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.
Mientras que los macrófagos juegan un papel central en prácticamente todas las enfermedades, los mecanismos moleculares que regulan su fenotipo todavía no están totalmente desenredado. Los macrófagos muestran gran heterogeneidad y en respuesta a la microambiente adoptan diferentes fenotipos 1. LPS (+ IFN) inducida clásicamente activados M1 o M (LPS) macrófagos promueven la inflamación y protegen al huésped frente a diferentes tipos de amenazas microbianas 2. Otros utilizan IFN solo o en combinación con TNF como estímulos para provocar M1 polarización. IL-4 y / o IL-13 induce la activación de macrófagos alternativa y estos M2 o células M (IL-4) son potentes supresores y reguladores de la respuesta inmune en curso 3. Macrófagos polarizadas muestran una regulación distinta del metabolismo celular con macrófagos M1 activados con LPS de someterse a un cambio metabólico para mejorar la glucólisis 4-6. Oxidación de ácidos grasos contrario, mejorado (FAO) y oxidativ mitocondriale fosforilación (fosforilación oxidativa) proporciona energía sostenida en los macrófagos M2 inducidas por IL-4 7-9. Por lo tanto, el metabolismo alterado no sólo es una característica de los subconjuntos de macrófagos polarizadas, también es un requisito previo para la polarización adecuada y la regulación inflamatoria. Es importante destacar que la inhibición de la glicólisis o la fosforilación oxidativa / FAO se ha demostrado que la activación deteriorar M1 o M2, respectivamente 8,10. Como tal, la identificación de los cambios metabólicos en los macrófagos podrían aplicarse como una herramienta para evaluar su estado de polarización y potencial inflamatorio.
Por consiguiente, un ensayo consistente que mide el metabolismo de macrófagos podría ser utilizado para predecir si un fármaco, gen derribar u otro tratamiento afecta a la polarización y la función de los macrófagos. En este video, un analizador de flujo extracelular se utiliza para caracterizar los perfiles bioenergética de ingenuos, M1 y M2 macrófagos.
Este manuscrito detalla un protocolo optimizado que permite la mediciónde todos los parámetros relevantes glucólisis (glucólisis, glucólisis máxima y reserva glucolítica) y características de la función mitocondrial (respiración total, la respiración mitocondrial basal, la producción de ATP, de fugas de protones, la respiración máxima y capacidad respiratoria repuesto) en un solo ensayo. El uso de este sistema experimental, bioenergética se pueden comparar entre el control y 'alterado' (por ejemplo, gen tumbar, la sobreexpresión transgénica o tratamiento farmacológico) células.
El objetivo de nuestro laboratorio es entender cómo la polarización y la función de los macrófagos pueden ser influenciados con el objetivo final de mejorar el resultado de la aterosclerosis y otras enfermedades inflamatorias 12. Para evaluar la polarización de macrófagos, se mide típicamente los LPS (+ IFN) inducida por IL-4 y-inducidos de expresión génica de los genes marcadores M1 y M2 (qPCR), determina IL-6, IL-12, TNF y secreción de NO (por ELISA y Griess reacción) y examina inducida por IL-4 CD71, CD206, CD273 y CD301 expresión en la superficie (por citometría de flujo) y la actividad arginasa 3,13. Adicionalmente, ensayos de apoptosis (por Anexina-V / tinción PI), ensayos de fagocitosis (con perlas fluorescentes de látex y / o pHrodo E. coli) y ensayos de formación de células espumosas (por captación de Dil-oxLDL, la tinción de lípido neutro LipidTOX) se pueden realizar para evaluar la funcionalidad de los macrófagos 14. Además, el análisis de flujo extracelular se puede realizar para medir la bioenergética perfiles de mac polarizadorophages como una lectura funcional nuevo y alternativo.
Este manuscrito muestra que la polarización de macrófagos induce la reprogramación metabólica con macrófagos inducida por LPS de conmutación a un aumento de la glucólisis como su fuente de energía. Por el contrario, los macrófagos M2 inducida por IL-4 utilizan la fosforilación oxidativa mitocondrial como la principal fuente de ATP. Es importante destacar que la reprogramación metabólica no sólo proporciona la energía para las necesidades particulares de M1 y M2 macrófagos polarizadas. De hecho, los cambios metabólicos afectan las concentraciones de metabolitos que son reguladores directos del fenotipo de los macrófagos 10,15,16. Por lo tanto, el metabolismo de los macrófagos no sólo es una característica (como se muestra aquí en la Figura 2), sino también un conductor de distintos estados de polarización de macrófagos y este nuevo conocimiento apoya el rápido crecimiento del área de investigación immunometabolism durante el último par de años.
Sin embargo, las mediciones robustas de perfiles metabólicos en macrofagos seguido siendo difícil y tenían sus limitaciones. En este estudio, un analizador de flujo extracelular se aplica para medir la firmeza glucólisis, reserva glucolítica, la capacidad glucolítica máxima, la acidificación no glucolítica, basal y la respiración máxima, la producción de ATP, la capacidad respiratoria repuesto, fuga de protones y la respiración no mitocondrial en tiempo real en una cantidad mínima de los macrófagos.
Por lo tanto, hemos modificado y mejorado los protocolos del fabricante de la siguiente manera. La Prueba de Estrés Mito estándar (# 103015-100) sugiere el uso de medio con glucosa y piruvato y un protocolo con 3 inyecciones (OM, FCCP, AA / Rot). Optamos para iniciar el ensayo con glucosa / medio-piruvato libre, añadir la glucosa como una primera inyección en el puerto A (como en el glucólisis Estrés Prueba # 103020-100) y añadir piruvato junto con el desacoplador FCCP en el puerto C. De esta manera , todos los parámetros relevantes glucólisis se derivan de las mediciones ECAR 1-9 y toda la información relevante acerca de mitochondrial partir de mediciones de la función OCR 4-15.
Tenga en cuenta que es fundamental para inyectar piruvato junto con FCCP para alimentar la respiración máxima sobre desacoplamiento. Antes de utilizar este protocolo combinado, también hay que verificar que 2-desoxi-D-glucosa (2-DG) disminuye los niveles de ECAR después del ensayo a los valores basales (1-3) y que las tasas de ECAR grabadas 4-6 son de hecho debido a la glucólisis. Además, se debe comprender que las concentraciones de los productos y el número de células utilizadas en este manuscrito son válidos para los macrófagos derivados de médula ósea y RAW264.7 líneas celulares de macrófagos y deben ser optimizados para otros tipos de células. Por otra parte, hay que señalar que M-CSF que se usa para generar los macrófagos derivados de médula ósea promueve un fenotipo anti-inflamatoria M2-similares. Los resultados presentados a partir de macrófagos derivados de médula ósea pueden ser, por tanto, no ser totalmente comparables a las mediciones con los macrófagos residentes tejido primario o macrófagos líneas celulares que no requieren M-CSF durante Culturi celularng.
En comparación con los métodos existentes, este protocolo requiere cantidades mínimas de los macrófagos y rápidamente ofrece prácticamente todas las características fundamentales de células metabólicas. Esto resulta en suficientes células excedentes para llevar a cabo otros ensayos inmunológicos e incluso las células usadas para la bioenergética de perfiles todavía podría ser utilizado para otros propuesto después del ensayo. Además, el formato de placa de 96 pozo en particular permite la evaluación de múltiples condiciones en tiempo real al mismo tiempo. Sin embargo, la variación entre los pozos individuales puede ser considerable y por lo tanto a menudo se desea el uso de al menos 4 pocillos por condición. Tomado en cuenta esta limitación, el análisis de flujo extracelular descrito todavía permite ejecutar más de 10 condiciones experimentales (n = 6) a la vez, lo que es mucho más que las técnicas tradicionales.
En general, este artículo proporciona un ensayo funcional fácil y reproducible que permite medir toda la glucólisis relevante y param mitocondrialetros en subconjuntos de macrófagos polarizadas. Esta técnica puede servir como una aplicación futura para evaluar la función de los macrófagos y para evaluar el efecto de manipulaciones distintas (por ejemplo, genes derribar, nuevos productos farmacéuticos, etc.) en (metabólica) fenotipo de los macrófagos. Como tal, los datos de flujo extracelulares pueden ser utilizados en conjunción con otros ensayos para permitir la caracterización en profundidad de el estado de activación de los macrófagos.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |