranı-448-468 kJ mol-1’e hangi teorik oxycaloric eşdeğer17,18aralıkta arasında değişmektedir. Bu arada, memeli kanser hücreleri glikoz yüksek orta kültürlü glikoliz aşağıdaki gelişmiş laktik asit fermantasyonu görüntülemek ve nispeten düşük mitokondrial nişan19. Bu fenotip anaerobik yolları daha olumsuz CR oranları1,7tarafından belirtildiği gibi hücresel metabolizma artan katılımı gösteren-800 kJ mol-1,-490 sonuçlarını CR oranları aralığı içinde 16,20.
Ticari ve kar amacı gütmeyen hücre ve doku distribütörler Şu anda insanların yaklaşık 4.000 hücre hatları ile 150 türler’den fazla teklif hücre hatları türetilmiş. Ölümsüzleştirdi hücre satırlarını hızlı bir şekilde birçoğu mitokondrial fonksiyonları ile doğrudan veya dolaylı olarak engel olabilecek potansiyel therapeutics toksisitesi değerlendirmek için uygun araçlardır. Dönüştürülmüş hücrelerin uyuşturucu tarama sırasında kullanarak sınırlı değeri kısmen Warburg etkisi nedeniyle, birçok kanser damgasını olabilir. Çoğu zaman, kanser ATP substrat düzeyinde fosforilasyon oluşturmak ve tam aerobik koşullar19altında mitokondri çekici olmadan laktat üretim ile redoks dengesini korumak. İlaç geliştirme Rootkitler pahalı ve verimsiz, yaklaşık 8 9 bileşikler için başaramadığı Pazar onay21insan klinik çalışmalarda test dışarı ile. Potansiyel tedavi nedeniyle düşük sitotoksisite başlangıç tarama hücre hatlarında geçebilir, bu bazı bu bileşiklerin mitotoxic vardır mümkündür. Nasıl bu toksinler Warburg etkisi görüntülenmez primer hücre enerji dengede zarar olabilir algılamak için uygun yöntemi kritik bilgi kez, tedavi edici gelişme erken aşamalarında darboğaz aşırı baktı.
Calorespirometry biyolojik örnekleri, hücre ve dokulara da dahil olmak üzere çeşitli metabolik etkinliğini çözümlemeye pratik, invaziv olmayan bir yaklaşımdır. Sunulan Protokolü özünü bir uygulama yelpazesi ile uyumludur. Bir sorun, ancak, tespit edilmiştir. Ölümsüzleştirdi hücreleri genellikle potansiyel mitotoxins22hücrelere duyarlı için Oksidatif fosforilasyon (OXPHOS) enerji üretiminde katkısını artırmak için galaktoz ile takıma glikoz-Alerjik ortamda kültürlü, 23. Bu metabolik yeniden programlama örnekleri Kalorimetresi15tarafından kullanılan paslanmaz çelik ampul yerleştirildiğinde analiz belirsiz görünüyor. Birkaç saat için yüksek metabolik faaliyete girişme hücreleri glikoz ortamda kültürlü devam. Bu arada, galaktoz ortamda kültürlü hücreleri ısı üretim yerleri erken deneysel zaman puan için sınırlı ölçümler yaparak ampul içinde 30 dk içinde azaltın. Bu davranış, ne yazık ki, onların hücresel proliferasyonu değerlendirme imkanı engeller. Belirli bu sınırlamaya rağmen çoğu uygulama calorespirometric analizi ile uyumludur ve bu yaklaşımla ayrıntılı metabolik bilgi elde edilebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kantitatif metabolik aktivite aerobik ve anaerobik yolları katkıları değerlendirmek ve hücresel enerji akı bileşik bir görünümünü elde etmek için calorespirometry hedefidir. Bu ısı dağılımı ve oksijen akı hesaplanan CR oranı eşdeğer teorik oxycaloric ile karşılaştırılması ardından eşzamanlı bir ölçü tarafından gerçekleştirilir. Birkaç önemli adımlar için tekrarlanabilir ve güvenilir verileri dikkate alınmalıdır. Steril, sağlıklı hücre kültürü bakımından önemlidir. K…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser kısmen Mary E. Konkle ve Michael A. Menze Ulusal Bilim Vakfı Hibe CHE-160944 tarafından finanse edildi.
Materials
| HepG2 Cells | American Type Culture Collection | HB-8065 | Cells used for calorespirometry |
| O2k-Respirometer | Oroboros Instruments | 10022-02 | Respirometer |
| LKB 2277 thermal activity monitor (TAM) | Thermometric AB | Thermometric was purchased by TA Instruments | |
| Sodium Pyruvate (100 mM) | Thermofisher Scientific | 11360070 | 100x solution added to DMEM medium |
| Fetal Bovine Serum – Premiuim Select | Atlanta Biologicals | S11550 | Added to 10% in DMEM medium |
| Trypsn-EDTA (0.25%) | Thermofisher Scientific | 25200072 | Cell dissociation reagent |
| Oligomycin from Streptomyces diastatochromogenes | Sigma Aldrich | O4876 | Mitochondrial Inhibitor |
| Carbonyl cyanide 4-(trifluoromethoxy)phenylhydrazone | Sigma Aldrich | C2920 | Mitochondrial Uncoupler |
| Corning 100 mm TC-Treated Culture Dish | Corning Corporation | 430167 | Tissue culture dish |
| Glucose, powder | Thermofisher Scientific | 15023021 | Glucose for DMEM medium |
| Galactose, powder | Fischer Scientific | BP656500 | Galactose for DMEM medium |
| L-Glutamine (200 mM) | Thermofisher Scientific | 25030081 | Glutamine for DMEM medium |
| DMEM, no glucose | Thermofisher Scientific | 11966025 | Cell culture medium |
Riferimenti
- Gnaiger, E., Kemp, R. B. Anaerobic metabolism in aerobic mammalian cells: information from the ratio of calorimetric heat flux and respirometric oxygen flux. Biochimica et Biophysica Acta. 1016, 328-332 (1990).
- Barros, N., Gallego, M., Feijoo, S. Calculation of the specific rate of catabolic activity (Ac) from the heat flow rate of soil microbial reactions measured by calorimetry: significance and applications. Chemistry & Biodiversity. 1, 1560-1568 (2004).
- Cheney, M. A., Fiorillo, R., Criddle, R. S. Herbicide and estrogen effects on the metabolic activity of Elliptio complanata measured by calorespirometry. Comparative Biochemistry and Physiology – Part C: Pharmacology, Toxicology and Endocrinology. 118, 159-164 (1997).
- Wadso, L., Hansen, L. D. Calorespirometry of terrestrial organisms and ecosystems. Methods. 76, 11-19 (2015).
- Gnaiger, E., Woakes, A. J., Grieshaber, M. K., Bridges, C. R. Animal energetics at very low oxygen: information from calorimetry and respirometry. Strategies for Gas Exchange and Metabolism. , 149-171 (1991).
- Barros, N., Hansen, L. D., Pineiro, V., Perez-Cruzado, C., Villanueva, M., Proupin, J., Rodriguez-Anon, J. A. Factors influencing the calorespirometric ratios of soil microbial metabolism. Soil Biology and Biochemistry. 92, 221-229 (2016).
- Menze, M. A., Chakraborty, N., Clavenna, M., Banerjee, M., Liu, X. H., Toner, M., Hand, S. C. Metabolic preconditioning of cells with AICAR-riboside: improved cryopreservation and cell-type specific impacts on energetics and proliferation. Cryobiology. 61, 79-88 (2010).
- Webb, P. . Human Calorimetry. , (1985).
- Neven, L. G., Lehrman, N. J., Hansen, L. D. Effects of temperature and modified atmospheres on diapausing 5th instar codling moth metabolism. Journal of Thermal Biology. 42, 9-14 (2014).
- Brueckner, D., Solokhina, A., Krahenbuhl, S., Braissant, O. A combined application of tunable diode laser absorption spectroscopy and isothermal micro-calorimetry for calorespirometric analysis. Journal of Microbiological Methods. 139, 210-214 (2017).
- Hasan, S. M. K., Manzocco, L., Morozova, K., Nicoli, M. C., Scampicchio, M. Effects of ascorbic acid and light on reactions in fresh-cut apples by microcalorimetry. Thermochimica Acta. 649, 63-68 (2017).
- Criddle, R. S., Fontana, A. J., Rank, D. R., Paige, D., Hansen, L. D., Breidenbach, R. W. Simultaneous measurement of metabolic heat rate, CO2 production, and O2 consumption by microcalorimetry. Analytical Biochemistry. 194, 413-417 (1991).
- Criddle, R. S., Breidenbach, R. W., Rank, D. R., Hopkin, M. S., Hansen, L. D. Simultaneous calorimetric and respirometric measurements on plant-tissues. Thermochimica Acta. 172, 213-221 (1990).
- Pesta, D., Gnaiger, E. High-resolution respirometry: OXPHOS protocols for human cells and permeabilized fibers from small biopsies of human muscle. Methods in Molecular Biology. 810, 25-58 (2012).
- Grimm, D., Altamirano, L., Paudel, S., Welker, L., Konkle, M. E., Chakraborty, N., Menze, M. A. Modulation of cellular energetics by galactose and pioglitazone. Cell and Tissue Research. , (2017).
- Hansen, L. D., Macfarlane, C., McKinnon, N., Smith, B. N., Criddle, R. S. Use of calorespirometric ratios, heat per CO2 and heat per O2, to quantify metabolic paths and energetics of growing cells. Thermochimica Acta. 422, 55-61 (2004).
- Chinet, A., Clausen, T., Girardier, L. Microcalorimetric determination of energy expenditure due to active sodium-potassium transport in the soleus muscle and brown adipose tissue of the rat. The Journal of Physiology. 265, 43-61 (1977).
- Paul, R. J. Physical and biochemical energy balance during an isometric tetanus and steady state recovery in frog sartorius at 0 degree C. Journal of General Physiology. 81, 337-354 (1983).
- Warburg, O. On the origin of cancer cells. Science. 123, 309-314 (1956).
- Kemp, R. B. Importance of the calorimetric-respirometric ratio in studying intermediary metabolism of cultured mammalian cells. Thermochimica Acta. 172, 61-73 (1990).
- Kola, I., Landis, J. Can the pharmaceutical industry reduce attrition rates?. Nature Reviews Drug Discovery. 3, 711-715 (2004).
- Kamalian, L., Chadwick, A. E., Bayliss, M., French, N. S., Monshouwer, M., Snoeys, J., Park, B. K. The utility of HepG2 cells to identify direct mitochondrial dysfunction in the absence of cell death. Toxicology in Vitro. 29, 732-740 (2015).
- Rossignol, R., Gilkerson, R., Aggeler, R., Yamagata, K., Remington, S. J., Capaldi, R. A. Energy substrate modulates mitochondrial structure and oxidative capacity in cancer cells. Ricerca sul cancro. 64, 985-993 (2004).
- Fontana, A. J., Hansen, L. D., Breidenbach, R. W., Criddle, R. S. Microcalorimetric measurement of aerobic cell-metabolism in unstirred cell-cultures. Thermochimica Acta. 172, 105-113 (1990).
