Articolo metodologico

Una raccolta di nuove tecniche per studiare il diabete e l'obesità

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DOI:

10.3791/64865

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27 gennaio 2023

In questo articolo

Abstract

ARTICOLI DISCUSSI:

McCarthy, E., Rowe, C. J., Crowley-Perry, M., Connaughton, V. P. Immersione alternata nel glucosio per produrre iperglicemia prolungata nel pesce zebra. Giornale degli esperimenti visualizzati. (171), E61935 (2021).

Rowe, C. J., Crowley-Perry, M., McCarthy, E., Davidson, T. L., Connaughton, V. P. Il compito comportamentale di scelta a tre camere utilizzando il pesce zebra come sistema modello. Giornale degli esperimenti visualizzati. (170), E61934 (2021).

Memon, B., Abdelalim, E. M. Differenziazione di cellule staminali pluripotenti umane in precursori di cellule beta pancreatiche in un sistema di coltura 2D. Giornale degli esperimenti visualizzati. (178), E63298 (2021).

Aghadi, M., Karam, M., Abdelalim, E. M. Robusta differenziazione di iPSC umane in una popolazione pura di adipociti per studiare i disturbi associati agli adipociti. Giornale degli esperimenti visualizzati. (180), E63311 (2022).

Galmozzi, A., Kok, B. P., Saez, E. Isolamento e differenziazione di preadipociti bianchi e marroni primari da topi neonati. Giornale degli esperimenti visualizzati. (167), E62005 (2021).

Pérez Gutiérrez, R. M., Arrioja, M. W. Modello rapido per valutare il potenziale anti-obesità di una combinazione di Syzygium aromaticum (chiodi di garofano) e Cuminum cyminum (cumino) su topi C57BL6/j alimentati con dieta ricca di grassi. Giornale degli esperimenti visualizzati. (173), E62087 (2021).

Editoriale

Il diabete e l'obesità sono emersi come importanti oneri per la salute pubblica e aumentano il rischio di disfunzioni neurologiche, portando a deterioramento cognitivo nei pazienti1. A causa dell'allarmante tasso di aumento di queste malattie, gli sforzi della ricerca per combattere queste sfide sanitarie stanno crescendo. Questa raccolta di metodi riunisce un'ampia gamma di tecniche utilizzate per studiare il diabete e l'obesità, insieme al deterioramento cognitivo associato, in una varietà di sistemi modello.

Il pesce zebra è un modello attraente per studiare il diabete perché l'espressione e la funzione dei geni coinvolti nello sviluppo del pancreas sono altamente conservate in questo organismo rispetto ai sistemi dei mammiferi 2,3,4,5,6. Il diabete mellito e l'iperglicemia possono essere indotti nel pesce zebra utilizzando meccanismi invasivi e non invasivi e sviluppando ceppi mutanti 7,8,9,10,11. McCarthy et al. introducono un nuovo metodo non invasivo per indurre l'iperglicemia nel pesce zebra utilizzando un protocollo di immersione alternativo12. In questo metodo, il pesce zebra adulto viene posto in una soluzione di zucchero per 24 ore e poi in acqua per 24 ore per imitare l'aumento e la diminuzione della glicemia nel diabete. Dimostrano che questo processo non solo induce con successo l'iperglicemia, ma porta anche alle complicanze legate all'alterata omeostasi del glucosio. Una volta stabilito, questo metodo potrebbe essere utilizzato con successo per imitare la condizione iperglicemica nel pesce zebra adulto.

L'iperglicemia incontrollata può portare a una serie di complicazioni che colpiscono ogni organo del corpo. I cambiamenti nella memoria e/o il deterioramento cognitivo sono tra gli effetti preoccupanti dell'iperglicemia incontrollata nei pazienti con glicemia elevata. Poiché il pesce zebra è stato utilizzato con successo in studi che testano gli effetti dell'omeostasi del glucosioalterata 13, questo organismo dovrebbe ora essere utilizzato anche negli studi comportamentali. Nel loro secondo articolo, Rowe et al. dimostrano un metodo per utilizzare il pesce zebra negli studi comportamentali14 utilizzando un apparato a tre camere modificato progettato per monitorare le interazioni sociali nel topo15. Il pesce zebra dimostra di aver acquisito memoria in circa 8 settimane di addestramento. Tuttavia, i pesci iperglicemici dimostrano deficit cognitivi dopo 4 settimane di trattamento per indurre iperglicemia utilizzando un protocollo di immersione alternativo12. Questo metodo fornisce un modo per utilizzare il pesce zebra negli studi comportamentali che sarà utile non solo nel campo del diabete, ma anche in altri campi legati all'età, alla genetica e ad altre malattie neurodegenerative che portano al deterioramento cognitivo.

Insieme alla ricerca in corso sull'eziologia della malattia e sui suoi effetti, il campo ha bisogno di nuove vie molecolari per generare cellule β funzionali per interventi terapeutici. Tuttavia, il successo della produzione di cellule β, sia mediante coltura in vitro che mediante stimolazione della rigenerazione in vivo , è stato limitato. Memon e Abdelalim descrivono un metodo per differenziare le cellule staminali pluripotenti umane (hPSC) in PDX1- (omeobox pancreatico e duodenale 1) e NKX6.1 (omeobox 1 NKX6) che esprimono cellule progenitrici pancreatiche16. L'espressione di questi due fattori di trascrizione nei progenitori riduce la presenza di cellule endocrine non funzionali nelle colture e si traduce in cellule β funzionali che producono insulina e rispondono al glucosio17. La generazione scalabile di progenitori co-esprimenti PDX1 e NKX6.1 ha il potenziale per generare un pool funzionale di cellule β-cellule secernenti insulina per la terapia dei trapianti e per la modellazione della malattia.

L'obesità è una malattia metabolica complessa causata da un'adipogenesi anormale. A causa dell'aumento della necessità di adipociti umani per modellare le condizioni della malattia e delle limitazioni della raccolta di campioni da donatori umani, la generazione in vitro di adipociti è molto richiesta. Aghadi et al. descrivono un protocollo per produrre cellule staminali mesenchimali (MSC) da corpi embrioidi derivati da cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) utilizzando acido retinoico all-trans 18. Le MSC risultanti mostrano una rapida proliferazione e una corretta differenziazione in adipociti. Stabiliscono anche un metodo per aumentare il pool di adipociti differenziati ordinando le cellule marcate con il rosso del Nilo, un colorante lipofilo18. Nel loro insieme, hanno prodotto con successo colture arricchite in una popolazione pura di adipociti maturi che aiuteranno i ricercatori a studiare facilmente i disturbi metabolici associati agli adipociti.

Ci sono due problemi principali nel campo della ricerca sull'obesità: l'incapacità di linee cellulari in coltura come 3T3-L1 di riflettere l'eterogeneità cellulare del deposito adiposo19,20 e la bassa resa di preadipociti dal tessuto raccolto da topi adulti21,22. Le cellule raccolte da topi adulti possono riflettere l'eterogeneità cellulare, ma contengono per lo più adipociti completamente maturi e meno preadipociti21,22. Saez et al. rispondono a entrambi i problemi descrivendo un metodo per isolare i preadipociti bianchi e marroni da topi neonati23. Queste cellule mostrano un'elevata capacità proliferativa e potenziale di differenziazione in adipociti maturi rispetto ai preadipociti raccolti da topi adulti. Il loro articolo è una risorsa efficace per modellare la complessità dell'obesità utilizzando preadipociti bianchi e marroni che possono essere differenziati in adipociti completamente maturi.

La gestione del peso è un problema clinico importante. I cambiamenti a lungo termine dello stile di vita, i farmaci anti-obesità e i regimi di esercizio fisico svolgono tutti un ruolo importante in questo processo. Tuttavia, la perdita di motivazione dovuta alle sfide nel mantenere le modifiche dello stile di vita a lungo termine, la spesa per i farmaci anti-obesità e l'aumento dell'incidenza dei disturbi alimentari hanno portato la comunità scientifica a esplorare rimedi naturali24. Pérez Gutiérrez e Arrioja esplorano il potenziale di due piante, Syzygium aromaticum (chiodi di garofano) e Cuminum cyminum (cumino)25, come risorse naturali di composti anti-obesità. I contenuti fitochimici attivi vengono estratti mediante ultrasuoni in una soluzione di etanolo:acqua (50:50) e somministrati a topi C57BL6/J alimentati con una dieta ricca di grassi. Questo rappresenta un modello di obesità. I risultati includono miglioramenti in vari parametri dell'obesità come la regolazione dei profili lipidici (colesterolo e trigliceridi) e riduzioni dell'assunzione di cibo, aumento di peso, peso del tessuto adiposo e peso del fegato. Questo metodo proposto richiede 5 settimane rispetto al tradizionale regime di 16 settimane e ha il potenziale per testare e identificare nuove sostanze fitochimiche per il loro possibile utilizzo nella gestione del peso.

Questa raccolta di metodi fornisce nuovi modi per utilizzare il pesce zebra negli studi comportamentali, per indurre una condizione iperglicemica in questo organismo modello e per generare cellule progenitrici che portano alla produzione di cellule β produttrici di insulina e sensibili al glucosio. La collezione si concentra anche sull'obesità e introduce metodi per produrre con successo adipociti da iPSC, per raccogliere preadipociti da topi neonati e per isolare sostanze fitochimiche per testare il loro potenziale nel trattamento dell'obesità. Nel complesso, questa raccolta si rivolge a un ampio gruppo di ricercatori nel campo del diabete e dell'obesità e fornisce un nuovo kit di strumenti per illuminare aree precedentemente inesplorate nella ricerca sul diabete e l'obesità.

Dichiarazioni

L'autore non ha nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Ringrazio gli autori per aver arricchito i campi del diabete e dell'obesità con le nuove metodologie e il Journal of Visualized Experiments per aver aiutato in questo processo.

Riferimenti

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  12. McCarthy, E., Rowe, C. J., Crowley-Perry, M., Connaughton, V. P. Alternate immersion in glucose to produce prolonged hyperglycemia in zebrafish. Journal of Visualized Experiments. (171), e61935(2021).
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  17. Memon, B., Abdelalim, E. M. Stem cell therapy for diabetes: Beta cells versus pancreatic progenitors. Cells. 9 (2), 283-302 (2020).
  18. Aghadi, M., Karam, M., Abdelalim, E. M. Robust differentiation of human iPSCs into a pure population of adipocytes to study adipocyte-associated disorders. Journal of Visualized Experiments. (180), e63311(2022).
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  23. Galmozzi, A., Kok, B. P., Saez, E. Isolation and differentiation of primary white and brown preadipocytes from newborn mice. Journal of Visualized Experiments. (167), e62005(2021).
  24. Sun, N. N., Wu, T. Y., Chau, C. F. Natural dietary and herbal products in anti-obesity treatment. Molecules. 21 (10), 1351-1365 (2016).
  25. Pérez Gutiérrez, R. M., Arrioja, M. W. Rapid model to evaluate the anti-obesity potential of a combination of Syzygium aromaticum (clove) and Cuminum cyminum (cumin) on C57BL6/j mice fed high-fat diet. Journal of Visualized Experiments. (173), e62087(2021).

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