方法論記事

糖尿病と肥満を研究するための新しい技術のコレクション

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DOI:

10.3791/64865

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2023年1月27日

1Biology Department, Marquette University

この記事について

要約

議論された記事:

McCarthy, E., Rowe, C. J., Crowley-Perry, M., Connaughton, V. P. ゼブラフィッシュの長期にわたる高血糖を引き起こすためのグルコースへの交互の浸漬。視覚化された実験のジャーナル。(171)、E61935(2021)。

Rowe, C. J., Crowley-Perry, M., McCarthy, E., Davidson, T. L., Connaughton, V. P.ゼブラフィッシュをモデルシステムとして用いた3チャンバー選択行動課題視覚化された実験のジャーナル。(170)、E61934(2021)。

Memon, B., Abdelalim, E. M. 2D培養システムにおけるヒト多能性幹細胞の膵臓ベータ細胞前駆体への分化。視覚化された実験のジャーナル。(178)、E63298(2021)。

Aghadi, M., Karam, M., Abdelalim, E. M. 脂肪細胞関連障害を研究するための、ヒトiPS細胞の純粋な脂肪細胞集団への強固な分化。視覚化された実験のジャーナル。(180)、E63311(2022)。

Galmozzi, A., Kok, B. P., Saez, E. 新生マウスからの初代白および褐色前駆脂肪細胞の単離と分化.視覚化された実験のジャーナル。(167)、E62005(2021)。

Pérez Gutiérrez, R. M., Arrioja, M. W. 高脂肪食を与えられたC57BL6/jマウスのSyzygium aromaticum(クローブ)とCuminum cyminum(クミン)の組み合わせの抗肥満の可能性を評価するラピッドモデル。視覚化された実験のジャーナル。(173)、E62087(2021)。

編集記事

糖尿病と肥満は主要な公衆衛生上の負担として浮上しており、神経機能障害のリスクを高め、患者の認知障害につながります1.これらの病気の驚くべき増加率の結果として、これらの健康上の課題と闘うための研究努力が拡大しています。この方法コレクションは、糖尿病と肥満、および関連する認知障害をさまざまなモデル システムで研究するために使用される幅広い手法をまとめたものです。

ゼブラフィッシュは、哺乳類のシステムと比較した場合、膵臓の発達に関与する遺伝子の発現と機能がこの生物で高度に保存されているため、糖尿病を研究するための魅力的なモデルです2,3,4,5,6。糖尿病および高血糖は、侵襲的および非侵襲的メカニズムを用いて、また変異株7,8,9,10,11を発達させることによって、ゼブラフィッシュに誘発され得る。McCarthyらは、代替の浸漬プロトコルを使用してゼブラフィッシュに高血糖を誘発する新しい非侵襲的方法を紹介します12。この方法では、成虫のゼブラフィッシュを砂糖溶液に24時間入れ、次に水中に24時間入れて、糖尿病の血糖値の上昇と下降を模倣します。彼らは、このプロセスが高血糖をうまく誘発するだけでなく、グルコース恒常性の変化に関連する合併症を引き起こすことも実証しています。この方法が確立されれば、成体のゼブラフィッシュの高血糖状態を模倣するためにうまく使用できます。

コントロールされていない高血糖は、体のあらゆる臓器に影響を与える一連の合併症を引き起こす可能性があります。記憶および/または認知障害の変化は、血糖値が上昇した患者における制御されていない高血糖の懸念される影響の一つです。ゼブラフィッシュは、変化したグルコース恒常性の影響をテストする研究で成功裏に使用されているため13、この生物は行動研究にも使用されるべきです。彼らの2番目の論文では、Roweらは、マウス15の社会的相互作用を監視するように設計された改良された3室装置を使用して、行動研究14でゼブラフィッシュを使用する方法を実証します。ゼブラフィッシュは、約8週間のトレーニングで獲得した記憶を示します。しかし、高血糖の魚は、代替の浸漬プロトコルを使用して高血糖を誘発する4週間の治療後に認知障害を示します12。この方法は、糖尿病の分野だけでなく、認知障害につながる加齢性疾患、遺伝性疾患、その他の神経変性疾患に関連する他の分野でも有用である行動研究にゼブラフィッシュを使用する方法を提供します。

疾患の病因とその影響に関する進行中の研究に加えて、この分野は治療介入のための機能的なβ細胞を生成するための新しい分子手段を必要としています。しかし、 in vitro 培養または in vivo 再生の刺激によるβ細胞の生産の成功は限られています。MemonとAbdelalimは、ヒト多能性幹細胞(hPSC)をPDX1-(膵臓および十二指腸ホメオボックス1)およびNKX6.1(NKX6ホメオボックス1)を発現膵臓前駆細胞に分化させる方法を説明しています16。前駆細胞におけるこれら2つの転写因子の発現は、培養中の非機能内分泌細胞の発生を減少させ、機能的でインスリン産生のグルコース応答性β細胞をもたらします17。PDX1とNKX6.1の共発現前駆細胞のスケーラブルな生成は、移植療法や疾患モデリングのためのインスリン分泌β細胞の機能プールを生成する可能性を秘めています。

肥満は、異常な脂肪生成によって引き起こされる複雑な代謝障害です。疾患状態をモデル化するためのヒト脂肪細胞の必要性の高まりと、ヒトドナーからのサンプル収集の限界により、脂肪細胞の in vitro 生成が大きな需要があります。Aghadiらは、オールトランス レチノイン酸を使用して人工多能性幹細胞(iPSC)に由来する胚様体から間葉系幹細胞(MSC)を産生するプロトコルを説明しています18。得られたMSCは、急速な増殖と脂肪細胞への分化に成功したことを示します。彼らはまた、親油性色素であるナイルレッドでタグ付けされた細胞を選別することにより、分化した脂肪細胞プールを増やす方法を確立しました18。まとめると、彼らは成熟脂肪細胞の純粋な集団に富んだ培養物の生産に成功し、研究者が脂肪細胞関連の代謝障害を簡単に研究するのに役立ちます。

肥満研究の分野では、3T3-L1などの培養細胞株が脂肪貯蔵庫の細胞不均一性を反映できないこと19,20、および成体マウスから採取された組織からの前脂肪細胞の収量が低いことの2つの主要な問題があります21,22。成体マウスから採取された細胞は、細胞の不均一性を反映することができますが、ほとんどが完全に成熟した脂肪細胞を含み、前脂肪細胞は少なくなっています21,22。Saezらは、新生マウスから白と褐色の前脂肪細胞を単離する方法を説明することによって、両方の問題に答えます23。これらの細胞は、成体マウスから採取された前脂肪細胞と比較して、高い増殖能力と成熟脂肪細胞への分化能を示します。彼らの論文は、完全に成熟した脂肪細胞に分化できる白と茶色の前脂肪細胞を使用して肥満の複雑さをモデル化するための効果的なリソースです。

体重管理は重要な臨床問題です。長期的なライフスタイルの変更、抗肥満薬、運動療法はすべて、このプロセスにおいて重要な役割を果たします。しかし、長期的なライフスタイルの修正を維持することの課題によるモチベーションの喪失、抗肥満薬の費用、摂食障害の発生率の増加により、科学界は自然療法を模索するようになりました24。Pérez GutiérrezとArriojaは、抗肥満化合物の天然資源としての2つの植物、 Syzygium aromaticum (クローブ) とCuminum cyminum (クミン)25の可能性を探ります。活性ファイトケミカル含有量をエタノール:水(50:50)溶液中で超音波を使用して抽出し、高脂肪食を与えたC57BL6 / Jマウスに投与します。これは肥満モデルを表しています。結果には、脂質プロファイル (コレステロールとトリグリセリド) の調節、食物摂取量、体重増加、脂肪組織重量、肝臓重量の減少など、さまざまな肥満パラメーターの改善が含まれます。この提案された方法は、従来の 16 週間のレジメンと比較して 5 週間かかり、体重管理での使用の可能性について新しい植物化学物質をテストおよび特定する可能性があります。

この方法のコレクションは、行動研究でゼブラフィッシュを使用し、このモデル生物に高血糖状態を誘発し、インスリン産生、グルコース応答性β細胞の産生につながる前駆細胞を生成する新しい方法を提供します。このコレクションはまた、肥満に焦点を当て、iPS細胞から脂肪細胞を正常に生成する方法、新生マウスから前脂肪細胞を収集する方法、および肥満治療における植物化学物質の可能性をテストするために植物化学物質を単離する方法を紹介しています。まとめると、このコレクションは糖尿病と肥満の分野の幅広い研究者グループを対象としており、糖尿病と肥満の研究においてこれまで開拓されていなかった分野を明らかにするための新しいツールキットを提供します。

開示事項

著者は開示するものは何もありません。

謝辞

新しい方法論で糖尿病と肥満の分野を豊かにしてくれた著者と、このプロセスを支援してくれたJournal of Visualized Experiments

に感謝します。

参考文献

  1. Kodl, C. T., Seaquist, E. R. Cognitive dysfunction and diabetes mellitus. Endocrine Reviews. 29 (4), 494-511 (2008).
  2. Argenton, F., Zecchin, E., Bortolussi, M. Early appearance of pancreatic hormone-expressing cells in the zebrafish embryo. Mechanisms of Development. 87 (1-2), 217-221 (1999).
  3. Biemar, F., et al. Pancreas development in zebrafish: Early dispersed appearance of endocrine hormone expressing cells and their convergence to form the definitive islet. Developmental Biology. 230 (2), 189-203 (2001).
  4. Lin, J. W., et al. Differential requirement for ptf1a in endocrine and exocrine lineages of developing zebrafish pancreas. Developmental Biology. 270 (2), 474-486 (2004).
  5. Yee, N. S., Yusuff, S., Pack, M. Zebrafish pdx1 morphant displays defects in pancreas development and digestive organ chirality, and potentially identifies a multipotent pancreas progenitor cell. Genesis. 30 (3), 137-140 (2001).
  6. Zecchin, E., et al. Evolutionary conserved role of ptf1a in the specification of exocrine pancreatic fates. Developmental Biology. 268 (1), 174-184 (2004).
  7. Connaughton, V. P., Baker, C., Fonde, L., Gerardi, E., Slack, C. Alternate immersion in an external glucose solution differentially affects blood sugar values in older versus younger zebrafish adults. Zebrafish. 13 (2), 87-94 (2016).
  8. Etuk, E. U. Animal models for studying diabetes mellitus. Agriculture and Biology Journal of North America. 1 (2), 130-134 (2010).
  9. Agardh, E., Bruun, A., Agardh, C. D. Retinal glial cell immunoreactivity and neuronal cell changes in rats with STZ-induced diabetes. Current Eye Research. 23 (4), 276-284 (2001).
  10. Carmo, A., Cunha-Vaz, J. G., Carvalho, A. P., Lopes, M. C. Nitric oxide synthase activity in retinas from non-insulin-dependent diabetic Goto-Kakizaki rats: Correlation with blood-retinal barrier permeability. Nitric Oxide. 4 (6), 590-596 (2000).
  11. Ramsey, D. J., Ripps, H., Qian, H. An electrophysiological study of retinal function in the diabetic female rat. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 47 (11), 5116-5124 (2006).
  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).
  13. Sharchil, C., et al. Zebrafish: A model to study and understand the diabetic nephropathy and other microvascular complications of type 2 diabetes mellitus. Veterinary Sciences. 9 (7), 312-327 (2022).
  14. Rowe, C. J., Crowley-Perry, M., McCarthy, E., Davidson, T. L., Connaughton, V. P. The three-chamber choice behavioral task using zebrafish as a model system. Journal of Visualized Experiments. (170), e61934(2021).
  15. Crawley, J. N., et al. Automated apparatus for quantitation of social approach behaviors in mice. Genes, Brain and Behavior. 3 (5), 303-314 (2004).
  16. Memon, B., Abdelalim, E. M. Differentiation of human pluripotent stem cells into pancreatic beta-cell precursors in a 2D culture system. Journal of Visualized Experiments. (178), e63298(2021).
  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).
  19. Gregoire, F. M., Smas, C. M., Sul, H. S. Understanding adipocyte differentiation. Physiological Reviews. 78 (3), 783-809 (1998).
  20. Schoettl, T., Fischer, I. P., Ussar, S. Heterogeneity of adipose tissue in development and metabolic function. Journal of Experimental Biology. 221, (2018).
  21. Arner, P., et al. Dynamics of fat cell turnover in humans. Nature. 453 (7196), 783-787 (2008).
  22. Wang, Q. A., Tao, C., Gupta, R. K., Scherer, P. E. Tracking adipogenesis during white adipose tissue development, expansion and regeneration. Nature Medicine. 19 (10), 1338-1344 (2013).
  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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