Endotelcelle mitokondrier er kritiske for at opretholde blod-hjerne-barrieren integritet. Vi introducerer en protokol til at måle bioenergetic funktion i cerebrale vaskulære endotelceller.
Integriteten af blod-hjerne-barrieren (BBB) er kritisk for at forhindre hjerneskade. Cerebral vaskulær endotel (CVE) celler er en af de celletyper, der omfatter BBB; disse celler har en meget høj energi efterspørgsel, hvilket kræver optimal mitokondriefunktionen. I tilfælde af sygdom eller beskadigelse, kan den mitokondrielle funktion i disse celler ændres, hvilket resulterer i sygdom eller indledningen af BBB. I dette manuskript, introducerer vi en metode til at måle mitokondrisk funktion i CVE celler ved anvendelse af hele, intakte celler og en Bioanalyzer. En mito-stress assay anvendes til at udfordre de celler, der er blevet forstyrret, enten fysisk eller kemisk, og vurdere deres bioenergetic funktion. Desuden er denne metode giver også en nyttig måde at screene nye lægemidler, der har direkte indvirkning på mitokondriefunktionen. Vi har optimeret celledensiteten nødvendig til opnåelse iltforbrug priser, der giver mulighed for beregning af en række mitokondriel parameter, herunder ATP produktion, maksimal respiration, og reservekapacitet. Vi viser også følsomheden af assayet ved at påvise, at indførelsen af microRNA, MIR-34a, fører til en udtalt og påviseligt fald i mitochondrial aktivitet. Mens de i dette papir data er optimeret til bEnd.3 cellelinien, har vi også optimeret protokollen for primære CVE celler, hvilket yderligere antyder anvendeligheden i prækliniske og kliniske modeller.
Det er almindeligt anerkendt, at blod-hjerne-barrieren (BBB) er dannet af cerebral vaskulær endotel (CVE) celler har meget forskellige og unikke funktioner altoverskyggende til vaskulær biologi. Disse endotelceller bruger mitokondrier til at generere det meste af den cellulære levering af adenosintriphosphat (ATP) som kilde til kemisk energi. Ud over at give ATP for CVE celler, mitokondrier regulerer forskellige cellulære processer i vaskulære endotelceller, såsom cellulær signalering 1-4, apoptose 5, og kontrollen af cellecyklussen og cellevækst 6. Dysregulering af mitokondrie bioenergetic funktion i CVE celler kan påvirke mitochondrial biogenese, hvilket fører til nedsat vaskulær endotel-aktivitet, og forværrer cerebrovaskulære sygdomme og neurodegenerative lidelser, f.eks slagtilfælde 7,8 og Alzheimers sygdom (AD) 9. Vi har vist, at fornærmelser til CVE celler efter udsættelse for lipopolysacsaccharidhydrokolloid (LPS) forringe mitokondrie funktion i CVE celler og forværre slagtilfælde resultater 7. Tert.butylhydroquinon (tBHQ) forøger dødeligheden slagtilfælde ved at interferere med oxidativ phosphorylering i CVE celler 10. Derfor er den kvantitative model af bioenergetic funktion i CVE celler ikke kun piloter en serie af mekanisme-relaterede undersøgelser for centralnervesystemet (CNS) sygdomme, men også giver et gennembrud i medicin screening af lægemidler rettet mod mitokondrie funktion i vaskulær biologi.
Isolerede mitokondrier er blevet anvendt til at måle bioenergetic funktion. Vi 7 og andre 11 har rapporteret vurderinger af cellulære bioenergetik i intakte CVE celler ved hjælp af en ekstracellulær flux Bioanalyzer. Analysatoren tilvejebringer fordelen af endogent cellulært bioenergetic vurdering. Dette følsomme og konsekvent assay måler den mitokondrielle metabolisme af CVE celler og kan anvendes til at evaluere bioenergetic forringelse ved stimuli, undersøge mekanismerne i mitokondrielle signalveje, og skærmen medicin eller behandlinger, der påvirker mitokondrie funktion i CVE celler. Den Oxygen Forbrug Rate (OCR) registreres af Bioanalyzer hjælp af en farmakologisk profilering tilgang ved at kombinere anvendelsen af fire mitokondrie stoffer: oligomycin, carbonyl cyanid-4 (trifluormethoxy) phenylhydrazon (FCCP), rotenon, og antimycin A. I denne protokol, vi detalje en optimeret tilgang, der giver mulighed for måling og beregning af mitokondrie funktionelle parametre i CVE celler, herunder basal mitokondrie respiration ATP produktion, proton lækage, maksimal respiration, og reservedele respiratorisk kapacitet, i en enkelt analyse.
Denne protokol er en fremgangsmåde til evaluering af den bioenergetic fænotype i cerebrale vaskulære endotelceller. Det tjener som en grundlæggende analyse for endotelcellen mitokondrie evaluering, og det er optimalt for eksperimenter designet til at undersøge mekanismerne i stimuli, der kan påvirke mitochondrial signalvejen i CVE-celler. Det giver også en fremgangsmåde til testning potentielle lægemidler for BBB-afbrydelse-associerede sygdomme.
Kritiske trin i protokollen
Ekstracellulære flux bioanalyzers har evnen til at måle OCR i realtid. I dette assay at identificere den passende celledensitet er kritisk. Hvis celledensiteten er under 8 × 10 3 celler per brønd, den basale OCR er for lav til at blive analyseret (figur 2 og figur 3); hvis celledensiteten er over 32 × 10 3 celler pr, behøver cellerne ikke reagerer på oligomycin eller FCCP treatmeNTS (figur 2 og figur 3). Den optimale celledensitet for denne cellelinie i vores eksperimentelle model er 16 × 10 3 celler per brønd, hvilket viser reproducerbare resultater og følsomhed over for stimuli 7 og behandlinger 10,14. Hvis der anvendes en 24-brønds Bioanalyzer vil nye titreringer af celledensiteten være nødvendig til assayet.
Det er dokumenteret, at CVEs har et stort volumen af mitokondrier i forhold til andre endotelceller eller vævstyper 15,16, hvilket tyder på behovet for større energiproduktion og færre celler til måling bioenergetik metabolisme. Vi har testet flere typer af hjerne endotelceller, såsom primære og udødeliggjorte murine cerebrovaskulære endotelceller 7 og immortaliserede humane cerebrovaskulære endotelceller (upublicerede data). Disse celler krævede lignende celledensiteter at nå acceptable OCR (basal respiration OCR placeret inden for 40 – 160 pmol / min for96-brønds plader og over 50 – 400 pmol / min i 24-brønds plader), når bioenergetik assay blev udført. Kaczara et al. Rapporterede måling bioenergetic metabolisme i humane navlevene-endotelceller (HUVEC), der anvendte en højere celletæthed 17.
Vores gruppe ikke vurdere fartøj celler fra andre væv eller organer. Teoretisk set kunne det Bioanalyzer potentielt anvendes på enhver celletype, men det kræver optimere analysen for celledensiteten, celledyrkningsmediet, og dyrkningsbetingelser (nogle specifikke celler kan kræve belagte plader at vokse godt). Det kræves, at forsøgene gennemført for at sikre OCR sats er inden for det acceptable interval. Hvis OCR i endotelceller fra andre organer er lavere end CVEs fra hjerner, øge celledensiteten kan hjælpe med at få inden for et acceptabelt OCR interval. Alternativt, hvis celler ikke bruger oxidativ fosforylering som deres vigtigste kilde til energi, Bioanalyzer ville ikke være en optimal assay.
Den Bioanalyzer giver mulighed for den sekventielle afbrydelse af elektron transportkæden, baseret på den rækkefølge, som reagenserne anvendes. Først bliver oligomycin anvendes, som inhiberer mitokondrie Complex V (ATP syntase). For det andet, FCCP, en elektron afkobleren, anvendes, hvilket fører til afbrydelse af proton gradient. Endelig rotenon og antimycin A, som inhiberer mitochondrial Komplekser I og III, henholdsvis anvendes til at føre til en total inhibering af elektronstrøm. Rækkefølgen af lægemiddeleksponering er afgørende, fordi lægemidlerne blokerer specifikke elektrontransportkæden reaktion, og kan måles de sekventielle ændringer for at afspejle den mitokondriefunktionen.
Ændringer og fejlfinding
Til bedømmelse mitochondrial reaktion på stimuli i CVE celler, anbefales det, at de stimuli påføres celler efter cellerne er klæbet til celledyrkningspladen bund (se tidslinjenvist i figur 1; det normalt tager mindst 6 h). At opnå reproducerbare resultater ved behandlinger, er det yderst vigtigt at holde celledensiteten konsekvent. Hvis forbehandlinger er udformet før cellepodning, bør celletæthed for hvert forbehandling nøje målt, eksklusive de døde celler til podning. Hvis transfektion er inkluderet i den eksperimentelle design, henvises til producentens transfektion protokol. Demonstreret i data præsenteret i figur 4, blev MIR-34a transficeret i CVE celler under anvendelse af en lipofectamin transfektion kit, som kræver antibiotika-fri celledyrkningsmedium og et mito-stresstest til at vurdere ændringer i metabolisk funktion med overekspression af MIR-34a . Doserne af plasmid kan også optimeres, som tidligere offentliggjort 13.. En anden ændring, der kan gøres til protokollen ændrer koncentrationen af reagenserne. En titreringskurve for oligomycin, FCCP, og / eller rotenon og antimycin kan være kompleted.
Desuden, hvis dette assay anvendes til high throughput analyser af forskellige stoffer, foreslås det at inkludere en parallel analyse til måling af cellelevedygtigheden og celleproliferation, der blev beskrevet i vores tidligere publikationer 7,13. OCR værdier er signifikant påvirket af celleantal (figur 2 og 3), og celleproliferationen og levedygtighed assays gavn normalisering af dataene. Men færdiggørelsen af disse analyser er skøn enkelte laboratorium.
Begrænsninger af teknikken
Den største begrænsning ved denne protokol er, at vi kun anvendes en in vitro cellekultur-model i undersøgelsen. I øjeblikket er der ingen ledige ex vivo modeller eller dyremodeller, der kan løse endotelceller mitokondriefunktionen. Forventes nye modeller skal udvikles til vurdering af bioenergetic funktion in vivo og <em> ex vivo i fremtidige studier.
En anden begrænsning er udvidelsen af barrieren vurderingerne efter de bioenergetik foranstaltninger. kan ikke udføres forsøgene første fordi efter afslutningen af de bioenergetic målinger, cellelevedygtigheden mindskes efter fuldstændig afbrydelse af elektrontransportkæden; sekunder, er specifikke cellekultur plader og indsatser der kræves for at opdage bioenergetik værdier, og ikke passer indsatse til vurderinger barriere. Derfor er der ikke mange funktionelle assays, der kan opfyldes efter bioenergetik analysen. Det forventes dog, at der kan udvikles særlige enheder til at udføre funktionelle assays forud for bioenergetik analysen.
Betydningen af Teknik med Respekt for eksisterende / Alternative Metoder
Tidligere teknikker til at evaluere mitokondriefunktion nødvendiggjorde isolering af mitokondrier fra cellerne 18. Denne new teknik under anvendelse af Bioanalyzer muliggør måling af mitokondriel aktivitet i intakte celler, som bevarer mere af det cellulære miljø end evaluere isolerede mitokondrier.
Fremtidige Programmer eller vejvisning efter Mastering Denne teknik
Denne protokol er designet og udviklet til bEnd.3 cellelinie, men det er også kompatibel med primær cerebral vaskulær endotel (pCVE) -celler 7 eller andre endotel, og vi har demonstreret dette i vores tidligere publikation hjælp pCVE celler 7. Når der anvendes andre typer af endotel, kan kræves coatingen af dyrkningspladen og anvendelse af vækstfaktorer. Imidlertid anbefales, titreringen assay for andre celletyper samt. Denne protokol giver en generel metode, der skal vedtages i evalueringen af de bioenergetik af CVE celler, og det kan yderligere anvendes til mekanisme undersøgelser eller terapeutiske reaktioner på denne måde.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the following grants: AHA 16SDG31170008 to X.R. and NIH P20 GM109098, P01 AG027956, and U54 GM104942 to J.W.S.
bEnd.3 cell line | ATCC | CRL-2299 | 25-30 passages |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) | ATCC | 30-2002 | |
Fetal bovine serum | Atlanta Biologicals | S12450 | 10% in final |
Penicillin/Steptomycin | Hyclone | SV30010 | 1×100 stocking |
0.25% trypsin 0.03% EDTA solution | Corning | 25-053-CI | |
Sodium pyruvate | Corning | 25-000-CI | 1.0 µM in final |
Glucose | Sigma | CAS 50-99-7 | 25 mM in final |
Oligomycin | Sigma | O4876 | 1.0 µM in final |
Carbonilcyanide 4-(trifluoromethoxy) phenylhydrazone (FCCP) | Sigma | C2920 | 0.5 µM in final |
Rotenone | Sigma | R8875 | 1.0 µM in final |
Antimycin A | Sigma | CAS 1397-94-0 | 1.0 µM in final |
Plate wash station | Seahorse Bioscience | ||
Extracellular flux bioanayzer | Seahorse Bioscience | XFe96 | |
Extracellular flux cell culture plate | Seahorse Bioscience | 102416-100 | |
Extracellular flux sensor cartridge | Seahorse Bioscience | 102416-100 | |
Extracellular flux calibrant solution | Seahorse Bioscience | 100840-000 | |
Extracellular flux assay medium | Seahorse Bioscience | 102365-100 | PH buffered prior to assay |