Den metaboliska statusen för humana retinala pigmentepitelceller (H-RPE) återspeglar deras hälsa och funktion. Här presenteras ett optimerat protokoll för att undersöka det metaboliska flödet i realtid av H-RPE med hjälp av högupplöst respirometri.
Metabolisk dysfunktion av retinala pigmentepitelceller (RPE) är en viktig patogen drivkraft för retinala sjukdomar som åldersrelaterad makuladegeneration (AMD) och proliferativ vitreoretinopati (PVR). Eftersom RPE är mycket metaboliskt aktiva celler återspeglar förändringar i deras metaboliska status förändringar i deras hälsa och funktion. Högupplöst respirometri möjliggör kinetisk analys i realtid av de två huvudsakliga bioenergetiska vägarna, glykolys och mitokondriell oxidativ fosforylering (OXPHOS), genom kvantifiering av extracellulär försurningshastighet (ECAR) respektive syreförbrukningshastighet (OCR). Följande är ett optimerat protokoll för att utföra högupplöst respirometri på primära humana retinala pigmentepitelceller (H-RPE). Detta protokoll ger en detaljerad beskrivning av stegen som är involverade i att producera bioenergetiska profiler av RPE för att definiera deras basala och maximala OXFOS och glykolytiska kapacitet. Att exponera H-RPE för olika läkemedelsinjektioner riktade mot mitokondriella och glykolytiska maskiner resulterar i definierade bioenergetiska profiler, från vilka viktiga metaboliska parametrar kan beräknas. Detta protokoll belyser det förbättrade svaret hos BAM15 som ett frikopplingsmedel jämfört med karbonylcyanid p-trifluormetoxifenylhydrazon (FCCP) för att inducera maximal andningskapacitet i RPE. Detta protokoll kan användas för att studera den bioenergetiska statusen för RPE under olika sjukdomsförhållanden och testa effekten av nya läkemedel för att återställa den basala metaboliska statusen för RPE.
Retinala pigmentepitelceller (RPE) existerar som ett monolager av pigmenterade epitelceller strategiskt placerade mellan fotoreceptorerna och det fenestrerade endotelet i choriocapillaris. RPE är mycket metaboliskt aktiva med många funktioner, inklusive (1) fagocytos av skurna fotoreceptorskivor, (2) återvinning av visuellt pigment för att upprätthålla den visuella cykeln, (3) transport av näringsämnen, metaboliter, joner och vatten, (4) absorption av ljus, (5) skydd mot fotooxidation, (6) utsöndring av väsentliga faktorer för att stödja retinal integritet och (7) bildning av den yttre blod-retinala barriären1 . Degeneration av RPE är associerad med metabolisk dysfunktion och mitokondriella defekter, vilket leder till blindande ögonsjukdomar som åldersrelaterad makuladegeneration (AMD) och proliferativ vitreoretinopati (PVR)2.
Två viktiga bioenergetiska vägar inkluderar glykolys, som förekommer i cytoplasman, och oxidativ fosforylering (OXPHOS), som förekommer i mitokondrier. Under glykolys omvandlas en molekyl glukos till två molekyler pyruvat och en nettoproduktion av två molekyler adenosintrifosfat (ATP). I motsats till glykolys producerar OXPHOS mycket högre nivåer av ATP (~ 32-38 molekyler ATP per glukosmolekyl). I synnerhet förbrukar OXPHOS syre och kräver funktionell mitokondrier, medan glykolys sker i cytoplasman och inte kräver syre.
Före introduktionen av fluorescens- eller fosforescensbaserade tekniker för att undersöka mitokondriell andning mättes syrehalten i permeabiliserade cellsuspensioner i kammare utrustade med en syrgaselektrod av Clark-typ3. Medan Clark-elektroden är mycket billigare än fluorescensbaserad respirometri och fungerar i icke-vidhäftande celler, är den relativt låg genomströmning, med varje andningskörning som varar cirka 15-20 minuter och kräver mycket högre mängder celler för varje prov3. Således har den fluorescensbaserade respirometritekniken till stor del ersatt Clark-elektroden och har blivit en populär teknik inom metabolism och mitokondriell forskning.
Detta protokoll beskriver en fluorescensbaserad respirometriteknik med hög genomströmning och hög upplösning som kinetiskt mäter OXFOS och glykolytiska bioenergetiska profiler hos levande celler. Eftersom processen med OXPHOS förbrukar syre produceras den bioenergetiska profilen för OXPHOS genom att kartlägga förändringar i syreförbrukningshastigheten (OCR) över tid4. I denna teknik är två fluoroforer inbäddade i sensorpatronhylsan som är ansluten till fiberoptiska buntar som avger ljus, spännande fluoroforerna. Förändringar i fluoroforemission mäts av mycket känsliga fluorescenssensorer och överförs genom det fiberoptiska knippet för att omvandlas till en OCR-avläsning5. Fluoroforen släcks av syre, vilket möjliggör bestämning av extracellulära syrenivåer i analysmediet, känt som syreflöde eller OCR. Den andra fluoroforen är en pH-sensorsond som är känslig för förändringar i protonutflöde, som omvandlas till ett mått på extracellulär försurningshastighet (ECAR). Under mätningarna sänks de fiberoptiska buntarna med inbäddade fluoroforer till 200 μm över cellmonolagret, vilket skapar en övergående mikrokammare som möjliggör snabba realtidsavläsningar. När en 10% förändring av syre- eller protonnivåerna detekteras lyfts sensorerna uppåt, vilket gör att en större volym media kan blandas med det övergående mikrokammarmediet, vilket återställer OCR- och ECAR-värdena tillbaka till baslinjen. Varje sensorpatron är utrustad med fyra portar för att möjliggöra sekventiell administrering av upp till fyra föreningar per brunn under analysen. Mätningar kan samlas in före och efter injektion av föreningarna i varje port, vilket avslöjar viktig information om cellernas metaboliska status.
Att undersöka dessa två distinkta metaboliska vägar kan ge viktiga upptäckter om RPE: s metaboliska status efter exponering för olika patogena stimuli och kan därför användas för att testa effekten av läkemedel för att återställa den metaboliska integriteten hos RPE 6,7,8. Tillkomsten av respirometri med hög genomströmning och tillgängligheten av specifika mitokondriella hämmare har stimulerat mer forskning för att definiera de bioenergetiska profilerna för RPE och identifiera defekter i metabolism och mitokondrier under sjukdomstillstånd 6,7,8,9,10,11,12,13 . Högupplöst respirometri har belyst nyckelrollen för metabolisk omprogrammering av RPE i retinala patologier som AMD och PVR. Två viktiga cytokiner involverade i patogenesen av AMD och PVR är transformerande tillväxtfaktor-beta 2 (TGFβ2) och tumörnekrosfaktor-alfa (TNFα). Induktionen av epitelial-mesenkymal övergång (EMT) med TGFβ2 åtföljs av mitokondriell dysfunktion, OXFOS-undertryckning och en kompensatorisk ökning av glykolytisk kapacitet i RPE6. På senare tid har det proinflammatoriska cytokinet, TNFα, visat sig inducera en signifikant uppreglering av basal OXPHOS och minskad glykolys i H-RPE7. Administrering av dimetylfumarat undertryckte signifikant TNFα-inducerad inflammation i H-RPE och återställde mitokondriell morfologi och basala bioenergetiska profiler7. De divergerande metaboliska profilerna som induceras av dessa två tillväxtfaktorer stimulerar spännande mekanistiska frågor om involvering av metabolisk omprogrammering i näthinnesjukdomar. Följande protokoll beskriver stegen för att bedöma OXPHOS och glykolytiska bioenergetiska profiler i H-RPE med högupplöst respirometri.
Detta optimerade protokoll för högupplöst respirometri av H-RPE innebär användning av BAM15 som frånkoppling istället för den vanliga FCCP. Medan tidigare studier på högupplöst respirometri av RPE använde FCCP 9,24, verkar BAM15 inducera en mer robust induktion av maximala andningsnivåer i H-RPE jämfört med FCCP. Medan både FCCP och BAM15 är säkra att använda i celler, rapporteras BAM15 ha färre biverkningar i normala celler jämfört med FCCP eller karbonylcyanid-3-klorfenylhydrazon (CCCP)25. visade att BAM15 depolariserar mitokondrier utan att påverka plasmamembranpotentialen, vilket inducerar en ihållande maximal mitokondriell andningshastighet vid låg cytotoxicitet26. FCCP, å andra sidan, depolariserar både mitokondrier och plasmamembranet och uppvisar högre cytotoxicitet26.
Det finns flera kritiska steg i protokollet, inklusive att säkerställa att cellerna är ordentligt pläterade i ett sammanflytande, jämnt och homogent monolager av RPE i alla experimentella brunnar i mikroplattan. Mogna RPE är starkt beroende av OXPHOS för energiproduktion, och därför bör cellerna tillåtas mogna i minst 1 månad för att säkerställa att RPE genererar korrekta basala och maximala OCR-avläsningar under analysen. Avgasning av cellodlingsplattan i 1 timme vid 37 °C i en fuktad ugn (utan CO 2) innan den placeras i instrumentet är avgörande för noggranna ECAR-avläsningar, eftersom CO2 kan påverka analysmediets pH. Det är viktigt att komma ihåg att hydrera sensorpatronen dagen före analysen för att säkerställa att den ger tillförlitliga OCR- och ECAR-avläsningar på analysdagen. Försiktighet bör iakttas för att korrekt rekonstituera de läkemedel som ska injiceras och fördela de rekonstituerade läkemedelslagren i mindre volymer för långtidsförvaring för att minimera frys-/upptiningscykler. Det är viktigt att förbereda 10x läkemedelslösningar som späds ut i respektive analysmedium (t.ex. utspädd i Mito Stress Test-analysmedia för Mito Stress Test) för att ta hänsyn till utspädningen från injektion av läkemedlet i varje brunn fylld med analysmedia. Med varje efterföljande läkemedelsinjektion finns det mer media i varje brunn, och därmed ökar volymerna av läkemedel som laddas med varje injektion, och försiktighet bör iakttas för att följa de volymer som anges i protokollet. Det är viktigt att utföra kvalitetskontroller efter avslutad experiment genom att undersöka sensorpatronen för att säkerställa att inget kvarvarande läkemedel är uppenbart och observera cellodlingsplattan under ett mikroskop för att säkerställa att det sammanflytande och homogena cellmonoskiktet kvarstår.
Ändringar av detta protokoll inkluderar att injicera olika läkemedel i portarna och bestämma hur dessa läkemedel påverkar OCR- och ECAR-avläsningar. En populär modifiering är att injicera ett experimentellt läkemedel av val som Port A innan du injicerar de vanliga Mito eller glykolytiska stresstestdrogerna. Denna typ av protokoll ger insikter i hur en akut injektion av det valda läkemedlet påverkar de efterföljande OXFOS- och glykolytiska parametrarna. Andra modifieringar inkluderar att undersöka olika celltyper; Detta kräver initial felsökning av den optimala såddcelldensiteten och optimering av analysmediet genom att säkerställa att basala avläsningar sträcker sig från 50-100 pmol / min för OCR och 10-20 mpH / min för ECAR. De optimala koncentrationerna av de injicerade läkemedlen måste bestämmas för varje ny celltyp som undersöks genom att observera OCR- och ECAR-svaren på en serieutspädning av läkemedlen.
En viktig begränsning i protokollet är att cellviabiliteten minskar med tiden, eftersom cellerna inte befinner sig i en CO2-inkubator i sina normala tillväxtmedier, och därför bör analysen slutföras inom 3-4 timmar för att säkerställa maximal cellviabilitet. Dessutom kan exponering för mitokondriella toxiner som injiceras i varje brunn ytterligare minska cellens livskraft över tiden. När analysen är klar måste cellerna lyseras för utvärdering av proteininnehållet för att normalisera OCR- och ECAR-avläsningar, och därför kan samma celler inte skördas för efterföljande molekylärbiologiska analyser.
Alternativ till Seahorse för bioenergetisk profilering inkluderar Oroboros Oxygraph 2k (O2k)27, BaroFuse28,29 och Resipher (Lucid Scientific)7. Oroboros O2k är en sluten tvåkammars respirometer som använder polarografiska syreelektroder av S1 Clark-typ. Medan Oroboros O2k producerar mycket känsliga mätningar av metaboliskt flöde i realtid, är enheten arbetsintensiv eftersom operatören måste injicera varje läkemedel30 manuellt. BaroFuse är ett nytt flerkanaligt mikrofluidiskt perfusionssystem som använder gastryck för att möjliggöra flera parallella perfusionsexperiment och är kopplat till ett syredetekteringssystem för att mäta OCR. Fördelen med detta flödesodlingssystem är att vävnadens funktion och livskraft bibehålls, i motsats till Seahorse där cellviabiliteten minskar under längre analyser. Resipher använder mycket känsliga optiska syresensorer för att mäta OCR medan cellerna befinner sig i en 96-brunnsplatta i inkubatorn, vilket möjliggör kontinuerliga OCR-mätningar under flera veckor till månader. Noterbart är att dessa instrument inte mäter ECAR, och därmed har Seahorse fördelen att samtidigt utforska både OXPHOS och glykolys.
Att ifrågasätta bioenergetiska profiler i realtid av OXPHOS och glykolys framträder som en nyckelfaktor för att karakterisera RPE-hälsa och funktion. Högupplöst respirometri möjliggör ett effektivt sätt att jämföra den metaboliska statusen för normal och sjuk RPE, vilket öppnar nya vägar för screening av läkemedelseffektivitet för retinala sjukdomar som AMD och PVR. Framtida riktningar för högupplöst respirometri på RPE inkluderar optimering av ett protokoll för att undersöka bioenergetiska profiler för högpolariserade RPE-monolager odlade på transwellfilter. Calton et al. (2016) uppnådde framgångsrikt detta genom att skära en triangulär sektion av det polariserade RPE-monolagret odlat på transwellfilter31. Ytterligare utvidgning av metoden inkluderar att undersöka de bioenergetiska profilerna för inducerad pluripotent stamcellshärledd RPE (iPSC-RPE), isolerad från patienter med olika retinala degenerativa tillstånd32. Utforskning av hur patogena cytokiner involverade i AMD och PVR påverkar RPE-metabolismens dynamiska natur kan avslöja metaboliska sårbarheter som kan informera identifieringen av nya läkemedelsmål.
The authors have nothing to disclose.
Denna studie stöddes delvis av bidrag från: Fight for Sight Leonard & Robert Weintraub Postdoctoral Fellowship (D.Y.S.); BrightFocus Foundation Postdoctoral Fellowship Program i makuladegenerationsforskning (M2021010F, D.Y.S.); Department of Defense, Spinal Vision Research Program under Award no. VR180132 (M.S.-G. och L.A.K.); National Eye Institute of National Institutes of Health under Award no. R01EY027739 (L.A.K.). Erkännande görs till givarna av Macular Degeneration Research M2021010F, ett program från BrightFocus Foundation, för stöd till denna forskning. Scheman skapades med Biorender.com
2-Deoxy-D-glucose | Sigma | D8375-5G | Reconstituted in the Glycolytic Assay Media from its powder form and used in the Glycolytic Stress Test (Port C injection) |
96 Well Non-Treated Plate, 5/Pack, Sterile | VWR | 229597 | BCA Assay 96-well plate |
Antimycin A from Streptomyces sp. | Sigma | A8674-25MG | Inhibitor of Complex III of the electron transport chain (part of the Port C drug injection together with rotenone) |
BAM15 | Sigma | SML1760-5MG | Uncoupling agent used for the Mito Stress Test (Port B injection) |
BCA Assay | ThermoFisher | 23225 | To determine total protein content in each well |
Calibrant Solution | Seahorse Bioscience | 100840-000 | Solution used to calibrate the probes of the sensor cartridge |
Cell Lysis buffer 10x | Cell Signaling Technologies | 9803S | Dilute 10x Cell Lysis Buffer to a 1x solution using deionized water and add 1 mM PMSF before use |
D-(+)-Glucose solution | Sigma | G8644-100ML | Supplement to be added to the Mito Stress Test assay media and also used in the Glycolytic Stress Test (Port A injection) |
DMSO, Cell culture grade | Sigma-aldrich | D4540-100ML | For reconstituting all mitochondrial drugs except for 2DG |
FCCP | Sigma | C2920-10MG | Uncoupling agent used for the Mito Stress Test (Port B injection) |
GlutaMAX | Gibco | 35050061 | Supplement to be added to the assay media for both the Mito and Glycolytic Stress Tests |
HEPES solution | Sigma | H0887-100ML | Supplement to be added to the assay media for both the Mito and Glycolytic Stress Tests |
H-RPE – Human Retinal Pigment Epithelial Cells | Lonza | 194987 | Primary human fetal RPE cells |
Oligomycin – CAS 1404-19-9 – Calbiochem | Sigma | 495455-10MG | ATP synthase inhibitor used for the Mito Stress Test (Port A injection) and Glycolytic Stress Test (Port B injection) |
Parafilm | Bemis | PM996 | To seal the plate once the cells are lysed to prevent evaporation in the freezer |
Phenylmethylsulfonyl fluoride (PMSF) Protease Inhibitor | Gold Biotechnology Inc | 50-153-2823 | Used at 1 mM for the 1x Cell Lysis Buffer solution |
ReagentPack Subculture Reagents, 100 mL | Lonza | CC-5034 | Passaging reagents for primary human fetal RPE cells. Each kit contains 100 mL Trypsin/EDTA, Trypsin Neutralizing Solution, HEPES Buffered Saline |
Rotenone | Sigma | R8875-1G | Inhibitor of Complex I of the electron transport chain (part of the Port C drug injection together with antimycin A) |
RtEGM Retinal Pigment Epithelial Cell Growth Medium BulletKit – RtEBMTM Basal Medium (00195406) and RtEGMTM SingleQuots Supplements (00195407) | Lonza | 195409 | Media for primary human fetal RPE cells |
Seahorse XFe96 Analyzer | Agilent | High-Resolution Respirometry Instrument | |
Seahorse XFe96 FluxPak | Agilent | 102416-100 | This contains the 96-well Seahorse Cell Culture Microplate, the sensor cartridge and the calibrant solution |
Sodium pyruvate solution | Sigma | S8636-100ML | Supplement to be added to the Mito Stress Test assay media |
Steriflip-GP Sterile Centrifuge Tube Top Filter Unit, 50 mL process volume, 0.22 µm pore size | Millipore-Sigma | SCGP00525 | Tube top filter unit for sterile filtration of the assay media |
Synergy H1 Plate Reader | BioTek | Plate Reader for measuring absorbance at 562 nm for the BCA assay | |
XF base medium without phenol red | Agilent | 103335-100 | Base media for running the Seahorse assay |