Respirometry ברזולוציה גבוהה כדי למדוד את הפונקציה מיטוכונדריאלי של תאי הבטא תקין בנוכחות תרכובות טבעיות
Summary
המטרה של פרוטוקול זה היא כדי למדוד את ההשפעה של שינויים בתיווך גלוקוז נשימה מיטוכונדריאלי בנוכחות תרכובות טבעיות על תאי הבטא תקינה 832/13 באמצעות respirometry ברזולוציה גבוהה.
Abstract
Respirometry ברזולוציה גבוהה מאפשרת מדידת צריכת החמצן של המיטוכונדריה מבודד, תאים ורקמות. תאי הבטא תפקיד חיוני בגוף על ידי השליטה רמות הגלוקוז בדם באמצעות הפרשת האינסולין בתגובה ריכוזי גלוקוז גבוהות. הפרשת האינסולין נשלטת על ידי נשימה מיטוכונדריאלי מטבוליזם של גלוקוז. לכן, מדידת נשימה תאי בטא שלם הוא חיוני יוכל לשפר את תפקוד תאי בטא כטיפול בסוכרת. באמצעות תוספות ללא פגע 832/13-1 נגזר בתאי בטא אנו יכולים למדוד את ההשפעה של הגדלת ריכוז הגלוקוז על נשימה תאית. פרוטוקול זה מאפשר לנו למדוד את הנשימה תאי בטא, נוכחות או היעדרות של תרכובות שונות, המאפשרת לקבוע את ההשפעה של נתון תרכובות על נשימה תא שלם. כאן אנחנו מדגימים את ההשפעה של שתי תרכובות המתרחשים באופן טבעי, monomeric epicatechin, כורכומין, על הנשימה תאי בטא תחת הנוכחות של נמוך (2.5 מ מ) או תנאים גלוקוז גבוהות (16.7 מ מ). ניתן להשתמש בטכניקה זו כדי לקבוע את ההשפעה של תרכובות שונות על תאי בטא ללא פגע הנשימה בנוכחות שונות ריכוזי גלוקוז.
Introduction
המטרה העיקרית של תאי בטא בלבלב היא לשמור על המערכת normoglycemia באמצעות הפרשת האינסולין מגורה-גלוקוז. תאי הבטא לחוש שינויים פיזיולוגיים במחזור גלוקוז בעיקר בשל בזיקה נמוכה, קיבולת גבוהה גלוקוז טרנספורטר GLUT2 (גלוקוז המשלח 2, Km 16.7 מ מ)1. לעלות רמות הגלוקוז במחזור הדם, טרנספורטר נמוך-זיקה זו בקיבולת גבוהה מקלה על גידול יחסי של גלוקוז תאיים בתוך התא בטא. גלוקוז עובר מטבוליזם דרך גליקוליזה, מחזור TCA (מחזור חומצה tricarboxylic) מיטוכונדריאלי הנשימה וכתוצאה מכך רמות גבוהות של ATP (אדנוזין טריפוספט) הסלולר. ריכוז ATP מוגברות חוסם ATP רגיש K+ הערוצים, וכתוצאה מכך ממברנה דפולריזציה. דפולריזציה הממברנה גורם הפתיחה של מתח מגודרת Ca2 + ערוצי וכרוכים שחרור עוקבות של שלפוחית אינסולין בגרגרים2. תפקוד לקוי של תאי בטא מהווה סימן היכר של סוכרת מסוג 2 (T2D), ותוצאות הפרשת האינסולין ירדה ומבוקר לקוי ובסופו של דבר למוות תאי בטא3– מנגנונים לשמור או לשפר את תפקוד תאי בטא יכול לשמש כטיפול עבור T2D.
מחקרים הראו את ההשפעות המיטיבות של באופן טבעי המבוסס על צמח תרכובות תאי בטא בלבלב4. תרכובות אלו ייתכן השפעתם באמצעות הגדלת התפשטות תאי בטא, הישרדות או הפרשת האינסולין מגורה-גלוקוז. לדוגמה, מחקרים שנעשו לאחרונה הראו כי monomeric epicatechin מגבירה את הפרשת האינסולין מגורה-גלוקוז ע י הגברת הנשימה מיטוכונדריאלי, הגדלת הסלולר ATP רמות5. לכן, להבין איך תרכובות אלו יכולים להגדיל את תאי בטא פונקציונלי מסה חשוב למנף תרכובות אלו כמו הרפוי פוטנציאליים.
נשימה תאית ניתן למדוד באמצעות מספר כלים. השימוש respirometer ברזולוציה גבוהה מאפשר טיטור של מאפננים כימי אוכלוסיית תאים permeabilized או שלם6. כלי זה מאפשר התוספת של תרכובות שונות, בריכוזים שונים, ובכך נותן מגוון רחב של מידע.
לאור הקשר האינטימי בין מטבוליזם הגלוקוז ותפקוד תאי בטא, מדידות של נשימה תאית הם קריטיים. מדידות של נשימה תאית יכול להיעשות באמצעות תאי הבטא או permeabilized או שלם, עם כל בעל קבוצה נפרדת של היתרונות והחסרונות7,8. בעוד permeabilization של תאי הבטא מאפשרת למדוד היבטים שונים של רשת התחבורה אלקטרון, היא עושה זאת מבלי בתועלת מנגנון להשראת הנשימה תאי בטא, ספיגת הגלוקוז ואת חילוף החומרים. לכן, השימוש של תאי בטא unpermeabilized נשימה היא טכניקה מאוד שימושי כדי לקבוע את תאי הבטא בתגובה רמות גלוקוז שונות, באמצעות צריכת חמצן כמו המדידה.
מטרת טכניקה זו היא למדוד את צריכת החמצן של תוספות ללא פגע-1 נגזר בתאי בטא 832/13. טכניקה זו מאפשרת לנו לקבוע את התגובה של תאי הבטא לתנאים גלוקוז unstimulatory (גלוקוז 2.5 מ מ) כמו גם תנאים מופחתים גלוקוז (מ מ 16.7 גלוקוז). בעוד unpermeabilized התאים אינם מאפשרים לנו לבחון באופן אינדיבידואלי את מתחם הראשון, השני או השלישי של האלקטרון הובלה שרשרת, הטכניקה מתירה מדידות התמודדות עם מורכבות הרביעי עיכוב (Oligomycin א), חשיפות נשימה (FCCP-קרבוניל ציאניד- 4– phenylhydrazone (trifluoromethoxy)), ואת לגמרי עכבות נשימה (Antimycin א). מחקר זה מדגים את היעילות של מדידת נשימה ללא פגע בתאי בטא בלבלב unpermeabilized, כמו גם ההשפעה של שתי תרכובות המתרחשים באופן טבעי, monomeric epicatechin, כורכומין, על הנשימה תאי בטא.
Protocol
Representative Results
Discussion
המטרה של פרוטוקול זה היא להשתמש respirometry ברזולוציה גבוהה כדי למדוד את הנשימה בבתי שלם בתאי בטא בלבלב. שיטה זו מאפשרת מדידת תגובת תאי בטא רמות גלוקוז מוגברת. הפרוטוקול מאפשר גם רעלני עם תרכובות שונות, כפי שמתואר ב פרוטוקול זה עם המתרחשים באופן טבעי monomeric epicatechin או כורכומין<sup …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצה להודות חברים של מעבדות Tessem, הנקוק העוזרת, דיון מדעי. המחברים מודים אנדרו Neilson, PhD (וירג’יניה טק) על מתן השבר מונומר קקאו epicatechin נגזרת. מחקר זה נתמך על ידי מענק מחקר פעולה סוכרת, קרן חינוך JST.
Materials
| O2k Core: Oxygraph-2k | Oroboros Instruments | 10000-02 | Instrument for high-resolution respirometry |
| DatLab 6 Program | Oroboros Instruments | 27141-01 | Computer program for analysing high-reolution respirometry |
| INS-1 832/13 cell line | Duke University Medical Center | NONE | Beta cell line, gift from Dr. Christopher Newgard |
| Curcumin | Sigma | C7727 | Pre-treatment of beta cells |
| Cocoa epicatechin monomer | Virginia Polytechnic Institute and State University | NONE | Pre-treatment of beta cells, gift from Dr. Andrew Neilson |
| Trypsin | Sigma | T4049 | For cell culture |
| RPMI-1640 | Sigma | R8758 | 832/13 beta cell media |
| Fetal Bovine Serum | Hyclone | SH30071.03 | 832/13 beta cell media component |
| Penicillin-streptomycin | Sigma | P4458 | 832/13 beta cell media component |
| HEPES | Sigma | H3662 | 832/13 beta cell media component/ 1x SAB Buffer |
| Glutamine | Caisson | GLL01 | 832/13 beta cell media component |
| Sodium Pyruvate | Sigma | S8636 | 832/13 beta cell media component |
| 2-Mercaptoethanol | Sigma | M3148 | 832/13 beta cell media component |
| NaCl | Fisher | S271 | Component of 10x SAB buffer |
| KCl | Sigma | P9541 | Component of 10x SAB buffer |
| KH2PO4 | Sigma | P5655 | Component of 10x SAB buffer |
| MgSO4 | Sigma | M2643 | Component of 10x SAB buffer |
| D-(+)-Glucose Solution | Sigma | G8769 | Component of 1x SAB buffer, chemical for respiration assay |
| CaCl2 | Sigma | C5670 | Component of 1x SAB buffer |
| 35% BSA Solution | Sigma | A7979 | Component of 1x SAB buffer |
| NaHCO3 | Sigma | S5761 | Component of 1x SAB buffer |
| 200 proof ethanol | Sigma | 459844 | Washing Oxygraph O2k Chambers |
| Oligomycin A | Sigma | O4876 | Chemicals for respiration assay |
| FCCP | Sigma | C2920 | Chemicals for respiration assay |
| Anitmycin A | Sigma | A8674 | Chemicals for respiration assay |
| BCA Protein Kit | Thermo Fisher | 23225 | For determining protein concentration |
References
- Mueckler, M., Thorens, B. The SLC2 (GLUT) family of membrane transporters. Mol Aspects Med. 34 (2-3), 121-138 (2013).
- Kahn, S. E., Hull, R. L., Utzschneider, K. M. Mechanisms linking obesity to insulin resistance and type 2 diabetes. Nature. 444 (7121), 840-846 (2006).
- Weir, G. C., Bonner-Weir, S. Five stages of evolving beta-cell dysfunction during progression to diabetes. Diabetes. 53 Suppl 3, S16-S21 (2004).
- Strat, K. M., et al. Mechanisms by which cocoa flavanols improve metabolic syndrome and related disorders. J Nutr Biochem. 35, 1-21 (2016).
- Rowley, T. J. T., et al. Monomeric cocoa catechins enhance β-cell function by increasing mitochondrial respiration. J Nutr Biochem. 49, 30-41 (2017).
- Djafarzadeh, S., Jakob, S. M. High-resolution Respirometry to Assess Mitochondrial Function in Permeabilized and Intact Cells. J Vis Exp. (120), (2017).
- Reynolds, M. S., et al. beta-Cell deletion of Nr4a1 and Nr4a3 nuclear receptors impedes mitochondrial respiration and insulin secretion. Am J Physiol Endocrinol Metab. 311 (1), E186-E201 (2016).
- Hals, I. K., et al. Mitochondrial Respiration in Insulin-Producing beta-Cells: General Characteristics and Adaptive Effects of Hypoxia. PLoS One. 10 (9), e0138558 (2015).
- Ray, J. D., et al. Nkx6.1-mediated insulin secretion and beta-cell proliferation is dependent on upregulation of c-Fos. FEBS Lett. 590 (12), 1791-1803 (2016).
- Schisler, J. C., et al. Stimulation of human and rat islet beta-cell proliferation with retention of function by the homeodomain transcription factor Nkx6.1. Mol Cell Biol. 28 (10), 3465-3476 (2008).
- Tessem, J. S., et al. Nkx6.1 regulates islet beta-cell proliferation via Nr4a1 and Nr4a3 nuclear receptors. Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (14), 5242-5247 (2014).
- Hobson, A., et al. Aurora Kinase A is critical for the Nkx6.1 mediated beta-cell proliferation pathway. Islets. 7 (1), e1027854 (2015).
- Draney, C., Hobson, A. E., Grover, S. G., Jack, B. O., Tessem, J. S. Cdk5r1 Overexpression Induces Primary beta-Cell Proliferation. J Diabetes Res. 2016, 6375804 (2016).
- Rouse, M., Younes, A., Egan, J. M. Resveratrol and curcumin enhance pancreatic beta-cell function by inhibiting phosphodiesterase activity. J Endocrinol. 223 (2), 107-117 (2014).
- Ma, Z., et al. Diabetes reduces beta-cell mitochondria and induces distinct morphological abnormalities, which are reproducible by high glucose in vitro with attendant dysfunction. Islets. 4 (3), 233-242 (2012).
- Chavanelle, V., et al. Effects of high-intensity interval training and moderate-intensity continuous training on glycaemic control and skeletal muscle mitochondrial function in db/db mice. Sci Rep. 7 (1), 204 (2017).
- Jelenik, T., et al. Mechanisms of Insulin Resistance in Primary and Secondary Nonalcoholic Fatty Liver. Diabetes. 66 (8), 2241-2253 (2017).
- Spacek, T., et al. Glucose-stimulated insulin secretion of insulinoma INS-1E cells is associated with elevation of both respiration and mitochondrial membrane potential. Int J Biochem Cell Biol. 40 (8), 1522-1535 (2008).
- Jezek, J., Dlaskova, A., Zelenka, J., Jaburek, M., Jezek, P. H2O2-Activated Mitochondrial Phospholipase iPLAgamma Prevents Lipotoxic Oxidative Stress in Synergy with UCP2, Amplifies Signaling via G-Protein-Coupled Receptor GPR40, and Regulates Insulin Secretion in Pancreatic beta-Cells. Antioxid Redox Signal. 23 (12), 958-972 (2015).
- Johnson, J. D., et al. Suppressed insulin signaling and increased apoptosis in CD38-null islets. Diabetes. 55 (10), 2737-2746 (2006).
