The study of metabolism is becoming increasingly relevant to immunological research. Here, we present an optimized method for measuring glycolysis and mitochondrial respiration in mouse splenocytes, and T and B lymphocytes.
Os linfócitos respondem a uma variedade de estímulos, activando vias de sinalização intracelular, o que por sua vez leva a uma rápida proliferação celular, migração e diferenciação, e a produção de citocinas. Todos estes eventos são firmemente ligados ao estado de energia da célula, e, por conseguinte, o estudo das vias de produção de energia pode dar pistas sobre a funcionalidade global destas células. O analisador de fluxo extracelular é um dispositivo comumente utilizado para avaliar o desempenho da glicólise e respiração mitocondrial em muitos tipos de células. Este sistema tem sido usado para estudar as células imunes em alguns relatórios publicados, ainda um protocolo global optimizado particularmente para os linfócitos que falta. Os linfócitos são frágeis células que sobrevivem mal em condições ex vivo. Muitas vezes, os subconjuntos de linfócitos são raros, e trabalhar com números celulares de baixo é inevitável. Assim, uma estratégia experimental que aborda estas dificuldades é necessário. Aqui, nós fornecemos um protocoloque permite a rápida isolamento de linfócitos viáveis a partir de tecidos linfóides, e para a análise dos seus estados metabólicos no analisador de fluxo extracelular. Além disso, nós fornecemos resultados de experiências nas quais as actividades metabólicas dos vários subtipos de linfócitos com diferentes densidades celulares foram comparados. Estas observações sugerem que o protocolo pode ser utilizado para alcançar resultados consistentes, bem padronizados, mesmo em concentrações celulares baixas, e, portanto, pode ter amplas aplicações em estudos futuros incidindo sobre a caracterização de eventos metabólicos nas células do sistema imunológico.
A resposta imunitária contra antigénios é um equilíbrio estritamente regulada entre a activação imunitária e supressão imunitária. Activação imunitária conduz a rápida proliferação e migração celular, bem como a produção de citoquinas, a secreção de anticorpos e a fagocitose aumentada em resposta ao estímulo, ao passo que a supressão imune simplesmente inibe estes eventos e, por conseguinte, é importante na prevenção de respostas imunes desnecessários 1-6. Estudos recentes têm demonstrado que existe uma relação directa entre o estado de activação das células imunes ea atividade de várias vias metabólicas 7. células do sistema imunológico pode alternar entre repouso e activados estados trocando vias produtoras de energia e desligar. Além disso, tem-se observado que os diferentes tipos de células imunitárias pode utilizar diferentes estratégias metabólicas para abastecer as suas maiores necessidades de energia durante a activação. Por exemplo, enquanto que a activação dos linfócitos T dirige as células para um estado quase completamente glicolítica 8 </sup>, os linfócitos B activados utilizar um balanço da glicólise e fosforilação oxidativa 9,10. Estes estudos apontam para a importância de se investigar os efeitos da ativação de células imunes no metabolismo celular.
Em tempo real, medições simultâneas de taxa de consumo de oxigênio (OCR) e taxa de acidificação extracelular (ECAR), como indicadores de fosforilação oxidativa e glicólise, é uma estratégia comum para lidar com os estados de vias de produção de energia 11-13. A fim de alcançar este objectivo, um analisador de fluxo extracelular, tais como a XF cavalo marinho 96, é usado rotineiramente. Tal instrumento pode comparar rapidamente mudanças em OCR e ECAR em todos os tipos de células ou a diferentes condições de estimulação. Até agora, vários tipos de células, incluindo células do sistema imunológico, têm sido estudados utilizando estes dispositivos. No entanto, um protocolo optimizado especificamente para as células do sistema imunológico não está disponível.
células do sistema imunológico, sobretudo linfócitos, diferem de otos tipos de células em várias formas críticos. Os linfócitos são células frágeis que não sobrevivem por longos períodos em condições ex vivo 14-16. Este é um problema ainda maior quando elas são cultivadas em meio de crescimento sub-óptima falta de nutrientes essenciais, tais como aqueles usados na análise de fluxo extracelular. Ao contrário de macrófagos e muitas linhas de células, os linfócitos não aderem às superfícies de plástico; Por conseguinte, é crítico para fixá-los à placa de análise sem a geração de stress. Finalmente, algumas subpopulações de linfócitos podem ser extremamente raro e colhê-los no limite, quantidades ideais exigidas pode ser um desafio 17-19.
Aqui, nós fornecemos um protocolo otimizado que é especificamente desenvolvido para linfócitos. Usando esplenócitos, linfócitos B e linfócitos T CD4 + naive isolados de baço de ratinho e linfonodos 20, que mostram as características de sua glicólise e fosforilação oxidativa estado de repouso em differendensidades celulares t. Os dados foram normalizados para ter em conta as diferenças no número de células iniciais para cada poço através da medição das concentrações de proteína de lisado de células de ensaio, os quais estão directamente proporcional ao número de células. Nosso protocolo não só fornece diretrizes para o rápido isolamento de linfócitos viáveis para ensaios de fluxo extracelular, mas também permite que para trabalhar em concentrações de células sub-óptimos sem comprometer a qualidade dos dados.
O protocolo que nós desenvolvemos permitiu o isolamento eficiente de subconjuntos de linfócitos viáveis e puro, que foram subsequentemente usadas na análise de fluxo extracelular em diferentes concentrações para avaliar as diferenças na glicólise e desempenho respiração mitocondrial. Este protocolo é projetado especificamente para linfócitos e aborda as considerações especiais relacionadas com estes tipos de células, como a baixa atividade metabólica basal, fragilidade, baixa frequência, e sua incapacidade de aderir às placas de ensaio. Portanto, em comparação com os protocolos previamente publicados 11,12, o nosso método oferece um guia mais conveniente e melhor optimizados para os investigadores que trabalham no campo da imunologia. Há vários passos críticos neste protocolo, incluindo a obtenção de populações celulares puras e viáveis, plaqueamento das células em confluência ideal, e padronizar as medições extracelulares ensaio de fluxo para a concentração de proteína em cada poço.
o initial número de células plaqueadas ambos podem ser visualizados por microscopia de luz e também ser quantificada usando medições da concentração de proteína. A correlação linear entre o número de células e concentração de proteína confirmou que a concentração de proteína pode realmente ser usado como uma maneira de padronizar os efeitos das mudanças no número de células entre diferentes poços.
Ao padronizar os resultados ECAR e OCR para as concentrações de proteína, que mostraram que, apesar de inferior a confluência celular, tão poucos como 2,5 x 10 5 células / poço pode ser usado na maioria dos ensaios, sem comprometer a qualidade dos dados. No entanto, o limite inferior de células que podem ser utilizadas variaram entre tipos de células e ensaios. Por exemplo, enquanto que somente 1,25 x 10 5 células poderia ser usado para as medições de OCR células B, até 2,5 x 10 5 células / poço não foram suficientes para avaliar o desempenho glicolítica do mesmo tipo celular. Por conseguinte, enquanto o número de células não é um factor limitativo, plaqueamento em mais90% de confluência, o que corresponde aproximadamente a 5 x 10 5 linfócitos / cavidade, é preferível. Otimização pode ser necessária quando as células de diferentes tamanhos, tais como previamente activado e são linfócitos-utilizado parcialmente diferenciadas. Além disso, quando se utiliza linfócitos primários previamente cultivadas, pode haver uma variação na viabilidade celular entre os diferentes condições de tratamento, o que diminuiria a fiabilidade da concentração de proteína, como uma medida do número de células desde mortos ou células que morrem também podem contribuir para os níveis de proteína medidos . Em tais casos, pode ser útil para classificar células vivas por citometria de fluxo antes da realização de ensaios de fluxo extracelulares.
Em nossos ensaios utilizando populações recém-isoladas e altamente viáveis de linfócitos, foram obtidos dados funcionais confiáveis para ambos os OCR e eCar medições. Embora todos os tipos de células se comportavam de forma semelhante no teste de estresse mitocondrial, marcantes diferenças entre os tipos de células foramobservada no teste de stress a glicólise. Por exemplo, o desempenho glicolítica de células T naive foi baixa em comparação com os esplenócitos ou células B, e não se alterou com a adição de oligomicina. Esta observação está de acordo com estudos previamente publicados 7,30, confirmando a validade do nosso protocolo.
Em conclusão, o método oferece uma maneira eficiente e conveniente de testar a actividade metabólica de linfócitos utilizando um analisador de fluxo extracelular, e que podem ser úteis em uma ampla gama de estudos imunológicos explorar as alterações metabólicas em células imunitárias mediante a activação, a diferenciação das células ou devido a fenótipos da doença, tais como infecção, autoimunidade e hematológicas malignas.
The authors have nothing to disclose.
The authors thank Dr. Michael N. Sack (National Heart, Lung, and Blood Institute) for support and discussion, Ms. Ann Kim for optimizing the B cell isolation protocol, Dr. Joseph Brzostowski for his help with microscopy, and Ms. Mirna Peña for maintaining the animals used. This study was supported by the Intramural Research Programs of the National Institutes of Health, National Institute of Allergy and Infectious Diseases, and National Heart, Lung, and Blood Institute.
PBS (pH 7.2) | Gibco-ThermoFisher | 20012-050 | To make MACS buffer |
Bovine Serum Albumin BSA | Sigma-Aldrich | A3803 | To make MACS buffer |
0.5M EDTA, pH 8 | Quality Biological | 10128-446 | To make MACS buffer |
autoMACS rinsing solution | Miltenyi Biotec | 130-091-222 | Instead of PBS + EDTA to make MS buffer. Also used in autoMACS Pro Separator. |
RPMI-1640 | Gibco-ThermoFisher | 11875-093 | Contains phenol red and L-glutamine |
Fetal Bovine Serum | Gibco-ThermoFisher | 10437-028 | For heat-inactivation, thaw frozen stock bottle in a 37 °C water bath and then inactivate at 56 °C for 30 minutes. Aliquot heat-inactivated serum for storage (e.g., in 50 mL conical tubes) and freeze at -20 °C until needed. |
Penicillin-Streptomycin (Pen Strep) | Gibco-ThermoFisher | 15140-122 | Combine Pen Strep with L-Glut 1:1 (if making 500mL media, make a total of 12 mL Pen Strep/L-Glut); keep aliquots at -20 °C until ready to make media. |
L-Glutamine 200mM (L-Glut) | Gibco-ThermoFisher | 25030-081 | Component of RF10 and stress test media |
Sodium pyruvate 100mM | Gibco-ThermoFisher | 11360-070 | Component of RF10 and stress test media |
HEPES 1M | Gibco-ThermoFisher | 15630-080 | Component of RF10 |
MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100X) | Gibco-ThermoFisher | 11140-050 | Component of RF10 |
2-Mercaptoethanol (55 mM) | Gibco-ThermoFisher | 21985-023 | Component of RF10 |
Falcon 70 μm cell strainer | Falcon-Fischer Scientific | 87712 | Used in cell isolation |
Monoject 3 mL Syringe, Luer-Lock Tip | Covidien | 8881513934 | Used in cell isolation |
Falcon 15mL Conical Centrifuge Tubes | Falcon-Fischer Scientific | 14-959-53A | Used in cell isolation |
Falcon 50mL Conical Centrifuge Tubes | Falcon-Fischer Scientific | 14-432-22 | Used in cell isolation |
ACK Lysing Buffer | Lonza | 10-548E | Used in cell isolation |
CellTrics 30 μm cell filter, sterile, single-packed | Partec CellTrics | 04-004-2326 | Used in cell isolation |
B Cell Isolation Kit, mouse | Miltenyi Biotec | 130-090-862 | Used in cell isolation |
Naïve CD4+ T cell isolation kit, mouse | Miltenyi Biotec | 130-104-453 | Used in cell isolation |
LS Column | Miltenyi Biotec | 130-042-401 | Used in cell isolation |
MidiMACS separator | Miltenyi Biotec | 130-042-302 | Magnet for separation |
MACS MultiStand | Miltenyi Biotec | 130-042-303 | Holder for magnets |
autoMACS Rinsing Solution | 130-091-222 | Rinsing solution for autoMACS Pro Separator | |
autoMACS Pro Separator Instrument | Miltenyi Biotec | N/A | |
2-Deoxy-D-glucose (2-DG) | Sigma-Aldrich | D8375-5G | |
Cell-Tak | Corning | 354240 | Cell adhesive. Take care to note concentration, as each lot is different (package is 1 mg). |
Oligomycin | Sigma-Aldrich | 75351 | |
2,4 Dinotrophenol (2,4-DNP) | Sigma-Aldrich | D198501 | |
Antimycin A | Sigma-Aldrich | A8674 | |
Rotenone | Sigma-Aldrich | R8875 | |
Glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | |
Halt Protease Inhibitor Cocktail | ThermoFisher Scientific | 78429 | Supplied as 100X cocktail, combine with RIPA to form 1X solution for lysis. |
RIPA Buffer | Boston BioProducts | BP-115 | |
Pierce BCA Protein Assay Kit | ThermoFisher Scientific | 23225 | Follow manufacturer's instructions |
Seahorse XFe96 FluxPak | Seahorse Bioscience | 101085-004 | Includes assay plates, cartridges, loading guides for transferring compounds to the assay cartridge, and calibrant solution. |
Seahorse XF Base Medium | Seahorse Bioscience | 102353-100 | Used to prepare stress test media |
Seahorse XFe96 Extracellular Flux Analyzer | Seahorse Bioscience | ||
Stericup Sterile Vacuum Filter Units, 0.22 μm | EMD Millipore-Fisher Scientific | SCGPU10RE | Used to sterile filter media. |
Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | 487031 | Dissolved to 0.1M and used to dilute Cell-Tak. |