Evaluering af rollen mitokondriel funktion i Cancer-relaterede træthed
Summary
Vores mål var at udvikle en praktisk protokol for at vurdere mitokondriel dysfunktion associeret med træthed hos cancerpatienter. Denne innovative protokol er optimeret til klinisk brug der involverer kun standard tapning og grundlæggende laboratorieprocedurer.
Abstract
Træthed er en fælles og invaliderende tilstand, der påvirker de fleste kræftpatienter. Til dato, test træthed forbliver dårligt karakteriseret med ingen diagnostiske til objektivt foranstaltning sværhedsgraden af denne tilstand. Her beskriver vi en optimeret metode til vurdering af mitokondrie funktion af PBMC indsamlet fra trætte kræftpatienter. Ved hjælp af en kompakt ekstracellulære flux system og sekventiel injektion af respiratorisk hæmmere, undersøgte vi PBMC mitokondrie funktionelle status af måling af basal mitokondrie respiration, respiratorisk overskudskapacitet og energy fænotype, som beskriver den foretrukne energi pathway til at reagere for at understrege. Frisk PBMC er let tilgængelige i de kliniske omgivelser ved hjælp af standard tapning. Hele analysen i denne protokol beskrevne kan være afsluttet i mindre end 4 timer uden inddragelse af komplekse biokemiske teknikker. Derudover beskriver vi en normalisering metode, der er nødvendige for at opnå reproducerbare data. De enkle procedure og normalisering metoder præsenteres giver mulighed for gentagen prøvetagning fra den samme patient og generation af reproducerbare data, der kan sammenlignes mellem tidspunkter at vurdere potentielle virkninger og behandling.
Introduction
Træthed er en udbredt og sørgelig tilstand, som har en negativ indvirkning på livskvaliteten for kræft patienter1. Til denne dato, kræft træthed forbliver dårligt defineret og beror kun på subjektive rapportering af patienter2. Derfor er der et presserende behov for at identificere en let at tilpasse diagnoselaboratorium test for at objektivt karakterisere træthed i kliniske omgivelser3,4.
Flere underliggende mekanismer, herunder mitokondrier dysfunktion, er blevet foreslået til at forårsage træthed5. Mitokondrier er kraftcenter organeller, leverer 95% af cellulære energibehov via oxidativ fosforylering, og spiller en vigtig rolle i calcium signalering apoptose, immun signalering og regulering af andre intracellulær signalering begivenheder6 . Derfor kan nedsat mitokondriel bioenergetik og fejl i energiproduktion bidrage til træthed. Understøtter denne hypotese, har tidligere undersøgelser observeret mutationer i mitokondrie-DNA i patienter med kronisk træthed syndrom7. Mens det er uklart, hvorvidt træthed patofysiologiske oprindelse ligger inden for det centrale nervesystem eller perifere væv, såsom skeletmuskulatur8,9, er der i øjeblikket ingen direkte metode til præcist at vurdere mitokondriel dysfunktion relateret til træthed i live, respiring celler.
Ved hjælp af perifert blod mononukleære celler (PBMC) for at studere mitokondrie funktion giver flere fordele. Først, PBMC er let tilgængelige i de kliniske omgivelser ved hjælp af standard tapning og kan være isolerede hurtigt ved hjælp af grundlæggende laboratoriemetoder. Andet er blod samling mindre invasiv end indsamling af andre væv som en muskel biopsi. Således kan blodprøver indsamles fra den samme patient flere gange over tid, som letter langsgående vurdering af behandling effekter. Interessant, syntes mitokondrie funktion i PBMC at være godt korreleret med nyre mitokondrie status i en dyremodel10. Desuden har immun celle mitokondrier været brugt som en proxy for opdage systemændringer under forskellige sygdom betingelser11,12. Mitokondrier i cirkulerende immunceller er særligt følsomme over for ændringer i immun funktioner og immun signalering molekyler såsom cytokiner13,14,15. For eksempel, er blevet observeret, at PBMC fra patienter med akut inflammatoriske gigtsygdomme udviser høj baseline ilt forbrug14. Derimod blev iltforbrug reduceret i PBMC isoleret fra patienter med systemiske betændelsestilstande, herunder sepsis16. Under betændelsestilstande, kan frie radikaler produceret af dysfunktionelle mitochondrier yderligere bidrage til forhøjede oxidativ stress og langvarig betændelse17. Den centrale rolle af mitochondrier i energiproduktion såvel som i oxidativ stress antyder den potentielle nytte af ved hjælp af mitokondrie funktion som en proxy for at studere træthed i kræft patienter 13.
Tidligere studier undersøger mitokondrie funktion udnyttet biokemiske teknikker, mitokondrielle membran potentielle måling eller isolation af specifikke cellepopulationer, der ikke kan let kan tilpasses i de kliniske omgivelser5, 14,18. I de seneste år, udviklingen af ekstracellulære flux assays har tilladt forskere til let og undersøge præcist ændringer i ilt forbrugssats (OCR) i svar til automatiseret injektioner af respiratorisk hæmmere19,20 , 21 , 22. dog de fleste af disse undersøgelser er designet til specifikke celletyper og høj overførselshastighed storformat kan ikke anvendes i kliniske omgivelser. I dette manuskript beskriver vi en optimeret protokol for behandlingen af mitokondrie-funktion til klinisk brug.
Protocol
Representative Results
Discussion
Træthed hos cancerpatienter er en invaliderende tilstand, der ikke er klart defineret eller præget1. Diagnosticering af træthed afhængig helt af subjektive rapportering og der er ingen aktuelle diagnostiske standard eller behandling for denne tilstand, hovedsagelig på grund af manglende forståelse i sin pathobiology2. Af de foreslåede mekanismer bag træthed hos cancerpatienter, er nedskrivninger i mitokondrie-funktion en af de mest terapeutisk markedssegment veje. D…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse er fuldt understøttet af Division af murene forskning af det nationale Institut for sygepleje forskning af NIH, Bethesda, Maryland.
Materials
| CPT Mononuclear Cells Preparation Tube | BD Biosciences | 362761 | For isolating PBMCs following phlebotomy |
| RPMI-1640 | Corning | 10-040 | For making growth media for PBMCs |
| Fetal bovine serum (FBS) | Corning | 35-010-CV | For making growth media for PBMCs |
| Penicillin/Streptomycin | ThermoFisher | 15140122 | For making growth media for PBMCs |
| Cell-Tak | Corning | 354240 | Cell and Tissue adhesive solution; allows suspension cells to adhere to the surface |
| Seahorse XF Calibrant Solution | Agilent | 103059-000 | For hydrating cartridges |
| XFp Fluxpak (miniplates and sensor cartridges) | Agilent | 103022-100 | Contains XFp cell culture miniplates and sensor cartridges |
| XF base media | Agilent | 103335-100 | For making XF assay media |
| 45% cell culture D-(+)-Glucose solution | Corning | 25-037-CI | For making XF assay media |
| Sodium pyruvate solution | Corning | 25-000-CI | For making XF assay media |
| L-glutamine solution | ThermoFisher | 25030081 | For making XF assay media |
| Seahorse XFp Mito Stress Test Kit | Agilent | 103010-100 | Contains oligomycin, FCCP, antimycin A/rotenone |
| CyQUANT Direct Cell Proliferation Assay | ThermoFisher | C35011 | For quantification of live cells and data normalization |
| Seahorse XFp Analyzer | Agilent | S7802AEA | For measuring mitochondrial function in live cells |
| Cytation 5 Cell Imaging Multi-Mode Reader (or any instrument that can quantify fluorescent cells in a plate) | BioTek | BTCYT5PV | For quantification of live cells and data normalization |
References
- Berger, A. M., et al. Cancer-Related Fatigue, Version 2.2015. Journal of the National Comprehensive Cancer Network. 13 (8), 1012-1039 (2015).
- Feng, L. R., Dickinson, K., Kline, N., Saligan, L. N. Different phenotyping approaches lead to dissimilar biologic profiles in men with chronic fatigue following radiation therapy. Journal of Pain and Symptom Management. 52 (6), 832-840 (2016).
- Feng, L. R., et al. Clinical Predictors of Fatigue in Men With Non-Metastatic Prostate Cancer Receiving External Beam Radiation Therapy. Clinical Journal of Oncology Nursing. 19 (6), 744-750 (2015).
- Feng, L. R., Wolff, B. S., Lukkahatai, N., Espina, A., Saligan, L. N. Exploratory Investigation of Early Biomarkers for Chronic Fatigue in Prostate Cancer Patients Following Radiation Therapy. Cancer Nursing. 40 (3), 184-193 (2017).
- Myhill, S., Booth, N. E., McLaren-Howard, J. Chronic fatigue syndrome and mitochondrial dysfunction. International Journal of Clinical and Experimental Medicine. 2 (1), 1-16 (2009).
- Pernas, L., Scorrano, L. Mito-Morphosis: Mitochondrial Fusion, Fission, and Cristae Remodeling as Key Mediators of Cellular Function. Annual Review of Physiology. 78 (1), 505-531 (2016).
- Vecchiet, L., et al. Sensory characterization of somatic parietal tissues in humans with chronic fatigue syndrome. Neuroscience Letters. 208 (2), 117-120 (1996).
- Jones, D. E. J., Hollingsworth, K. G., Taylor, R., Blamire, A. M., Newton, J. L. Abnormalities in pH handling by peripheral muscle and potential regulation by the autonomic nervous system in chronic fatigue syndrome. Journal of Internal Medicine. 267 (4), 394-401 (2010).
- Feng, L. R., Suy, S., Collins, S. P., Saligan, L. N. The role of TRAIL in fatigue induced by repeated stress from radiotherapy. Journal of Psychiatric Research. 91, 130-138 (2017).
- Karamercan, M. A., et al. Can peripheral blood mononuclear cells be used as a proxy for mitochondrial dysfunction in vital organs during hemorrhagic shock and resuscitation. Shock. 40 (6), (2013).
- Ijsselmuiden, A. J. J., et al. Circulating white blood cells and platelets amplify oxidative stress in heart failure. Nature Clinical Practice Cardiovascular Medicine. 5, 811 (2008).
- Kong, C. -. W., et al. Leukocyte mitochondrial alterations after cardiac surgery involving cardiopulmonary bypass: Clinical correlations. Shock. 21 (4), 315-319 (2004).
- Straub, R. H. The brain and immune system prompt energy shortage in chronic inflammation and ageing. Nature Reviews Rheumatology. 13, 743 (2017).
- Kuhnke, A., Burmester, G., Krauss, S., Buttgereit, F. Bioenergetics of immune cells to assess rheumatic disease activity and efficacy of glucocorticoid treatment. Annals of the Rheumatic Diseases. 62 (2), 133-139 (2003).
- Kramer, P. A., Ravi, S., Chacko, B., Johnson, M. S., Darley-Usmar, V. M. A review of the mitochondrial and glycolytic metabolism in human platelets and leukocytes: Implications for their use as bioenergetic biomarkers. Redox Biology. 2, 206-210 (2014).
- Garrabou, G., et al. The Effects of Sepsis on Mitochondria. The Journal of Infectious Diseases. 205 (3), 392-400 (2012).
- Mittal, M., Siddiqui, M. R., Tran, K., Reddy, S. P., Malik, A. B. Reactive oxygen species in inflammation and tissue injury. Antioxidants & Redox Signaling. 20 (7), 1126-1167 (2014).
- Adrie, C., et al. Mitochondrial Membrane Potential and Apoptosis Peripheral Blood Monocytes in Severe Human Sepsis. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 164 (3), 389-395 (2001).
- 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. (117), e54918 (2016).
- Nicholls, D. G., et al. Bioenergetic profile experiment using C2C12 myoblast cells. Journal of Visualized Experiments. (46), e2511 (2010).
- Van den Bossche, J., Baardman, J., de Winther, M. P. J. Metabolic characterization of polarized M1 and M2 bone marrow-derived macrophages using real-time extracellular flux analysis. Journal of Visualized Experiments. (105), e53424 (2015).
- Boutagy, N. E., et al. Using isolated mitochondria from minimal quantities of mouse skeletal muscle for high throughput microplate respiratory measurements. Journal of Visualized Experiments. (104), e53216 (2015).
- Yellen, S. B., Cella, D. F., Webster, K., Blendowski, C., Kaplan, E. Measuring fatigue and other anemia-related symptoms with the Functional Assessment of Cancer Therapy (FACT) measurement system. Journal of Pain and Symptom Management. 13 (2), 63-74 (1997).
- Yost, K. J., Eton, D. T., Garcia, S. F., Cella, D. Minimally important differences were estimated for six Patient-Reported Outcomes Measurement Information System-Cancer scales in advanced-stage cancer patients. Journal of Clinical Epidemiology. 64 (5), 507-516 (2011).
- Kang, J. -. G., Wang, P. -. y., Hwang, P. M., Galluzzi, L., Kroemer, G. . Methods in Enzymology. 542, 209-221 (2014).
- Chacko, B. K., et al. Methods for defining distinct bioenergetic profiles in platelets, lymphocytes, monocytes, and neutrophils, and the oxidative burst from human blood. Laboratory Investigation. 93 (6), 690-700 (2013).
- Jones, L. J., Gray, M., Yue, S. T., Haugland, R. P., Singer, V. L. Sensitive determination of cell number using the CyQUANT® cell proliferation assay. Journal of Immunological Methods. 254 (1), 85-98 (2001).
- Hartman, M. -. L., et al. Relation of mitochondrial oxygen consumption in peripheral blood mononuclear cells to vascular function in type 2 diabetes mellitus. Vascular Medicine. 19 (1), 67-74 (2014).
