Diabetes und Fettleibigkeit haben sich als große Belastung für die öffentliche Gesundheit erwiesen und erhöhen das Risiko neurologischer Funktionsstörungen, die bei Patienten zu kognitiven Beeinträchtigungen führen1. Infolge der alarmierenden Zunahme dieser Krankheiten nehmen die Forschungsanstrengungen zur Bekämpfung dieser gesundheitlichen Herausforderungen zu. Diese Methodensammlung vereint eine breite Palette von Techniken, die zur Untersuchung von Diabetes und Adipositas sowie der damit verbundenen kognitiven Beeinträchtigung in einer Vielzahl von Modellsystemen eingesetzt werden.
Der Zebrafisch ist ein attraktives Modell für die Erforschung von Diabetes, da die Expression und Funktion der Gene, die an der Entwicklung der Bauchspeicheldrüse beteiligt sind, in diesem Organismus im Vergleich zu Säugetiersystemen hoch konserviert sind 2,3,4,5,6. Diabetes mellitus und Hyperglykämie können im Zebrafisch durch invasive und nicht-invasive Mechanismen und durch die Entwicklung mutierter Stämme induziert werden 7,8,9,10,11. McCarthy et al. stellen eine neuartige, nicht-invasive Methode zur Induktion von Hyperglykämie im Zebrafisch unter Verwendung eines alternativen Immersionsprotokollsvor 12. Bei dieser Methode werden erwachsene Zebrafische für 24 Stunden in eine Zuckerlösung und dann für 24 Stunden in Wasser gelegt, um den Anstieg und Abfall des Blutzuckers bei Diabetes nachzuahmen. Sie zeigen, dass dieser Prozess nicht nur erfolgreich Hyperglykämie induziert, sondern auch zu Komplikationen führt, die mit einer veränderten Glukosehomöostase verbunden sind. Sobald diese Methode etabliert ist, könnte sie erfolgreich eingesetzt werden, um den hyperglykämischen Zustand bei erwachsenen Zebrafischen nachzuahmen.
Unkontrollierte Hyperglykämie kann zu einer Reihe von Komplikationen führen, die jedes Organ im Körper betreffen. Veränderungen des Gedächtnisses und/oder kognitive Beeinträchtigungen gehören zu den besorgniserregenden Auswirkungen einer unkontrollierten Hyperglykämie bei Patienten mit erhöhtem Blutzuckerspiegel. Da Zebrafische erfolgreich in Studien eingesetzt wurden, in denen die Auswirkungen einer veränderten Glukosehomöostase getestet wurden13, sollte dieser Organismus nun auch in Verhaltensstudien verwendet werden. In ihrem zweiten Artikel demonstrieren Rowe et al. eine Methode zur Verwendung von Zebrafischen in Verhaltensstudien14 unter Verwendung eines modifizierten Dreikammergeräts zur Überwachung sozialer Interaktionen bei der Maus15. Die Zebrafische zeigen in ca. 8 Wochen Training ein erworbenes Gedächtnis. Die hyperglykämischen Fische zeigen jedoch nach 4-wöchiger Behandlung kognitive Defizite, um eine Hyperglykämie unter Verwendung eines alternativen Immersionsprotokolls zu induzieren12. Diese Methode bietet eine Möglichkeit, Zebrafische in Verhaltensstudien zu verwenden, die nicht nur im Bereich Diabetes, sondern auch in anderen Bereichen im Zusammenhang mit altersbedingten, genetischen und anderen neurodegenerativen Erkrankungen, die zu kognitiven Beeinträchtigungen führen, nützlich sein wird.
Neben der laufenden Forschung über die Ätiologie der Krankheit und ihre Auswirkungen benötigt das Feld neue molekulare Wege, um funktionelle β-Zellen für therapeutische Interventionen zu generieren. Die erfolgreiche Produktion von β-Zellen, sei es durch In-vitro-Kultur oder durch die Stimulierung der In-vivo-Regeneration , war jedoch begrenzt. Memon und Abdelalim beschreiben eine Methode zur Differenzierung humaner pluripotenter Stammzellen (hPSCs) in PDX1- (Pankreas- und Duodenal-Homöobox 1) und NKX6.1 (NKX6 Homöobox 1)-exprimierende Pankreas-Vorläuferzellen16. Die Expression dieser beiden Transkriptionsfaktoren in Vorläuferzellen reduziert das Vorkommen nicht-funktioneller endokriner Zellen in Kulturen und führt zu funktionellen, insulinproduzierenden, glukoseresponsiven β-Zellen17. Die skalierbare Generierung von PDX1- und NKX6.1-Co-exprimierenden Vorläuferzellen hat das Potenzial, einen funktionellen Pool von insulinsezernierenden β-Zellen für die Transplantationstherapie sowie für die Krankheitsmodellierung zu generieren.
Fettleibigkeit ist eine komplexe Stoffwechselstörung, die durch eine abnormale Adipogenese verursacht wird. Aufgrund des erhöhten Bedarfs an menschlichen Adipozyten zur Modellierung des Krankheitszustands und der Einschränkungen bei der Entnahme von Proben von menschlichen Spendern ist die In-vitro-Erzeugung von Adipozyten sehr gefragt. Aghadi et al. beschreiben ein Protokoll zur Herstellung von mesenchymalen Stammzellen (MSCs) aus Embryoidkörpern, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) gewonnen wurden, unter Verwendung von all-trans-Retinsäure 18. Die resultierenden MSCs zeigen eine schnelle Proliferation und eine erfolgreiche Differenzierung in Adipozyten. Sie etablieren auch eine Methode, um den differenzierten Adipozytenpool zu vergrößern, indem sie die Zellen sortieren, die mit Nilrot, einem lipophilen Farbstoff18, markiert sind. Zusammengenommen gelang es ihnen, Kulturen herzustellen, die mit einer reinen Population reifer Adipozyten angereichert waren und den Forschern helfen werden, Adipozyten-assoziierte Stoffwechselstörungen mit Leichtigkeit zu untersuchen.
Auf dem Gebiet der Adipositasforschung gibt es zwei große Probleme: die Unfähigkeit kultivierter Zelllinien wie 3T3-L1, die zelluläre Heterogenität des Fettdepots widerzuspiegeln 19,20, und die geringe Ausbeute an Präadipozyten aus dem Gewebe adulter Mäuse21,22. Die von adulten Mäusen entnommenen Zellen können die zelluläre Heterogenität widerspiegeln, enthalten jedoch überwiegend voll ausgereifte Adipozyten und weniger Präadipozyten21,22. Saez et al. beantworten beide Probleme, indem sie eine Methode zur Isolierung von weißen und braunen Präadipozyten aus neugeborenen Mäusen beschreiben23. Diese Zellen zeigen eine hohe proliferative Kapazität und ein hohes Differenzierungspotenzial in reife Adipozyten im Vergleich zu den Präadipozyten, die von erwachsenen Mäusen gesammelt wurden. Ihr Artikel ist eine effektive Ressource, um die Komplexität von Fettleibigkeit anhand von weißen und braunen Präadipozyten zu modellieren, die in voll ausgereifte Adipozyten differenziert werden können.
Gewichtsmanagement ist ein wichtiges klinisches Thema. Langfristige Änderungen des Lebensstils, Medikamente gegen Fettleibigkeit und Bewegungsprogramme spielen in diesem Prozess eine wichtige Rolle. Der Motivationsverlust aufgrund der Herausforderungen bei der Aufrechterhaltung langfristiger Änderungen des Lebensstils, die Kosten für Medikamente gegen Fettleibigkeit und das zunehmende Auftreten von Essstörungen haben die wissenschaftliche Gemeinschaft jedoch dazu veranlasst, natürliche Heilmittel zu erforschen24. Pérez Gutiérrez und Arrioja untersuchen das Potenzial von zwei Pflanzen, Syzygium aromaticum (Nelke) und Cuminum cyminum (Kreuzkümmel)25, als natürliche Ressourcen für Verbindungen gegen Fettleibigkeit. Die aktiven phytochemischen Bestandteile werden mittels Ultraschall in einer Ethanol:Wasser-Lösung (50:50) extrahiert und C57BL6/J-Mäusen verabreicht, die mit einer fettreichen Diät gefüttert wurden. Dies stellt ein Adipositas-Modell dar. Zu den Ergebnissen gehören Verbesserungen verschiedener Adipositas-Parameter, wie z. B. die Regulierung von Lipidprofilen (Cholesterin und Triglyceride) und eine Verringerung der Nahrungsaufnahme, der Gewichtszunahme, des Fettgewebsgewichts und des Lebergewichts. Diese vorgeschlagene Methode dauert 5 Wochen im Vergleich zum traditionellen 16-Wochen-Regime und hat das Potenzial, neue sekundäre Pflanzenstoffe für ihren möglichen Einsatz bei der Gewichtskontrolle zu testen und zu identifizieren.
Diese Methodensammlung bietet neue Möglichkeiten, Zebrafische in Verhaltensstudien zu verwenden, einen hyperglykämischen Zustand in diesem Modellorganismus zu induzieren und Vorläuferzellen zu erzeugen, die zur Produktion von insulinproduzierenden, glukoseresponsiven β-Zellen führen. Die Sammlung befasst sich auch mit Fettleibigkeit und stellt Methoden vor, mit denen Adipozyten aus iPSCs erfolgreich hergestellt werden können, um Präadipozyten von neugeborenen Mäusen zu sammeln und sekundäre Pflanzenstoffe zu isolieren, um ihr Potenzial bei der Behandlung von Fettleibigkeit zu testen. Zusammengenommen richtet sich diese Sammlung an eine breite Gruppe von Forschern auf dem Gebiet von Diabetes und Adipositas und bietet ein neuartiges Instrumentarium, um bisher unerforschte Bereiche der Diabetes- und Adipositasforschung zu beleuchten.