研究者が開発したO2k-FluoRespirometerはミトコンドリア研究にとって重要な要素を網羅した装置です。

OROBOROS O2kにはさまざまな測定モジュールが用意されています。これらのモジュールを使うことで幅広いアプリケーションに対応することが可能です。

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O₂ consumption：O₂消費量

呼吸酸素流量は、システム全体あたりの酸素消費量であり、大量に使用されます。細胞の酸素の流れまたは呼吸は、酸素の流れ (酸素の流れをシステムの体積または質量で割ったもの) とは区別されます。これらは割合の正規化が異なります。
呼吸測定は、酸素摂取量 (およびアンモニア、尿素、または尿酸の形での二酸化炭素生成と窒素排泄) を測定し、消費された酸素をオキシ熱量等価物を使用してエンタルピー変化に変換することにより、代謝熱変化の測定に間接的な熱量測定アプローチを提供します。
ミトコンドリア機能を分析する最も高度な方法は、OROBOROS O2kを使用した高解像度呼吸測定法です。

Normoxia – Hyperoxia – Hypoxia – Anoxia：正常酸素 – 高酸素 – 低酸素 – 無酸素

正常酸素
細胞内組織の正常酸素状態は生物と組織の間で変動し、細胞内 (主にミトコンドリア) の酸素消費量と呼吸カスケードに沿った酸素勾配のために、細胞内酸素圧はしばしば空気レベルp_O2をはるかに下回ります。

高酸素
高酸素症は、正常酸素基準レベルを超える環境酸素圧として定義されます。
細胞および細胞内の高酸素症は、生体内の組織条件下での細胞および細胞内の酸素圧と比較して高い空気レベルの酸素圧で、単離された細胞および単離されたミトコンドリアに課せられます。

低酸素
低酸素症は、呼吸生理学において、正常酸素基準レベルを下回る環境酸素圧として定義される環境低酸素症と比較して、呼吸に利用できるO₂が不十分な状態として定義されます。
低酸素症の3つの主要なカテゴリーは下記になります。

1. 環境低酸素症
2. 生理学的にバランスの取れた状態の組織正常酸素症と比較した、環境正常酸素症の組織における定常状態での細胞内酸素需要/供給バランスを伴う過活性化状態 (例えばV_O2max) での生理学的組織低酸素症
3. 虚血および脳卒中、貧血、慢性心臓病、慢性閉塞性肺疾患、重度のCOVID-19、および閉塞性睡眠無呼吸を含む病理組織低酸素症

病理学的低酸素症は、組織低酸素症および不均一な細胞内無酸素症につながります。

無酸素
理想的には、無酸素および無酸素（無酸素、酸素なし）という用語は、分子状酸素が厳密に存在しない条件に限定する必要があります。
実際には、効果的な無酸素症は、実験的酸素レベルのさらなる低下が生理学的または生化学的応答を誘発しない場合に得られます。

ATP production：ATP生産

アデノシン三リン酸 (ATP) はヌクレオチドであり、細胞内の化学エネルギーの主要な担体として機能します。
エネルギーを他の分子に伝達すると、末端のリン酸基を失い、アデノシン二リン酸 (ADP) になります。
外因性蛍光色素であるMagnesium Green (MgG) は、ミトコンドリア調製物を用いたミトコンドリアATP産生の測定に適用できます。この色素は、Mg²⁺に結合すると蛍光を発します。ミトコンドリアのATP産生を測定する手法は、Mg²⁺がADPとATPに対して異なる解離定数を示し、アデニンヌクレオチドトランスロカーゼ (ANT) がATPをADPと交換するという事実に基づいています。

Mitochondrial membrane potential：ミトコンドリア膜電位

ミトコンドリア膜電位mtMPは、プロトン駆動力Δp_H+の電気部分です。

Δψ = Δp_H+ – Δµ_H+ / F

mtMPまたはΔψはミトコンドリア (mt) 内膜の電位差であり、電気単位のボルト[V]で表されます。 mt-膜電位は、O2k-FluoRespirometerで、蛍光色素のTMRM、Safranin、またはRhodamine 123を使用して蛍光測定で測定するか、イオンレポーターTPP⁺を利用するO2k-TPP ⁺ ISE-Moduleを使用して電位差測定で測定できます。これは、任意のO2k構成で使用可能です。

H₂O₂ production：H₂O₂の生産

過酸化水素、H₂O₂または二酸化水素は、一般に活性酸素種 (ROS) と呼ばれるいくつかの活性酸素中間体の1つです。これは、さまざまな酵素触媒反応 (スーパーオキシドジスムターゼなど) で形成され、細胞の分子や構造に損傷を与える可能性があります。H₂O₂は、カタラーゼによって水と酸素に変換されます。H₂O₂は、有酸素代謝のシグナル伝達分子として生成され、他のROSと比較して膜を通過しやすくなります。
H₂O₂濃度は、O2k-FluoRespirometerで、蛍光色素のAmplex UltraRedを使用した蛍光測定で測定できます。H₂O₂濃度とH₂O₂生成は、O2kで電気化学的に測定できます。O2k-NOアンプモジュールは、任意のO2k構成とアンペロメトリーH₂O₂センサーで使用可能です。

Ca²⁺ concentration：Ca²⁺濃度

Ca^{2 +}は、原核生物と真核生物の両方の主要なシグナル伝達分子です。 その細胞質濃度は原形質膜および、さまざまな細胞小器官の膜のトランスポーターによって厳密に調節されています。 この目的のために、それは交換器とポンプを介して細胞から押し出されるか、小胞体やミトコンドリアなどの細胞小器官に保存されます。 陽イオンの濃度の変化は、ATPの利用とATP生成経路に関与する多くの酵素を含む多くの酵素を調節し、最終的にミトコンドリアと細胞全体の代謝活性を制御します。 したがって、Ca^{2 +}レベルの変化を測定することは、高解像度呼吸測定の文脈で非常に重要です。

pH value：pH値

pH値またはpHは、水素イオンH⁺の活性の常用対数の負の値です。 pH電極はpHを報告し、H⁺の活性に敏感です。 希薄溶液では、水素イオン活性は水素イオン濃度にほぼ等しくなります。 記号「pH」はpotentia hydrogeniiに由来します。

Q-redox state：Q-レドックス状態 (NextGen-O2k）

Q-レドックス状態は、ミトコンドリアまたは葉緑体の電子伝達システムETSにおけるコエンザイムQ (CoQ、ユビキノン、プラストキノン) のレドックス状態を反映しています。
Qは、ミトコンドリア呼吸器ETSと葉緑体光合成システムのQジャンクションの中央に配置されたこれらのモバイルレドックスコンポーネントを表します。
ミトコンドリアでは、Q-レドックス状態は、燃料基質からQ接合部への収束電子流入の減少能力とQの酸素またはQの下流の酸化電子受容能力との間のバランスに依存します。
したがって、ミトコンドリアのETSの欠陥は、たとえば、呼吸器系の複合体の機能不全は、呼吸器系の測定とQレドックス状態の継続的なモニタリングを組み合わせることで、より正確に診断することができます。
NextGen-O2kのQモジュールは、分離されたミトコンドリアと葉緑体、透過処理された細胞、動物および植物組織の呼吸と同時にQレドックス状態を測定するために開発されました。
QモジュールとNADHモジュールは、高解像度の呼吸測定法を拡張して、最先端のRedox Biologyを実現します。

NAD(P)H-redox state：NAD(P)H-レドックス状態 (NextGen-O2k）

Nicotinamide adenine dinucleotide、NAD⁺およびNADHは、電子伝達システムに局在するレドックス補因子です。NADH接合部では、トリカルボン酸回路のデヒドロゲナーゼとmtマトリックスデヒドロゲナーゼがNAD⁺を複合体I (CI) の基質であるNADHに還元します。mt-NADHプールは、CIの上流にあるデヒドロゲナーゼの還元活性と、CIからQジャンクションへの電子伝達の酸化活性を統合します。したがって、NADH-レドックス状態は代謝マーカーです。
NextGen O2kとNADH-Moduleを使用するとNADHの自家蛍光に基づいて、酸素消費量とNADH-レドックス状態を同時に測定できます。重要なことに、この「測定」ではNADHとNADPHを区別しません。したがって測定はより正確になりますNAD(P)H-レドックス状態に関連します。NADHモジュールとQモジュールは、高解像度の呼吸測定法を拡張して、最先端のRedox Biologyを実現します。

Photosynthesis：光合成 (NextGen-O2k）

光合成は、光エネルギーを化学エネルギーに変換するプロセスです。
光合成には、光依存相と光非依存 (暗) 相があります。高等植物、藻類、シアノバクテリアでは、光エネルギーは光依存相で色素クロロフィルによって吸収され、水を分解して化学エネルギーの短期貯蔵 (アデノシン三リン酸ATP) を生成し、ニコチンアミドの形でポテンシャルを低下させるために使用され、アデニンジヌクレオチドリン酸NADPH とO₂を生産します。暗期では、この化学エネルギーと還元能が変換され、カルバン-ベンソンサイクルと呼ばれる代謝経路を介して、炭水化物または糖の形で大気中のCO₂から有機物を合成します。全体のプロセスは、いわゆる酸素光合成です。
NextGen-O2kのPBモジュールは、白、青、または赤色光を厳密に制御可能な光源を搭載しています。 PB-Moduleは、制御されたO₂濃度の下で、光に依存するO₂の正味の生成と光で増強された暗呼吸の評価を可能にします。 PB-Moduleは、高解像度の呼吸測定を拡張して、最先端のPhoto Biologyを進歩させます。

Dark respiration：暗呼吸 (NextGen-O2k）

暗呼吸は光合成の光に依存しない段階であり、植物や他の生物は光に依存する段階で形成されたATPとNAD(P)Hの化学エネルギーを使用して、二酸化炭素を炭水化物または糖に変換します。

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