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Aquí, describimos en detalle los métodos para extraer macrófagos de la médula ósea, el bazo y el corazón infartado, y posteriormente evaluar el flujo metabólico en células vivas.
La reprogramación metabólica es un sello distintivo de la activación de monocitos/macrófagos y de la polarización entre los estados proinflamatorios y antiinflamatorios. Por ejemplo, los monocitos/macrófagos proinflamatorios (es decir, similares a M1) muestran una mayor dependencia de la glucólisis anaeróbica y menos de la fosforilación oxidativa mitocondrial, mientras que los macrófagos antiinflamatorios (similares a M2) muestran una mayor dependencia de la oxidación de la glucosa y los ácidos grasos en las mitocondrias. Aquí, describimos protocolos detallados para extraer macrófagos de los dos principales reservorios de monocitos/macrófagos en el cuerpo, el bazo y la médula ósea, así como de tejidos lesionados como el corazón después de un infarto de miocardio.
Los macrófagos o monocitos se extraen por clasificación inmunomagnética mediante el uso de microesferas marcadas con anticuerpos, que se unen fácilmente a las células sin comprometer sus fenotipos. A continuación, las células extraídas se cultivan en placas de 96 pocillos, seguidas de un análisis de flujo extracelular mediante un analizador de flujo metabólico. Tanto la glucólisis como la fosforilación oxidativa mitocondrial se pueden medir simultáneamente en un pequeño número de células (tan solo 2-3 × 105 células). Este método se puede realizar fácilmente en 1 día y produce resultados confiables y repetibles. En última instancia, estos métodos ayudan a mejorar nuestra comprensión de los cambios metabólicos durante las respuestas inmunitarias e inflamatorias a lesiones y enfermedades, lo que podría conducir al desarrollo de nuevas dianas terapéuticas para las vías inmunometabólicas.
El inmunometabolismo es un campo en auge que estudia el papel de la reprogramación metabólica en las células inmunitarias a través de diferentes enfermedades patológicas y estados de lesión. Los macrófagos son una parte clave del sistema inmunitario innato que desempeña un papel fundamental en la inflamación, la respuesta a la infección, la presentación de antígenosy la cicatrización de heridas. Comprender cómo los macrófagos se polarizan entre subconjuntos proinflamatorios y antiinflamatorios (similares a M1 y M2) en diferentes estados de enfermedad es un área de investigación continua e intensa. Estudios recientes han identificado la reprogramación metabólica como un mecanismo clave que subyace a la polarización de los macrófagos. El paradigma actual es que, en términos generales, los macrófagos similares a M1 (que suelen ser similares a los monocitos) dependen más de la glucólisis para alimentar las funciones proinflamatorias, mientras que los macrófagos similares a M2 dependen más de la fosforilación oxidativa mitocondrial para sofocar las funciones proinflamatorias y alimentar los procesos antiinflamatorios2. Comprender cómo se altera el metabolismo de los macrófagos en diferentes estados de la enfermedad puede proporcionar información sobre posibles terapias que podrían usarse para dirigirse a las vías metabólicas.
A modo de ejemplo, nuestro laboratorio ha investigado ampliamente el papel de la reprogramación metabólica de los macrófagos durante el infarto de miocardio (IM)3,4,5. Los macrófagos desempeñan un papel clave en la respuesta inflamatoria y de cicatrización de heridas durante el infarto de miocardio y, como tales, experimentan una polarización de fenotipos similares a M1 a M2 a medida que el corazón infartado se remodela para formar tejido cicatricial de reemplazo. Utilizando los métodos descritos en este documento, hemos demostrado que esta polarización se caracteriza por cambios únicos en el metabolismo de la glucosa y la glutamina, y en la función mitocondrial. Describimos métodos para extraer macrófagos cardíacos, así como macrófagos esplénicos y monocitos de médula ósea, que pueden combinarse con análisis de flujo extracelular para evaluar el flujo metabólico ex vivo en un solo día. Esperamos que los métodos descritos ofrezcan un enfoque estandarizado para evaluar los fenotipos metabólicos de las células inmunitarias con el fin de mejorar la reproducibilidad en los laboratorios que estudian este importante tema.
Los métodos a continuación describen los protocolos para extraer macrófagos y realizar análisis ex vivo del flujo metabólico del corazón infartado después del infarto de miocardio, el bazo y la médula ósea (Figura 1). Para el corazón y el bazo del infarto de miocardio, el método de extracción utilizado es idéntico. Todos los protocolos que involucran ratones fueron aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales del Centro Médico de la Universidad de Mississippi (Protocolo # 1371, Mouton).
1. Extracción de macrófagos del corazón y el bazo infartados
NOTA: La extracción de macrófagos tisulares utiliza una estrategia de selección negativa para eliminar primero los neutrófilos, que están marcados con microperlas Ly6G, y luego una estrategia de selección positiva para obtener macrófagos con microperlas CD11b 3,4,5,6. Al realizar este protocolo, trabaje rápidamente y mantenga las celdas frías.
2. Extracción de monocitos de la médula ósea
NOTA: La extracción de monocitos de la médula ósea utiliza una estrategia de selección negativa en la que los no monocitos, incluidos los linfocitos, las células asesinas naturales, las células dendríticas, las células eritroides y los granulocitos (es decir, los neutrófilos), se marcan y eliminan inmunomagnéticamente.
3. Preparación de las células para el análisis del flujo metabólico
El número típico de células obtenido de los diferentes tejidos depende del tamaño, la edad y el sexo del animal. Para un ratón macho adulto (es decir, 16 semanas de edad, ~30 g), el bazo puede producir 3,0-4,0 × 106 macrófagos, mientras que la médula ósea (dos tibias y dos fémures) suele producir 1,0-1,5 × 106 monocitos (Figura 2A). El corazón infartado también suele producir números altos, dependiendo del día posterior al infarto de miocardio 4,5,6. En el día 3, el rendimiento suele ser de ~1,5 × 106 células/corazón. El corazón sano suele tener muy pocos macrófagos (0,1-0,2 × 105/corazón)6; Por lo tanto, si se utilizan macrófagos del corazón sano (no infartado) como control, puede ser necesario agrupar varios corazones. La Figura 2B ilustra gráficos representativos de citometría de flujo a partir de macrófagos o monocitos extraídos, que muestran poblaciones que son altamente positivas para CD11b y negativas para Ly6G. Los macrófagos cardíacos y esplénicos muestran heterogeneidad para el marcador de monocitos Ly6C, mientras que los monocitos de médula ósea son altamente positivos para Ly6C. En la Figura S1, la Figura Suplementaria S2 y la Figura Suplementaria S3 se muestran gráficas representativas de citometría de flujo para neutrófilos clasificados (corazón y bazo) y células no clasificadas del corazón, el bazo y la médula ósea infartados (es decir, tejido completo).
Los resultados del análisis de flujo extracelular se representan como cambios en el ECAR (mPh/min) y la tasa de consumo de oxígeno (OCR, pmol O2/min). Por lo general, los resultados se presentan en un gráfico de líneas con ECAR u OCR en el eje Y y tiempo en el eje X (Figura 3). Las medidas específicas se muestran como gráficos de barras.
A partir de los datos brutos, se pueden calcular varios parámetros metabólicos. También se puede calcular la relación OCR/ECAR de cada pocillo para dar una idea de la dependencia de la glucólisis frente a la respiración mitocondrial, que puede cambiar en diferentes condiciones4. Por ejemplo, ayunamos ratones (machos adultos C57BL/6J) durante la noche para evaluar los cambios en el metabolismo de los macrófagos. Un fenotipo en ayunas fue confirmado por la disminución de los niveles de glucosa en sangre y el aumento de las cetonas en sangre (Figura suplementaria S4), lo que disminuyó los leucocitos circulantes y los neutrófilos (Hemavet 950FS Auto Blood Analyzer; Figura suplementaria S5). Aislamos monocitos de médula ósea y macrófagos esplénicos de ratones alimentados frente a ratones en ayunas y evaluamos los cambios metabólicos mediante análisis de flujo extracelular (Figura 4). En los monocitos de médula ósea, el ayuno disminuyó la glucólisis y aumentó la relación OCR/ECAR tanto en la prueba de esfuerzo mitocondrial como en la prueba de esfuerzo de glucólisis (Figura 4A). En los macrófagos del bazo, el ayuno no afectó significativamente a la glucólisis, pero aumentó la capacidad ociosa y la respiración ligada al ATP (Figura 4B). La figura 4C muestra un ejemplo de flujo metabólico en macrófagos aislados del corazón infartado 3 días después de la cirugía.
Figura 1: Esquema representativo del análisis de flujo metabólico en macrófagos/monocitos extraídos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Resultados representativos de macrófagos cardíacos y esplénicos y monocitos de médula ósea aislados de ratones. (A) Imágenes representativas de macrófagos cardíacos y esplénicos aislados, y monocitos de médula ósea (4x); Promedio de números de celdas por ratón. Barra de escala = 1 mm. (B) Gráficos representativos de citometría de flujo de macrófagos cardíacos (infarto de miocardio día 3) y bazo y monocitos de médula ósea. CD45 se utilizó como marcador panleucocitario y CD11b como marcador de células mieloides. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Resultados representativos de las pruebas. (A) Glucólisis y (B) pruebas de esfuerzo mitocondrial. N = 3 mediciones independientes (macrófagos esplénicos). Media ± SEM. Abreviaturas: ECAR = tasa de acidificación extracelular; OCR = tasa de consumo de oxígeno; FCCP = cianuro de carbonilo-p-trifluorometoxifenilhidrazona. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Impacto del ayuno nocturno en el metabolismo celular. (A) Metabolismo de monocitos de médula ósea y (B) macrófagos del bazo. (C) Gráficos representativos de flujo extracelular de macrófagos cardíacos 3 días después del infarto de miocardio. N = 3-4 cada grupo. Abreviatura: FCCP = cianuro de carbonilo-p-trifluorometoxifenilhidrazona. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Archivo complementario 1: Gráficos representativos de citometría de flujo y niveles de glucosa y cetonas en sangre de ratones alimentados y en ayunas. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Nuestro método detalla la extracción rápida de macrófagos de la médula ósea, el bazo y el corazón infartado, que luego se pueden utilizar para realizar análisis posteriores, como el análisis de flujo metabólico extracelular. La combinación de estos dos métodos es una herramienta poderosa que puede cuantificar los cambios metabólicos en los macrófagos bajo diferentes estados de enfermedad o lesión, o estados metabólicos como el ejercicio. Si bien nuestro método se centró en la médula ósea y los macrófagos esplénicos, se pueden utilizar otros reservorios de macrófagos, como el compartimento peritoneal8. Aunque no somos los primeros en utilizar este método, esperamos que este artículo aumente la exposición y mejore la estandarización en todos los laboratorios.
Si bien los datos obtenidos de estos métodos brindan información invaluable sobre el estado metabólico de los diferentes compartimentos de macrófagos, se recomienda encarecidamente utilizar otros métodos para complementar los datos de flujo metabólico para obtener una imagen más completa del metabolismo. Por ejemplo, la combinación de los datos de flujo metabólico con la metabolómica (es decir, la cuantificación de metabolitos intracelulares) y la expresión de genes/proteínas y/o la actividad de las enzimas metabólicas se utiliza a menudo para crear una evaluación completa de los estados metabólicos de los macrófagos 5,9. En muchos casos, las células del mismo animal se pueden utilizar para diferentes ensayos.
En nuestra experiencia, la optimización del protocolo puede implicar la resolución de problemas en varios pasos diferentes. Una de las cosas más importantes es trabajar rápidamente y mantener las células frías, lo que aumentará el rendimiento y la viabilidad de las células. Determinar el número óptimo de células para el flujo extracelular es otro punto clave, ya que muy pocas células no darán una señal detectable, mientras que demasiadas células agotarán los nutrientes en el medio y, por lo tanto, no mostrarán una respuesta a los compuestos inyectados. En el caso de los macrófagos, hemos descubierto que 2,0 × 105 células del corazón del IM y 3,0 × 105 en una placa de 96 pocillos proporcionan los resultados más fiables y reproducibles. Sin embargo, esto puede variar de un laboratorio a otro. Se debe tener especial cuidado para garantizar que se utilicen números de células iguales entre muestras y grupos. Diferentes números de células tienen diferentes respuestas a los fármacos utilizados en el ensayo y pueden introducir una variabilidad no deseada.
Las concentraciones óptimas de fármacos inyectables incluidos en el ensayo (oligomicina, FCCP) también deben optimizarse antes de realizar los experimentos. Por ejemplo, hemos encontrado que 1,5 μM de oligomicina y 2,0 μM de FCCP producen las respuestas más robustas. Otro error común es no permitir que las células se adhieran a la placa de cultivo después de la extracción, lo que resulta en la pérdida de células al cambiar al medio de flujo extracelular. Sugerimos al menos 1 h, y hasta 2 h, para permitir que las células se adhieran.
El pipeteo demasiado agresivo también puede provocar la pérdida de células; Se recomienda pipetear con mucho cuidado y revisar las células con frecuencia bajo un microscopio. Un último punto es trabajar rápidamente al preparar la placa de flujo, particularmente cuando se realiza la prueba de esfuerzo de glucólisis. Dado que estas células están privadas de glucosa antes del ensayo, los tiempos de incubación más largos (más de 1 h en el medio basal) pueden alterar la respuesta inicial a la glucosa. Sugerimos preparar inmediatamente la placa de fundente después de reemplazar el medio normal con el medio basal (~ 30 min) y luego calibrar la placa (lo que lleva ~ 20 min). Siempre se debe tener en cuenta la variabilidad del interensayo. Al hacer comparaciones directas entre grupos, siempre se debe hacer un esfuerzo para realizar todos los grupos dentro de la misma placa o experimento.
Si bien describimos dos ensayos estándar que se usan con frecuencia (pruebas de estrés por glucólisis y pruebas de estrés mitocondrial), debe tenerse en cuenta que hay varios otros ensayos estandarizados que se pueden usar para evaluar otras vías metabólicas, como la prueba de flexión de combustible mitocondrial10, la oxidación de ácidos grasos/palmitato11 y el ensayo de tasa de ATP12. Nuevos estudios han demostrado la eficacia del desacoplador BAM15, que se suministra en el kit de perfil metabólico de células T. BAM15 parece ser un desacoplador más fiable que el FCCP con menos efectos citotóxicos13. Estudios futuros deberían explorar el potencial de este desacoplador en la evaluación metabólica de los macrófagos.
Este método tiene algunas limitaciones. La primera es que debido a la cantidad de pasos, puede ser difícil que una persona lo realice de manera oportuna. En particular, cuando se utiliza un mayor número de muestras (hasta 8), se recomienda que dos personas trabajen juntas para mejorar la calidad de los resultados. Hemos descubierto que es difícil procesar más de ocho muestras en un día, incluso con dos personas. Otra limitación es que, dado que el ensayo se realiza ex vivo, siempre existe la posibilidad de que el procedimiento de extracción provoque cambios en el fenotipo celular6. Si bien no existe una forma obvia de eliminar esta limitación, se han utilizado técnicas de imagen in vivo , como la resonancia magnética hiperpolarizada, para visualizar la producción de lactato de macrófagos después de MI14 y, con suerte, continuarán evolucionando como complemento o reemplazo del método ex vivo que describimos. Una limitación del método de flujo extracelular es que, si bien puede capturar cambios entre la glucólisis y OXPHOS, no refleja completamente los cambios en la tasa de producción de ATP dentro de estas vías15. Además, los cambios en la acidificación del medio (ECAR) no siempre pueden reflejar la producción de ácido láctico por glucólisis, sino que también pueden verse influenciados por la generación de CO2 por el ciclo del TCA, que se convierte en bicarbonato15. Por lo tanto, puede ser ventajoso para los usuarios calcular la tasa de producción de ATP a partir de la glucólisis y OXPHOS, lo que puede evaluar las contribuciones de estas vías a la producción general de ATP.
Los autores no tienen conflictos de intereses que declarar.
Nos gustaría agradecer la financiación que apoyó este trabajo: NIH/NHBLI 166737, NIH R00 HL146888, NIH U54HL169191, NIH/NIGMS P20GM104357 y NIH/NIGMS P30GM149404 por este trabajo.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Anti-CD11b Microbeads UltraPure, mouse | Miltenyi Biotec | 130-126-725 | |
Anti-Ly6G Microbeads UltraPure, mouse | Miltenyi Biotec | 130-120-337 | |
Collagenase type II | Worthington | NC9522060 | |
Dnase type I | MillPore Sigma | 11284932001 | |
GentleMACS Octo Dissociator | Miltenyi Biotec | 130-096-427 | |
GentleMACS C Tubes | Miltenyi Biotec | 130-093-237 | MACS cell dissociation tubes |
Hank balanced salt solution | Fisher Scientific | 14-025-076 | |
LS Magnetic Columns | Miltenyi Biotec | 130-042-401 | |
MACS MultiStand | Miltenyi Biotec | 130-042-303 | |
MS Magnetic Columns | Miltenyi Biotec | 130-042-201 | |
Monocyte Isolation Kit Bone Marrow, mouse | Miltenyi Biotec | 130-100-629 | includes 1 mL of monocyte biotin-antibody cocktail, 2 mL of anti-biotin microbeads, 1 mL of FcR blocking reagent |
OctoMACS Separator | Miltenyi Biotec | 130-042-108 | |
Pre-separation filters (30 µm) | Miltenyi Biotec | 130-041-407 | |
QuadroMACS Separator | Miltenyi Biotec | 130-091-051 | |
Red Blood Cell Lysis Solution (10x) | Miltenyi Biotec | 130-094-183 | |
Seahorse XFe96 Analyzer | Agilent | ||
Seahorse XFe96 FluxPak | Agilent | 103792-100 | 18 Pro sensor cartridges, 18 Pro Cell Cutlure Microplates, 1 bottle of Seahorse XF Calibrant Solution |
Seahorse XF Glycolysis Stress Test Kit | Agilent | 103020-100 | 6 single-use pouches, each with glucose, oligomycin, and 2-deoxy-D-glucose |
Seahorse XF Mitochondrial Stress Test Kit | Agilent | 103015-100 | 6 single-use pouches, each with oligomycin, FCCP, and rotenone/antimycin A |
Seahorse XF RPMI Medium, pH 7.4, 500 mL | Agilent | 103576-100 | no phenol red, bicarbonate, glucose, pyruvate, or glutamine |
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