Een verzameling nieuwe technieken om diabetes en obesitas te bestuderen

Sukanya Lodh

doi:10.3791/64865

Methodenartikel

Een verzameling nieuwe technieken om diabetes en obesitas te bestuderen

2.6K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/64865

⸱

27 januari 2023

Sukanya Lodh¹

¹Biology Department, Marquette University

In dit artikel

Samenvatting

BESPREKTE ARTIKELEN:

McCarthy, E., Rowe, C. J., Crowley-Perry, M., Connaughton, V. P. Alternerende immersie in glucose om langdurige hyperglykemie bij zebravissen te produceren. Journal of Visualized Experiments. (171), e61935 (2021).

Rowe, C. J., Crowley-Perry, M., McCarthy, E., Davidson, T. L., Connaughton, V. P. De drie-kamer keuze gedragstaak met behulp van zebravissen als modelsysteem. Journal of Visualized Experiments. (170), e61934 (2021).

Memon, B., Abdelalim, E. M. Differentiatie van menselijke pluripotente stamcellen in pancreas-beta-cel precursoren in een 2D-kweeksysteem. Journal of Visualized Experiments. (178), e63298 (2021).

Aghadi, M., Karam, M., Abdelalim, E. M. Robuuste differentiatie van menselijke iPSC's in een zuivere populatie van adipocyten om adipocyt-geassocieerde aandoeningen te bestuderen. Journal of Visualized Experiments. (180), e63311 (2022).

Galmozzi, A., Kok, B. P., Saez, E. Isolatie en differentiatie van primaire witte en bruine preadipocyten uit pasgeboren muizen. Journal of Visualized Experiments. (167), e62005 (2021).

Pérez Gutiérrez, R. M., Arrioja, M. W. Snel model om het anti-obesitaspotentieel van een combinatie van Syzygium aromaticum (kruidnagel) en Cuminum cyminum (komijn) op C57BL6/j muizen gevoerd met hoogvetdieet te evalueren. Journal of Visualized Experiments. (173), e62087 (2021).

Redactioneel

Diabetes en obesitas zijn ontstaan als belangrijke publieke gezondheidsproblemen en verhogen het risico op neurologische disfunctie, wat leidt tot cognitieve stoornissen bij patiënten¹. Als gevolg van de alarmerende toename van deze ziekten groeien de onderzoeksinspanningen om deze gezondheidsuitdagingen te bestrijden. Deze methodencollectie brengt een breed scala aan technieken samen die worden gebruikt om diabetes en obesitas te bestuderen, samen met de bijbehorende cognitieve stoornissen, in verschillende modelsystemen.

De zebravis is een aantrekkelijk model om diabetes te bestuderen omdat de expressie en functie van de genen die betrokken zijn bij de ontwikkeling van de alvleesklier sterk behouden zijn in dit organisme in vergelijking met zoogdiersystemen²^,³^,⁴^,⁵^,⁶. Diabetes mellitus en hyperglycemie kunnen worden geïnduceerd in zebravissen met behulp van invasieve en niet-invasieve mechanismen en door mutante stammen te ontwikkelen⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹. McCarthy et al. introduceren een nieuwe, niet-invasieve methode om hyperglycemie te induceren in zebravissen met behulp van een alternatief onderdompelingprotocol¹². Bij deze methode worden volwassen zebravissen 24 uur in een suikeroplossing geplaatst en vervolgens 24 uur in water om de stijging en daling van de bloedsuikerspiegel bij diabetes na te bootsen. Ze tonen aan dat dit proces niet alleen met succes hyperglycemie induceert, maar ook leidt tot complicaties die verband houden met veranderde glucosehomeostase. Eenmaal gevestigd, zou deze methode met succes kunnen worden gebruikt om de hyperglycemische toestand bij volwassen zebravissen na te bootsen.

Ongecontroleerde hyperglycemie kan leiden tot een reeks complicaties die elk orgaan in het lichaam aantasten. Veranderingen in geheugen en/of cognitieve stoornissen behoren tot de zorgwekkende effecten van ongecontroleerde hyperglycemie bij patiënten met verhoogde bloedglucose. Aangezien zebravissen met succes zijn gebruikt in onderzoeken die de effecten van veranderde glucosehomeostase testen¹³, zou dit organisme nu ook in gedragsstudies moeten worden gebruikt. In hun tweede artikel demonstreren Rowe et al. een methode om zebravissen te gebruiken in gedragsstudies¹⁴ met behulp van een aangepast driekamerapparaat dat is ontworpen om sociale interacties bij muizen te monitoren¹⁵. De zebravissen tonen aangepast geheugen in ongeveer 8 weken training. De hyperglycemische vissen vertonen echter cognitieve tekorten na 4 weken behandeling om hyperglycemie te induceren met behulp van een alternatief onderdompelingprotocol¹². Deze methode biedt een manier om zebravissen te gebruiken in gedragsstudies die niet alleen nuttig zullen zijn op het gebied van diabetes, maar ook in andere gebieden die verband houden met leeftijdsgerelateerde, genetische en andere neurodegeneratieve ziekten die leiden tot cognitieve stoornissen.

Naast het lopende onderzoek naar de ziekte-etiologie en de effecten daarvan, heeft het veld nieuwe moleculaire wegen nodig om functionele β-cellen te genereren voor therapeutische interventies. De succesvolle productie van β-cellen, hetzij door in vitro kweek of door de stimulatie van in vivo regeneratie, is echter beperkt. Memon en Abdelalim beschrijven een methode om humane pluripotente stamcellen (hPSC's) te differentiëren in PDX1- (pancreatische en duodenale homeobox 1) en NKX6.1 (NKX6 homeobox 1)-expresserende pancreatische progenitorcellen¹⁶. De expressie van deze twee transcriptiefactoren in progenitors vermindert het voorkomen van niet-functionele endocriene cellen in culturen en resulteert in functionele, insulineproducerende, glucose-responsieve β-cellen¹⁷. De schaalbare generatie van PDX1 en NKX6.1 co-expresserende progenitors heeft het potentieel om een functionele pool van insuline-afscheidende β-cellen te genereren voor transplantatietherapie en voor ziektemodellering.

Obesitas is een complex metabool stoornis veroorzaakt door abnormale adipogenese. Vanwege de toegenomen behoefte aan humane adipocyten om de ziektecondities te modelleren en de beperkingen van het verzamelen van monsters van menselijke donoren, is de in vitro generatie van adipocyten in grote vraag. Aghadi et al. beschrijven een protocol om mesenchymale stamcellen (MSC's) te produceren uit embryoïde lichamen afgeleid van geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC's) met behulp van all-trans retinoïnezuur¹⁸. De resulterende MSC's vertonen snelle proliferatie en succesvolle differentiatie in adipocyten. Ze stellen ook een methode vast om het gedifferentieerde adipocytenpool te verhogen door de cellen te sorteren die zijn gelabeld met Nile red, een lipofiele kleurstof¹⁸. Samen nemen ze succesvol culturen geproduceerd die verrijkt zijn met een pure populatie van volwassen adipocyten die onderzoekers zullen helpen om adipocyten-geassocieerde metabole stoornissen gemakkelijk te bestuderen.

Er zijn twee grote problemen in het veld van obesitasonderzoek: de onmogelijkheid van gekweekte cellijnen zoals 3T3-L1 om de cellulaire heterogeniteit van de vetdepot¹⁹^,²⁰ te weerspiegelen, en de lage opbrengst van preadipocyten uit het weefsel dat is verzameld van volwassen muizen²¹^,²². De cellen die van volwassen muizen zijn verzameld, kunnen de cellulaire heterogeniteit weerspiegelen maar bevatten meestal volledig volwassen adipocyten en

Openbaarmakingen

De auteur heeft niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Ik bedank de auteurs voor het verrijken van de gebieden van diabetes en obesitas met de nieuwe methodologieën en het Journal of Visualized Experiments voor de hulp bij dit proces.

Referenties

Kodl, C. T., Seaquist, E. R. Cognitive dysfunction and diabetes mellitus. Endocrine Reviews. 29 (4), 494-511 (2008).
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).
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).
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).
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).
Zecchin, E., et al. Evolutionary conserved role of ptf1a in the specification of exocrine pancreatic fates. Developmental Biology. 268 (1), 174-184 (2004).
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).
Etuk, E. U. Animal models for studying diabetes mellitus. Agriculture and Biology Journal of North America. 1 (2), 130-134 (2010).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
Crawley, J. N., et al. Automated apparatus for quantitation of social approach behaviors in mice. Genes, Brain and Behavior. 3 (5), 303-314 (2004).
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).
Memon, B., Abdelalim, E. M. Stem cell therapy for diabetes: Beta cells versus pancreatic progenitors. Cells. 9 (2), 283-302 (2020).
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).
Gregoire, F. M., Smas, C. M., Sul, H. S. Understanding adipocyte differentiation. Physiological Reviews. 78 (3), 783-809 (1998).
Schoettl, T., Fischer, I. P., Ussar, S. Heterogeneity of adipose tissue in development and metabolic function. Journal of Experimental Biology. 221, (2018).
Arner, P., et al. Dynamics of fat cell turnover in humans. Nature. 453 (7196), 783-787 (2008).
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).
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).
Sun, N. N., Wu, T. Y., Chau, C. F. Natural dietary and herbal products in anti-obesity treatment. Molecules. 21 (10), 1351-1365 (2016).
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).

Herprints en machtigingen

Meer artikelen verkennen

Zebrafish Model Hyperglycemia Behavioral Task Human Pluripotent Stem Cells Pancreatic Beta Cells Adipocytes Adipocyte Disorders Preadipocytes Anti-obesity Potential High-fat Diet Syzygium Aromaticum Cuminum Cyminum