نقدم بروتوكولا لقياس استهلاك الأوكسجين وتحمض خارج الخلية في العقول melanogaster المورفولوجية اليرقات والكبار. ويستخدم هو محلل ايضية مع بروتوكولا مدروسا والأمثل. القيود الأنسجة الدقيقة هي عنصر حاسم لهذا البروتوكول وصممت وأنشئت خصيصا لاستخدامها في هذا التحليل.
ويصف هذا البروتوكول وسيلة لقياس التمثيل الغذائي في العقول melanogaster المورفولوجية اليرقات والكبار. التحديد الكمي للتمثيل الغذائي في الأجهزة كلها توفر فهم مستوى الأنسجة لاستغلال الطاقة التي لا يمكن التقاطها عند تحليل خطوط الخلايا والخلايا الأولية. أن هذا التحليل السابقين فيفو، فإنه يسمح لقياس عدد من الخلايا المتخصصة التي تعمل معا لأداء وظيفة في نسيج واحد وأوثق نماذج الجهاز في فيفو . وقد لوحظ إعادة برمجة التمثيل الغذائي في العديد من الأمراض العصبية، بما في ذلك نيوبلسا، وأمراض الأعصاب. تم تطوير هذا البروتوكول لمساعدة الطائفة melanogaster دال- التحقيق في الأيض في الأمراض العصبية نماذج استخدام محلل ايضية متاحة تجارياً. قياس التمثيل الغذائي للعقول كلها في محلل الأيضية يمثل تحديا بسبب الشكل الهندسي للدماغ. ويتطلب هذا المحلل عينات تبقى في الجزء السفلي من لوحة 96-جيدا. عينات الخلايا والأنسجة اللكمات يمكن التمسك بسطح لوحة الخلية أو استخدام ألواح كروي، على التوالي. ومع ذلك، شكل العقول melanogaster دال- كروي، ثلاثية الأبعاد يمنع الأنسجة من الانضمام إلى اللوحة. ويتطلب هذا البروتوكول النفس الأنسجة الدقيقة المصممة خصيصا والمصنعة التي تلتف هذه المشكلة عن طريق منع أي حركة للدماغ بينما لا يزال تسمح القياسات الأيضية من مجسات استشعار الحالة الصلبة اثنين محلل. استهلاك الأوكسجين ومعدلات تحمض خارج الخلية يتم استنساخه والحساسة لعلاج بمثبطات الأيض. مع طفيفة تحسين، يمكن تكييفها للاستخدام مع أي أنسجة كاملة و/أو النظام النموذجي، هذا البروتوكول شريطة أن لا يتجاوز حجم العينة الدائرة المتولدة عن ضبط النفس. بينما يرد القياسات الأيضية القاعدية وتحليل بعد علاج بمثبطات الميتوكوندريا داخل هذا البروتوكول، يمكن استجواب عدد لا يحصى من الظروف التجريبية، مثل تفضيل مصدر الطاقة، والبيئة، وتربية.
تم التعرف على برمجة التمثيل الغذائي في العديد من الأمراض العصبية، بما في ذلك عديدة الأشكال Glioblastoma (GBM)، ومرض هنتنغتون، واضطراب الاكتئاب الرئيسي (MDD)2،،من13. كما الأيض ويصبح محور الاستراتيجيات العلاجية، أدوات للبحوث الأيضية الأساسية قد متقدمة. ومع ذلك، صممت معظم هذه الأساليب لدراسة خطوط الخلايا والخلايا الأولية أو لتحليل الأنسجة أكبر بعد انتهاء التثبيت أو-تجميد. لقد اعتمدت بعض النهج على مجموعات ننجرف قياس نواتج الأيض محددة، بينما البعض الآخر استخدمت تحليلات أكثر تكلفة وتعقيداً استخدام الفصل اللوني في تركيبة مع الطيف الكتلي4 لنفس الهدف. لفهم المشهد الأيضية أكبر، الأيضية التنميط5،6 وتحليل تدفق الأيضية (وزارة الخارجية)7 ظهرت استكمالا للبروتين على نطاق واسع والدراسات الجينية. التنميط يوفر تمثيل كمي لنواتج الأيض في الخلايا أو الأنسجة في نقطة واحدة في الوقت المناسب، بينما ترتيب المنسوجات المتعددة الألياف ويتوسع هذا بالسماح بتتبع والايضات المسمى على مر الزمن. هذه الأخيرة كانت مفيدة في الكشف عن كيفية استخدام مصادر الطاقة بشكل مختلف في خلية أو الأنسجة عندما تكون في حالة المرض8. ومع ذلك، لا تتضمن هذه الأساليب بقياس معدل الأيض عموما.
يمكن استجواب الدولة الأيضية الشاملة للنظم النموذجية الصغيرة، المستخدمة لقياس استهلاك الأوكسجين أو تكوين من أجل وقف تدفق ريسبيروميتري، إلى الأساليب التقليدية، مثل كلارك قطب9 و10من القياس غير المباشر، قياس الأوكسجين وتركيز ثاني أكسيد الكربون، على التوالي. هذه التقنيات، بينما توفر دقة نظرة ثاقبة قراءات لإعادة برمجة التمثيل الغذائي على مستوى الكائن، لها حدود. يمكن أن يكون تحديا من الناحية التقنية استخدام مسرى كلارك وليست مصممة للدراسات الفائق. لا يمكن أن تعمل وقف تدفق ريسبيروميتير بالحساسية المطلوبة للاعتداء الخلايا أو الأنسجة. منذ عدة سنوات، وتكنولوجيا جديدة وضعت خصيصا لهذه التطبيقات الصغيرة11. في البداية صممت هذه الأدوات لقياس استهلاك الأوكسجين وتحمض خارج الخلية من خطوط الخلايا والخلايا الأولية في شكل جيد 24 أو 96. بساطة الإخراج الإنشاء والبيانات المنشأة بهذا الأسلوب كبديل للنهج التقليدية. وهذه المنهجية أداة قوية للخلايا، وأتاحت التطورات الحديثة لقياس الأنسجة اللكمات12،،من1314. ومع ذلك، لا تسمح الأساليب المستخدمة في هذه الاختبارات لقياس أجهزة كاملة من نظم نموذجية صغيرة.
غالباً ما ينطوي على تحليل نماذج الأمراض الأيضية التفاعل بين الخلايا المتخصصة وظيفة المقيمين داخل النسيج نفسه. على سبيل المثال، تنتج الخلايا الدبقية والايضات تستخدمها الخلايا العصبية. هذه التفاعلات الأيضية مطلوبة ل بقاء الخلايا العصبية15. نظم نموذجية صغيرة مفيدة للتحقيق في مسائل كهذه. دراسات لقياس التمثيل الغذائي لجهاز كامل، التي تحتوي على مجموعة متنوعة من أنواع الخلايا، إضافة إلى فهم استخدام الطاقة في الجسم الحي. مؤخرا، بيكر وآخرون عن طريقة لقياس استهلاك الأوكسجين في أسرة يطير رؤساء16. بتجميع عدد من رؤساء معا في بئر واحدة من صفيحة خلية 24-حسنا، تم الحصول على قراءات استهلاك الأوكسجين استخدام محلل ايضية. بينما هذا يعمل بشكل جيد للرؤساء، الذي يتم فصله بسهولة من الجسم، أنها أصعب بكثير ﻻستخدام أجهزة مثل اليرقات العقول، لأنه يحتاج إلى كمية كبيرة أن تشريح لهذا الأسلوب. ولذلك، وضعت طريقة استخدام لوحة خلية 96-جيدا، مما يزيد من حساسية لاستهلاك الأوكسجين وقراءات تحمض خارج الخلية، للاعتداء في المخ يرقات أسرة واحدة.
محلل الأيضية المستخدمة في هذه الدراسة يتطلب العينة يتم قياسه بالبقاء في الجزء السفلي من لوحة خلية 96-جيدا جيدا. للخلايا والأنسجة المسطحة نسبيا، وهذا ليس تحديا؛ ومع ذلك، للعقول ميلانوجاستير دال- اليرقات والكبار، من غير الممكن استخدام بروتوكولات طلاء اللوحة التقليدية. كروية الشكل ثلاثي الأبعاد للعقول لا تلتزم موثوق بها على سطح اللوحة، وتلك التي تفعل كثيرا ما تضررت أثناء محاولة وضعها بشكل صحيح في البئر. هو جزء هام من هذا البروتوكول الجديد تصميم وتطوير القيود الأنسجة الدقيقة17 التي توفر غرفة صغيرة للدماغ للإقامة بدون التدخل مع القياسات الأيضية. الدائرة التي تم إنشاؤها بحوالي 0.016 في ارتفاعها وتوفر مساحة كافية لاستيعاب العديد من ميلانوجاستير دال- العقول بسهولة. القيود التي تتكون من شبكة النايلون يعلق على عصابة بوليمر خاملة، وستناقش كذلك في نتائج الممثل. باستخدام هذه القيود يقلل من الوقت اللازم لإعداد العقول تشريح لقياس التمثيل الغذائي. تحسين إجراءات قياس يولد معدلات تحمض خارج الخلية واستهلاك الأوكسجين مطرد واستنساخه بعد ست دورات القياس (من 25 دقيقة). العقول تبقى أيضي نشطة في ظل هذه الظروف للحد أدنى من ح 2، التي تمكن الحقن للتداوي، ومثبطات، أو أخرى العلاجات عبر منافذ توصيل المخدرات خرطوشة محلل الأيضية. هذا البروتوكول يمكن تكييفها بسهولة للأنسجة ونموذج صغير نظم18الأخرى أيضا.
البروتوكول بالتفصيل أدناه توضح كيفية الاعتداء باستهلاك الأوكسجين في دماغ المورفولوجية يرقات كاملة عندما تحدت مع الإجهاد المتقدرية. أن أشدد على الدماغ، يتم إضافة أوليجوميسين إلى تمنع ال ATP synthase19. ويبين الانخفاض في استهلاك الأوكسجين من القراءات القاعدية قياس كمية ATP يعتمد التنفس في الدماغ. مزيدا من الانخفاضات في استهلاك الأوكسجين بعد العلاج مع والروتينون20 و21أنتيميسين ومثبطات لمجمعات سلسلة نقل الإلكترون الأول والثالث، على التوالي، تبين مقدار استهلاك الأوكسجين غير المتقدرية في الدماغ. هذا التحليل هو قد يمكن مقارنة مثال واحد كيف المتقدرية التنفس في المخ يطير وكيف يمكن استخدام هذا البروتوكول لمقارنة الأيض في الأنماط الوراثية متفاوتة. ومع ذلك، يمكن تكييفها هذا البروتوكول لقياس استهلاك الأوكسجين ببساطة القاعدية ومعدلات تحمض خارج الخلية، فضلا عن تصميم دراسات أكثر تفصيلاً التحقيق في استغلال الطاقة محددة أو فرضيات استخدام الركيزة.
وهنا يتم وصف طريقة جديدة لتحليل الأيض melanogaster دال العقول اليرقات والكبار السابقين فيفو . تحت ظروف القاعدية، واستهلاك الأوكسجين ومعدلات تحمض خارج الخلية تبين كيف أيضي نشطة الدماغ ويمكن تحديد ما إذا كانت أنسجة قد أصبحت أكثر اعتماداً على الميتوكوندريا مقابل glycolytic التنفس، على التوالي11.
علاج العقول مع مثبطات أو العقاقير العلاجية يمكن تقديم مزيد من المعلومات حول حالة التمثيل الغذائي للأنسجة. ويمكن أيضا إضافة ركائز الأيضية لتحديد التبعيات على نواتج الأيض محددة، مثل الجلوكوز لاختبار تأثير واربورغ22 أو الجلوتامين للتحقيق في جلوتامينوليسيس23-كلا المشتركة في إعادة برمجة التمثيل الغذائي. دراسات طويلة الأجل أو يرقات الذباب يمكن أيضا تغذية المخدرات بدلاً من استخدام منافذ الحقن، ويمكن جزيئي العقول وعلى فترات متقطعة أو في نقطة النهاية، تبعاً للتصميم التجريبي. هذا الأسلوب يمكن أن يكون الأمثل للعديد من التطبيقات.
هذا الأسلوب تم الأمثل للعقول ولكن يمكن استخدامها لتحليل الأنسجة الكبار و اليرقات18 أخرى. بالإضافة إلى ذلك، نظم نموذجية صغيرة أخرى يمكن الاستفادة من هذا الأسلوب لقياس الكائنات كلها18 أو الأنسجة. القيد الوحيد لتحسين هذا الأسلوب لأنظمة أخرى هو حجم الجهاز أو الأنسجة، أو الكائن الحي. الدائرة تم إنشاؤها بواسطة ضبط النفس الصغيرة-الأنسجة هو الحاجز الحجم لتشغيل المقايسة. إذا كان ناتج التمثيل الغذائي منخفضا جداً للدماغ أو الأنسجة التي يجري اختبارها، وحجم العينة ليس قيداً، تجميع عينات يمكن استخدامها لزيادة قياسات المقايسة وحساسية. تعديل هذا البروتوكول للتطبيقات الأخرى ينبغي إلا تتطلب تحسينات طفيفة، بما في ذلك 1) اختيار التدبير الملائم ومزيج دورة إعداد وتوقيت، و 2) تحديد تركيزات العلاج الفعال للأنسجة. التدبير ومرات خلط يحددها تركيز الأكسجين الرصد تقاس محلل الأيضية خلال كل دورة. وهذا يمكن عرضها بواسطة تحديد س2 في الزر المحور Y2 في إطار نظرة عامة بعد الانتهاء من التشغيل. خلال كل دورة، ينبغي أن يكون هناك تركيز أكسجين المقحمة يعكس استهلاك الأوكسجين للأنسجة زمن يقاس، متبوعاً بعودة إلى تركيز الأكسجين الأولية خلال دورة خلط. وينبغي اختبار مرات التدبير والمزيج حتى يتم ملاحظة هذا النمط. باستخدام هذا الأسلوب، وقد درست أدمغة الحشرات الأخرى. وكانت هذه العقول أكبر من أدمغة يطير المستخدمة هنا ولكن لا يزال يصلح داخل قاعة المتولدة عن النفس الأنسجة. وكانت قراءات التعرف الضوئي على الحروف من هذه العقول يصل إلى 400 pmol/دقيقة (البيانات لا تظهر). النتائج من هذه الدراسات، فضلا عن معدلات التعرف الضوئي على الحروف التي تتوافق مع دراسات أخرى قياس الأوكسجين كل ذبابة استهلاك18،24، تشير إلى أن العقول melanogaster دال- لم تكن الأكسجين محدودة. دال-melanogaster العقول والأنسجة من الكائنات الحية الأخرى، تطبيق هذا الأسلوب يتطلب اهتماما خاصا إلى أربع خطوات حاسمة.
لتحقيق النجاح القياسات البيولوجية ذات الصلة واستنساخه، هناك خطوات حاسمة للبروتوكول الذي يجب أن يتبع. أولاً، استخدام الأنسجة الدقيقة ضبط النفس المطلوب لهذا الأسلوب. من الضروري تصنيع هذه القيود باستخدام المواصفات والمواد المذكورة. وقد تم اختيار المواد نظراً لتركيبتها الكيميائية الخاملة، وقدرتها على السماح بتبادل الوسائط المناسبة خلال الخطوات خلط دون خلق فقاعات الهواء. ثانيا، مطلوب إعداد لوحة والتشريح في الوقت المناسب تحقيق أقصى قدر من الإخراج التمثيل الغذائي للأنسجة. مرات تشريح قصيرة ينبغي إلا تعوق إلى حد كبير في الدماغ. وأظهرت دراسات أخرى أن يطير العقول يمكن الاحتفاظ على قيد الحياة لساعات إلى أيام بعد تشريح إذا المخزنة بشكل صحيح في التروية الدائرة25. ومع ذلك، كما يتضح في الشكل 3B و 3D، إذا تركت العقول يجلس في فحص وسائل الإعلام لفترات طويلة من الزمن قبل المقايسة، انخفضت معدلات استهلاك الأوكسجين. أثناء الفحص، تخضع العينات خطوة خلط خلال كل دورة. هذا خلط لا الإيدز مع حقن المركبات الكيميائية بل يعمل أيضا لأوافيكم وسائل الإعلام وتوفير الأوكسجين. العقول قادرة على البقاء النشط أيضي لفترات أطول خلال هذه الدورات التدبير-مزيج من أنهم سوف تفرخ في وسائط الإعلام على أعلى مقاعد البدلاء. ولذلك، ينبغي أن يتقن تشريح أدمغة اليرقات قبل البدء في إعداد هذا التحليل. عند إعداد هذا التحليل، تحليل عدد صغير من الأنماط الجينية في وقت، للتقليل من عدد العقول اللازمة والاستفادة من الآبار. سيمنع هذا التأخير بين تشريح وقياسات المقايسة. ثالثا، الحفاظ على درجة حرارة مستقرة مطلوب لتحليل معدلات التمثيل الغذائي في الظروف ذات الصلة فسيولوجيا. والرزن زيادة درجات الحرارة يمكن أن يسبب موت الأنسجة، لاحظ انخفاض معدلات استهلاك الأوكسجين (الشكل 3). إذا كان الذباب تربى عند درجة حرارة مختلفة لأغراض تجريبية، ينبغي أيضا إجراء القياسات في درجة الحرارة هذه. في حين سيتم على الأرجح إجراء تشريح في درجة حرارة الغرفة، إذا كانت ستجري الفحص عند درجة حرارة مختلفة، ينبغي المحتضنة أدمغة مطلي وضبط النفس عند درجة الحرارة المطلوبة لمدة 15 دقيقة قبل أن يعمل في التحليل. وأخيراً، مراقبة الفحص بعد الآبار أمر حاسم لتحديد إذا كانت الأنسجة لتحديد المواقع المتضررة القياسات. في بعض الأحيان، سيكون هناك واحد الخارجة جيدا أنه، بعد أن لاحظت اللوحة تحت مجهر تشريح، يمكن القضاء عليها من تحليل البيانات بسبب أما فقدان الأنسجة أو ميسبوسيتيونينج، حيث الدماغ وقد خرجت من مركز البئر وعالق تحت الحلبة البوليمر لضبط النفس. الأنسجة يمكن أن تضيع إذا لم تؤمن بشكل صحيح إلى البئر بضبط النفس وانزعجت خلال دورتي خلط. بينما لم يكن أي من هذه الأحداث يحدث في كثير من الأحيان، إذا أنها لا تستبعد من التحليل، أنها ستكون أقل معدل القيم إلى حد كبير.
قياس الجريان كل الأنسجة الأيضية برصد استهلاك الأوكسجين وتحمض خارج الخلية يوفر أسلوباً بيولوجيا ذات صلة لفهم كيف يتم تبديل التمثيل الغذائي بالمناظر الطبيعية الوراثية أو غيرها من الشروط التجريبية. هذا الأسلوب حساسة بما يكفي للكشف عن التغيرات الاستقلابية في واحد melanogaster دال- الدماغ، والتي لا يمكن استخدام ريسبيروميتري وقف التدفق أو القياس غير المباشر. هو أيضا تحدي أقل من الناحية الفنية من استخدام قطب كلارك قياس استهلاك الأوكسجين. ميزة إضافية لهذا البروتوكول هو القدرة على تحليل الدماغ كله واحد كل بئر. شكل 96-جيدا يسمح لقراءات أكثر حساسية، وهكذا، يمكن جزيئي وراثي واحد أو أكثر في كل مرة نظراً لعدد أصغر من العينات اللازمة للفحص. بينما قياس التمثيل الغذائي في الأنسجة لا تزال تمثل تحديا ويتطلب عناية تربيتها والحيوانات متزامنة، وهذا البروتوكول وصف طريقة سريعة ومبسطة نسبيا، ولديه القدرة على تحليل الحساسيات الأيضية العديدة في دال ميلانوجاستير العقول اليرقات والكبار.
The authors have nothing to disclose.
الأرصدة التي تم الحصول عليها من مركز الأسهم المورفولوجية بلومينغتون (P40OD018637 المعاهد الوطنية للصحة) استخدمت في هذه الدراسة. وأيده البحث عنها في هذا المنشور الشبكة “جائزة التنمية المؤسسية” (فكرة) “التميز البحوث الطبية الحيوية” من المعهد الوطني للعلوم الطبية العامة “معاهد الصحة الوطنية” تحت رقم المنحة P20GM103430، ومؤسسة ولاية رود آيلاند. يشكر المؤلفون J. المياه وحزام سنودجراس ص لدعمها في تطوير هذا البروتوكول.
Assay medium | Agilent | 102365-100 | |
Calibrant solution | Agilent | 100840-000 | |
Corning Cell-Tak Cell Tissue Adhesive | Sigma Aldrich | DLW354240 | |
delrin | Grainger | 2XMK6 | |
Drosophila Schneider Media | Thermo Fisher | 21720-024 | |
Dumont High Precision Tweezers (style 5) | Ted Pella | 5622 | |
Loctite 409 | Amazon | ||
Mitostress kit | Agilent | 103015-100 | oligomycin, rotenone, and antimycin A included |
Netwell inserts (6-well) | VWR | 29442-136 | |
nylon mesh | Component Supply | U-CMN-64 | |
Parafilm M wrapping film | Fisher Scientific | S37440 | |
PYREX spot plate | Fisher Scientific | 13-748B | |
Seahorse XFe96 Analyzer | Agilent | ||
Wave v2.4 XFe96 analyzer software | Agilent | https://www.agilent.com/en/products/cell-analysis/software-download-for-wave-desktop | free download to mac or windows |
XFe96 catridge and cell plates | Agilent | 102416-100 |