Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll zur Messung von Sauerstoff-Verbrauch und extrazelluläre Übersäuerung in Drosophila Melanogaster Larven und adulten Gehirn. Eine metabolische Analyzer ist eine angepasste und optimierte Protokoll genutzt. Micro-Gewebe Fesseln waren sind ein wesentlicher Bestandteil dieses Protokolls entworfen und speziell für den Einsatz in dieser Analyse erstellt.
Dieses Protokoll beschreibt eine Methode zur Messung des Stoffwechsels in Drosophila Melanogaster Larven und adulten Gehirn. Quantifizierung der Stoffwechsel im ganzen Organen bietet ein Gewebe-Ebene Verständnis der energetischen Nutzung, die nicht erfasst werden kann, bei der Analyse der primäre Zellen und Zell-Linien. Während dieser Analyse ex Vivoist, erlaubt die Messung aus einer Reihe von spezialisierten Zellen, die zusammenarbeiten, um eine Funktion in einem Gewebe führen und genauer Modelle die in-Vivo -Orgel. Metabolische Umprogrammierung ist bei vielen neurologischen Erkrankungen, einschließlich Neoplasie und neurodegenerativen Erkrankungen beobachtet worden. Dieses Protokoll wurde entwickelt, um die D. Melanogaster Gemeinschaft Untersuchung des Stoffwechsels bei neurologischen Erkrankung Modelle mit einem handelsüblichen metabolische Analyzer zu unterstützen. Stoffwechsel der ganze Köpfe in den metabolischen Analyzer zu messen ist schwierig, aufgrund der Geometrie des Gehirns. Dieser Analysator erfordert Proben am unteren Rand einer 96-Well-Platte zu bleiben. Zellproben und Gewebe Schläge können an der Oberfläche der Zelle Platte haften oder Sphäroid Platten bzw. zu nutzen. Die kugelförmigen, Dreidimensionale Form D. Melanogaster Gehirne verhindert jedoch das Gewebe von der Einhaltung der Plattenrandes. Dieses Protokoll erfordert eine speziell entwickelt und hergestellte Micro-Gewebe Zurückhaltung, die dieses Problem umgeht durch jede Bewegung des Gehirns gleichzeitig metabolische Messungen aus der Analyzer zwei Solid-State-Sensor Sonden zu verhindern. Sauerstoff-Verbrauch und extrazelluläre Übersäuerung Preise sind reproduzierbar und empfindlich auf eine Behandlung mit metabolische Inhibitoren. Mit einer kleinen Optimierung kann dieses Protokoll für die Verwendung mit jedem ganze Gewebe und/oder Modellsystem, angepasst werden, vorausgesetzt, dass die Stichprobengröße die Kammer erzeugt durch die Zurückhaltung nicht überschreitet. Während basale metabolische Messungen und eine Analyse nach einer Behandlung mit mitochondrialen Inhibitoren innerhalb dieses Protokoll beschrieben sind, konnten unzählige experimentelle Bedingungen, wie z. B. Energie Quelle Präferenz und Aufzucht Umgebung abgefragt werden.
Metabolische Umprogrammierung wurde in vielen neurologischen Krankheiten, einschließlich Glioblastoma Multiforme (GBM), Chorea Huntington und großen Depressive Störung (MDD)1,2,3identifiziert. Stoffwechsel wird im Mittelpunkt der therapeutischen Strategien, haben Werkzeuge für metabolische Grundlagenforschung fortgeschritten. Jedoch wurden die meisten dieser Methoden entwickelt, Zelllinien und Primärzellen zu studieren oder größeren Gewebe nach Fixierung oder -Einfrieren zu analysieren. Einige Ansätze haben sich verlassen-Kits zu spezifische Metaboliten vereinfachend zu messen, während andere kostspielige und komplexe Analysen nutzen Chromatographie in Kombination mit Massenspektrometrie4 für das gleiche Ziel genutzt haben. Um die größere metabolische Landschaft zu verstehen, entstand metabolic profiling,5,6 und metabolische Flussmittel Analyse (MFA)7 um die groß angelegte Proteomic und genomische Studien ergänzen. Profilerstellung bietet eine quantitative Darstellung der Metaboliten in einer Zelle oder eines Gewebes an einem Punkt in der Zeit, während MFA hierauf dadurch, dass die Verfolgung von beschrifteten Metaboliten im Laufe der Zeit erweitert. Letztere waren nützlich bei der Aufdeckung, wie Energien anders genutzt werden, in einer Zelle oder eines Gewebes bei einer Krankheit Stand8. Diese Methoden beinhalten jedoch nicht die Messung von insgesamt metabolische Rate.
Um der allgemeinen Stoffwechsellage kleine Modellsysteme zu verhören, traditionelle Methoden, z. B. Clark-Elektrode9 und indirekte Kalorimetrie10, zur Messung der Sauerstoffverbrauch oder konfiguriert für Stop Fluss respirometrie, Messen Sie Sauerstoff und Kohlendioxid-Konzentration, bzw.. Diese Techniken haben genau gleichzeitig Einblick in das Auslesen der metabolischen Umprogrammierung auf der Ebene des Organismus, Einschränkungen. Die Verwendung der Clark-Elektrode kann technisch anspruchsvoll und eignet sich nicht für Hochdurchsatz-Studien. Stop-Fluss-Respirometer funktionieren nicht mit der Empfindlichkeit erforderlich, um Zellen oder Gewebe zu bestimmen. Vor einigen Jahren wurde speziell für diese kleineren Anwendungen11neuer Technologie entwickelt. Diese Instrumente wurden ursprünglich entwickelt, um den Sauerstoffverbrauch und die extrazelluläre Übersäuerung von Zelllinien und Primärzellen in einem 24 oder 96-Well-Format messen. Die Einfachheit des Set-up und Datenausgabe etabliert diese Methode als eine Alternative zu den traditionellen Ansätzen. Diese Methodik ist ein leistungsfähiges Werkzeug für Zellen, und die jüngsten Fortschritte konnten für die Messung von Gewebe Schläge12,13,14. Jedoch lassen sich die Methoden in diesen Tests nicht zur Messung von ganzen Organen von kleinen Modellsystemen.
Die Stoffwechselanalyse Krankheitsmodelle beinhaltet häufig die Interaktion zwischen den Zellen spezialisierte Funktion, die ihren Wohnsitz innerhalb des gleichen Gewebes. Zum Beispiel produzieren Gliazellen Metaboliten von Neuronen genutzt. Diese metabolischen Wechselwirkungen sind erforderlich für die neuronale überleben15. Kleines Modellsystemen sind vorteilhaft für die Untersuchung von Fragen wie diese. Studien zur Messung des Stoffwechsels eines ganzen Organs, mit einer Vielzahl von Zelltypen, fügt das Verständnis von Energie Auslastung in Vivo. Becker Et Al. berichtete kürzlich, eine Methode zur Messung des Sauerstoffverbrauchs im ganzen fliegen Köpfe16. Durch die Bündelung vieler Köpfe zusammen in einen Brunnen von einer 24-Well Zellplatte, waren Sauerstoff Verbrauch Körperfettanteil mit einer metabolischen Analyzer. Während das funktioniert gut für Köpfe, die leicht vom Körper getrennt sind, ist es viel schwieriger für Organe wie Larven Gehirne zu verwenden, da eine große Menge für diese Methode zerlegt werden muss. Daher wurde eine Methode unter Verwendung einer 96-Well Zellplatte, die erhöht die Empfindlichkeit der Sauerstoffverbrauch und extrazelluläre Übersäuerung Lesungen entwickelt, um eine einzelne ganze Larven Gehirn assay.
Der metabolische Analyzer in dieser Studie verwendeten erfordert die Probe wird gemessen, um an der Unterseite des Brunnens eine 96-Well-Platte Zelle bleiben. Für Zellen und Gewebe relativ flach ist das keine Herausforderung; Allerdings ist es für D. Melanogaster Larven und adulten Gehirn, nicht mit traditionellen Teller Beschichtung Protokolle möglich. Die dreidimensionale Kugelform der Gehirne haften nicht zuverlässig an der Plattenoberfläche, und diejenigen, die tun oft beim Versuch, sie richtig in den Brunnen Platz beschädigt sind. Ein wichtiger Bestandteil dieses neue Protokoll ist das Design und die Entwicklung von Mikro-Gewebe Fesseln17 , die eine kleine Kammer für das Gehirn in aufzuhalten, ohne zu stören den Stoffwechsel Messungen liefern. Die Kammer erzeugt ist ca. 0,016 in Höhe und bietet genügend Platz um viele D. Melanogaster Gehirn leicht zu halten. Die Fesseln bestehen aus Nylon-Mesh mit einem inerten Polymer-Ring verbunden und wird weiter diskutiert werden in den Vertreter Ergebnisse. Mit diesen Beschränkungen minimiert den Zeitaufwand für seziert Gehirne für die metabolische Messung vorbereiten. Optimierung des Messvorgangs generiert stetig und reproduzierbare Sauerstoffverbrauch und extrazelluläre Übersäuerung Preise nach sechs Messzyklen (von 25 min). Die Köpfe bleiben metabolisch aktiv unter diesen Bedingungen für ein Minimum von 2 h, die Injektionen von Therapeutika, Inhibitoren oder andere Behandlungen über die metabolische Analyzer Patrone Medikament Lieferung Ports ermöglicht. Dieses Protokoll kann auch für andere Gewebe und kleines Modell Systeme18leicht angepasst werden.
Die nachgenannten Protokoll beschreibt den Sauerstoffverbrauch in einem ganzen Drosophila Larven Gehirn wenn herausgefordert mit mitochondrialer Stress test. Um das Gehirn zu unterstreichen, wird Oligomycin hinzugefügt, um die ATP-Synthase-19zu hemmen. Die Abnahme der Sauerstoff-Verbrauch von basalen Lesungen zeigt ein Maß für die Menge von ATP je Atmung im Gehirn. Weitere Rückgänge bei den Sauerstoffverbrauch nach Behandlungen mit Rotenon20 und Antimycin A21, Inhibitoren der Elektronentransport-Kette-komplexe I und III, bzw. Geben Sie die Höhe des nicht-mitochondriale Sauerstoff-Verbrauch in der Gehirn. Dieser Test ist ein Beispiel dafür, wie mitochondriale Atmung im Gehirn einer Fliege verglichen werden könnte und wie kann dieses Protokoll verwendet werden, um den Stoffwechsel in unterschiedlichen Genotypen zu vergleichen. Dieses Protokoll kann einfach basale Sauerstoffverbrauch und extrazelluläre Übersäuerung Preise, sowie aufwändigere Studien untersuchen bestimmte energetische Nutzung oder Substrat Auslastung Hypothesen zu gestalten Messen angepasst werden.
Hier ist eine neuartige Methode zur Stoffwechselanalyse von D. Melanogaster Larven und adulten Gehirn ex Vivo beschrieben. Basalen Bedingungen hervorgehen, Sauerstoffverbrauch und extrazelluläre Übersäuerung Preise wie metabolisch aktiv das Gehirn und kann bestimmen, ob eine Gewebe abhängiger von mitochondrialen versus glykolytischen Atmung geworden ist, bzw.11.
Behandlung von den Gehirnen mit Inhibitoren oder Medikamente kann weitere Informationen über den metabolischen Zustand des Gewebes liefern. Metabolische Substrate können auch hinzugefügt werden, um Abhängigkeiten von bestimmten Metaboliten, wie Glucose für den Warburg-Effekt22 oder Glutamin zu untersuchen, Glutaminolysis23testen bestimmen – beide gemeinsam im Stoffwechsel umprogrammieren. Für Langzeitstudien Larven oder fliegen könnte auch Drogen anstatt Injektion Häfen gefüttert werden, und Gehirn könnte geprüft werden, in Abständen oder auf den Endpunkt, abhängig von den experimentellen Design. Diese Methode kann für zahlreiche Anwendungen optimiert werden.
Diese Methode wurde optimiert, um Köpfe aber kann verwendet werden, um andere Larven18 und adulten Geweben zu analysieren. Darüber hinaus können andere kleine Modellsysteme diese Methode, um ganze Organismen18 oder Geweben Messen nutzen. Die einzige Einschränkung zur Optimierung dieser Methode für andere Systeme ist die Größe von dem Organ, Gewebe oder Organismus. Die Kammer erstellt von Micro-Gewebe Zurückhaltung ist die Größe Barriere den Test ausgeführt. Wenn die metabolische Ausgabe ist zu niedrig für das Gehirn oder Gewebe getestet, und die Größe der Stichprobe keine Einschränkung ist, Bündelung von Proben lässt sich die Test-Messungen und die Empfindlichkeit zu erhöhen. Änderung dieses Protokolls für andere Anwendungen sollten nur kleinere Optimierungen, einschließlich (1) wählen die geeignete Maßnahme erfordern und mischen Taktzahlen und Timing und (2) Bestimmung wirksame Behandlung Konzentrationen für das Gewebe. Die Maßnahme und Mischzeiten wurden durch die Überwachung Sauerstoffkonzentration gemessen vom metabolischen Analyzer bei jedem Zyklus bestimmt. Dies kann angezeigt werden, indem Sie O2 in die Y2-Achse-Schaltfläche im Fenster “Übersicht” auswählen, nach der abgeschlossen ist. Bei jedem Zyklus sollte ein Drop-in-Sauerstoff-Konzentration spiegelt das Gewebe Sauerstoffverbrauch während der gemessenen Zeit, gefolgt von einer Rückkehr zu der anfänglichen Sauerstoffkonzentration während des mischenden Zyklus. Die Maßnahme und Mix-Zeiten sollte getestet werden, bis dieses Muster beobachtet wird. Mit dieser Methode wurden andere Insekten Gehirne untersucht. Diese Gehirne waren größer als die Fliege Gehirne verwendet hier aber immer noch fit in der Kammer durch die Zurückhaltung der Gewebe erzeugt. Die OCR-Lesungen aus diese Gehirne waren so hoch wie 400 Pmol/min (Daten nicht gezeigt). Die Ergebnisse aus diesen Studien sowie OCR-Preise, die mit anderen Studien Messen ganz-Fly Sauerstoff Verbrauch18,24, ausrichten legen nahe, dass die D. Melanogaster Gehirne nicht Sauerstoff begrenzt waren. Für D. Melanogaster Gehirn und Gewebe von anderen Organismen erfordert die Anwendung dieser Methode besondere Aufmerksamkeit auf vier wichtige Schritte.
Um reproduzierbare und biologisch relevante Messungen erfolgreich zu erreichen, gibt es wichtige Schritte des Protokolls, die befolgt werden müssen. Erstens ist die Verwendung einer Rückhalteeinrichtung für Mikro-Gewebe für diese Methode erforderlich. Die Herstellung von diese Fesseln mit den Spezifikationen und Materialien aufgeführt ist unerlässlich. Die Materialien wurden aufgrund ihrer inerten chemischen Zusammensetzung und ihrer Fähigkeit, die richtigen Medien Austausch während der mischenden Schritte ohne die Bildung von Luftblasen zu ermöglichen. Zweitens ist eine rechtzeitige Dissektion und Platte Vorbereitung erforderlich, um den Stoffwechsel des Gewebes zu maximieren. Kurze Dissektion Zeiten sollte das Gehirn nicht wesentlich beeinträchtigen. Andere Studien haben gezeigt, dass fliegen Gehirne für Stunden bis Tage lebendig gehalten werden können, nach Dissektion bei sachgemäßer Lagerung in einer Perfusion Kammer25. Jedoch werden wie in Abbildung 3 b und 3Dgesehen wenn Gehirne im Assay Medien für längere Zeit vor der Probe sitzen gelassen werden, das Sauerstoff-Verbrauch verringert. Während der Test unterziehen Proben einen Mischpulten Schritt bei jedem Zyklus. Diese Vermischung nicht nur aids mit Injektionen von chemischen Verbindungen, sondern dient auch zum Umwälzen der Medien und liefern Sauerstoff. Die Köpfe sind in der Lage, metabolisch aktiv über einen längeren Zeitraum während dieser Maßnahme-Mix-Zyklen als sie in den Medien auf die Benchtop Inkubation werden würde zu bleiben. Daher sollte die Zerlegung des larvalen Gehirne beherrscht werden, vor Beginn dieser Assay einrichten. Beim Aufbau dieser Assay analysieren eine kleine Anzahl von Genotypen in einer Zeit, zur Minimierung der Anzahl der Köpfe benötigt und Brunnen eingesetzt. Dies verhindert Verzögerungen zwischen dem sezieren und die Test-Messungen. Drittens ist eine stabile Temperatur erforderlich, um die Stoffwechselrate in physiologisch relevanten Bedingungen zu analysieren. Erhöhte Assay Temperaturen können dazu führen, dass Absterben von Gewebe, beobachtet von niedriger Sauerstoff-Verbrauch (Abbildung 3). Wenn fliegen bei unterschiedlichen Temperaturen um zu Versuchszwecken aufgezogen werden, sollten die Messungen auch bei dieser Temperatur durchgeführt werden. Während Sezierungen höchstwahrscheinlich bei Raumtemperatur, ausgeführt werden, wenn der Test bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt wird, sollte die vergoldeten und zurückhaltend Gehirne bei der erforderlichen Temperatur 15 min. vor dem Ausführen des Tests inkubiert werden. Zu guter Letzt Beobachtung der Brunnen nach dem Test ist wichtig, festzustellen, ob die Messungen Positionierung Gewebe betroffen werden. Gelegentlich werden auch einen Ausreißer, der, nachdem er die Platte unter dem sezierenden Mikroskop beobachtet aus der Datenanalyse durch entweder Verlust von Gewebe oder kariesherden, beseitigt werden kann, wo das Gehirn hat schlüpfte aus der Mitte des Brunnens und steckt unter dem Polymer-Ring der Rückhalteeinrichtung. Gewebe kann verloren gehen, wenn die Zurückhaltung nicht richtig, zum Brunnen gesichert war und wurde während der mischenden Zyklen gestört. Während keines dieser Ereignisse oft passiert, wenn sie nicht von der Analyse ausgeschlossen sind, werden sie die Rate Werte erheblich senken.
Die Messung des gesamten Gewebe metabolische Flux durch Überwachung Sauerstoffverbrauch und extrazelluläre Übersäuerung bietet eine biologisch relevante Methode für das Verständnis, wie Stoffwechsel durch die genetische Landschaft oder anderen Versuchsbedingungen geändert wird. Diese Methode ist empfindlich genug, um metabolische Veränderungen in einem einzigen erkennen D. Melanogaster Gehirn, das mit Stop-Flow respirometrie oder indirekte Kalorimetrie nicht möglich ist. Es ist auch technisch weniger schwierig als die Verwendung einer Clark-Elektrode, um Sauerstoff-Verbrauch zu messen. Ein weiterer Vorteil dieses Protokolls ist die Möglichkeit, ein ganzes Gehirn pro Bohrloch zu analysieren. Die 96-Well-Format ermöglicht empfindlicher Lesungen, und somit mehr als ein Genotyp kann zu einem Zeitpunkt aufgrund der geringeren Anzahl von Proben pro Assay geprüft werden. Während Messen Stoffwechsel im Gewebe nach wie vor eine Herausforderung ist und sorgfältig erfordert aufgezogen und synchronisierte Tiere, dieses Protokoll beschreibt eine schnelle und relativ einfache Methode, und hat das Potenzial, zahlreiche metabolische Empfindlichkeiten in D. analysieren Melanogaster Larven und adulten Gehirn.
The authors have nothing to disclose.
Bestände aus Bloomington Drosophila Stock Center (NIH P40OD018637) gewonnen wurden in dieser Studie verwendet. Die Forschung berichtet in dieser Publikation wurde von der institutionellen Development Award (IDeA)-Netzwerk für biomedizinische Forschung Spitzenleistungen aus dem National Institute of General Medical Sciences von den National Institutes of Health unter Grant-Nummer unterstützt. P20GM103430, und durch die Rhode Island Foundation. Autoren danken J. Waters und P. Snodgrass-Gürtel für ihre Unterstützung bei der Entwicklung dieses Protokolls.
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 |