Metabolic and proteomic characterization of primary hepatocytes in different in vitro cultivation conditions

Abstract

In this study primary hepatocytes were characterized on a metabolic and proteomic level in different cultivation setups, namely collagen sandwich (SW) and monolayer (ML) culture. The impact of insulin and glucose on the central carbon metabolism and hepatic function was addressed as well, also integrating species differences between murine and human hepatocytes. Overall, the central carbon metabolism was very robust in regard of the used cultivation condition. Hepatic function and the handling of stress as induced by ammonia, however, were clearly affected, with a rapid loss of hepatic function in the ML culture. Proteome analysis revealed a development away from freshly isolated hepatocytes in both setups, which was stronger in the ML culture. Differential handling of oxidative stress marked the strongest difference between the used cultivation setups. If exposed to insulin, human and murine hepatocytes reacted by an increased uptake of amino acids and glucose. 13C tracer experiments revealed a differential metabolic usage of carbon sources by both species, depending on the available amount of glucose. Hepatic function was differentially regulated by insulin, but also by glucose and the cultivation condition. Thereby, certain species-specific differences were detected, especially cytochrome P450 activity and insulin clearance. The susceptibility of primary hepatocytes to various factors has to be kept in mind when planning experiments and when comparing different studies.

In dieser Arbeit wurden primäre Hepatozyten in Collagen Monolayer- (ML) und Sandwich-Kulturen (SW) proteomisch und metabolisch charakterisiert. Der Einfluss von Insulin und Glukose auf den Zentralstoffwechsel und die Funktionalität der Hepatozyten wurde ebenfalls untersucht, wobei auch Speziesunterschiede zwischen humanen und murinen Hepatozyten addressiert werden konnten. Der Zentralstoffwechsel erwies sich als sehr robust gegenüber den unterschiedlichen Kultivierungsformen, die Funktionalität der Zellen und ihr Umgang mit Stress, z.B. durch Ammonium, wurden jedoch stark beeinträchtigt. In der ML-Kultur kam es zu einem beträchtlichen Funktionsverlust der Hepatozyten. Die Proteomanalyse zeigte, dass sich die Zellen in beiden Kulturen von frisch isolierten Hepatozyten weg entwickelten, was stärker in der ML-Kultur war. Der größte Unterschied zwischen den Kultivierungsformen zeigte sich im Umgang mit oxidativem Stress. Insulin führte zu einer vermehrten Aufnahme von Aminosäuren und Glukose. Eine unterschiedliche Verwendung von Kohlenstoffquellen in Abhängigkeit von der Glukosekonzentration konnte durch 13C-Markierungsexperimente gezeigt werden. Die hepatische Funktionalität wurde durch alle Faktoren beeinflusst, wobei diese sich in den beiden Spezies unterschiedlich auswirkten. Diese Empfindlichkeit von Hepatozyten gegenüber den verschiedenen Aspekten der Kultivierungsbedingungen muss beim Planen von Experimenten und beim Vergleichen von Studienergebnissen stets bedacht werden.