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Metabolic reprogramming is a characteristic and prerequisite for M1 and M2 macrophage polarization. This manuscript describes an assay for the measurement of fundamental parameters of glycolysis and mitochondrial function in mouse bone marrow-derived macrophages. This tool can be applied to investigate how particular factors affect the macrophage’s metabolism and phenotype.
Specific metabolic pathways are increasingly being recognized as critical hallmarks of macrophage subsets. While LPS-induced classically activated M1 or M(LPS) macrophages are pro-inflammatory, IL-4 induces alternative macrophage activation and these so-called M2 or M(IL-4) support resolution of inflammation and wound healing. Recent evidence shows the crucial role of metabolic reprogramming in the regulation of M1 and M2 macrophage polarization.
In this manuscript, an extracellular flux analyzer is applied to assess the metabolic characteristics of naive, M1 and M2 polarized mouse bone marrow-derived macrophages. This instrument uses pH and oxygen sensors to measure the extracellular acidification rate (ECAR) and oxygen consumption rate (OCR), which can be related to glycolytic and mitochondrial oxidative metabolism. As such, both glycolysis and mitochondrial oxidative metabolism can be measured in real-time in one single assay.
Using this technique, we demonstrate here that inflammatory M1 macrophages display enhanced glycolytic metabolism and reduced mitochondrial activity. Conversely, anti-inflammatory M2 macrophages show high mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) and are characterized by an enhanced spare respiratory capacity (SRC).
The presented functional assay serves as a framework to investigate how particular cytokines, pharmacological compounds, gene knock outs or other interventions affect the macrophage’s metabolic phenotype and inflammatory status.
マクロファージは事実上すべての疾患において中心的な役割を果たしているが、その表現型を調節する分子メカニズムはまだ完全に解明さではありません。マクロファージは、高い不均一性を表示し、微小環境に応じて異なる表現型1を採用しています。 LPS(+IFNγ)は、古典的に活性化したM1またはM(LPS)マクロファージは炎症を促進し、微生物の脅威2の異なる種類に対して宿主を保護誘発しました。その他には、M1分極を誘発するための刺激として、TNF単独で、または組み合わせてIFNγを使用しています。 IL-4および/ またはIL-13は、代替のマクロファージ活性化を誘導し、これらのM2又はM(IL-4)の細胞は、強力なサプレッサーおよび3進行中の免疫応答のコントローラです。偏マクロファージはLPS活性化のM1マクロファージは強化された解糖4-6に代謝スイッチを受けると細胞代謝の明確な規制を表示します。逆に、強化された脂肪酸酸化(FAO)およびミトコンドリアoxidativEのリン酸化(OXPHOS)は、IL-4によって誘導されるM2マクロファージ7-9に持続的なエネルギーを提供します。したがって、改変された代謝は、それは、適切な偏光および炎症調節のための前提条件は、だけでなく偏マクロファージサブセットの特徴もあります。重要なことには、解糖もしくはOXPHOSの阻害/ FAOは、それぞれ8,10、M1またはM2の活性化を損なうことが実証されています。このように、マクロファージにおける特定の代謝の変化は、その偏光状態および炎症の可能性を評価するためのツールとして適用することができます。
マクロファージの代謝を測定一貫したアッセイは、したがって、薬物、遺伝子ノックダウンするかどうかを予測するために使用することができ、あるいは他の治療は、マクロファージ分極および機能に影響を与えます。この動画では、細胞外フラックス分析器は、ナイーブM1及びM2マクロファージの生体エネルギープロファイルを特徴付けるために使用されます。
この原稿は、測定を可能にする最適化されたプロトコルの詳細を関連するすべての解糖パラメータ(解糖、最大解糖および解糖予備)と1回のアッセイにおけるミトコンドリア機能特性(総呼吸、基底ミトコンドリア呼吸、ATP産生、プロトンリーク、最大呼吸と予備呼吸容量)の。この実験を用いて、生体エネルギーを制御し、「変更」の間で比較することができる(例えば遺伝子は、トランスジェニック過剰発現または薬理学的治療をノックダウン)細胞。
1.培養し、偏光骨髄由来マクロファージ
細胞外フラックスアッセイの調製
混合/注入 | 化合物 | ボリュームは10倍混合物(μl)を取得するために追加されました | ボリュームアッセイ培地(ミリリットル) | 実行中に注入された容量(μL) | アッセイにおける最終濃度 |
A | 2.5 M(45%)グルコース | 300 | 2.7 | 20 | 25mMの |
B | Aオリゴ5ミリ(OM) | 9 | 3.0 | 22 | 1.5μM |
C言語 | 5 mMのFCCP | 9 | 2.7 | 25 | 1.5μM |
100 mMのピルビン酸ナトリウム液 | 300 | 1 mMの | |||
D | 5 mMのアンチマイシンA(AA) | 15 | 3.0 | 28 | 2.5μM |
5mMのロテノン(腐敗) | 7.5 | 1.25μM |
表1注入の混合物が含まれます。
細胞外フラックスアナライザーを使用して偏光M1とM2 BMDMの3生体エネルギー特性評価
細胞外フラックスアッセイおよび細胞定量化の終了後、データは、細胞計数のために正規化し、分析することができます。 図1Aおよび図1Bに示すように、これは、典型的にはECARとOCRのプロットが得られます。
グルコース(A)の注入後、ECARの増加は、解糖速度を表します。オリゴマイシン(B)とATP合成酵素阻害後のECARで追加の増加は、解糖予備と容量( 図1A)に関する情報を提供します。 OCR値を分析する場合、注射(B)オリゴミトコンドリアのATP合成に使用される酸素消費量の計算を可能にします。 FCCP(C)は、ミトコンドリア呼吸の脱共役と対応するOCR測定は、最大のスペア呼吸能力に関するデータが得られます。最後に、ロテノンの注射(腐敗)及びアンチマイシンA(AA)ブロックミトコンドリア複合体IおよびIIIと残留OCRは、非ミトコンドリア酸素短所を表し、umption( 図1B)。
図1:XF細胞外フラックスアッセイ由来代謝パラメータ 。解糖、最大解糖能力と解糖リザーブ:携帯解糖の(A)以下のパラメータは(MPH /分で)ECAR値から計算されます。基礎呼吸、ATP産生、プロトンリーク、最大呼吸スペア呼吸容量:(ピコモル/分で)(B)のOCR測定は、ミトコンドリア機能の次の基本的なパラメータを計算するために使用されます。 Glucを=グルコース; OM =オリゴマイシンA; FCCP =カルボニルシアン化4-(トリフルオロメトキシ)フェニルヒドラゾン; AA =アンチマイシンA;腐敗=ロテノンは、 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
実行した後、ECARとOCR測定1 TIL各ウェルについてのL 15は、Excelにエクスポートすることができ、次のように次のような解糖系のパラメータはECARの測定値から計算することができます。
非解糖酸性化=平均。 ECAR(1,2,3)
解糖=平均。 ECAR(4,5,6) -平均。 ECAR(1,2,3)
最大解糖容量=平均。 ECAR(7,8,9) -平均。 ECAR(1,2,3)
解糖準備金は、平均を=。 ECAR(7,8,9) -平均。 ECAR(4,5,6)
OCR率から、次代謝特性を決定することができます。
非ミトコンドリア呼吸=平均。 OCR(13,14,15)
基礎呼吸=平均。 OCR(4,5,6) -平均。 OCR(13,14,15)
ATP産生=平均。 OCR(4,5,6) -平均。 OCR(7,8,9)
プロトンリーク=平均OCR(7,8,9) -平均。 OCR(13,14,15)
最大呼吸=平均。 OCR(10,11,12) -平均。 OCR(13,14,15)
スペア呼吸容量(SRC)=平均OCR(10,11,12) -平均。 OCR(4,5,6)
図2:代謝ナイーブ(M0)の特性、LPS-(M1)およびIL-4(M2)偏マクロファージ各測定のために、平均および8個々のウェルの平均(SEM)の標準誤差が示されています。 (A)は、細胞外酸性化速度(MPH /分でECAR、)と(B)と酸素消費率は(OCR、ピコモル/分で)示差偏光(M1とM2)とナイーブマクロファージ(M0)を測定します。全ての測定は、細胞計数のために正規化した(をCyQuantで測定される)およびナイーブなマクロファージの平均細胞数は1に設定しました。ジェクションA =グルコース; B =オリゴマイシン; C = FCCP。 DはアンチマイシンA +ロテノンを=。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図2Aに示すように、LPSによるマクロファージの活性化を増加解糖代謝を誘導します。 図2Bの酸素消費率(OCR)を見たときのLPSおよびIL-4で処理したマクロファージとの間の差異はより一層明らかです。最大酸化的代謝は、高度にM(LPS)に抑えつつ実際に、IL-4は、M2マクロファージに基礎、特に最大呼吸を誘導します。一つは、増加した解糖をM(LPS)マクロファージにかなり独特であり、M(IFNγ)マクロファージは解糖を向上させる表示されませんので、必ずM1マクロファージの特徴ではないことに注意してください。
全体的に、この細胞外フラックス解析は股関節を実証LPS活性化マクロファージの表示が解糖代謝を強化し、任意の予備の呼吸能力を持たない一方で、TのIL-4誘発性のM2マクロファージは、強化された酸化的代謝、特に高い予備呼吸容量(SRC)によって特徴付けられます。
我々の研究室の目的は、アテローム性動脈硬化症および他の炎症状態12の結果を改善するための究極の目標に影響を与えることができる方法をマクロファージ偏光と機能を理解することです。マクロファージの偏光を評価するためには、典型的には、ELISAにより(IL-6、IL-12、TNFおよびNO分泌を決定し、M1とM2のマーカー遺伝子のLPS(+IFNγ)誘導及びIL-4誘導性の遺伝子発現(定量PCR)を測定そして、グリース反応)およびフローサイトメトリーによるIL-4によって誘導されるCD71、CD206、CD273およびCD301表面発現()およびアルギナーゼ活性3,13を調べます。さらに、(DII-oxLDLの取り込み、LipidTOX中性脂質染色による)アポトーシスアッセイ(アネキシンV / PI染色によって)(蛍光ラテックスビーズ、および/ またはpHrodo 大腸菌を含む)、食作用アッセイおよび泡沫細胞形成アッセイを行うことができますマクロファージの機能14を評価します 。さらに、細胞外フラックス分析は、偏光MACの生体エネルギープロファイルを測定するために行うことができます新しい代替機能読み出しとしてrophages。
この原稿は、マクロファージの偏光が、エネルギー源として増加した解糖への切り替えLPS誘導マクロファージと代謝リプログラミングを誘導することを示しています。逆に、IL-4によって誘導されるM2マクロファージは、ATPの主な情報源としてミトコンドリアの酸化的リン酸化を使用しています。重要なことは、代謝再プログラミングは、M1とM2偏マクロファージの特定の要件のためのエネルギーを提供するだけでなく。実際、代謝の変化は、マクロファージの表現型10,15,16の直接的な調節因子である代謝物の濃度に影響を与えます。したがって、マクロファージ代謝が(ここでは、図2に示すように)の特性だけでなく、明確なマクロファージの偏光状態のドライバだけではなく、この新しい知識は、年の最後のカップルの間にimmunometabolismの研究分野の急速な成長をサポートしていました。
ただし、マクロ内の代謝プロファイルの強固な測定ファージは困難残り、その制限がありました。本研究では、細胞外フラックスアナライザーは堅牢にリアルタイムで解糖、解糖リザーブ、最大解糖能力、非解糖の酸性化、基礎および最大呼吸、ATP産生、予備の呼吸容量、プロトンリークと非ミトコンドリア呼吸を測定するために適用されますマクロファージの最小限の量で存在します。
したがって、我々は次のように変更して、製造業者のプロトコルを改善しました。標準水戸ストレステスト(#103015から100)は、グルコースおよびピルビン酸と3回の注射(OM、FCCP、AA /腐敗)とプロトコルを含む培地を使用することを示唆しています。私たちはこのように、グルコース/ピルビン酸を含まない培地でアッセイを開始する(解糖ストレステスト#103020から100のように)ポートAの最初の注射としてグルコースを追加し、ポートCのFCCPの脱共役剤と一緒にピルビン酸を追加することを選びます、関連するすべての解糖パラメータはECARの測定1-9とmitochondriに関するすべての関連情報から導出されていますOCRの測定4-15からアル機能。
それは脱共役時に最大の呼吸を燃料にFCCPと一緒にピルビン酸を注入することが重要であることに注意してください。この組み合わされたプロトコルを使用する前に、1つはまた、2-デオキシ-D-グルコース(2-DG)は、基底値(1-3)に分析した後、ECARレベルを低下させることを確認する必要がありますし、記録ECAR率4-6は確かに起因していること解糖へ。さらに、一本原稿に使用される化合物の濃度および細胞数は、骨髄由来マクロファージおよびRAW264.7マクロファージ細胞株に対して有効であり、他の細胞型のために最適化されるべきであることを理解すべきです。また、人は、骨髄由来マクロファージを生成するために使用されるM-CSFは、M2のような抗炎症性の表現型を促進することに注意すべきです。骨髄由来マクロファージから提示された結果は、したがって、細胞culturi中にM-CSFを必要としない一次組織の常在マクロファージまたはマクロファージ細胞株を用いた測定に完全に匹敵しなくてもよいですNG。
既存の方法と比較して、このプロトコルは、マクロファージの最小量を必要とし、すぐに実質的にすべての基本的な代謝細胞特性を提供します。これは、他の免疫学的アッセイを行うために十分な余剰細胞をもたらし、生体エネルギープロファイリングに使用しても、細胞はまだ検定後に目的と他のに使用することができます。また、特定の96ウェルプレートフォーマットを同時にリアルタイムで複数の条件を評価することができます。しかし、個々のウェル間の変動はかなりすることができ、したがって、条件当たり少なくとも4つのウェルを使用することがしばしば望まれます。アカウントにこの制限を考慮すると、説明した細胞外フラックス解析は、まだ伝統的な技法よりもはるかにある、10以上の実験条件(N = 6)を1回で実行することができます。
全体的に、この記事では、関連するすべての解糖およびミトコンドリアのparamを測定することができ、簡単かつ再現性のある機能的アッセイを提供します偏マクロファージサブセットにおけるメータ。この手法は、マクロファージの(代謝)の表現型に(例えば、遺伝子ノックダウン、新しい医薬品、)マクロファージ機能を評価し、個別の操作の効果を評価するために、将来のアプリケーションとして提供することができます。このように、細胞外フラックスデータは、マクロファージの活性化状態の詳細な特徴付けを可能にするために他のアッセイと組み合わせて使用することができます。
この記事への無料アクセスがシーホース・バイオサイエンスが主催しています。
Jan Van den Bossche received a Junior Postdoc grant from the Netherlands Heart Foundation (2013T003) and a VENI grant from ZonMW (91615052). Menno de Winther is an Established Investigator of the Netherlands Heart Foundation (2007T067), is supported by a Netherlands Heart Foundation grant (2010B022) and holds an AMC-fellowship. We also acknowledge the support from the Netherlands Cardiovascular Research Initiative, Dutch Federation of University Medical Centers, the Netherlands Organization for Health Research and Development and the Royal Netherlands Academy of Sciences for the GENIUS project “Generating the best evidence-based pharmaceutical targets for atherosclerosis” (CVON2011-19). We acknowledge Seahorse Bioscience for making open access publication possible. The authors thank Riekelt Houtkooper and Vincent de Boer (Laboratory Genetic Metabolic Diseases, Academic Medical Center, Amsterdam, The Netherlands) for all previous assistance with the Seahorse analyzer.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
23G and 25G needles | Becton Dickinson | #300800 and #300600 | To flushed bone marrow |
10 ml syringes | Becton Dickinson | #307736 | To flushed bone marrow |
Petri dishes | Greiner | #639161 | To culture bone marrow cells |
CyQUANT Cell Proliferation Assay kit | Molecular Probes | #C7026 | For cell quantification at a later time point (works only for adherent cells) |
CyQUANT Direct Cell Proliferation Assay kit | Molecular Probes | #35011 | For cell quantification immediately after assay (non-adherent cells) |
XFe96 cell culture microplate | Seahorse Bioscience | #101085-004 | 96 well plate in which cells are cultured and in which assay is done |
recombinant mouse interleukin-4 (IL-4) | Peprotech | #214-14-B | Used to induced alternative macrophage activation |
lipopolysaccharide (LPS) | Sigma | #L2637 | Pro-inflammatory stimulus |
Seahorse Sensor Cartridge | Seahorse Bioscience | #102416-100 | Contains the probes for pH and O2 measurement |
Seahorse XF Calibrant | Seahorse Bioscience | #100840-000 | Needed to hydrate the probes overnight |
XF base medium | Seahorse Bioscience | #102353-100 | Buffer-free medium that allows efficient measurement of pH changes |
L-glutamine | Life Technologies | #25030-081 | |
D-(+)-Glucose | Sigma | #G8769 | Fuels glycolysis once added to the cells |
oligomycin A | Sigma | #75351 | Inhibits mitochondrial ATP synthase |
FCCP( Carbonyl cyanide 4-(trifluoromethoxy)phenylhydrazone) | Sigma | #C2920 | Uncouples mitochondrial respiration |
100 mM Sodium Pyruvate solution | Lonza | #BE13-115E | Allows maximal mitochondrial respiration without the need for glycolysis |
Antimycin A | Sigma | #BE13-115EA8674 | Inhibits complex III of the mitochondria |
Rotenone | Sigma | #BE13-115EA8674R8875 | Inhibits complex I of the mitochondria |
Casy Cell Counter | Roche Diagnostics | #05 651 697 001 | Instrument to count cells |
anti-CD16/CD32 | eBioscience | #14-0161 | Fc receptor block flow cytometry |
anti-F4/80-APC-eFluor780 | eBioscience | #47-4801 | Antibody to stain macrophages |
anti-CD11b-FITC | eBioscience | #11-0112 | Antibody to stain macrophages |
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