The methods presented provide step-by-step instructions for the performance of a collection of microplate based respirometric assays using isolated mitochondria from minimal quantities of mouse skeletal muscle. These assays are able to measure mechanistic changes/adaptations in mitochondrial oxygen consumption in a commonly used animal model.
Skeletal muscle mitochondria play a specific role in many disease pathologies. As such, the measurement of oxygen consumption as an indicator of mitochondrial function in this tissue has become more prevalent. Although many technologies and assays exist that measure mitochondrial respiratory pathways in a variety of cells, tissue and species, there is currently a void in the literature in regards to the compilation of these assays using isolated mitochondria from mouse skeletal muscle for use in microplate based technologies. Importantly, the use of microplate based respirometric assays is growing among mitochondrial biologists as it allows for high throughput measurements using minimal quantities of isolated mitochondria. Therefore, a collection of microplate based respirometric assays were developed that are able to assess mechanistic changes/adaptations in oxygen consumption in a commonly used animal model. The methods presented herein provide step-by-step instructions to perform these assays with an optimal amount of mitochondrial protein and reagents, and high precision as evidenced by the minimal variance across the dynamic range of each assay.
İskelet kası mitokondri ana fizyolojik rolü oksidatif fosforilasyon 1 ATP üretmektir. Önemlisi, iskelet kası mitokondrinin 3, dejeneratif hastalıkları 4 ve Tip II diyabet 5 yaşlanma, egzersiz kapasitesi 2 belirli bir rol oynamaktadır. Yaşlanan bir toplum ve Tip II Diyabet ABD'de 6 ölüm 7. önde gelen nedeni olarak, mitokondriyal fonksiyonu değerlendirmek yöntemlere ihtiyaç biyomedikal araştırma 7,8 giderek daha yaygın hale gelmiştir. Oksidatif fosforilasyon 9 fonksiyonel bileşenlerini ifade mitokondriyal ve nükleer genom koordineli fonksiyonunu temsil beri Özellikle, oksijen tüketiminin ölçülmesi mitokondriyal fonksiyon değerlendirilmesinde olağanüstü yarar vardır.
Çeşitli teknolojiler bu sağlam hücrelerde oksijen tüketiminin ölçümü sağlar ve izole bulunmamaktad mitokondri 7-10. Buna ek olarak, deneyler, birden fazla hücre tipi ve dokusunda için geliştirilen ve mitokondriyal yolları ve solunum kontrolü 9,11,12 ölçümüne imkan veren türün çeşitli edilmiştir. Bununla birlikte, mikro-tabanlı oksijen tüketimi teknolojileri kullanım için fare iskelet kasından izole mitokondri kullanarak bu tahlillerin tümüne derlenmesine açısından literatürde void vardır. Önemlisi, mikroplate bazlı Respirometrik tahlillerin kullanılması mitokondriyal biyologlar arasında büyüyen ve izole mitokondri 9 minimal miktarlarda kullanılarak yüksek verimli ölçümler için izin verir. Bu nedenle, mikroplate bazlı Respirometrik tahliller bir koleksiyon anormallikleri ve / veya uyarlamalar elektron taşıma zinciri (ETC) meydana olabilir nerede saptayarak izin veren geliştirilmiştir. Buna ek olarak, iki ilave mikroplaka göre respirometrik deneyler koordinasyon değerlendirme betwee etkinleştirmek geliştirilmiştirtrikarboksilik asit (TCA) döngüsü ve OGS ve ß-oksidasyon ve VB ile n Önemlisi, sunulan yöntemlerin yaygın olarak kullanılan bir hayvan modelinde mitokondriyal fonksiyon mekanik değişiklikleri ölçmek için bir açık ve özlü bir yol sağlar.
Fare iskelet kası 100 mg – Bu makalede sunulan yöntemler 75 izole edilen mitokondri kullanarak mikroplaka bazlı Respirometrik tahlillerin bir koleksiyon performansı için adım adım yönergeler sağlar. Üç kopya halindeki gözlerin arasında sıkı standart sapma ile kanıtlandığı gibi Bu deneyler, yüksek bir kesinlikle gerçekleştirilebilir. Önemlisi, bu Respirometrik deneyler anormallikler ve / veya uyarlamalar yaygın olarak kullanılan bir hayvan modelinde ETC, TCA döngüsü, β-oksidasyon yolu, alt tabaka taşıyıcılar, vb meydana olabilir nerede saptayarak izin verir.
Bu protokolde kullanılan çeşitli yakıtlar ve inhibitörleri kullanım gerekçesini vurgulamak önemlidir. Piruvat / malat ve glutamat / malat respirometrik deneyler Kompleks I aracılı solunum değerlendirmesi ve aynı zamanda bunların ilgili taşıyıcılar değerlendirilmesi için izin verir ve glutamat durumunda deaminaz 15. Seçenek olarak ise, kombinerotenone karmaşık I inhibe eder ve süksinat flavin adenin dinükleotid azaltılması yoluyla Kompleks II'nin elektronları sağladığı süksinat / rotenone (FADH 2) 15 ETC Kompleksi II ile mitokondriyal solunum akının değerlendirilmesini sağlar. Bu deneyler kavrama verimliliği ve maksimal solunum olarak substrat özgü bilgiler sağlar. Elektron akış deneyi substratları ve önleyicilerinin kombinasyonu mitokondriyal solunum akı 9 sırasında birden fazla kompleksleri değerlendirilmesi için izin vermesidir eşsizdir. Süksinat ardından rotenone enjeksiyon Kompleksi II tarafından tahrik değerlendirme maksimum solunum için izin verirken piruvat / malat + FCCP ilk substrat karışımı, Kompleks I tarafından yönlendirilen maksimal solunum değerlendirilmesi için izin verir. Askorbat enjeksiyonu takiben Antimycin A enjeksiyonu, Kompleks III inhibitörü, / TMPD Askorbat yana Kompleks IV ile tahrik edilen solunum değerlendirilmesine olanak tanır / TMPD is anSitokrom C / Kompleks IV elektron verici. Bağlama verimliliği hiçbir bilgi elde edilirken, yöntem bağımsız birden fazla alt tabakaları çalışan engel çok küçük örneklem büyüklüğü için idealdir. Son olarak, palmitoil karnitin / malat kullanılması β-oksidasyon ve palmitik asit (β-oksidasyon) oksidasyonu sonucunda ortaya çıkan indirgeme eşdeğer beri ETC arasındaki koordinasyon değerlendirilmesi için izin verir flavoprotein 15 aktarma elektron yoluyla ETC besleyen. Bu bağlama ve elektron akış deneyleri, aynı zamanda, bazı müdahale nedeniyle (ilaç tedavisi, genetik manipülasyon) mitokondriyal fonksiyon değişiklikleri tespit etmek üzere birbiri ardında olarak kullanılabileceği unutulmamalıdır.
Bu tahliller için elde yüksek hassasiyetli protein tayini, ya da alt-tabaka çözeltiler ile önceden olup, mitokondri iyice karışması yatmaktadır. Bu doğrultuda, mitokondri kez substrat solutio içinde resuspendend edilirns, bu genişletilmiş bir menfez pipet ile Aşama 2.2 de tarif edildiği gibi hücre kültür plakası yüklemeden önce iyice Bu çözelti karıştırmak için kritik öneme sahiptir. Mitokondri karıştırmak için Başarısızlık iyice tahlil içinde büyük değişime yol açacaktır. Buna ek olarak, mitokondri karıştırma ve süre kesme kuvvetleri yaratacak dar delikli bir pipet kullanarak yapışma adım (2.7) de bu protokolü önemli bir adımdır mitokondriyal membranlar ve Sitokrom C salınımını zarar potansiyelini artırır. Uzun / yeterince hızlı yüklenen hücre kültürü plakasını dönmeye Başarısızlık böylece kuyu ve ölçümler arasında artan değişkenliği lider, kuyuya mitokondri eksik bağlılık neden olacaktır.
Hisse senedi ve yüzey çözümleri yapmak için doğru konsantrasyonları / hazırlama yöntemleri kullanılarak, başına iyi mitokondriyal protein optimum miktarda yükleme tahlil çalıştırmak değiştirerek mitokondriyal devlet pla sağlamak için: açıklanan protokol içerecek şekilde optimize edilmiştirteaus ve mitokondriyal stok ve mitokondriyal / substrat karışımları uygun karıştırma. Bu optimizasyon çalışmalarından önce, yazarlar tahlil vadede tuzaklar karşılaştı. Aşağıdaki sorun giderme yöntemlerini / bu protokolü optimize yararlı değişiklikleri tartışıyor. Microchamber içindeki oksijeni dışarı atmasını sağlar ve ölçümde yol açacaktır çok mitokondri yüklenirken optimal yüklenmesi ile ilgili olarak, yükleme çok az mitokondri, güçlü bir yanıt ortaya çıkarmak olmaz. Rogers ve diğerleri 9 mikroplaka göre respirometrik deneyleri için oyuk başına mitokondri optimal yükleme miktarını belirlemek örnekleri sağlar. Daha sık, çok fazla mitokondri başına yüklenen sıra devlet tarafından kanıtlanan 2 oranlarını 100-200 pmol / dakika boyunca / kuyu ve devlet 3 oranlar> 1500 pmol / dak / kuyu olduğunu. (. – 10 ug, örneğin 1 arasında) dinamik r içindeki OCRs ortaya çıkarmak için üzerinde yükleme oluşursa, mitokondriyal protein konsantrasyonu değişen bir deneyi gerçekleştirmekoksijen tüketimi ölçüm makinesinin ange. Hazırlanması ve yüzeylerde ve stokların doğru konsantrasyonları kullanılarak büyük önem taşımaktadır. Her alt-tabakalar / enjeksiyon asit formunun kullanımı ve potasyum hidroksit ya da HCI ile pH ayarlamak; Sodyum tamponları / çözüm tavsiye edilmez. Buna ek olarak, resuspending yüzeyler / DMSO veya% 100 etanol içinde stokları ölçüm hatası veya hata neden olur. Not nerede% 95 etanol kullandığınızdan emin olun. Bu palmitoil karnitin ve böylece büyük bir değişkenlik neden dondurulmuş stok çözündürüldükten sonra% 95 etanol içinde çökelmeye yaygındır. Kullanmak için iyi önce palmitoil karnitin stok ve girdap ısınmak emin olun. Buna ek olarak, bir çok değişken piruvat / malat tahlil sonucu nedeniyle 2 hafta eski piruvat stok varlığa> olabilir. Pirüvat dondurulmuş alikotları 2 haftada yeniden emin olun. Tahlil çalıştırmak mitokondriyal devlet yaylaları sağlamak için 2-min ölçümlerine güncellenmiştir. ADP tüketilmesi gözlem isteniyorsa, araştırmacı olabilir"Deney Sihirbazı" forumun altında "Protokol" sekmesi altında ölçüm süresini uzatmak. Son olarak, büyük değişkenlik mitokondriyal hisse senedi ve mitokondrinin artı alt tabakanın çözümleri yükleme tam öncesinde homojenize değildir oluşur. Kuyular arasındaki değişkenlik tahlil çalıştırdıktan sonra yüksek ise, tam öncesinde bir sonraki deneyde substrat çözüm karıştırmak emin olun. Asla mitokondri / substrat çözümleri vorteks yerine, püre karıştırın ve nazikçe genişletilmiş menfez pipet ile çiğnemek.
Fazlalaştı olan bu tekniğin bazı sınırlamalar vardır. İlk olarak, bu deneyler için kullanılan hücre kültürü levha üzerindeki kuyu sayısı nispeten düşüktür (yani., 24 kuyu ve boş kuyu için belirlenmiş en az 2). Bu bir plaka üzerinde, bu tahlillerde tüm 5 gerçekleştirmek için arzu edildiği takdirde, araştırmacı bir seferde sadece bir fare yanıtları incelemek edebilmektedir. Bununla birlikte, 96 gözlü araçlar highe için uygun olduğuna dikkat edilmelidirr çıktı. İkincisi, bozulmamış hücrelere 1 ile karşılaştırıldığında izole mitokondri mitokondriyal disfonksiyon değerlendirilmesi doğasında güçlü ve zayıf yönleri vardır. Bazı zayıflıklar bozulmamış hücreler ve izolasyon süreci uyaran eserler ile karşılaştırıldığında daha az fizyolojik alaka sahip bulunmaktadır. Son olarak, bu yöntemin başarısı mitokondriyal izolasyon sürecinin kalitesi bağlıdır.
Bu deneylerin bir kısmını ya da farklı sistemlerde geliştirilmiştir ve diğer hayvan modellerinde doğrulanmıştır olmasına rağmen, burada sunulan metotlar, bir çok-çukurlu oksijen tüketimi ölçüm makinesi kullanılarak farede en iyi kullanım için yukarıda bahsedilen deneylerde tüm sentez ilk sırada iskelet kas. Böylece çok az malzeme ile yüksek verim sağlayan bir fare iskelet kasının 100 mg – Daha da önemlisi, bu tahlillerin tümüne 5 ~ 75 izole mitokondri miktarı ile gerçekleştirilebilir. Büyük öneme, çok çukurlu yeteneği arasındaoksijen tüketimi teknolojileri optimize edilmiş bir izolasyon yönteminin ile birleştirilmiş mitokondri minimal miktarlarda ile analizi gerçekleştirmek için, bir araştırmacı, iskelet kas dokusunda geri kalan diğer deneyler (örneğin., Western lekeleme çok sayıda gerçekleştirmek için olanak sağlar, RT-PCR, enzimatik deneyler, sık sık bu hayvan modeli ile bir mücadele vb).
Sonuç olarak, burada sunulan yöntemler fare iskelet kası minimal miktarlarda kullanılarak mikroplaka bazlı Respirometrik tahlillerin bir koleksiyon performansı için adım adım yönergeler sağlar. Önemli olarak, sunulan yöntemler doku ve mitokondri az miktarlarda gerektirir. Hakim sonra, burada tarif edilen teknikler araştırmacılar sıklıkla kullanılan bir hayvan modeli mitokondriyal oksijen tüketimi bir bileşik ya da bir gen ürünün muhtemelen mekanizmasını belirlemek için izin verir.
The authors have nothing to disclose.
The Fralin Life Science Research Institute and The Metabolic Phenotyping Core at Virginia Tech supported this work.
Sucrose | Sigma Aldrich | S7903 | Store at room temperature |
D-Mannitol | Sigma Aldrich | 63559 | Store at room temperature |
Potassium phosphate monobasic, minimum 99.0% | Sigma Aldrich | P5379 | Store at room temperature |
Magnesium chloride hexahydrate, ACS reagent, 99.0-102.0% | Sigma Aldrich | M9272 | Store at room temperature |
HEPES minimum 99.5% titration | Sigma Aldrich | H3375 | Store at room temperature |
EGTA | Sigma Aldrich | E4378 | Store at room temperature |
Essentially Fatty | Sigma Aldrich | A6003 | Store at 4°C |
Acid Free- BSA | |||
Pyruvic Acid, 98% | Sigma Aldrich | 107360 | Store at 4°C |
Succinic Acid | Sigma Aldrich | S9512 | Store at room temperature |
L(-) Malic Acid, BioXtra, ≥95% | Sigma Aldrich | M6413 | Store at room temperature |
L-Glutamic acid | Sigma Aldrich | G1251 | Store at room temperature |
N,N,N′,N′-Tetramethyl-p-phenylenediamine | Sigma Aldrich | T7394 | Store at room temperature |
99%, powder [TMPD] | |||
Palmitoyl L-carnitine chloride | Sigma Aldrich | P1645 | Store at -20°C |
Oligomycin A, ≥ 95% (HPLC) | Sigma Aldrich | 75351 | Store at -20°C |
Carbonyl cyanide 4-(trifluoromethoxy) | Sigma Aldrich | C2920 | Store at 2-8°C |
phenylhydrazone | |||
≥98% (TLC), powder [FCCP] | |||
Antimycin A from streptomyces sp. | Sigma Aldrich | A8674 | Store at -20°C |
Adenosine 5′-diphosphate monopotassium salt dehydrate [ADP] | Sigma Aldrich | A5285 | Store at -20°C |
Rotenone | Sigma Aldrich | R8875 | Store at room temperature |
Pierce™ BCA Protein Assay Kit | Thermo Scientific | 23225 | N/A |