Method Article
Das vorliegende Protokoll beschreibt einen Assay zur Beurteilung der Fähigkeit zur Fettsäureoxidation in Kulturen von primären Knochenzellen oder relevanten Zelllinien.
Es wird erwartet, dass die Knochenbildung durch Differenzierung von Osteoblasten einen erheblichen Energieaufwand erfordert, da diese spezialisierten Zellen große extrazelluläre Matrixproteine synthetisieren müssen, aus denen das Knochengewebe besteht, und dann die für seine Mineralisierung notwendigen Ionen konzentrieren müssen. Daten über die metabolischen Anforderungen der Knochenbildung gibt es in rasantem Tempo. Obwohl es noch viel zu lernen gibt, wird erwartet, dass Störungen im intermediären Stoffwechsel zu Skeletterkrankungen beitragen. In dieser Arbeit wird ein Protokoll zur Bewertung der Fähigkeit osteoblastischer Zellen zur Oxidation von 14C-markierten Fettsäuren zu 14CO2 und säurelöslichen Metaboliten vorgestellt. Fettsäuren stellen eine reichhaltige Energiereserve dar, die nach der Fütterung oder nach ihrer Befreiung aus den Fettgewebespeichern aus dem Kreislauf aufgenommen werden kann. Der Assay, der in T-25-Gewebekulturkolben durchgeführt wird, ist hilfreich für die Untersuchung des Gengewinns oder -verlusts auf die Fettsäureverwertung und die Wirkung anaboler Signale in Form von Wachstumsfaktoren oder Morphogenen, die für die Erhaltung der Knochenmasse notwendig sind. Details zur Möglichkeit, das Protokoll anzupassen, um die Oxidation von Glukose oder Aminosäuren wie Glutamin zu beurteilen, werden ebenfalls bereitgestellt.
Der Osteoblast, der aus Vorläuferzellen gewonnen wird, die im Knochenmark und im Periost vorhanden sind, ist für die Synthese und Sekretion der mineralisierten, kollagenreichen Matrix verantwortlich, aus der das Knochengewebe besteht. Um dieses energetisch teure Unterfangen zu erfüllen und zur lebenslangen Aufrechterhaltung der Integrität des Skeletts beizutragen, unterhalten diese spezialisierten Zellen ein reichlich vorhandenes raues endoplasmatisches Retikulum, das für die Synthese extrazellulärer Matrixproteineunerlässlich ist 1,2 und zahlreiche Mitochondrien mit hohem Membranpotential, um die erforderliche chemische Energie aus Brennstoffsubstraten zu gewinnen 3,4. Die Bedeutung dieser letztgenannten Funktion wird durch die Beendigung des Knochenwachstums und die Entwicklung von Osteopenie 5,6 veranschaulicht, die mit Energiedefiziten wie der Kalorienrestriktion verbunden ist. Die Identität der bevorzugten Brennstoffquelle des Osteoblasten und die Daten über den metabolischen Bedarf des Osteoblasten während der Differenzierung oder als Reaktion auf anabole Signalwege zeichnen sich ab 7,8.
Langkettige Fettsäuren stellen eine reichhaltige Versorgung mit chemischer Energie dar, die im Serum vorhanden ist und aus dem Fettgewebe als Reaktion auf eine verminderte Kalorienaufnahme oder einen erhöhten Energieverbrauch freigesetzt wird. Nach dem Durchlaufen der Zellmembran und der Ligation an Coenzym A zur Erhöhung der Löslichkeit werden fetthaltige Acyl-CoAs durch die dualen Carnitin-Palmitoyltransferase-Enzyme auf der äußeren und inneren Mitochondrienmembran und die Carnitin-Acylcarnitin-Translokase7 in die mitochondriale Matrix transportiert. Innerhalb der mitochondrialen Matrix verkürzt die Kette der β-Oxidationsmaschinerie Acyl-CoA in einem 4-stufigen Prozess, der Acetyl-CoA erzeugt, das in den TCA-Zyklus (Tricarbonsäurezyklus) eintritt und Äquivalente reduziert. Der Katabolismus von Palmitat (C16), den häufigsten Fettsäuren bei Tieren, liefert über diesen Weg ~131 ATP, wesentlich mehr als das durch Glukoseoxidation erzeugte ~38 ATP7.
Rückverfolgungsstudien mit radioaktiv markierten Lipiden zeigten, dass Knochen einen signifikanten Anteil der zirkulierenden Lipide aufnehmen 9,10, während die genetische Ablation von Enzymen, die für den Lipidabbau entscheidend sind, zu einer Verringerung der Osteoblastenaktivität und des Knochenverlusts führt 9,11. Das hier vorgestellte Protokoll verwendet eine 14C-markierte Fettsäure, um die Fähigkeit kultivierter Osteoblasten zu bewerten, Fettsäuren vollständig zu CO2 oder säurelöslichen Metaboliten zu metabolisieren, die Zwischenschritte im Oxidationsprozess darstellen. Obwohl die Verwendung von Radioaktivität erforderlich ist, ist die Methode einfach, erfordert begrenzte Investitionen und ist zum Nutzen anderer radioaktiv markierter Metaboliten und Zelltypen anpassbar.
Dieses Protokoll verwendet die Umwandlung von [1-14C]-Ölsäure in 14CO2 als Indikator für die Oxidationskapazität von Fettsäuren. Das örtliche Strahlenschutzamt genehmigte das Protokoll für die Verwendung radioaktiver Stoffe, bevor es mit den Experimenten begann. Alle Bestrahlungsverfahren wurden hinter einer Plexiglasscheibe mit entsprechender persönlicher Schutzausrüstung durchgeführt. Das örtliche Komitee für Tierpflege und -verwendung genehmigte das Protokoll vor der Verwendung von Primärzellen.
1. Fettsäureoxidation in kultivierten Osteoblasten
2. Sammlung von säurelöslichen Metaboliten
ANMERKUNG: Die in Schritt 1.8 verwendete Inkubationszeit von 3 Stunden reicht möglicherweise nicht aus, um die gesamte von den Zellen aufgenommene [1-14C] Vollölsäure zu CO2 zu oxidieren. Der Fluss im Oxidationsweg von Fettsäuren kann auch durch Messung der Radioaktivität in der säurelöslichen Fraktion bestimmt werden.
3. Messung der Glukoseoxidation oder Aminosäureoxidation
Die enzymatische Aktivität sowohl der Carnitin-Palmitoyltransferase-1 (Cpt1) als auch der Carnitin-Palmitoyltransferase-2 (Cpt2) ist für die Oxidation der mitochondrialen langkettigen Fettsäuren erforderlich. Cpt1 ist das geschwindigkeitsbestimmende Enzym im Stoffwechselweg, aber drei Isoformen (Cpt-1a, Cpt-1b und Cpt-1c) sind in Säugetiergenomen kodiert, und die genetische Störung einer Isoform kann zu einer kompensierenden Hochregulierung einer anderen Isoformführen 13. Im Gegensatz dazu wird Cpt2 von einem einzigen Gen kodiert. In dem in Abbildung 2A dargestellten Experiment führt die genetische Ablation von Cpt2 zu einer ~60%igen Verringerung der Oxidation von [1-14C]-Ölsäure zu 14CO2 und zu einer ~27%igen Abnahme der Markierung von säurelöslichen Metaboliten im Vergleich zu Kontrollen in Kulturen von primären Maus-Schädeldach-Osteoblasten, die 7 Tage lang differenziert wurden. Es wird erwartet, dass die verbleibende Fähigkeit, Ölsäure zu CO2 in den mutierten Osteoblasten zu oxidieren, auf die peroxisomale Oxidation oder ω-Oxidation zurückzuführen ist. Die geringere relative Abnahme der säurelöslichen Metabolitenmarkierung in den mutierten Zellen ist wahrscheinlich das Ergebnis einer normalen oder erhöhten Fettsäureaufnahme. In der Tat nimmt die Häufigkeit von fetthaltigen Acylcarnitinen bei Osteoblasten zu, die für Cpt29 defizient sind. In dem in Abbildung 2B dargestellten Experiment wurde die Fettsäureoxidation in Wildtyp-Osteoblasten und Osteoblasten untersucht, die Wnt19 überexprimieren. Da die Aktivierung des Wnt-Signalwegs durch eine genetische Manipulation und nicht durch eine Behandlung mit einem exogenen Liganden (die nach der Behandlung eine Inkubationszeit erfordern würde) induziert wurde, wurde der Assay an einem einzigen Tag abgeschlossen.
Abbildung 1: Montage der Polypropylen-Zentriermulde und des Hülsenstopfens. (A) Ein Streifen Whatman-Filterpapier wird mit einer Breite geschnitten, die knapp der Tiefe der Polypropylen-Zentriermulde (~1 cm) entspricht. (B) Das Filterpapier wird aufgefächert oder gerollt und dann in die Mittelmulde aus Polypropylen eingeführt. (C) Der Arm der Mittelmulde aus Polypropylen wird durch den Gummimanschettenstopfen geschoben. Vermeiden Sie es, ein Loch in den Stopfen zu reißen, durch das CO2 entweichen könnte. (D) Nach Zugabe der Etikettiermischung werden die Mittelwanne aus Polypropylen und der Hülsenstopfen verwendet, um den T-25-Kolben zu verschließen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Fettsäureoxidation in primären Mausosteoblasten. (A) Oxidation von [1-14C]-Ölsäure zu 14CO2 (linkes Feld) oder löslichen sauren Metaboliten (rechtes Bild) in Kulturen von Kontrollosteoblasten oder Osteoblasten, die einen Mangel an Carnitinpalmitoyltransferase-2 (ΔCpt2) aufweisen. (B) Grafische Darstellung der Osteoblasten, die Wnt1 überexprimieren und eine erhöhte Fähigkeit zur Oxidation von [1-14C]-Ölsäure zu 14CO2 aufweisen. Die Ergebnisse werden als Zählungen pro Minute (cpm) normalisiert auf mg Protein und mittlere ± Standardfehler angezeigt. *p < 0,05. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Probe | cpm 14CO2 | Eiweiß (mg) | cpm/mg Eiweiß |
Control_1 | 9243 | 1.34311224 | 6881.777803 |
Control_2 | 7925 | 5900.474855 | |
Control_3 | 10983 | 8177.276383 | |
Control_4 | 9643 | 7179.593568 | |
Control_5 | 13270 | 9880.038023 | |
Control_6 | 10293 | 7663.544187 | |
Control_7 | 10539 | 7846.700883 | |
Control_8 | 10131 | 7542.928802 | |
Wnt1_1 | 12961 | 1.08545918 | 11940.56878 |
Wnt1_2 | 11853 | 10919.80262 | |
Wnt1_3 | 16203 | 14927.3232 | |
Wnt1_4 | 13629 | 12555.97654 | |
Wnt1_5 | 13681 | 12603.88253 | |
Wnt1_6 | 15803 | 14558.81556 | |
Wnt1_7 | 13845 | 12754.97067 | |
Wnt1_8 | 8855 | 8157.837865 |
Tabelle 1: Cpm-Rohdaten, normiert auf die Proteinkonzentration. Rohe cpm-Zahlen von 14CO2 werden normalisiert, indem sie durch die Menge des aus den unmarkierten Kolben extrahierten Proteins dividiert werden.
Das oben beschriebene Verfahren ermöglicht die direkte Beurteilung der Fettsäureoxidation, da es sich bei den gemessenen Ausgängen um 14CO2 handelt, die auf dem mit NaOH getränkten Filterpapier gesammelt wurden, und um säurelösliche Metaboliten, die nach der Ansäuerung der Kultur mit Perchlorsäure gesammelt wurden. Kommerziell erhältliche Assay-Kits, die fluoreszenzmarkierte Lipidmoleküle oder Lipidanaloga verwenden, können die Lipidaufnahme messen, aber sie bestimmen nicht den Katabolismus für die Energieerzeugung. Andere Messungen des Katabolismus, wie z. B. 13C-Stoffwechselfluss14, erfordern spezielle Analysegeräte. Dieser Assay ist sensitiv und relativ schnell, da er an einem einzigen Tag abgeschlossen werden kann, wenn nur die Konzentrationen von 14CO2 benötigt werden (Abbildung 2). Alternativ kann das Filterpapier über Nacht in Szintillationsflüssigkeit inkubiert und gleichzeitig als säurelösliche Metaboliten abgelesen werden, wenn die Bestimmung beider Ergebnisse gewünscht ist. Wenn eine Negativkontrolle erforderlich ist, können die Forscher die Zellen mit Etomoxir vorbehandeln, einem irreversiblen Inhibitor der Carnitin-Palmitoyltransferase-1. Die Interpretation dieser Daten erfordert jedoch Vorsicht, da Etomoxir auch die Adenin-Nukleotid-Translokase und Komponenten der Elektronentransportkette hemmt15,16. In Osteoblasten wurde dieser Assay verwendet, um die Auswirkungen des Funktionsverlusts von Carnitin-Palmitoyltransferase-2 und Low-Density-Lipoproteinrezeptor-bezogenem Protein-5 auf die Fettsäureverwertungzu beurteilen 9,17 und den Einfluss von exogenen Wnt-Liganden und Insulin18,19.
Die Normalisierung der radioaktiven Zahlen ist entscheidend, um Veränderungen der Zellzahl zu berücksichtigen, die sich aus Genmanipulation, Wachstumsfaktorbehandlung oder der Zugabe pharmakologischer Wirkstoffe ergeben können. Das Protokoll erfordert eine Normalisierung auf die Proteinkonzentration, da die meisten Laboratorien BCA-Assay-Kits unterhalten oder über andere Methoden zur Quantifizierung von Proteinen verfügen. Für die Proteinnormalisierung ist es wichtig, unlösliche Proteine (Kollagene und andere extrazelluläre Matrices) aus dem Lysat zu entfernen, bevor ein BCA-Assay oder eine weitere Proteinquantifizierung durchgeführt wird. Ohne diesen Schritt können die Ergebnisse durch die Häufigkeit der extrazellulären Matrix, die während der Osteoblastendifferenzierung gebildet wird, verzerrt werden. Eine Normalisierung auf den DNA-Gehalt ist ebenfalls möglich, würde aber wahrscheinlich den Kauf zusätzlicher Reagenzien erfordern. In beiden Fällen beseitigt die Quantifizierung des Protein- oder DNA-Gehalts in den Zellkulturflaschen, die nicht mit [1-14C]-Ölsäure markiert wurden, die Vorsichtsmaßnahmen für die Arbeit mit Radioaktivität aus diesem Teil des Assays. Wenn die Ergebnisse mehrerer Experimente kombiniert werden sollen, ist es wichtig, die Gesamtaktivität zu berechnen. Dies kann für etwaige Unterschiede in den CPM-Messungen zwischen den Studien verantwortlich sein. In dieser Hinsicht ist die Angabe von Daten als prozentuale Änderung der CO2 - Produktion oder der Gehalt an säurelöslichen Metaboliten im Vergleich zur Kontrollbehandlungsgruppe ein bequemer Weg, um die Variabilität zwischen den Experimenten auszugleichen.
Die Verwendung von Ölsäure wird in diesem Protokoll aufgrund ihrer größeren Löslichkeit beschrieben, aber auch 14-C-markiertes Palmitat kann verwendet werden. Wie oben angedeutet, können radioaktiv markierte Fettsäuren auch durch 14C-Glucose oder 14C-Glutamin ersetzt werden. In diesem Fall werden nur die Gehalte von 14CO2 bewertet. In ähnlicher Weise können primäre Schädeldach-Osteoblasten durch Kulturen von aus dem Knochenmark gewonnenen Osteoblasten, Osteoblasten-Zelllinien wie Mc3t3-E1 oder Osteoklasten ersetzt werden.
Eine Einschränkung dieses Protokolls, zumindest in unseren Händen, besteht darin, dass die Beurteilung der Fettsäureoxidation in Skelettgewebe-Explantaten bisher nicht möglich war (unveröffentlichte Daten). Zu diesem Zeitpunkt ist nicht klar, ob dies auf eine Unfähigkeit der markierten Ölsäure zurückzuführen ist, die verkalkte Matrix zu durchdringen und von einer ausreichenden Anzahl von Knochenzellen aufgenommen zu werden, oder auf ein anderes Problem. Das Protokoll ist jedoch für die Verwendung in Gewebeexplantaten von Weichgewebe wie Fettgewebe, Leber und Muskeln geeignet20,21. Darüber hinaus liefert der Assay keine Informationen über den Schritt im Stoffwechselweg, bei dem sich experimentelle Behandlungen auf den Fettsäurekatabolismus auswirken. Diese Art der Analyse würde die Verwendung teurerer 13C-metabolischer Flussexperimente erfordern, die auf der Grundlage der Ergebnisse dieses Assays rationalisiert werden können.
Die Autoren erklären, dass keine konkurrierenden Interessen bestehen.
Diese Arbeit wurde durch einen Merit Review Award des Biomedical Laboratory Research and Development Service des Veterans Affairs Office of Research and Development (BX003724) und einen Zuschuss des National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases (DK099134) unterstützt.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
[1-14C]-Oleic acid | Perkin Elmer | NEC317050UC | |
15 x 30 mm rubber sleeve stoppers | VWR | 89097-542 | |
1 mL syringe | BD precision | 309628 | |
25 G needle (25 G x 1 1/2 in) | BD precision | 305127 | |
Ascorbic Acid | Sigma Aldrich | A4403 | |
BCA Protein Assay Kit | Thermo Fisher | 23225 | Other kits are also suitable |
Beckman Scintillation Counter, or equivalent | Beckman Coulter | LS6000SC | |
Beta-glycerol phosphate | Sigma Aldrich | G6626 | |
Bovine Serum Albumin | Sigma Aldrich | 126609 | |
Carnitine | Sigma Aldrich | C0283 | |
Cellular lysis buffer | The protocol is amenable to typical lysis buffers (i.e. RIPA) | ||
Dissecting forceps | Available from multiple sources | ||
DNA quantification Kit | Available from multiple sources | ||
Dulbecco’s Phosphate-Buffered Saline | Corning | 20-030-CV | |
Fetal Bovine Serum | Available from multiple sources | ||
Microcentrifuge tubes, 1.5 mL | Available from multiple sources | ||
Minimum Essensial Medium, Alpha modification | Corning | 10-022-CV | |
Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15140122 | |
Perchloric Acid | Sigma Aldrich | 50439 | |
Polypropylene center wells | VWR | 72760-048 | |
Sodium hydroxide | Sigma Aldrich | S5881 | |
T-25 canted neck tissue culture flask | Corning | 430639 | |
Tissue Culture Incubator | |||
Trypsin (0.25%)-EDTA | Gibco | 25200056 | |
Ultima Gold (Scintillation solution) | PerkinElmer | 6013329 | |
Whatman Chromatography paper | Sigma Aldrich | WHA3030917 |
Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden
Genehmigung beantragenThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Alle Rechte vorbehalten