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Alterazioni nei tassi metabolici di misurazione è fondamentale per comprendere la progressione di varie malattie e invecchiamento. Qui, presentiamo una nuova tecnica per misurare il consumo di ossigeno tutta la testa che maggiormente assomiglia lo stato fisiologico e può essere di aiuto nel rivelare nuovi farmaci che modificano l'attività mitocondriale.
Regolamentata l'attività metabolica è essenziale per il normale funzionamento delle cellule viventi. Infatti, attività metabolica alterata causale è collegato con la progressione del cancro, il diabete, neurodegenerazione e invecchiamento per citarne alcuni. Per esempio, cambiamenti nell'attività mitocondriale, powerhouse metabolica delle cellule, sono stati caratterizzati in molti tali malattie. Generalmente, i tassi di consumo di ossigeno dei mitocondri sono stati considerati una lettura affidabile di attività mitocondriale e misure in alcuni di questi studi si basavano su mitocondri isolati o cellule. Tuttavia, tali condizioni non possono rappresentare la complessità di un intero tessuto. Recentemente, abbiamo sviluppato un nuovo metodo che consente la misurazione dinamica dei tassi di consumo di ossigeno da teste volare intero isolate. Utilizzando questo metodo, abbiamo registrato più bassi tassi di consumo di ossigeno del segmento tutta la testa nella giovane contro invecchiato mosche. In secondo luogo, abbiamo scoperto che gli inibitori di deacetylase lisina alterano rapidamente il consumo di ossigeno in tutta la testa. La nostra tecnica novella pertanto può aiutare nella scoprendo nuove proprietà di varie droghe, che possono incidere tassi metabolici. Inoltre, il nostro metodo può dare una migliore comprensione del comportamento metabolico in un'installazione sperimentale che più assomiglia stati fisiologici.
Regolamentata l'attività metabolica è essenziale per la sopravvivenza delle cellule e la funzione sana di un tessuto. Attività metabolica deregolamentato ha dimostrato ampiamente di essere collegato all'inizio e la progressione di varie malattie1. Ad esempio, minore attività metabolica è stata precedentemente descritta nelle malattie neurodegenerative come l'Alzheimer e danno età-collegato di memoria2,3. Inoltre, la disfunzione mitocondriale è creduta per essere causalmente coinvolti in invecchiamento processo4,5. D'altra parte, più alti tassi metabolici e mitocondriali sono stati descritti in cancro cellule6, dove l'uso di inibitori mitocondriali ridotta tumorigenesi7.
Una lettura di attività metabolica è il tasso di consumo di ossigeno (OCR) dei mitocondri. Interessante, questo tipo di lettura è ottenuto principalmente da mitocondri isolati o cellule, così la maggior parte di ciò che è descritto nella letteratura si basa principalmente su una lettura che non assomiglia a stati fisiologici. Tuttavia, ci sono diversi inconvenienti a questa tecnica. In primo luogo, il protocollo di isolamento mitocondriale possa potenzialmente danneggiare la sua integrità8, che potrebbe essere un manufatto pertinente quando si confrontano i mitocondri isolati dai giovani contro vecchi tessuti9. Inoltre, il processo di isolamento è lungo e potrebbe causare perdita di modifiche di posttranslational rilevanti proteine che regolano la funzione mitocondriale9,10,11. Inoltre, è stato dimostrato che i mitocondri isolati non rappresentano costantemente intero tessuto tassi metabolici12,13. Tale complessità biologica cellulare potrebbe essere visto come, 'il tutto è maggiore della somma delle sue parti', cioè, i mitocondri possono visualizzare diversi tassi metabolici all'interno di un complesso cellulare rispetto al loro tasso metabolico quando isolato.
Mentre le cellule possono offrire una migliore lettura OCR di mitocondri isolati, la comunicazione tra cellule nel contesto di un intero tessuto potrebbe perdersi. Ad esempio, nel cervello, l'attività metabolica dei neuroni dipende fortemente l'attività metabolica delle vicine cellule gliali14. Come tale, che istituisce nuove tecniche per studiare OCR nell'intero tessuto o interi organismi può rivelarsi più penetranti per l'insorgenza e la progressione di vari disturbi.
Recentemente, sono emerse nuove tecniche per affrontare questi problemi e consentire la misura di OCR dall'intero tessuto, segmento o gli organismi viventi. Ad esempio, un recente lavoro ha riferito la misurazione di ossigeno da un muscolo di volo beetle utilizzando un approccio di permeabilized fibra con un respirometro15. Nuove macchine per micro-respirometry consentono la misura di OCR di isolotti pancreatici16,17. Di conseguenza, è stato segnalato che questa tecnologia consente la misurazione di OCR da intero vermi18 e pesce Zebra19. Tuttavia, la presenza della barriera digestiva può proporre una sfida per testare i vari farmaci nel contesto delle alterazioni di OCR. Interessante, i rapporti recenti di Neville e colleghi hanno indicato una nuova tecnica per la misurazione del cervello della larva della drosofila singolo con la piastra ben20,21.
In questo studio, abbiamo utilizzato una configurazione simile per consentire la misurazione della intera OCR da vivente complesso e non mobile Drosophila22. Questa tecnica offre anche un vantaggio secondario a misurare l'impatto di varie droghe su attività metabolica in un intero segmento, senza dover passare attraverso il sistema digestivo barriera13,22. Ad esempio, è stato precedentemente dimostrato che iniezione diretta dell'inibitore delle deacetilasi di lisina (KDACi), un farmaco creduto di alterare il meccanismo epigenetico nel cervello, ha provocato un miglioramento ricordi formazione23. Tuttavia, utilizzando la nostra tecnica innovativa, abbiamo scoperto che l'inibizione di KDAC ha provocato un rapido aumento di OCR, che può essere un fattore che contribuisce di per sé nell'attività neuronale. Il nostro protocollo fornisce un metodo semplice e romanzo per valutare l'impatto di vari farmaci, manipolazioni genetiche o stati fisiologici (malattia, invecchiamento) su OCR nel contesto di tutta la testa.
1. strumento Preparazione
Nota: Per questo esperimento, abbiamo utilizzato un dispositivo di Seahorse XF24 con "piastre dell'isolotto". L'operazione della tecnica utilizza diversi cicli di miscelazione, in attesa e misure, nonché la possibilità di aggiungere sostanze al vano di misurazione.
2. cartuccia preparazione
3. preparazione
Nota: Si raccomanda vivamente che due persone contemporaneamente, preparare la piastra. La durata della preparazione di un piatto per due persone può richiedere ~ 45-60 minuti.
4. analisi delle misurazioni OCR
5. (opzione 2) analisi biochimica del segmento di testa
La capacità di registrare misura OCR di alta qualità si basa sul centraggio testa nel mezzo la rete (Figura 1). Questo è importante per la macchina di XF24, che ha un sensore di ossigeno piuttosto piccola chiazza rispetto alle macchine della XFe24 più recenti in cui il sensore è grande. Come precedentemente indicato, centraggio le teste visualizzare un OCR costante per almeno 20 misurazioni consecutive in mosche giovani13.
Un aspetto critico dell'utilizzo delle macchine è quello di applicare l'analisi corretta. Si raccomanda di controllare i livelli di ossigeno durante gli esperimenti. Ogni misurazione 2 min è suddiviso in 10 sotto-misurazioni (zecche). Un pozzo con 16 teste sane Mostra in genere una pressione parziale di ossigeno (pO2) di 140-170 (mmHg) per il primo segno di spunta. Nel primo esempio, abbiamo confrontato il giovane vs midlife teste volare (Figura 2A e 2B). Mentre i livelli di ossigeno scendono più rapidamente nelle testine di mezza età, la differenza osservata è piccola (Figura 2A). Inoltre, la gamma dei livelli di ossigeno è simile tra le condizioni, con 165 durante il primo segno di spunta a 120 durante l'ultimo segno di spunta. In tal caso, è preferibile utilizzare l'algoritmo AKOS per generare automaticamente l'OCR (pmol/min)2, che rispecchia in modo affidabile la goccia livello di ossigeno tra giovani contro teste di mezza età (Figura 2B). Da notare, il programma di analisi dalla macchina sceglie automaticamente l'algoritmo AKOS.
Tuttavia, in base alle nostre osservazioni, automaticamente utilizzando l'algoritmo AKOS può dare fuorvianti, se non opposto risultati per l'OCR corretta. Tali manufatti possono essere generati in condizioni di un campione altamente richiede che raggiunge anossia13,22. Ad esempio, l'aggiunta del butirrato del sodio (SB), un inibitore KDAC, transitoriamente cambia la dinamica dei livelli di ossigeno (Figura 3A). Considerando che i comandi del veicolo visualizzano livelli costanti di ossigeno durante il prime e l'ultima zecche, SB aggiunta provoca un calo considerevole e transitorio dei livelli di ossigeno in questi segni di graduazione (Figura 3A). SB di per sé non altera i livelli di ossigeno nei pozzetti sfondo, dove nessun teste vengono aggiunti (dati non mostrati). I dati sostegno la nozione che SB aumenta il consumo di ossigeno. Come la raccolta del primo tick è ritardata (12 secondi fino a quando il primo segno di spunta viene registrato in fase di misurazione) il primo punto di dati è già inferiore nei pozzetti SB trattati. Di conseguenza, è difficile catturare i primi cambiamenti nel consumo di ossigeno dopo l'aggiunta di questo inibitore HDAC. Inoltre, i livelli di ossigeno nei campioni trattati SB sono ridotti ai livelli già bassi (anossia) come indicato dall'insieme dei segni di graduazione ultimi. All'anossia, le teste di rallentano il consumo di ossigeno nell'ultimo Tick (Figura 3A). Poiché il calcolo di AKOS prende in considerazione tutte le zecche e ignora uno stato anossico, genera un OCR fuorviante. Infatti, il AKOS non normalizzato basato Visualizza livelli OCR piccolo cambiamento al momento dell'iniezione (linea tratteggiata) della porta (Veh/SB) (Figura 3B).
Normalizzazione dei livelli di OCR per la misurazione di pre-iniezione basato sul AKOS rivela livelli molto simili di OCR prima e dopo l'iniezione del Porto A, che non supporta le modifiche del livello di ossigeno (Figura 3A). In queste circostanze, l'algoritmo fisso, che modelli/assomiglia più da vicino i cambiamenti di livello OCR e ossigeno è consigliato (Figura 3). Di conseguenza, l'algoritmo fisso basata normalizzata rivela misura un OCR aumentato previo trattamento di SB (Figura 3).
Un inconveniente con la nuova macchina è l'assenza dell'algoritmo fisso. Pertanto, negli esperimenti dove viene utilizzato il altamente consumando campione per trattamenti e massaggi, si raccomanda di calcolare manualmente le misurazioni di OCR, e calcolare la diminuzione di ossigeno livello a tempo per i primi 3-5 zecche in ogni misurazione.
Figura 1 . Un esempio di un pozzo contenente una - settimana-vecchie 16 teste di mosche maschi. Le teste sono centrato sotto una rete e galleggianti nei media. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 . Un esempio rappresentativo di OCR di misurazione comparazione tra 1 settimana di vita volare teste (giovane) e quattro - settimana-vecchie volare teste (Evo). (A) i livelli di ossigeno sono indicati per tre misurazioni separate; ogni misurazione 2 min è suddiviso in dieci sotto-misurazioni (zecche). (B) una quantificazione di (A). I livelli delle zecche prime e l'ultimo sono simili, anche se i livelli del Medioevo campione sono leggermente inferiori. Una quantificazione del versante della diminuzione del livello di ossigeno è utilizzata per generare i livelli di OCR. Come descritto in precedenza22, l'OCR di mosche invecchiati centrale è 10% - 15% superiore al giovane mosche. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 . Un esempio di alterazione dell'OCR di butirrato del sodio (SB) in giovani teste volare. (A) ossigeno livelli registrati da sette misure dopo l'aggiunta di 15 mM SB. La linea tratteggiata segna l'iniezione del farmaco (o veicoli) da Porto A. Di nota, mentre i livelli dell'ossigeno di segni di graduazione 1 e 10 rimangano stabili nel gruppo di controllo (blu), i livelli di ossigeno durante queste zecche sono transitoriamente (sei misurazioni dopo l'iniezione) ridotto nei campioni trattati SB (arancione). Inoltre, la diminuzione nei livelli di ossigeno è notevolmente ridotto durante l'ultima zecche di SB trattati campioni. N = 3 per gruppo (B) [sinistra] Non-normalizzato OCR livelli calcolati dall'algoritmo AKOS. Il calcolo Mostra livelli analoghi di OCR in modo errato prima e dopo l'iniezione di SB da Porto a. [destra] normalizzazione di OCR per la misurazione prima dell'iniezione di porta A. (C) [sinistra] 'Fixed' algoritmo calcolo di (A) mostrare l'OCR non normalizzato . Qui, l'OCR strettamente rappresenta l'aumento transitorio nell'uso di ossigeno delle teste previo trattamento di SB; [Destra] Normalizzazione di OCR per la misurazione prima dell'iniezione di porta barre di errore r. indicare lo s.e.m. in tutti i grafici. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
La nostra nuova tecnica offre un nuovo approccio per studiare i cambiamenti metabolici nell'invecchiamento e malattia nel contesto dell'intero tragitti testa22. Il metodo può essere adatto anche per studiare l'impatto del butirrato del sodio KDAC sul consumo di ossigeno. Come abbiamo dimostrato, inibitori di deacetlyase di lisina (HDACs/KDACs) provocare i cambiamenti di OCR. Essenzialmente, come gli obiettivi di tali inibitori sono normalmente non localizzati nei mitocondri (questi inibitori non impatto la deacetilasi di classe III, le sirtuine)24, tali farmaci potrebbero essere testati solo su un minimo livello del tessuto. Infatti, vari farmaci sono iniettati direttamente al cervello, aggirando così possibile elaborazione/modifica/inattivazione dal sistema digestivo. Come tale, la nostra tecnica offre romanzo spaccato di come tali droghe direttamente impatto il segmento di testa.
Ci sono diversi passaggi critici. In primo luogo, come indicato nel protocollo, si consiglia di preparare un piatto meno di un'ora, con due paia di mani preparando la piastra. Dalla nostra esperienza, la qualità e la stabilità delle misurazioni OCR sono migliori se preparati in modo tempestivo. Quando tenuto troppo a lungo, l'avvenimento basso pozzi che richiede OCR sta aumentando, come pure di durata più breve di OCR stabile. In secondo luogo, è importante effettuare un controllo di qualità e garantire che le condizioni sperimentali tra vari campioni sono simili (pH, livelli di ossigeno). Infine, un passo fondamentale è scelta dell'algoritmo corretto per analizzare i campioni. Come abbiamo dimostrato, l'algoritmo AKOS predefinito ha reso un calcolo fuorviante e a volte opposto in campioni che consuma ossigeno alle tariffe alta13. Pertanto, sottolineiamo l'importanza di verificare i dati grezzi per i livelli di ossigeno e confrontando l'OCR risultante.
Attualmente, ci sono diverse limitazioni con questa tecnica. A temperatura ambiente, la macchina si riscalda fino a 31 ° C (questa è la temperatura di misurazione minima mentre la macchina è a temperatura ambiente), che può rappresentare uno stato di stress per le teste volare25. Questo, tuttavia, può essere superato mettendo la macchina in una stanza fredda, che permetterà misurazioni a 25 ° C e quindi senza uno stress termico le testine di volare. Recente rapporto ha dimostrato ponendo la macchina a 11 ° C, consentendo in tal modo la registrazione di OCR di mosche a 25 ° C21. Tuttavia, la separazione di testa Vola dovrebbe essere eseguita a temperatura ambiente. Inoltre, le fluttuazioni di temperatura lo rendono difficile da cambiamenti di pH di controllo e pertanto si consiglia vivamente di testare l'impatto di condizioni fisiologiche/droghe su OCR utilizzando configurazioni sperimentali simili. Inoltre, il contributo del consumo di ossigeno da meccanismi non-mitocondriale-indipendente non è ancora stato stabilito26. Utilizzando vari inibitori respiratori che sono efficienti nel volare teste, sarebbe possibile stabilire tali tassi di consumo di ossigeno non mitocondriale.
È interessante nota che varie malattie nei mammiferi sono caratterizzati da alterazioni nel metabolismo energetico. Fra loro sono malattie che sono caratterizzate da una riduzione metabolica come il morbo di Alzheimer o metabolici ricablaggio come il cancro. È interessante notare che, KDAC inibitori sono usati per il trattamento del morbo di Alzheimer ed il cancro27. Mentre i meccanismi precisi di cui KDAC inibitori stanno raggiungendo l'aspetto terapeutico rimangono poco chiari, i dati dalla nostra tecnica supportano la nozione di romanzo che tali inibitori possono modulare il metabolismo.
In sintesi, questo metodo è utile per misurare il consumo di ossigeno nel complesso i tassi in vivo e visualizza più accuratamente gli effetti della droga sul metabolismo generale, che può essere trascurata nei mitocondri isolati protocolli12. Ad esempio, risultati ottenuti da questo metodo, piuttosto che tecniche precedenti, sono implicati comprensioni novelle per età-collegata di inflessibilità metabolica previo trattamento di KDAC. Mentre il lavoro supplementare è necessario per ottimizzare le condizioni sperimentali per volano teste, la combinazione della nostra tecnica e analisi adeguati può portare a ulteriore delucidazione dell'attività mitocondriale nel contesto di tessuti viventi intero.
Gli autori dichiarano di non avere nessun concorrenti interessi finanziari.
Ringraziamo Andreas Ladurner, Carla Margulis e le loro squadre per ampio supporto sperimentale. Ringraziamo Caitlin Ondracek per i suoi commenti sul manoscritto. Vorremmo ringraziare Sofia Vikstrom per ci ha aiutato a stabilire le prime fasi di questa tecnica. Ringraziamo anche può Sanderhoff per il suo aiuto tecnico. LB è finanziato dal Ministero federale tedesco dell'istruzione e della ricerca (Infrafrontier grant 01KX1012). SP è stato finanziato da una borsa di studio post-dottorato di AXA Research Fund e NSFC (concessione numero 81870900). AVV è finanziato dal QBM.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Glucose | Sigma-Aldrich | G8644 | D-(+)-Glucose solution 100 g/L in H2O, sterile-filtered |
XF assay Medium | Agilent | 103575-100 | Seahorse XF DMEM Medium, pH 7.4 |
Sodium butyrate | Merck | 817500 | Dissolved in XF assay buffer |
Seahorse XF24/e24 analyzer | Agilent | ||
XF24/e24 Extracellular Assay Kit | Agilent | 100850-001 | Cartridge |
XF24/e24 Islet Capture Microplates | Agilent | 101122-100 | Plate |
Seahorse Capture Screen Insert Tool | Agilent | 101135-10 | Insertor |
Petri dish | Sarstedt | 821,472 | Petri dish 92 x 16 mm |
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