Name: high-resolution respirometry to measure mitochondrial function of intact beta cells in the presence of natural compounds
Uploaded: 2018-01-23T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about High-resolution Respirometry to Measure Mitochondrial Function of Intact Beta Cells in the Presence of Natural Compounds at JoVE.com

Gli autori vorrei ringraziare i membri dei laboratori Tessem e Hancock per assistente e discussione scientifica. Gli autori ringraziano Andrew Neilson, PhD (Virginia Tech) per fornire la frazione di monomero di cacao epicatechina derivate. Questo studio è stato sostenuto da una sovvenzione del diabete Action Research and Education Foundation a JST.

1. coltura cellulare
<ol><li>Cultura INS-1 derivato 832/13 beta cellule in RPMI 1640 completati con 10% siero bovino fetale (FBS), 1% di penicillina-streptomicina, 10 mM HEPES, 2mm glutammina, 1 mM sodio piruvato e 0,05 mM 2-mercaptoetanolo9,10,11 ,12,13.</li>
	<li>Rimuovere le cellule 832/13 da una boccetta di T75 con 2 mL di soluzione 0,25% tripsina, incu...

<ol>
	<li>Mueckler, M., Thorens, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+SLC2+(GLUT)+family+of+membrane+transporters.">The SLC2 (GLUT) family of membrane transporters.</a> Mol Aspects Med. 34 (2-3), 121-138 (2013).</li><li>Kahn, S. E., Hull, R. L., Utzschneider, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanisms+linking+obesity+to+insulin+resistance+and+type+2+diabetes.">Mechanisms linking obesity to insulin resistance and type 2 diabetes.</a> Nature. 444 (7121), 840-846 (2006).</li><li>Weir, G. C., Bonner-Weir, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Five+stages+of+evolving+beta-cell+dysfunction+during+progression+to+diabetes.">Five stages of evolving beta-cell dysfunction during progression to diabetes.</a> Diabetes. 53 Suppl 3, S16-S21 (2004).</li><li>Strat, K. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanisms+by+which+cocoa+flavanols+improve+metabolic+syndrome+and+related+disorders.">Mechanisms by which cocoa flavanols improve metabolic syndrome and related disorders.</a> J Nutr Biochem. 35, 1-21 (2016).</li><li>Rowley, T. J. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monomeric+cocoa+catechins+enhance+&#946;-cell+function+by+increasing+mitochondrial+respiration.">Monomeric cocoa catechins enhance &#946;-cell function by increasing mitochondrial respiration.</a> J Nutr Biochem. 49, 30-41 (2017).</li><li>Djafarzadeh, S., Jakob, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-resolution+Respirometry+to+Assess+Mitochondrial+Function+in+Permeabilized+and+Intact+Cells.">High-resolution Respirometry to Assess Mitochondrial Function in Permeabilized and Intact Cells.</a> J Vis Exp. (120), (2017).</li><li>Reynolds, M. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=beta-Cell+deletion+of+Nr4a1+and+Nr4a3+nuclear+receptors+impedes+mitochondrial+respiration+and+insulin+secretion.">beta-Cell deletion of Nr4a1 and Nr4a3 nuclear receptors impedes mitochondrial respiration and insulin secretion.</a> Am J Physiol Endocrinol Metab. 311 (1), E186-E201 (2016).</li><li>Hals, I. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mitochondrial+Respiration+in+Insulin-Producing+beta-Cells:+General+Characteristics+and+Adaptive+Effects+of+Hypoxia.">Mitochondrial Respiration in Insulin-Producing beta-Cells: General Characteristics and Adaptive Effects of Hypoxia.</a> PLoS One. 10 (9), e0138558 (2015).</li><li>Ray, J. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nkx6.1-mediated+insulin+secretion+and+beta-cell+proliferation+is+dependent+on+upregulation+of+c-Fos.">Nkx6.1-mediated insulin secretion and beta-cell proliferation is dependent on upregulation of c-Fos.</a> FEBS Lett. 590 (12), 1791-1803 (2016).</li><li>Schisler, J. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimulation+of+human+and+rat+islet+beta-cell+proliferation+with+retention+of+function+by+the+homeodomain+transcription+factor+Nkx6.1.">Stimulation of human and rat islet beta-cell proliferation with retention of function by the homeodomain transcription factor Nkx6.1.</a> Mol Cell Biol. 28 (10), 3465-3476 (2008).</li><li>Tessem, J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nkx6.1+regulates+islet+beta-cell+proliferation+via+Nr4a1+and+Nr4a3+nuclear+receptors.">Nkx6.1 regulates islet beta-cell proliferation via Nr4a1 and Nr4a3 nuclear receptors.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (14), 5242-5247 (2014).</li><li>Hobson, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aurora+Kinase+A+is+critical+for+the+Nkx6.1+mediated+beta-cell+proliferation+pathway.">Aurora Kinase A is critical for the Nkx6.1 mediated beta-cell proliferation pathway.</a> Islets. 7 (1), e1027854 (2015).</li><li>Draney, C., Hobson, A. E., Grover, S. G., Jack, B. O., Tessem, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cdk5r1+Overexpression+Induces+Primary+beta-Cell+Proliferation.">Cdk5r1 Overexpression Induces Primary beta-Cell Proliferation.</a> J Diabetes Res. 2016, 6375804 (2016).</li><li>Rouse, M., Younes, A., Egan, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resveratrol+and+curcumin+enhance+pancreatic+beta-cell+function+by+inhibiting+phosphodiesterase+activity.">Resveratrol and curcumin enhance pancreatic beta-cell function by inhibiting phosphodiesterase activity.</a> J Endocrinol. 223 (2), 107-117 (2014).</li><li>Ma, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diabetes+reduces+beta-cell+mitochondria+and+induces+distinct+morphological+abnormalities,+which+are+reproducible+by+high+glucose+in+vitro+with+attendant+dysfunction.">Diabetes reduces beta-cell mitochondria and induces distinct morphological abnormalities, which are reproducible by high glucose in vitro with attendant dysfunction.</a> Islets. 4 (3), 233-242 (2012).</li><li>Chavanelle, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+high-intensity+interval+training+and+moderate-intensity+continuous+training+on+glycaemic+control+and+skeletal+muscle+mitochondrial+function+in+db/db+mice.">Effects of high-intensity interval training and moderate-intensity continuous training on glycaemic control and skeletal muscle mitochondrial function in db/db mice.</a> Sci Rep. 7 (1), 204 (2017).</li><li>Jelenik, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanisms+of+Insulin+Resistance+in+Primary+and+Secondary+Nonalcoholic+Fatty+Liver.">Mechanisms of Insulin Resistance in Primary and Secondary Nonalcoholic Fatty Liver.</a> Diabetes. 66 (8), 2241-2253 (2017).</li><li>Spacek, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Glucose-stimulated+insulin+secretion+of+insulinoma+INS-1E+cells+is+associated+with+elevation+of+both+respiration+and+mitochondrial+membrane+potential.">Glucose-stimulated insulin secretion of insulinoma INS-1E cells is associated with elevation of both respiration and mitochondrial membrane potential.</a> Int J Biochem Cell Biol. 40 (8), 1522-1535 (2008).</li><li>Jezek, J., Dlaskova, A., Zelenka, J., Jaburek, M., Jezek, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=H2O2-Activated+Mitochondrial+Phospholipase+iPLAgamma+Prevents+Lipotoxic+Oxidative+Stress+in+Synergy+with+UCP2,+Amplifies+Signaling+via+G-Protein-Coupled+Receptor+GPR40,+and+Regulates+Insulin+Secretion+in+Pancreatic+beta-Cells.">H2O2-Activated Mitochondrial Phospholipase iPLAgamma Prevents Lipotoxic Oxidative Stress in Synergy with UCP2, Amplifies Signaling via G-Protein-Coupled Receptor GPR40, and Regulates Insulin Secretion in Pancreatic beta-Cells.</a> Antioxid Redox Signal. 23 (12), 958-972 (2015).</li><li>Johnson, J. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Suppressed+insulin+signaling+and+increased+apoptosis+in+CD38-null+islets.">Suppressed insulin signaling and increased apoptosis in CD38-null islets.</a> Diabetes. 55 (10), 2737-2746 (2006).</li></ol>

L'obiettivo del presente protocollo è utilizzare manometrica ad alta risoluzione per misurare le frequenze respiratorie in cellule beta pancreatiche intatte. Questo metodo consente la misurazione della risposta delle cellule beta ai livelli aumentati del glucosio. Il protocollo consente anche il pretrattamento con vari composti, come dimostrato in questo protocollo con la naturale monomerico epicatechina o curcumina4,5. Trattamen...

Lo scopo primario della cellula beta pancreatica è di mantenere il sistema normoglycemia attraverso secrezione insulinica glucosio-mediata. Le cellule beta senso cambiamenti fisiologici circolanti di glucosio in gran parte dovuto la bassa affinità, trasportatore di capacità elevata del glucosio GLUT2 (glucosio Transporter 2, Km 16,7 mM)1. Come aumento del livello di glucosio circolatorio, questo trasportatore di bassa affinità ad alta capacità facilita un aumento proporzionale intracellulare del glucosio all'interno della cellula beta. Glucosio è metabolizzato attraverso la glicolisi, il ciclo del TCA (ciclo dell'acido tricarbossilico) e la respirazione mitocondriale conseguente elevati livelli cellulari di ATP (adenosina trifosfato). L'elevata concentrazione di ATP blocca i canali ATP sensibili di K+ , conseguente depolarizzazione della membrana. La depolarizzazione della membrana provoca l'apertura dei canali del Ca2 + gated tensione e successiva liberazione della vescichetta associato insulina granuli2. Disfunzione delle cellule beta è un marchio di garanzia del diabete di tipo 2 (T2D) e provoca la secrezione dell'insulina in diminuzione e scarsamente controllato e in definitiva di morte delle cellule beta3. Meccanismi che mantengono o migliorano la funzione delle cellule beta potrebbero essere usati come trattamento per T2D.
Gli studi hanno dimostrato gli effetti benefici di biofiltri composti basati a pianta sulla beta cellula pancreatica4. Questi composti possono avere il loro effetto attraverso la crescente proliferazione delle cellule beta, sopravvivenza o secrezione insulinica glucosio-mediata. Ad esempio, studi recenti hanno dimostrato che l'epicatechina monomerica migliora la secrezione insulinica glucosio-mediata attraverso l'aumento di respirazione mitocondriale e aumento di ATP cellulare livelli5. Di conseguenza, di comprendere come questi composti possono aumentare funzionale delle cellule beta massa è importante sfruttare questi composti come terapeutica potenziale.
Respirazione cellulare può essere misurata attraverso una serie di strumenti. Utilizzo di un respirometro ad alta risoluzione permette per la titolazione dei modulatori chimici per una popolazione di cellule permeabilized o intatto6. Questo strumento consente l'aggiunta di vari composti, alle concentrazioni differenti, dando così una vasta gamma di informazioni.
Data la stretta connessione tra il metabolismo del glucosio e la funzione delle cellule beta, misure della respirazione cellulare sono critiche. Misure della respirazione cellulare possono essere fatto utilizzando cellule beta o permeabilized che intatte, con ciascuno che ha una propria serie di vantaggi e svantaggi7,8. Mentre permeabilizzazione delle cellule beta permette di misurare diversi aspetti della catena di trasporto degli elettroni, lo fa senza per quanto riguarda il meccanismo per l'induzione della respirazione nel beta cellulare, l'assorbimento del glucosio e del metabolismo. Pertanto, l'uso della respirazione unpermeabilized beta cellulare è una tecnica molto utile per determinare la risposta di beta cellule a vari livelli di glucosio, utilizzando il consumo di ossigeno come la lettura.
Lo scopo di questa tecnica è di misurare il consumo di ossigeno in intatto INS-1 832/13 beta cellule derivate. Questa tecnica permette di determinare la risposta delle cellule beta al stati unstimulatory del glucosio (glucosio 2,5 mM) così come le condizioni di stimolatori del glucosio (16,7 millimetri di glucosio). Mentre le cellule unpermeabilized non ci permettono di testare individualmente complesso I, II o III dell'elettrone catena di trasporto, la tecnica consentono misurazioni trattare con respirazione di inibizione (Oligomycin A), disgiunto complesso IV (FCCP-Carbonil cianuro- 4-(trifluoromethoxy) phenylhydrazone) e completamente inibita respirazione (Antimycin A). Questo studio dimostra l'efficacia di respirazione in beta cellule pancreatiche di unpermeabilized intatte, come pure l'effetto di due composti naturali, epicatechina monomerica e curcumina, sulla respirazione cellulare beta di misura.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>O2k Core: Oxygraph-2k</td>
			<td>Oroboros Instruments</td>
			<td>10000-02</td>
			<td>Instrument for high-resolution respirometry</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DatLab 6 Program</td>
			<td>Oroboros Instruments</td>
			<td>27141-01</td>
			<td>Computer program for analysing high-reolution respirometry</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>INS-1 832/13 cell line</td>
			<td>Duke University Medical Center</td>
			<td>NONE</td>
			<td>Beta cell line, gift from Dr. Christopher Newgard</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Curcumin</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>C7727</td>
			<td>Pre-treatment of beta cells</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cocoa epicatechin monomer</td>
			<td>Virginia Polytechnic Institute and State University</td>
			<td>NONE</td>
			<td>Pre-treatment of beta cells, gift from Dr. Andrew Neilson</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trypsin</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>T4049</td>
			<td>For cell culture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RPMI-1640</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>R8758</td>
			<td>832/13 beta cell media</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal Bovine Serum</td>
			<td>Hyclone</td>
			<td>SH30071.03</td>
			<td>832/13 beta cell media component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Penicillin-streptomycin</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>P4458</td>
			<td>832/13 beta cell media component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HEPES</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>H3662</td>
			<td>832/13 beta cell media component/ 1x SAB Buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glutamine</td>
			<td>Caisson</td>
			<td>GLL01</td>
			<td>832/13 beta cell media component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Pyruvate</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>S8636</td>
			<td>832/13 beta cell media component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-Mercaptoethanol</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>M3148</td>
			<td>832/13 beta cell media component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaCl</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>S271</td>
			<td>Component of 10x SAB buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KCl</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>P9541</td>
			<td>Component of 10x SAB buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KH2PO4</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>P5655</td>
			<td>Component of 10x SAB buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MgSO4</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>M2643</td>
			<td>Component of 10x SAB buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D-(+)-Glucose Solution</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>G8769</td>
			<td>Component of 1x SAB buffer, chemical for respiration assay</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CaCl2</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>C5670</td>
			<td>Component of 1x SAB buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>35% BSA Solution</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>A7979</td>
			<td>Component of 1x SAB buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaHCO3</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>S5761</td>
			<td>Component of 1x SAB buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>200 proof ethanol</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>459844</td>
			<td>Washing Oxygraph O2k Chambers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oligomycin A</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>O4876</td>
			<td>Chemicals for respiration assay</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FCCP</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>C2920</td>
			<td>Chemicals for respiration assay</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anitmycin A</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>A8674</td>
			<td>Chemicals for respiration assay</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BCA Protein Kit</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>23225</td>
			<td>For determining protein concentration</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

high-resolution respirometry to measure mitochondrial function of intact beta cells in the presence of natural compounds

Respirometry ad alta risoluzione consente la misurazione del consumo di ossigeno di mitocondri isolati, cellule e tessuti. Beta cellule svolgono un ruolo critico nell'organismo di controllo livelli di glucosio nel sangue attraverso la secrezione di insulina in risposta a concentrazioni di glucosio elevato. La secrezione dell'insulina è controllata dal metabolismo del glucosio e la respirazione mitocondriale. Pertanto, respirazione cellulare beta intatto di misurazione è essenziale essere in grado di migliorare la funzione delle cellule beta come un trattamento per il diabete. Utilizzando intatto 832/13 INS-1 derivato beta cellule possiamo misurare l'effetto di aumentare la concentrazione di glucosio sulla respirazione cellulare. Questo protocollo permette di misurare la respirazione cellulare beta in presenza o assenza di vari composti, che permette di determinare l'effetto di composti del giorno respirazione cellulare intatta. Qui dimostriamo l'effetto di due composti naturali, epicatechina monomerica e curcumina, sulla respirazione delle cellule beta in presenza delle condizioni di alto glucosio (16,7 mM) o bassa (2,5 mM). Questa tecnica può essere utilizzata per determinare l'effetto di vari composti sulla respirazione intatto beta cellulare in presenza di diverse concentrazioni di glucosio.

INS-1 832/13 beta cellule che vengono preparate e raccolti, come descritto nel protocollo dimostrerà modulazione nel consumo di ossigeno basato su vari interventi chimici (Figura 1A). Si osserverà un aumento della respirazione quando la concentrazione di glucosio è aumentata a 16,7 mM glucosio (Figura 1B). Respirazione diminuisce quando le cellule intatte sono trattate con Oligomycin A. Questa respirazione è conosciuta come perdita, che è definito come lo s...

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High-resolution Respirometry to Measure Mitochondrial Function of Intact Beta Cells in the Presence of Natural Compounds

L'obiettivo del presente protocollo è quello di misurare l'effetto delle modifiche del glucosio-mediata di respirazione mitocondriale in presenza di composti naturali sulle cellule beta intatto 832/13 utilizzando manometrica ad alta risoluzione.

Respirometry ad alta risoluzione per misurare la funzione mitocondriale di cellule Beta intatte in presenza di composti naturali

High-resolution respirometry allows for the measurement of oxygen consumption of isolated mitochondria, cells and tissues. Beta cells play a critical role ...

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