Summary
Een protocol voor chronische infusie van glucose en Intralipid bij ratten beschreven. Dit model kan worden gebruikt om het effect van nutriënten overmaat van orgaanfunctie en fysiologische parameters bestuderen.
Abstract
Chronische blootstelling aan grote hoeveelheden nutriënten wordt gepostuleerd dat de functie van verschillende organen en weefsels beïnvloeden en bijdragen aan de ontwikkeling van de vele complicaties geassocieerd met obesitas en het metabool syndroom, waaronder type 2 diabetes. Om de mechanismen die hoog gehalte aan glucose en vetzuren invloed op de pancreatische beta-cellen en de secretie van insuline bestuderen, hebben we een voedingsstof chronische infusie model in de rat gevestigd. De procedure bestaat uit catheterizing rechts halsader en de linker halsslagader onder algehele narcose, waarbij een 7-daagse herstelperiode, verbinden de katheters om de pompen met een draaibare en contragewicht systeem dat de dieren zich vrij kunnen bewegen in de kooi, en infunderen glucose en / of Intralipid (een soja-olie-emulsie die een mengsel van ongeveer 80% unsaturated/20% verzadigde vetzuren genereert wanneer toegediend met heparine) gedurende 72 uur. Dit model biedt verschillende Advantages, inclusief de mogelijkheid om fijn te moduleren het streefniveau van circulerende glucose en vetzuren, de mogelijkheid om samen te bezielen farmacologische verbindingen, en het relatief korte tijdsbestek in tegenstelling tot voedings-modellen. Het kan worden gebruikt om de mechanismen van nutriënt-geïnduceerde disfunctie onderzocht in diverse organen en de doeltreffendheid van geneesmiddelen in deze context te testen.
Introduction
Chronisch verhoogde niveaus van glucose en lipiden in het bloed zijn voorgesteld bij te dragen aan de pathogenese van type 2 diabetes door het veranderen van de functie van verschillende organen betrokken zijn bij de handhaving van glucosehomeostase waaronder, maar niet beperkt tot beta-cel (beoordeeld in 1). De glucotoxiciteit hypothese stelt dat chronische hyperglycemie verergert de beta-cel gebrek dat aanleiding gaf tot hyperglycemie in de eerste plaats, waardoor een vicieuze cirkel en het bijdragen aan de verslechtering van glucose controle bij type 2 diabetespatiënten. Ook de glucolipotoxicity hypothese stelt dat gelijktijdige verhoging van glucose en lipiden, zoals vaak waargenomen bij type 2 diabetes, schadelijk zijn voor de beta cellen.
Ontcijferen van de cellulaire en moleculaire mechanismen van de schadelijke effecten van chronisch verhoogde voedingsstoffen op beta-cel functie is de sleutel tot het understanding de pathogenese van type 2 diabetes 1. Daartoe is een groot aantal studies de mechanismen van chronische nutriënt overmaat ex vivo bestudeerd in geïsoleerde eilandjes van Langerhans in vitro of in klonale, insuline uitscheidende cellijnen. Echter, de vertaling van de resultaten verkregen in deze modelsystemen het hele organisme complex, met name omdat de concentratie van vetzuren in gekweekte cellen of eilandjes zelden overeen met de circulerende niveaus in de nabijheid van de beta-cellen in vivo 2. Aan de andere kant hebben de mechanismen van beta-cellen falen in reactie op voedingsstoffen overtollige onderzocht in diermodellen van diabetes, zoals wordt geïllustreerd door de Zucker Diabetic Fatty rat 3,4, de gerbil Psammomys obesus 5 en vetrijk dieet- gevoed muis 6. Deze modellen worden echter gekenmerkt door een intrinsieke metabole afwijkingen en niet lastig om manipulaties van bloedglucoseen / of lipiden in een meer gecontroleerde en minder chronische omstandigheden. Om veranderen circulerende niveaus van voedingsstoffen in een tijdsbestek van dagen anders normale dieren, hebben we een chronische infusie model in normale ratten waardoor we de effecten van lipiden en glucose onderzoeken, alleen of in combinatie ontwikkeld op fysiologische parameters en functie 7,8.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Overzicht: De procedure bestaat uit catheterizing rechts halsader en de linker halsslagader onder algehele narcose, waarbij een 7-daagse herstelperiode, verbinden de katheters om de pompen met een draaibare en contragewicht systeem dat de dieren zich vrij kunnen bewegen in de kooi; en glucose infusie en / of Intralipid (een soja-olie-emulsie die een mengsel van ongeveer 80% unsaturated/20 genereert% verzadigde vetzuren wanneer toegediend met heparine 9) gedurende 72 uur.
1. Canulation van de juiste halsader en de linker halsslagader
- Steriliseren chirurgische instrumenten. Canulation slangen moeten ook koud worden gesteriliseerd met behulp van een vloeibaar sterilisatiemiddel (2,6% glutaraldehyde) voorafgaand aan de procedure. Dompel de slang in een autoclaaf container voor 16-24 uur. Spoelen en spoel grondig met steriel gedistilleerd water om alle sporen van glutaaraldehyde te verwijderen vóór gebruik.
- Weeg de rat te berekenendrug doseringen:
Carprofen 5 mg / kg: verdunning 1/10 = Lichaamsgewicht (g) x 0.001 ml SC (pijnstillende)
Glycopyrrolaat 0,01 mg / kg: verdunning 1/10 = BW (g) X 0,0012 ml SC (anticholinerge) - Verdoven van de rat met isofluraan en zuurstof.
- Plaats de rat op zijn buik. Scheren het gebied achter de oren aan de basis van de schouders. Leg de rat op zijn rug. Scheer de regio onder de nek tot de voorpoten.
- Prep het chirurgisch met chloorhexidine, alcohol en jood. Toedienen medicijnen.
- Breng de rat het chirurgische veld.
- Met behulp van aseptische techniek, canulate de rechter halsader en de linker halsslagader met een PE-50 canule bevestigd aan een 1 ml spuit gevuld met 5 U van gehepariniseerde zoutoplossing. Spoel de canulas met 50 U van gehepariniseerde zoutoplossing om stolling te voorkomen tijdens de herstelperiode. Gebruik afgestompt 23G naalden. Sluit elke canule met een 23G pin.
- Na de operatie, trimmen ongeveer 2,5 mm van deonderste snijtanden en plaats van de rat in een infuus mantel om de canulas voorkomen dat opgegeten.
- Zorg voor zuurstof (1 L / min voor 10 min) te helpen evacueren isofluraan.
- Plaats de rat in een verwarmde kooi totdat het volledig wakker.
- Bedien vier ratten een te gebruiken per infuus voorwaarde (tabel 1).
2. Post-operatieve Zorg (Post-operatieve behandeling en aansluiting van de katheters)
- Weeg de ratten op dag 1 en dag 2 na de operatie.
- Dien glycopyrrolaat (BW (g) x 0,00048 ml) SC tweemaal op dag 1 na de operatie en een keer op dag 2 na de operatie.
- Aanvullende ondersteunende behandelingen kunnen worden toegediend indien nodig: vloeistoffen, verwarming pad, natte voeding, zuurstof therapie, analgetica, anticholinergica.
- Op dag 7 na de operatie, wegen de ratten aan de debieten voor infusie berekenen.
- Sluit elke rat aan een infuus systeem met behulp van een ketting en draaibaar gemonteerd op een kooi rooster boven (Figuur 1).
- Spoel de canulas met 5 U van gehepariniseerde zoutoplossing om stolsels te verwijderen. Spoel de canules nogmaals met 50 U gehepariniseerde zoutoplossing om klonteren te voorkomen.
- Laat de ratten te acclimatiseren aan de ketting en draai gedurende ten minste 24 uur voor aanvang van de infusie.
3. Infusie
- Teken 0,15 ml bloed uit de halsslagader van elke rat en de maatregel glycemie. Spoel de halsader canulas. Gebruik 50 U gehepariniseerde zoutoplossing in beide canules van elke rat stolling te voorkomen.
- Breng het bloedmonster aan een verzameling ml tube 0.5 met 2% EDTA. Centrifugeer bij 10.000 rpm gedurende 2 minuten en bevries het plasma bij -20 ° C.
- Vul twee 60 ml spuiten voor elk van de onderstaande omstandigheden infusie. Plaats Spuit 1 op de voorste positie van de pomp en plaats Spuit 2 op de achterkant positie van de pomp.
- Doe elk paar oplossingen samen met y-connectoren en CO-EX T22 buis die is gesteriliseerd. Plaats het spuiten op een Harvard-33dubbele pomp spuit.
- Wijzig de kooi beneden en verwijder al het voedsel uit de kooi grill top.
- Weeg 150 g standaard chow en plaats op de kooi grill top.
- Sluit de spuiten aan de draaibare op de kooi grill. Spoel het spuiten goed om opgesloten lucht uit de leidingen te verwijderen.
- Bereken de infusie debieten met het lichaamsgewicht, dat is genomen vóór het aansluiten van de rat om het infuus systeem. De tarieven worden berekend met een Microsoft Excel-bestand dat de glucose-infusiesnelheid (GIR) in ml / h converteert.
- Stel de pomp om debieten te beheren voor 60 ml spuiten volgens de instellingen van de fabrikant. Voer het tarief voor Spuit 1 (voorste spuit) en de kosten voor Spuit 2 (rug spuit).
- Start de pomp.
4. Monitoring
- Na het starten van de pomp, na te gaan of er geen lekken uit de swivel of uit de canules en dat infuus slang niet gedraaid. Controleer ook of er geen luchtbellen inde slang.
- Na 3 uur van de infusie, neem een bloedmonster te controleren glycemie. Herhalen na 6, 24, 48 en 72 uur van infusie. Uit voorzorg wordt glycemie ook gemonitord na 30, 34, 54, en 60 uur van de infusie. Bloedglucose kan gemeten worden met een druppel bloed een draagbare glucose monitor. Dit beperkt de hoeveelheid bloed dat tijdens de infusie en vermijdt daardoor noemenswaardige verandering bloedvolume en / of hematocriet.
- Het tarief voor Spuit 1 wordt gewijzigd op basis van de glycemie waarden om de bloedglucose te handhaven op 220-250 mg / dl. Het tarief voor Spuit 2 niet verandert tijdens de 72 uur van de infusie omdat vrije vetzuren worden gehandhaafd op 1 mmol / L.
- Infusie voorwaarden gekoppeld zodat het volume na de controledieren is gelijk aan het volume na de proefdieren (tabel 1).
- Na 24 uur van de infusie, verandert de kooi bodem en wegen het eten nog in de kooi grill. De terugkeer van de niet opgegeten portie to de kooi grill. Herhalen na 48 uur.
- Refill spuiten dagelijks zoals nodig tijdens de 72 uur van de infusie.
- Tijdens de infusie altijd de rat op tekenen van ontsteking of ongemak. Passende wijze te verzorgen als dat nodig is.
5. Post-infusie Euthanasie
- Na 72 uur van infusie intraveneus ratten verdoofd met 0,5 ml van een ketamine / xylazine cocktail (182 mg / kg ketamine en 11,6 mg / kg xylazine 1:2 verdund met 0,9% NaCl).
- De toe-pinch reflex wordt gebruikt om het niveau van anesthesie controleren. Aanvullende verdoving toegediend als nodig.
- Als de rat is verdoofd, wordt de buikholte geopend met chirurgische schaar. De rat is leeggebloed door het tekenen van 10-15 ml bloed in een spuit van de aorta of de vena cava.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Uit van een reeks van 42 ratten die een operatie ondergingen, werden 5 ratten verloren tijdens de postoperatieve periode en 1 rat werd verloren tijdens de infusie, wat neerkomt op een totale succespercentage van 86%. Het gemiddelde lichaamsgewicht van de 37 ratten die uiteindelijk werden toegediend was 608 ± 5 g voor de operatie en 588 ± 6 g aan het begin van de infusie (gemiddelde ± SE, n = 37, p <0,0001 gepaarde t-test). De volgende representatieve resultaten werden verkregen in 2 infuus groepen:. Zoutoplossing (SAL), en glucose + Intralipid (GLU + IL) Figuren 2A en 2B tonen de bloedglucose en vetzuurspiegels respectievelijk tijdens de 72-uur infusie. Door het ontwerp wordt de glucose niveaus gehandhaafd ongeveer 220-250 mg / dl gedurende de infusie, gebaseerd op regelmatige en aanpassingen van de glucose-infusiesnelheid (GIR) zoals getoond in figuur 3. Knaagdieren hebben een sterk vermogen om te compenseren voor de glucose infusie door de endogene insuline segeren. Daarom moet de GIR worden verhoogd tijdens de infusie van bloed glucose niveaus bij een relatieve steady-state te handhaven. Niettemin bloedglucosespiegels doorgaans af tegen het einde van de infusie, zoals te zien in figuur 2A. Aangezien de dieren geïnfuseerd met calorische voedingsmiddelen, ze spontaan verminderen hun voedselinname (figuur 4).
| Infusie Staat | Injectiespuit 1 (voorste positie) | Spuit 2 (achterste stand) |
| 1 | Dextrose 70% | Zoutoplossing |
| 2 | Zoutoplossing | Zoutoplossing |
| 3 | Dextrose 70% | Intralipid 20% + Heparine 20U/ml |
| 4 | Zoutoplossing | Intralipid 20%% + heparine 20U/ml |
Tabel 1. Infusieregimes.
Figuur 1. Foto van het infuus met aanduiding van de rat met de katheters op hun plaats en de tether-, draai-en tegenwicht arm gemonteerd op de kooi grill.
Figuur 2. . Plasmaspiegels van glucose (A) en vrije vetzuren (B) gedurende infusie van zoutoplossing (SAL) of co-infusie van glucose en Intralipid (GLU + IL) in 6 maanden oude Wistar ratten Gegevens zijn gemiddelde ± SEM van 3 - 4 dieren in elke groep.
Figuur 3 "src =" / files/ftp_upload/50267/50267fig3.jpg "/>
Figuur 3. Aanpassing van de glucose-infusiesnelheid tijdens de co-infusie van glucose en Intralipid (GLU + IL) in 6-maanden oude Wistarratten. Gegevens zijn gemiddelde ± SEM van 4 dieren.
Figuur 4. Gemiddelde dagelijkse voedselinname van 6 maanden oude Wistar ratten infuus met een zoutoplossing (SAL) of co-toegediend met glucose en Intralipid (GLU + IL). Gegevens zijn gemiddelde ± SEM van 3-4 dieren in elke groep. ** P <0,01.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Hoewel een aantal eerdere studies chronische infusie van glucose (bijv. 10-15) en lipiden (bijvoorbeeld 16,17) in knaagdieren zover wij weten hebben gebruikt de gecombineerde infusie van beide brandstoffen slechts gemeld bij muizen 18. De chronische infusie hier gepresenteerde model biedt verschillende voordelen voor de effecten op nutriënt overmaat studie over diverse biologische functies in ratten. Ten eerste, niet leidt genetisch obese knaagdieren en gemeenschappelijke obesitas bij de mens polygene 19, de bevindingen dus eerder de effecten van nutriënten overaanbod in de algemene populatie relevant. Ten tweede biedt dit model de mogelijkheid om het effect van verschillende voedingsstoffen (vooral suikers of vetten) testen op verschillende circulerende niveaus, door het veranderen van de aard en de infusiesnelheid. Ten derde, de IV route van toediening kan de co-infusie van geneesmiddelen of drugs met de Nutrients 20. Ten slotte is de relatief korte tijdsbestek van het experiment (72 hr vs weken voor vetrijk dieet geïnduceerde modellen) is de kosten-en tijd-effectief voor preklinische studies.
Dit model heeft ook een aantal nadelen en beperkingen. Ten eerste, zoals elke chirurgische model is vereist hoog opgeleid en gekwalificeerd personeel in aseptische chirurgie. Ten tweede, zoals vermeld in de representatieve resultaten sectie dieren neiging te compenseren voor de glucose infusie door de endogene insulinesecretie, die frequente controle van de bloedsuikerspiegel en aanpassingen van de GIR vereist om het doel bloedsuikerspiegel tijdens de infusieperiode. Ten derde, de procedure is niet makkelijk toepasbaar muizen, dat nodig is om te gebruiken in genetisch gemodificeerde dieren. In onze ervaring, catheterisatie van zowel de halsader en de halsslagader in muizen in technisch uitdagend en de makkelijkste aanpak in deze kleinere dieren is een ju plaatsengular katheter voor het infuus en monster uit een perifeer vat. Dit is echter aanzienlijk het volume en bemonsteringsfrequentie beperkt tijdens de infusie.
Gezien de focus van ons laboratorium hebben we dit model gebruikt om de mechanismen van glucolipotoxicity bestuderen in de beta-cel 7,8. Het kan echter worden toegepast om de effecten van overmaat voedingsstoffen bestuderen elk weefsel en orgaan zoals, maar niet beperkt tot, het hart 21, skeletspier, 22, 23 en de lever.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vincent Poitout is mede-oprichter van en ontving onderzoekscontracten uit Bêtagenex Inc, een contract research organisatie die het infuus model in dit artikel als een commerciële dienst biedt.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de National Institutes of Health (R01DK58096 naar Vincent Poitout). Vincent Poitout houdt de Canada Research Chair in Diabetes en beta-cel functie. Bader Zarrouki ontvangen post-doctorale beurzen van Merck en Eli Lilly. Ghislaine Fontes werd ondersteund door een post-doctorale beurs van de Canadese Diabetes Association.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Saline 0.9% | BD | JB1324 | |
| Dextrose 70% | McKesson | ||
| Intralipid 20% | Fresenius Kabi | JB6023 | |
| Metricide (Glutaraldehyde 2.6%) | Metrex | 11-1401 | |
| Heparin Sodium 10,000 USP u/ml | PPC | ||
| Carprofen | Metacam | ||
| Glycopyrrolate | Sandoz | ||
| Isoflurane | Abbott | ||
| Chlohexidine 2% | |||
| Alcohol 70% | |||
| Iodine | |||
| PE-50 | BD | 427411 | |
| CO-EX T22 | Instech Solomon | BCOEX-T22 | |
| Connector 22G | Instech Solomon | SC22/15 | |
| Swivel 22G | Instech Solomon | 375/22PS | |
| Y-Connector 22G | Instech Solomon | ||
| Counterbalance and arm | Instech Solomon | CM375BP | |
| 23 G blunted needles | Instech Solomon | LS23 | |
| 23 G canulation pins | Instech Solomon | SP23/12 | |
| Tethers (12 inch) | Lomir | RT12D | |
| Infusion jackets | Lomir | RJ01, RJ02, RJ03, RJ04 | |
| (SM-XL) | |||
| Tether attachment piece | Lomir | RS T1 | |
| 60 ml syringe | BD | 309653 | |
| 1 ml syringe | BD | 309602 |
References
- Poitout, V., Robertson, R. P. Glucolipotoxicity: fuel excess and beta-cell dysfunction. Endocr. Rev. 29, 351-366 (2008).
- Poitout, V., et al.
- Unger, R. H. Minireview: weapons of lean body mass destruction: the role of ectopic lipids in the metabolic syndrome. Endocrinology. 144, 5159-5165 (2003).
- Harmon, J. S., Gleason, C. E., Tanaka, Y., Poitout, V., Robertson, R. P. Antecedent hyperglycemia, not hyperlipidemia, is associated with increased islet triacylglycerol content and decreased insulin gene mRNA level in Zucker diabetic fatty rats. Diabetes. 50, 2481-2486 (2001).
- Bachar, E., Ariav, Y., Cerasi, E., Kaiser, N., Leibowitz, G. Neuronal nitric oxide synthase protects the pancreatic beta cell from glucolipotoxicity-induced endoplasmic reticulum stress and apoptosis. Diabetologia. 53, 2177-2187 (2010).
- Peyot, M. L., et al. Beta-cell failure in diet-induced obese mice stratified according to body weight gain: secretory dysfunction and altered islet lipid metabolism without steatosis or reduced beta-cell mass. Diabetes. 59, 2178-2187 (2010).
- Hagman, D. K., et al. Cyclical and alternating infusions of glucose and intralipid in rats inhibit insulin gene expression and Pdx-1 binding in islets. Diabetes. 57, 424-431 (2008).
- Fontes, G., et al. Glucolipotoxicity age-dependently impairs beta cell function in rats despite a marked increase in beta cell mass. Diabetologia. 53, 2369-2379 (2010).
- Stein, D. T., et al. Essentiality of circulating fatty acids for glucose-stimulated insulin secretion in the fasted rat. J. Clin. Invest. 97, 2728-2735 (1996).
- Leahy, J. L., Cooper, H. E., Weir, G. C. Impaired insulin secretion associated with near normoglycemia. Study in normal rats with 96-h in vivo glucose infusions. Diabetes. 36, 459-464 (1987).
- Hager, S. R., Jochen, A. L., Kalkhoff, R. K. Insulin resistance in normal rats infused with glucose for 72 h. The American Journal of Physiology. 260, 353-362 (1991).
- Laybutt, D. R., Chisholm, D. J., Kraegen, E. W. Specific adaptations in muscle and adipose tissue in response to chronic systemic glucose oversupply in rats. The American Journal of Physiology. 273, E1-E9 (1997).
- Jonas, J. C., et al. High glucose stimulates early response gene c-Myc expression in rat pancreatic beta cells. The Journal of Biological Chemistry. 276, 35375-35381 (2001).
- Tang, C., et al. Glucose-induced beta cell dysfunction in vivo in rats: link between oxidative stress and endoplasmic reticulum stress. Diabetologia. 55, 1366-1379 (2012).
- Alonso, L. C., et al. Glucose infusion in mice: a new model to induce beta-cell replication. Diabetes. 56, 1792-1801 (2007).
- Magnan, C., Gilbert, M., Kahn, B. B. Chronic free fatty acid infusion in rats results in insulin resistance but no alteration in insulin-responsive glucose transporter levels in skeletal muscle. Lipids. 31, 1141-1149 (1996).
- Goh, T. T., et al. Lipid-induced beta-cell dysfunction in vivo in models of progressive beta-cell failure. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 292, 549-560 (2007).
- Pascoe, J., et al. Free fatty acids block glucose-induced beta-cell proliferation in mice by inducing cell cycle inhibitors p16 and p18. Diabetes. 61, 632-641 (2012).
- Bell, C. G., Walley, A. J., Froguel, P.
- Fontes, G., Hagman, D. K., Latour, M. G., Semache, M., Poitout, V. Lack of preservation of insulin gene expression by a glucagon-like peptide 1 agonist or a dipeptidyl peptidase 4 inhibitor in an in vivo model of glucolipotoxicity. Diabetes Res. Clin. Pract. 87, 322-328 (2010).
- Crawford, P. A., Schaffer, J. E. Metabolic stress in the myocardium: Adaptations of gene expression. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. , (2012).
- Kewalramani, G., Bilan, P. J., Klip, A. Muscle insulin resistance: assault by lipids, cytokines and local macrophages. Curr. Opin. Clin. Nutr. Metab Care. 13, 382-390 (2010).
- Cusi, K. Role of obesity and lipotoxicity in the development of nonalcoholic steatohepatitis: pathophysiology and clinical implications. Gastroenterology. 142, 711-725 (2012).
