代謝率の変化を測定は、様々 な疾患や老化の進行を理解するための中心です。ここより密接に生理学的状態に似ており、ミトコンドリア活性を変更する新薬を明らかに役立つ可能性があります頭全体の酸素消費を測定する手法を提案する.
規制の代謝活性は細胞の正常な機能に不可欠です。確かに、代謝活性の変化は、がん、糖尿病、神経変性疾患、いくつかの名前に高齢化の進行とリンクされて因果関係。例えば、ミトコンドリア活性、細胞の代謝の原動力の変更は、このような多くの病気で特徴づけられています。一般的に、ミトコンドリアの酸素消費量は、ミトコンドリアの活動の信頼性の高い読み出しを考えられていたし、これらの研究のいくつかの測定に基づいていた分離ミトコンドリアや細胞。ただし、このような状況では、全体の組織の複雑さを表さない場合があります。最近、全く孤立したフライのヘッドからの酸素消費速度の動的測定を可能にする手法を開発しました。このメソッドを活用し、若者と高齢者ハエから頭全体のセグメントの酸素消費率が低いを録画させていただきました。第二に、リジンの脱アセチル化酵素阻害剤急速に頭全体の酸素消費量が変わることを発見しました。私たちの新しい技術したがって、代謝率に影響を与える可能性がありますさまざまな薬の発見の新しいプロパティに役立つ可能性があります。さらに、本手法は、生理的状態により近い実験のセットアップの代謝的動態の理解を与える可能性があります。
規制の代謝活性は、細胞の生存と組織の健全な機能に不可欠です。規制緩和の代謝活性は、発症と様々 な病気の1の進行にリンクするよう広く示されています。たとえば、低い代謝活性はアルツハイマー病などの神経変性疾患における前述および年齢関連の記憶減損2,3。さらに、ミトコンドリア機能障害は老化プロセス4,5に作因的に関与すると考えられています。その一方で、ミトコンドリアと代謝率はがん細胞で6ミトコンドリアの阻害剤の使用削減し腫瘍7記述されていた。
代謝活動の 1 つの読み出しは、ミトコンドリアの酸素消費量 (OCR) です。興味深いことに、読み出しのこのタイプは、主に分離ミトコンドリアから取得またはセル、このように文献に記載されているかの大半は、生理学的状態に似ていない読み出しに主に基づいています。ただし、この手法にいくつかの欠点があります。まず、ミトコンドリアの分離のプロトコルは可能性のある若い対古い組織9から分離されたミトコンドリアを比較するとき関連したアーチファクトがあります整合性8にそのに損傷を与えます。さらに、分離プロセスが長く、ミトコンドリア機能9,10,11を規制関連タンパク質修飾の失われる可能性があります。さらに、分離ミトコンドリアは一貫して全体の組織代謝率12,13を表してないことが示されています。このような細胞の生物学的複雑さと見なすことが、「全体はその部品合計より大きい’、すなわち、ミトコンドリアが分離したときの代謝率と比較して複雑な細胞内代謝率の異なるを表示ことがあります。
一方、細胞分離ミトコンドリアよりもより良い OCR 読み出しを提供するかもしれない、全体組織のコンテキストでセルに通信が失われます。たとえば、脳の神経細胞の代謝活動は近隣のグリア細胞14の代謝活性に大きく依存。など、全組織または全有機体に OCR を調査する新しい技術を確立する発症と様々 な疾患の進行をより洞察力があるかもしれない。
最近では、これらの問題に対処し、全体の組織、セグメント、または生物から OCR の測定を有効にする新しい手法が浮上しています。例えば、最近の作品は計15グリセリン繊維アプローチを用いたカブトムシ飛翔筋から酸素測定を報告しました。マイクロ呼吸の新しいマシンは、膵ランゲルハンス島16,17の OCR の測定を許可します。その結果、全体のワーム18およびシマウマの魚19から OCR の測定が実現が報告されています。ただし、OCR 変化のコンテキストで様々 な薬をテストするための挑戦を提起する消化のバリアの存在かもしれない。興味深いことに、ネビルと同僚による最近のレポートは、ウェル プレート20,21単一ショウジョウバエ幼虫の脳を測定するための新しい手法を示しています。
この研究では、全体の生活と非携帯ショウジョウバエ22全体 OCR の測定を有効にする同様のセットアップを使いました。この手法は、消化器系バリア13,22を通過することがなく、セグメント全体の代謝活性の各種薬剤の影響を測定する際に 2 番目の利点を提供しています。たとえば、以前に直接噴射リジン脱アセチル化酵素阻害剤 (KDACi) の薬を信じて改善記憶形成23の結果、脳内エピジェネティックな機構を変更するを実証しました。しかし、私たちの新しい技術を使用して、我々 は貢献の要因は神経活動のそれ自体である、OCR の急速な増加で起因した KDAC 阻害発見。我々 のプロトコルは、頭全体のコンテキストで OCR に様々 な薬があり、遺伝子操作、または生理的状態 (病気、高齢化) の影響を評価するために簡単で、新規メソッドを提供します。
我々 の新しい技術では、高齢化における代謝変動と全く飛ぶヘッド セグメント22のコンテキストで病研究への新しいアプローチを提供しています。メソッドは、酸素消費量に KDAC 酪酸の影響を研究するも適して ことができます。実証してきた、リジン deacetlyase 阻害剤 (hdacs をした/KDACs) OCR 変更あります。基本的に、このような阻害剤のターゲットが (これらの阻害剤では、クラス III 脱アセチル化酵素、サーチュインは影響しない) ミトコンドリアでローカライズされていない通常24、そのような薬だけでテストすることができる、少なくとも組織レベル。確かに、様々 な薬は消化器系によって可能な不活性化処理/変更/が入り込んで、脳に直接注入されます。など、私たちの技術にどのようにこのような薬剤の影響で直接新しい見識に頭のセグメントを提供しています。
いくつかの重要な手順があります。まず、前述のプロトコルでは、強くお勧めしますプレートの準備の手の 2 つのペアで 1 時間未満プレートを準備します。私たちの経験から OCR 測定の安定性と品質が良いときにタイムリーに準備です。あまりにも時間がかかり、安定した OCR の短い期間だけでなく、低 OCR がかかる井戸の発生が増加しています。第二に、品質チェックを実施し、様々 なサンプル間の実験条件が類似 (pH、酸素レベル) することが重要です。最後に、重要なステップは、サンプルの分析が正しいアルゴリズムを選んでいます。実証してきた、既定 AKOS アルゴリズムは消費率が高い13酸素サンプルで誤解を招くと時々 反対の計算をもたらした。我々 したがって酸素レベルの raw データをチェックし、結果の OCR を比較することの重要性を強調します。
現在、この方法ではいくつかの制限があります。常温でマシン加熱 31 ° C まで (これは最小限の温度測定中に室温で、)、飛ぶヘッド25の応力状態を表す場合があります。これはしかし、25 ° C での測定を可能にする低温室内でマシンを配置することによって克服できると、それゆえフライのヘッドに熱ストレスなし。最近の報告書は、11 ° c、25 ° C21で飛ぶの OCR 記録ができ、マシンを配置することを実証しています。それにもかかわらず、部屋の温度でフライのヘッド分離を実行します。さらに、温度の変動は、pH 変化への挑戦したがって強くお勧め同様の実験のセットアップを使用して OCR の生理学的条件/薬剤の影響をテストします。さらに、非ミトコンドリア依存性のメカニズムによる酸素消費量の貢献されていない確立された26。飛ぶヘッドで効率的なさまざまな呼吸阻害剤を使用すると、このような非ミトコンドリアの酸素消費率を確立することが可能なります。
それは注目に値する様々 な哺乳類の病気はエネルギー代謝の変化によって特徴付けられます。中でも、がんなど再配線、いずれかの還元的代謝の代謝やアルツハイマー病などによって特徴付けられる病気。興味深いことに、KDAC 阻害剤はアルツハイマー病および癌治療27に使用されます。どの KDAC によって阻害剤治療の側面を達成している正確なメカニズムは不明私たちの技術からデータはこのような阻害剤が代謝を調節する新規の概念をサポートしています。
要約すると、このメソッドは貴重な体内料金全体の酸素消費量を測定し、正確に分離ミトコンドリア プロトコル12で見落とされることがあります一般的な代謝に対する薬剤の効果が表示されます。など、従来の技術ではなくこのメソッドから得られた結果は、KDAC の治療に加齢に伴う代謝の硬直化の知見を関与しています。追加の作業を最適化する必要がある実験条件飛ぶヘッド、私たちの技術と適切な分析の組み合わせは全体の生体組織のコンテキストでミトコンドリアの活動のさらなる解明につながる可能性があります。
The authors have nothing to disclose.
アンドレアス囲ま、カーラ マーグリスと広範な実験的なサポートのため、チームに感謝します原稿の彼女のコメントありがとうケイトリン Ondracek。我々 はこの手法の初期の段階を確立するのに私たちを支援のためソフィア Vikstrom を感謝したいです。我々 はまた、彼女の技術的な助けを可能性があります Sanderhoff を感謝します。LB はドイツ連邦教育省と研究 (Infrafrontier グラント 01KX1012) によって資金を供給します。SP は、アクサ研究基金研究員親睦と NSFC (許可番号 81870900) によって資金を供給されました。AVV は、QBM によって資金を供給します。
Glucose | Sigma-Aldrich | G8644 | D-(+)-Glucose solution 100 g/L in H2O, sterile-filtered |
XF assay Medium | Agilent | 103575-100 | Seahorse XF DMEM Medium, pH 7.4 |
Sodium butyrate | Merck | 817500 | Dissolved in XF assay buffer |
Seahorse XF24/e24 analyzer | Agilent | ||
XF24/e24 Extracellular Assay Kit | Agilent | 100850-001 | Cartridge |
XF24/e24 Islet Capture Microplates | Agilent | 101122-100 | Plate |
Seahorse Capture Screen Insert Tool | Agilent | 101135-10 | Insertor |
Petri dish | Sarstedt | 821,472 | Petri dish 92 x 16 mm |