Calorespirometry: 細胞のエネルギー代謝を調査する強力な非侵襲的アプローチ
Summary
このプロトコルでは、calorespirometry、放熱の呼吸、エネルギー代謝を評価するために非侵襲的アプローチを提供する直接・同時測定をについて説明します。この手法は、総細胞エネルギーの流れを監視することによって好気性と嫌気性経路エネルギー利用への貢献を評価するために使用されます。
Abstract
基本的な生物学的および生物医学研究で使用される多くの細胞は、好気性と嫌気性の呼吸の組み合わせによりエネルギー恒常性を維持します。ただし、両方の経路が細胞のエネルギー生産の景観に貢献する範囲は一貫して見落とさ。変換で培養された細胞のブドウ糖のレベルをしばしば飽和は、酸化的リン酸化基質レベルのリン酸化の増加によって償われる ATP の生産のために減少の依存関係を表示します。代謝の身のこなし、このシフトでは、細胞はミトコンドリア毒素の存在にもかかわらず増殖することができます。以来トランス ホーム細胞の変えられた代謝身のこなしを無視して、医薬品のスクリーニングの結果が誤って、潜在的 mitotoxic の効果が検出されないモデル高グルコースの存在下で培養のセルラインを使用して濃度。このプロトコルでは、呼吸と熱量測定、細胞 ATP を生産する好気性と嫌気性の貢献の量的で、非侵襲的評価を可能にする 2 つの強力な手法の組み合わせについて説明します。好気性と嫌気性の呼吸熱監視を介して熱量測定をすることができますを生成します。一方、酸素消費率を測定は、好気呼吸の程度を評価できます。放熱と酸素消費量の両方を同時に測定、calorespirometric 比が決定できます。理論 oxycaloric 相当に得られた実測値を比較し、ことができ、嫌気性の呼吸の程度を判断できます。したがって、calorespirometry は、医薬品開発、微生物の増殖、平地と低酸素の条件の下で基本的な生体エネルギーなど生物の質問の広い範囲を分析するユニークな方法を提供します。
Introduction
生物学的システム、代謝時に熱リリースまたはエンタルピーの変更は通常直接どちらかを監視 (を介して直接熱量測定) または間接的 O2消費量や CO2の生産 (呼吸) を経由。残念ながら、単独でこれらのテクニックを使用すると、重要な情報が失われます、嫌気性細胞の代謝経路の貢献など。Calorespirometry は、放熱と呼吸の両方の同時測定に依存する強力な手法です。完全に酸素の哺乳類細胞の嫌気性代謝を検討した calorespirometric 仕事を開拓し、にもかかわらず中トランス ホーム細胞のエネルギー恒常性する好気性と嫌気性経路の同時の貢献を実証します。完全に酸素環境1。Calorespirometry は、さまざまな生物学的質問にから適用されています。いくつかの例は、低酸素レベルで動物のエネルギー論の研究、二枚貝、地上の生物の代謝と有機質土壌物質2,の微生物分解のえらに及ぼす除草剤とエストロゲンの両方3,4,5,6。 さらに、calorespirometry は7細胞の哺乳類の凍結凍結する前に明らかにしたどのように代謝前処理向上。それぞれのアプローチは、熱量測定および呼吸、細胞と個体の生体エネルギーの私達の知識は個別に増加しました。ただし、calorespirometry を使用して答えることができる基本的な生物学的質問比較的未踏のままです。
ヘスの法則の反作用の合計エンタルピー変化は初期と最終状態の間の経路に依存しません。たとえば、生化学的経路の合計エンタルピー変更は、経路内のすべての反作用のエンタルピーの変更の合計です。熱量測定は、無差別に好気性と嫌気性の両方の経路を検出する細胞熱生産を測定するためのリアルタイムのアプローチを提供しています。これは実験アンプル8の壁を通ってを除く、システムでエネルギーは交換されません基盤に基づいています。放熱の変更は、アンプルのすべての代謝反応からリリース エンタルピーの変更と同じです。したがって、負のエンタルピーは、システムからの熱の損失に関連します。過去 4 年間の徹底的な研究は、異化と同化の熱力学的景観を特徴としています。これは、検索用語「生物」と「熱量」インデックスによってアメリカ合衆国国立図書館の医学 (NLM) 健康の国民の協会 (PubMed) で研究の記事の安定した上昇によって表されます。検索は合計 27 の文書参照の生物学的熱量測定; 1970 年前にことを明らかに一方、単独で 2016 年 546 出版物利用技術です。
熱量測定法は、熱生産を決定する確立されています。ただし、進入します。 値を解決するためより多くの柔軟性が与えられます。進入します。 測定は、O2CO2、または O2と CO2の両方で構成できます。さらに、O2 ・ CO2測定は optrodes、クラーク型電極、波長可変半導体レーザー吸収分光法7,9,10 など、様々 な手法で行うことができます。、11。CO2の生産は多くの進入します研究に貴重な指標が、培養細胞用培地はしばしば pH コントロール12,13炭酸水バッファー システムを利用しています。重炭酸塩システムの CO2測定の合併症を避けるためには、培養細胞の calorespirometry の次のプロトコルは、唯一の進入しますパラメーターとして O2を利用しています。
酸素のフラックスの測定と並行して、特定の respirometers (材料の表を参照してください) は、ミトコンドリア機能の詳細な評価のため設計されています。基板-ランプ-阻害剤-滴定 (スーツ) プロトコルは、よく確立されるおよび膜の潜在的な反応酸素種 (ROS) の形成14を測定するために設計された実験と互換性が。そのままなセルの calorespirometry の提案するプロトコルは、化学的脱共役カルボニル シアン化物-p-trifluoromethoxyphenylhydrazone (FCCP) と F0F1-ATP 合成酵素阻害剤オリゴマイシンなどの導入と互換性が。FCCP 添加して酸素消費量が、ミトコンドリアの性能15の潜在的な治療の影響を評価するために有用である ATP を生産から結合することができます。さらに、オリゴマイシン添加漏れ呼吸の程度が点灯します。したがって、calorespirometry の中に実行される進入します。 測定がさらにミトコンドリアの生理機能を解明するために広範なプロトコルと互換性があります。
放熱の酸素流量同時測定 calorespirometric (CR) 比の計算が可能です。この比率は、ソーントンの定数または細胞または興味の組織によって-480 kJ mol-1 -430 と補われた炭素基板1,間の範囲と同等理論 oxycaloric と比較して16. したがってより否定的な CR の比率は、全体的な代謝活動に嫌気代謝経路から増加した貢献を明らかにします。たとえば、仕事の積極的なパフォーマンスなしルーチン筋肉組織呼吸の CR 率は-448 から-468 の理論 oxycaloric 等価17,18の範囲内にある kJ mol-1 範囲します。一方、哺乳類の癌細胞は高いブドウ糖の培地で培養した解糖系に続く強化の乳酸発酵を表示、ミトコンドリア婚約19が比較的低い。-800 kJ mol-1、嫌気性より否定的な CR 比1,7、によって示されると細胞の代謝経路の高まりの関与を示す-490 の CR 率の範囲内でこの表現型の結果 16,20。
両方の商業および非営利の細胞・組織の代理店現在ほぼ 4,000 細胞 150 種以上提供細胞は、人間から派生しました。不死化細胞株は、すぐに多くの直接または間接的を妨げるミトコンドリア機能の潜在的な治療の毒性を評価するための便利なツールです。薬剤のスクリーニング中に変換されたセルを使用して可能性があります限られた予測値の一部に Warburg 効果、多くの癌の特徴のため。多くの場合、癌は基質レベルのリン酸化から ATP を生成し、完全好気性条件19の下でミトコンドリアを雇わないで乳酸の産生を介して酸化還元バランスを維持します。医薬品開発は、悪名高い高価、非能率的で 9 化合物市場承認21を達成するために失敗した人間の臨床試験で検証中約 8 です。潜在的な治療は、細胞株の低毒性のための最初のスクリーニングを渡すことも、これらの化合物のいくつかが mitotoxic であることは可能です。これらの毒素が Warburg 効果を表示しない一次電池のエネルギー ・ バランスを損なうことができる方法を検出するための適切なメソッドがない重要な情報は過剰に見て、初期の段階で治療開発のボトルネックします。
Calorespirometry は、さまざまな細胞や組織を含む生体試料などの代謝活動を分析する実用的な非侵襲的アプローチです。提案するプロトコルのコアは、アプリケーションの範囲との互換性です。ただし、1 つの合併症が確認されています。不死化細胞は、潜在的な mitotoxins22、細胞を感作するために酸化的リン酸化 (OXPHOS) エネルギー生産のための貢献度を高めてガラクトースと補われるブドウ糖自由の培地中で培養頻繁 23。この代謝リプログラミングが熱量計15で使用されるステンレス製アンプルに配置するサンプル分析を不明瞭に表示されます。グルコース培地で培養された細胞は、いくつかの時間の高い代謝活性に従事し続けてください。一方、ガラクトース培地で培養された細胞は、測定実験早くポイントに制限を行う、アンプル内の配置の 30 分以内熱生産を減少させます。この現象は、残念ながら、彼らの細胞増殖を評価する機会を妨げています。この特定の制限にもかかわらず calorespirometric 解析と互換性のあるほとんどのアプリケーション、これにより代謝の詳細情報を取得できます。
Protocol
Representative Results
Discussion
Calorespirometry の目的は、好気性と嫌気性代謝経路の貢献を定量的に評価し、細胞のエネルギー流束の複合ビューを取得することです。これは、熱放散と同等理論 oxycaloric の計算の CR 率の比較に続いて酸素流量の同時測定で。いくつかの重要なステップは、再現性のある信頼性の高いデータの考慮されなければなりません。滅菌、健康な細胞培養のメンテナンスが重要です。細菌や真菌による?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この仕事の一部メアリー é. Konkle とマイケル ・ a. Menze に国立科学財団助成金チェ 160944 によって資金を供給されました。
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 |
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