Analyse van human natural killer cell metabolisme

Natural Killer (NK) cellen zijn aangeboren lymfocyten die anti-tumor en anti-virale reacties bemiddelen. NK-cellen bestaan uit 5-15% van alle lymfocyten in menselijk perifeer bloed, en kunnen ook worden gevonden in milt, lever, beenmerg en lymfeklieren. NK-cellen drukken geen polymorfe clonotyp receptoren uit, zoals T-celreceptoren (TCR) of B-celreceptoren (BCR). De activering van hun cytolytische functies daarentegen wordt ingegeven door de betrokkenheid van receptoren die onveranderlijke liganden herkennen op het oppervlak van een doelcel^1,2.

Rustende menselijke NK cellen geïsoleerd uit perifeer bloed kan overleven voor meerdere dagen in cultuur medium aangevuld met menselijk serum. Activering van NK-cellen door cytokinen zoals IL-15 of IL-2 drijft de cellen tot proliferatie en tot een toename van hun moordvermogen, onder andere effecten^3,4,5. Verschillende studies hebben een directe correlatie aangetoond tussen NK-celactivering en veranderingen in hun metabolische activiteit⁶. Deze metabolische veranderingen zijn bestemd om te voldoen aan de specifieke eisen van de cellen in termen van energie en biosynthese.

Aërobe cellen en organismen verkrijgen energie door middel van een reeks chemische reacties die de katabolisme en oxidatie van koolhydraten, vet en eiwitten te betrekken. Door een combinatie van glycolyse, de tricarboxylzuurcyclus (TCA) en oxidatieve fosforylatie voldoen eukaryotische cellen aan de meerderheid van hun ATP-vraag en verkrijgen ze tussenproducten die nodig zijn als bouwstenen voor macromolecules die essentieel zijn voor celgroei en proliferatie. Het proces van glycolyse (figuur 1A) begint met de invoer van glucose in de cel. In de cytosol wordt glucose gefossyleerd en omgezet in pyruvaat (met een nettoproductie van 2 moleculen ATP per glucosemolecuul), die kunnen worden gereduceerd tot lactaat of getransporteerd naar de mitochondriën om te worden omgezet in Acetyl-CoA en de TCA-cyclus binnen te gaan. De TCA-cyclus blijft fietsen gevoed met meer moleculen van Acetyl-CoA en produceert CO₂ (die uiteindelijk buiten de cel zal verspreiden en, door te reageren met H₂O in het medium, zal genereren koolzuur dat zal leiden tot de verzuring van het medium) en NADH, het molecuul belast met het doneren van elektronen aan de elektronentransportketen (ETC). De elektronen reizen door verschillende eiwitcomplexen en worden uiteindelijk geaccepteerd door zuurstof. Deze complexen (I, III en IV) pompen ook H⁺ van de mitochondriale matrix in de intermembrane ruimte. Als gevolg van de elektrochemische gradiënt gegenereerd, zal de H⁺ opnieuw in de matrix via de complexe V (ATP-synthase), het investeren van de potentiële energie verzameld in de generatie van ATP.

Zowel glycolyse als mitochondriale ademhaling kunnen op verschillende punten worden geblokkeerd met behulp van remmers. De kennis en het gebruik van deze remmers was de basis voor de ontwikkeling van de extracellulaire fluxtest. Door twee eenvoudige parameters in real time te meten, zoals pH en zuurstof, leidt de extracellulaire flux analyzer de snelheid van glycolyse en mitochondriale ademhaling af in een 96-put plaat. De glycolysestresstest wordt uitgevoerd in een basaal medium zonder glucose (figuur 1B)⁷. De eerste metingen van de extracellulaire verzuring (ECAR) zijn indicatief voor glycolyse-onafhankelijke verzuring. Het wordt aangeduid als niet-glycolytische verzuring en correleert met CO₂ geproduceerd door de TCA die, zoals eerder uitgelegd, combineert met H₂O in het medium om H⁺ (TCA-gekoppelde ECAR) te genereren. De eerste injectie is glucose om glucosegebruik te induceren en glycolyse te stimuleren. De tweede injectie combineert zowel rotenone, een Complexe I-remmer, en antimycine A, een Complexe III-remmer samen, om de ETC. Cellen te blokkeren reageren op deze dramatische afname van mitochondriale ATP-productie door het activeren van glycolyse om cellulaire ATP-niveaus te handhaven, en dit vertegenwoordigt de hoeveelheid glycolyse die niet wordt gebruikt door de cel in de basale toestand, maar mogelijk kan worden aangeworven als reactie op de toename van de ATP-vraag (compenserende glycolyse). De derde injectie is de glucose analoge 2-Deoxyglucose (DG), die concurreert met glucose als substraat voor het enzym hexokinase. Het product van deze fosforylatie, 2-deoxyglucose-6-fosfaat kan niet worden omgezet in pyruvaat, en daarom glycolyse wordt geblokkeerd, waardoor de ECAR tot zijn minimum wordt beperkt. De op dit punt gemeten ECAR omvat andere bronnen van extracellulaire verzuring die niet worden toegeschreven aan glycolyse of ademhalingsactiviteit, evenals eventuele resterende glycolyse die niet volledig door 2-DG (post 2-DG-verzuring) wordt geremd.

De mitochondriale stresstest wordt uitgevoerd in een medium met glucose (figuur 1C)⁸. De eerste metingen van het zuurstofverbruik (OCR) komen overeen met de basislijn van mitochondriale ademhaling (basale ademhaling). De eerste injectie is oligomycine, die de terugkeer van protonen via de ATP-synthase (complex V) remt, de ATP-synthese blokkeert en zo snel het mitochondriale membraan hyperpolariseert, wat verdere protonpompen door ademhalingscomplexen voorkomt en leidt tot een afname van OCR. De vergelijking tussen de basisinademing en de waarde die wordt gegeven door toevoeging van oligomycine vertegenwoordigt de atp-gekoppelde ademhaling. De resterende oligomycine-ongevoeligheidsgraad van zuurstofverbruik wordt protonlek genoemd, dat de stroom van protonen door de lipidebilayer of eiwitten in het binnenste mitochondriale membraan vertegenwoordigt, zoals de adenine nucleotide translocase⁹. De tweede injectie is de ontkoppelaar 2,4-dinitrophenol (DNP), een ionofoër die een massale binnenkomst van H⁺ in de mitochondriale matrix induceert, wat leidt tot depolarisatie van het mitochondriale membraan en verstoring van mitochondriale ATP-synthese. Cellen reageren op de dissipatie van de proton-bewegingskracht door het verhogen van de snelheid van elektronentransport en zuurstofverbruik tot maximale niveaus in een vergeefse poging om membraan potentieel (maximale ademhalingscapaciteit) te herstellen. Het verschil tussen de maximale ademhalingscapaciteit en de basale ademhaling is de reserveademhalingscapaciteit van de cel, die de hoeveelheid ademhaling vertegenwoordigt die niet door de cel wordt gebruikt om ATP in de basale toestand te genereren, maar mogelijk kan worden aangeworven als reactie op een toename van de ATP-vraag of onder stressomstandigheden⁸. De derde injectie is een combinatie van rotenone en antimycine A. Deze injectie stopt volledig de ETC en OCR daalt tot het laagste niveau, met de resterende zuurstofverbruik wordt niet-mitochondriaal (veroorzaakt door NADPH-oxidases, enz.).

Veranderingen in metabole trajecten kunnen op de een of andere manier de werking van NK-cellen voorspellen, omdat is gesuggereerd dat continue activering van NK-cellen met cytokines in vitro kan leiden tot NK-celuitputting door de studie van verschillende metabole trajecten^10,11. De correlatie tussen NK cel metabolische status en functie is zeer belangrijk vanuit het oogpunt van kanker immunotherapie. Op dit gebied is de activering van NK-cellen met infusie van IL-15, alleen of in combinatie met monoklonale therapeutische antilichamen getest om het doden van tumorcellen^12,13,14te verbeteren . De kennis van de metabolische status van de NK-cellen in reactie op deze behandelingsstrategieën zou een waardevolle voorspeller zijn van de NK-celactiveringsstatus en de moordfunctie.

De studie van metabole trajecten in andere myeloïde en lymfoïde cellen zoals monocyten, T- en B-cellen is beschreven¹⁵ en geoptimaliseerde methoden zijn gepubliceerd¹⁶. In dit protocol bieden we een methode die zowel een NK isolatieprotocol combineert dat hoge aantallen zuivere en levensvatbare NK-cellen oplevert als een geoptimaliseerd protocol om metabole activiteit te meten met behulp van een extracellulaire flux analyzer. Hier tonen we aan dat dit een geldige methode is voor de studie van metabole veranderingen in rust en IL-15 geactiveerde menselijke NK cellen. Voor de extracellulaire fluxtest zijn parameters zoals celnummer en medicijnconcentraties getest en geoptimaliseerd. Vergeleken met andere respirometrische methoden, de extracellulaire flux analyzer is volledig geautomatiseerd en in staat om te testen in real time, met zeer lage hoeveelheden cellen, tot 92 monsters tegelijk, en dus maakt hoge doorvoer screenings (met meerdere monsters en repliceert) in een relatief snelle manier¹⁷.

Deze methode kan worden gebruikt door onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het beoordelen van NK celfunctie door het bestuderen van NK celmetabolisme. Het kan ook worden toegepast op cellen geactiveerd door andere cytokinen, antilichamen of oplosbare stimuli.