L’épuisement extracellulaire du glucose marqué par fluorescence est en corrélation avec l’absorption du glucose et pourrait être utilisé pour le dépistage à haut débit de l’absorption du glucose dans les organes excisés et les cultures cellulaires.
L’épidémie mondiale de diabète en cours augmente la demande d’identification des facteurs environnementaux, nutritionnels, endocriniens, génétiques et épigénétiques affectant l’absorption du glucose. La mesure de la fluorescence intracellulaire est une méthode largement utilisée pour tester l’absorption du glucose marqué par fluorescence (FD-glucose) dans les cellules in vitro, ou pour l’imagerie des tissus consommateurs de glucose in vivo. Ce test évalue l’absorption du glucose à un moment choisi. L’analyse intracellulaire suppose que le métabolisme du FD-glucose est plus lent que celui du glucose endogène, qui participe aux réactions cataboliques et anabolisantes et à la signalisation. Cependant, le métabolisme dynamique du glucose modifie également les mécanismes d’absorption, ce qui nécessiterait des mesures cinétiques de l’absorption du glucose en réponse à différents facteurs. Cet article décrit une méthode de mesure de l’épuisement extracellulaire du FD-glucose et valide sa corrélation avec l’absorption intracellulaire du FD-glucose dans les cellules et les tissus ex vivo. L’épuisement extracellulaire du glucose peut être potentiellement applicable pour les études cinétiques et dose-dépendantes à haut débit, ainsi que pour l’identification des composés ayant une activité glycémique et leurs effets spécifiques aux tissus.
La demande pour mesurer l’absorption du glucose augmente avec le besoin critique de faire face à une augmentation épidémique d’une multitude de maladies dépendantes du métabolisme du glucose. Les mécanismes sous-jacents des maladies métaboliques dégénératives, des troubles neurologiques et cognitifs1, des maladies inflammatoires2 et infectieuses3, du cancer 4,5, ainsi que du vieillissement 6, dépendent du métabolisme du glucose pour l’énergie et son stockage, les processus anabolisants, la modification des protéines et des gènes, la signalisation, la régulation des gènes et la synthèse et la réplication des acides nucléiques 7,8,9 . Le diabète sucré (DM) est directement lié à un dysfonctionnement de la régulation de l’absorption du glucose. Le DM est un spectre de maladies chroniques telles que le diabète sucré de type 1, -2 et -3, le diabète gestationnel, le diabète de maturité des jeunes et d’autres types de cette maladie induite par des facteurs environnementaux et / ou génétiques. En 2016, le premier rapport mondial de l’OMS sur le diabète a démontré que le nombre d’adultes vivant avec le DIABÈTE le plus répandu a presque quadruplé depuis 1980 pour atteindre 422 millions d’adultes10, et ce nombre de patients atteints de diabète a augmenté de façon exponentielle au cours des dernières décennies. Rien qu’en 2019, on estime à 1,5 million le nombre de décès directement causés par10 DM. Cette recrudescence spectaculaire est due à l’augmentation du diabète de type 2 et aux conditions qui l’animent, notamment le surpoids et l’obésité10. La pandémie de COVID-19 a révélé une double augmentation de la mortalité chez les patients atteints de DM par rapport à la population générale, suggérant le rôle profond mais mal compris du métabolisme du glucose dans la défense immunitaire3. La prévention, le diagnostic précoce et le traitement de la DM, de l’obésité et d’autres maladies nécessitent l’optimisation des mesures de l’absorption du glucose par différents tissus et l’identification des facteursenvironnementaux 11,nutritionnels 12, endocriniens13, génétiques 14 et épigénétiques15 affectant l’absorption du glucose.
Dans la recherche, l’absorption intracellulaire et / ou tissulaire du glucose est généralement mesurée par le glucose marqué par fluorescence (FD-glucose) in vitro 16,17,18 et in vivo19. Le FD-glucose est devenu une méthode préférée par rapport aux méthodes plus précises utilisant le glucose20 marqué radioactivement, l’analyse par spectroscopie de masse analytique21, la métabolomique22, les méthodes de résonance magnétique nucléaire23 et la tomographie par émission de positons / tomodensitométrie (TEP / CT) 5,24. Contrairement à l’absorption du glucose FD, les méthodes d’analyse nécessitant plus de matériel biologique peuvent impliquer une préparation d’échantillon en plusieurs étapes, des instruments coûteux et une analyse complexe des données. Des mesures efficaces et peu coûteuses de l’absorption du FD-glucose dans les cultures cellulaires ont été utilisées dans des expériences de preuve de concept et peuvent nécessiter une validation par d’autres méthodes.
La base de l’application de FD-glucose pour les études d’absorption du glucose est le métabolisme réduit du FD-glucose par rapport au glucose endogène25. Néanmoins, le glucose endogène et le FD-glucose sont répartis dynamiquement entre tous les compartiments cellulaires pour une utilisation dans les processus anabolisants, cataboliques et de signalisation. Le compartimentage et le traitement dépendant du temps25 du FD-glucose interfèrent avec les mesures de fluorescence et représentent les principaux facteurs limitant l’utilisation de ce test dans les expériences de criblage à haut débit, l’analyse cinétique, la culture cellulaire 3D, les co-cultures et les expériences d’explantation tissulaire. Ici, nous fournissons des données démontrant une forte corrélation entre l’épuisement extracellulaire du FD-glucose et son absorption intracellulaire, suggérant l’épuisement extracellulaire du FD-glucose comme mesure de substitution de l’absorption intracellulaire du glucose. La mesure de l’épuisement extracellulaire du glucose a été appliquée pour valider les différences tissulaires dans l’absorption du glucose chez les souris traitées avec de l’insuline et un médicament expérimental18 pour fournir une preuve de principe de cette méthode.
Le protocole actuel décrit les mesures intracellulaires et extracellulaires (Figure 1) de l’absorption du FD-glucose dans les cellules 3T3-L1. Les sections 1 à 7 du protocole expliquent la culture et la croissance des cellules pendant 48 h; la famine cellulaire, la stimulation et les mesures extracellulaires de base; et les mesures post-stimulation du FD-glucose extracellulaire et les mesures intracellulaires du FD-glucose et des protéines. La section 8 du protocole décrit la mesure ex vivo de l’absorption extracellulaire du FD-glucose dans les tissus disséqués de souris ob/ob en présence et en l’absence d’insuline et de composé d’acides aminés 2 (CAA2) décrite ailleurs18.
Les études sur les animaux ont été approuvées par l’Institutional Animal Care and Use Committee de l’Ohio State University (OSU, protocole 2007A0262-R4).
REMARQUE: Toutes les procédures doivent être effectuées dans une armoire de biosécurité de classe II avec le ventilateur allumé et les lumières éteintes.
1. Préparation des matériaux
REMARQUE : Tous les matériaux sont répertoriés dans le tableau des matériaux.
2. Culture cellulaire et entretien 3T3-L1
3. Famine des cellules 3T3-L1
4. Préparation de solutions de FD-glucose avec différentes concentrations
REMARQUE: L’expérience de la figure 2 examine les milieux extracellulaires et intercellulaires avec et sans stimulation avec l’insuline.
5. Traiter les cellules 3T3-L1 affamées
6. Mesures extracellulaires et intercellulaires pour les cellules 3T3-L1 stimulées
7. Normalisation à base de protéines de l’absorption intracellulaire du glucose
REMARQUE: L’absorption intracellulaire de FD-glucose dépend du nombre de cellules. Les niveaux de protéines dans les lysats cellulaires sont proportionnels au nombre de cellules qui permettent de normaliser les niveaux intracellulaires de GLUCOSE FD au nombre de cellules dans chaque puits.
8. Mesure ex vivo de l’épuisement extracellulaire du glucose FD dans les organes
La comparaison directe de l’épuisement extracellulaire du FD-glucose avec l’absorption intracellulaire normalisée du glucose dans la culture cellulaire a montré une corrélation élevée, suggérant que l’épuisement extracellulaire du glucose pourrait être une mesure de substitution pour l’évaluation de l’absorption du glucose. La mesure du GLUCOSE FD extracellulaire peut utiliser une large gamme de concentrations de glucose FD, également 0,5-2,5 μg FD-glucose / mL semblent fournir la plage optimale. Le FD-glucose extracellulaire ne nécessite pas de normalisation du nombre de cellules ou des concentrations de protéines nécessaires à l’absorption intracellulaire du FD-glucose. La limitation prévue des mesures extracellulaires du GLYCÉMIE-FD est l’étude des agents réactifs induisant des espèces de l’oxygène et des traces de sang dans les explants qui peuvent éteindre la fluorescence. D’autres facteurs environnementaux affectant la fluorescence, tels que la lumière, doivent également être pris en compte. Le temps de manipulation prolongé requis lors de l’utilisation de plusieurs explants tissulaires peut compromettre la viabilité des tissus et le métabolisme du glucose. Cela pourrait être une limitation supplémentaire. Les tissus excisés doivent être de petite taille (50-300 mg) pour permettre la perméabilité du glucose à l’intérieur du tissu. La manipulation simultanée des tissus par plusieurs opérateurs peut réduire le temps de manipulation. Bien que nous n’ayons pas mesuré l’absorption de glucose dans les explants tissulaires, les observations accumulées dans les explants tissulaires en culture suggèrent qu’elles survivent dans le milieu contenant du glucose jusqu’à 17 jours avec la perte progressive de fonctionnalité33. Dans ce protocole, le court temps d’incubation des explants permet de surveiller le métabolisme du glucose dans des tissus relativement fonctionnels. Dans les tissus à organisation cellulaire complexe, tels que le cerveau, la taille présente une limitation insoluble, car la désintégration des tissus complexes et la mort cellulaire qui en résulte influencent l’absorption du glucose. Cependant, l’incubation du cerveau pendant 24 heures a déjà été utilisée pour l’identification du mécanisme de régulation endogène, soutenant la fonctionnalité physiologique relative du cerveau de souris excisé dans le milieu contenant du glucose34. Quoi qu’il en soit, la procédure simplifiée et l’accessibilité facile du FD-glucose extracellulaire peuvent permettre d’utiliser ce test dans un format à haut débit. La comparaison de l’épuisement du FD-glucose extracellulaire basique et stimulé par l’insuline suggère que ce test pourrait être appliqué pour identifier les facteurs humoraux, nutritionnels, pathogènes, environnementaux ou pharmaceutiques régulant l’absorption du glucose. Bien que ce test simplifie la découverte, les résultats ont nécessité une validation avec le radiomarquage quantitatif20 méthodes analytiques 21,22,23 et / ou les méthodes d’imagerie 5,24 pour une élucidation mécaniste rigoureuse des voies.
Les étapes critiques de ce protocole comprennent l’optimisation de la confluence et du temps de jeûne qui influencent à la fois l’absorption basale et stimulée du FD-glucose. Ces paramètres pourraient également être affectés par la saison sur la base des observations des auteurs. De plus, différents types de cellules utilisent des mécanismes spécifiques pour l’absorption du glucose, y compris différents transporteurs de glucose et des interactions hormone/récepteur régulateur 32,35,36. Par conséquent, des témoins positifs autres que l’insuline doivent être envisagés pour les cultures cellulaires représentant des tissus autres que le muscle ou le tissu adipeux régulés par des axes insuline/GLUT4. Le dépannage comprend également l’ajustement de la confluence cellulaire et l’optimisation du temps de jeûne / réalimentation avec FD-glucose. En outre, la sensibilité de la mesure du glucose extracellulaire pourrait être améliorée en réduisant les niveaux de FD-glucose extracellulaire, en tenant compte des niveaux seuils requis pour l’absorption du glucose. L’expérience décrite à la figure 2 peut aider les chercheurs à personnaliser ce test pour une utilisation avec d’autres cultures cellulaires ou un dépannage.
La variabilité intrinsèque du métabolisme du glucose nécessitait également une taille d’échantillon plus élevée (n = 5-8). Bien que les mesures extracellulaires de la perte de glucose FD aient montré la même précision que l’absorption intracellulaire de FD-glucose normalisée par la protéine, la normalisation peut réduire la variabilité du test. En plus de la mesure des concentrations de protéines, la mesure de la teneur en ADN dans la cellule peut être une autre évaluation de substitution fiable de la cellule numéro37.
Le FD-glucose extracellulaire est accessible pour les mesures cinétiques. Ici, une procédure simple de mesures cinétiques du FD-glucose extracellulaire a été développée pour identifier les réponses spécifiques des organes aux médiateurs de l’absorption du glucose. Ces études ex vitro peuvent tester directement la réponse des organes à divers stimuli in vivo qui est combinée à l’exposition des organes au GLUCOSE FD et aux mesures cinétiques ex vivo , comme le montre la figure 3. Bien que les études ex vivo ne ressemblent pas entièrement aux conditions in vivo , elles présentent de multiples avantages. Les explants d’organes maintiennent une structure cellulaire primaire multicellulaire complexe, contrairement aux cultures cellulaires immortelles présentant une expression génétique altérée. Le développement de médicaments modernes utilise des organismes modèles, une évaluation indirecte de l’absorption du glucose basée sur le transcriptome ou le métabolome22, une technique complète de pince à insuline38 ou une imagerie coûteuse32. Bien que la mesure du FD-glucose extracellulaire dans les organes explantés ne remplacera pas ces technologies, elle fournira une évaluation rapide des composés, des métabolites et des gènes afin de faciliter la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques régulant l’absorption du glucose d’une manière spécifique aux tissus. Le développement de thérapies sûres traitant du métabolisme du glucose dans des tissus spécifiques peut offrir une solution pour le cancer, la démence, le vieillissement, le diabète, les maladies auto-immunes, l’obésité et d’autres applications connexes.
The authors have nothing to disclose.
3T3-L1 mouse fibroblasts | ATCC | CL-173 | Cell line |
96-well plates | Falcon | 353227 | Plastic ware |
B6.V-Lepob/J male mice | Jackson Laboratory | stock number 000632 | Mice |
BioTek Synergy H1 modular multimode microplate reader (Fisher Scientific, US) | Fisher Scientific, US | B-SHT | Device |
Bovine serum | Gibco/ThermoFisher | 161790-060 | Cell culture |
Calf serum | Gibco/ThermoFisher | 26010-066 | Cell culture |
Cell incubator | Forma | Series II Water Jacket | Device |
Diet (mouse/rat diet, irradiated) | Envigo | Teklad LM-485 | Diet |
Dimethylsulfoxide (DMSO) | Sigma LifeScience | D2650-100mL | Reagent |
Dulbecco's Modified Eagle Medium | Gibco/ThermoFisher | 11965-092 | Cell culture |
Ethanol | Sigma Aldrich | E7023-500mL | Reagent |
Fluorescent 2-deoxy-2-[(7-nitro-2,1,3-benzoxadiazol-4-yl) amino]-D-glucose) | Sigma | 72987-1MG | Assay |
Glucose-free and phenol red-free DMEM | Gibco/ThermoFisher | A14430-01 | Cell culture |
Human insulin 10 mg/mL | MilliporeSigma, Cat N 91077C | Cat N 91077C | Reagent |
Isoflurane, 5% | Henry Schein | NDC 11695-6776-2 | Anestaetic |
Penicillin/streptomycin (P/S) | Gibco/ThermoFisher | 15140-122 | Cell culture |
Phosphate buffered solution | Sigma-Aldrich | DA537-500 mL | Cell culture |
Pierce bicinchoninic acid (BCA) protein assay | ThermoFisher | Cat N23225 | Assay |
Radioimmunoprecipitation assay lysis buffer | Santa Cruz Biotechnology | sc-24948 | Assay |
Trypsin-EDTA (0.05%) | Gibco/ThermoFisher | 25300-054 | Cell culture |