Respirometría de alta resolución para evaluar la bioenergética en células y tejidos utilizando respirómetros basados en cámaras y placas

Resumen

La evaluación de la fosforilación oxidativa utilizando respirómetros de alta resolución se ha convertido en una parte integral del análisis funcional de las mitocondrias y el metabolismo energético celular. Aquí, presentamos protocolos para el análisis del metabolismo energético celular utilizando respirómetros de alta resolución basados en cámaras y microplacas y discutimos los beneficios clave de cada dispositivo.

Resumen

La respirometría de alta resolución (HRR) permite monitorear la fosforilación oxidativa en tiempo real para el análisis de estados de energía celular individuales y la evaluación de complejos respiratorios utilizando protocolos diversificados de titulación de sustrato-desacoplador-inhibidor (SUIT). Aquí, se demuestra el uso de dos dispositivos de respirometría de alta resolución, y se presenta una colección básica de protocolos aplicables para el análisis de células cultivadas, fibras esqueléticas y del músculo cardíaco, y tejidos blandos como el cerebro y el hígado. Se proporcionan protocolos para células y tejidos cultivados para un respirómetro basado en cámara y células cultivadas para un respirómetro basado en microplacas, ambos que abarcan protocolos de respiración estándar. Para fines comparativos, las células HEK293 diseñadas por CRISPR deficientes en la traducción mitocondrial que causan deficiencia múltiple del sistema respiratorio se utilizan con ambos dispositivos para demostrar defectos celulares en la respiración. Ambos respirómetros permiten una medición integral de la respiración celular con sus respectivos méritos técnicos e idoneidad dependiendo de la pregunta de investigación y el modelo en estudio.

Introducción

Las mitocondrias cumplen con la provisión clave de energía y son un orgánulo compartimentado que contribuye a procesos bioenergéticos y metabólicos celulares esenciales como el anabolismo de nucleótidos, lípidos y aminoácidos, la biogénesis del grupo hierro-azufre y están implicadas en la señalización como la muerte celular controlada ^1,2,3 . La bioenergética mitocondrial a través de la fosforilación oxidativa contribuye a casi todos los procesos celulares dentro de la célula, y en consecuencia, las disfunciones mitocondriales de origen primario o secundario se asocian con un....

Protocolo

Toda la experimentación con animales se realiza de acuerdo con la Junta Nacional de Revisión de Experimentos con Animales y la Agencia Administrativa Estatal Regional para el Sur de Finlandia. En este estudio se utilizaron ratones machos C57BL/6JOlaHsd (4-6 meses de edad). El consentimiento para el uso de líneas celulares humanas se obtuvo del comité de ética institucional de la Universidad de Helsinki.

1. Respirometría de alta resolución: respirómetro basado en cámara (cHRR)

NOTA: Los experimentos en esta sección del protocolo se realizaron utilizando el Oroboros O2k-Core: Oxygraph-2k (Tab....

Resultados

Aquí, proporcionamos protocolos para determinar la bioenergética mitocondrial en células eucariotas, tejido no fibroso (por ejemplo, cerebelo) y tejido fibroso (por ejemplo, músculo esquelético). Para las células eucariotas, HEK293 con knockout diseñado por CRISPR de dos proteínas diferentes asociadas con la traducción mitocondrial que resultan en deficiencia múltiple (CRISPR^KO1) y severa / completa de OXPHOS (CRISPR^KO2) se midieron con cHRR (Figura 3A-C

Discusión

Tradicionalmente, la bioenergética mitocondrial se ha estudiado con electrodos de oxígeno tipo Clark. Sin embargo, la falta de resolución y rendimiento justificaba el avance tecnológico. Hasta la fecha, el O2k (conocido como cHRR) y el seahorse XF96 Flux Analyzer (conocido como mHRR) han sido ampliamente adoptados en el campo de la bioenergética celular. Aquí, presentamos una colección comprensible de protocolos para el análisis del metabolismo energético celular a través de la evaluación de la respiración mi.......

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
2 mL Potter-Elvehjem Glass/PTFE Tissue Grinder/Homogenizer	Omni International	07-358029
95% O2, 5% CO2 medical gas mixture			Potter for tissue grinding
ADP	Sigma	A 4386
Antimycin A	Sigma	A 8674	Chemical
Ascorbate	Merck	PHR1279-1G	Chemical, dissolve in ethanol
BSA (fatty accid free)	Sigma	A 6003	Chemical
CaCO3	Sigma	C 4830	Chemical
Cytochrome c	Sigma	C 7752	Chemical
Digitonin	Sigma	D 5628	Chemical
Dithiothreitol	Sigma	D 0632	Chemical, dissolve in DMSO
D-Sucrose	Roth	4621.1	Chemical
Dulbecco’s modified Eagle’s medium (High glucose)	Fisher Scientific	41965-039	Chemical
Dulbecco’s modified Eagle’s medium (No Glucose)	Fisher Scientific	A14430-01
EGTA	Sigma	E 4378
Etomoxir	Sigma	E1905	Chemical
Falcon 15 ml Conical Centrifuge Tubes	Fisher Scientific	AM12500	Chemical
Falcon 50 ml Conical Centrifuge Tubes	Fisher Scientific	AM12501
FCCP	Sigma	C 2920
Glucose	Sigma	G7021	Chemical, dissolve in ethanol
Glutamate	Sigma	G 1626	Chemical
GlutaMax (100x) (200 nM L-alanyl-L-glutamine dipeptide)	Fisher Scientific	35050061	Chemical
HEK293 cells	ATTC	CRL-1573
Hemocytometer	Fisher Scientific	0267151B	Instrument for cell counting
Hepes	Sigma	H 7523	Chemical
Imidazole	Fluka	56750	Chemical
KCl	Merck	1.04936	Chemical
L-carnitine	Sigma	C0283	Chemical
Malate	Sigma	M 1000	Chemical
MES hydrate	Sigma	M8250	Chemical
MgCl2	Sigma	M 9272	Chemical
Na2ATP	Sigma	A 2383	Chemical
Na2Phosphocreatine	Sigma	P 7936	Chemical
Na-pyruvate (100 mM) (100x)	Fisher Scientific	11360070
NEAA (Non-essential amino acids) 100x	Fisher Scientific	11140035
Normal FBS (10x)	Fisher Scientific	10500064
O2k-Core: Oxygraph-2k	Oroboros Instruments	10000-02	High-resolution respirometry instrument
O2k-Titration Set	Oroboros Instruments	20820-03	Hamilton syringes for chemical injections
Oligomycin	Sigma	O 4876	Chemical, dissolve in ethanol
Palmitoylcarnitine	Sigma	P 4509	Chemical
Penicillin-Streptomycin	Fisher Scientific	15140122
Pierce BCA Protein Assay Kit	Fisher Scientific	23227
Pyruvate	Sigma	P 2256	Chemical
RIPA-Buffer	Fisher Scientific	89900	Chemical
Rotenone	Sigma	R 8875	Chemical, dissolve in ethanol
Saponin	Sigma	S7900	Chemical
Seahorse XF DMEM assay medium pack, pH 7.4	Agilent, Santa Clara, CA	103680-100
Seahorse XFe96 Extracellular Flux Analyzer	Agilent, Santa Clara, CA		High-throughput respirometry instrument
Seahorse XFe96 FluxPak	Agilent, Santa Clara, CA		Includes assay plates, cartridges, loading guides for transferring compounds to the assay cartridge, and calibrant solution.
Small scissors	Fisher Scientific	08-951-20
Sodium azide	Sigma	S2002	Chemical
Succinate	Sigma	S 2378	Chemical
Taurine	Sigma	T 8691	Chemical
TMPD	Sigma	T 3134	Chemical
Trypan Blue solution	Merck	72-57-1	Chemical
Trypsin 0.25% EDTA	Fisher Scientific	25200056
Two thin-edged forceps	Fisher Scientific	12-000-122
Uridine stock (500x)	Sigma	U3750	Chemical