Zewnątrzkomórkowe wyczerpanie fluorescencyjnie znakowanej glukozy koreluje z wychwytem glukozy i może być wykorzystane do wysokoprzepustowych badań przesiewowych wychwytu glukozy w wyciętych organach i hodowlach komórkowych.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Zewnątrzkomórkowe wyczerpanie fluorescencyjnie znakowanej glukozy koreluje z wychwytem glukozy i może być wykorzystane do wysokoprzepustowych badań przesiewowych wychwytu glukozy w wyciętych organach i hodowlach komórkowych.
Trwająca na całym świecie epidemia cukrzycy zwiększa zapotrzebowanie na identyfikację czynników środowiskowych, żywieniowych, endokrynologicznych, genetycznych i epigenetycznych wpływających na wychwyt glukozy. Pomiar fluorescencji wewnątrzkomórkowej jest szeroko stosowaną metodą badania wychwytu glukozy znakowanej fluorescencyjnie (FD-glukozy) w komórkach in vitro lub do obrazowania tkanek zużywających glukozę in vivo. Ten test ocenia wychwyt glukozy w wybranym punkcie czasowym. Analiza wewnątrzkomórkowa zakłada, że metabolizm FD-glukozy jest wolniejszy niż endogennej glukozy, która uczestniczy w reakcjach katabolicznych i anabolicznych oraz sygnalizacji. Jednak dynamiczny metabolizm glukozy zmienia również mechanizmy wychwytu, co wymagałoby pomiarów kinetycznych wychwytu glukozy w odpowiedzi na różne czynniki. W artykule opisano metodę pomiaru zewnątrzkomórkowego wyczerpania glukozy FD-glucose i potwierdzono jej korelację z wewnątrzkomórkowym wychwytem FD-glukozy w komórkach i tkankach ex vivo. Zewnątrzkomórkowe wyczerpanie glukozy może być potencjalnie przydatne w wysokoprzepustowych badaniach kinetycznych i zależnych od dawki, a także w identyfikacji związków o aktywności glikemicznej i ich swoistym dla tkanek działaniu.
Zapotrzebowanie na pomiar wychwytu glukozy rośnie wraz z krytyczną potrzebą rozwiązania problemu epidemicznego wzrostu wielu chorób zależnych od metabolizmu glukozy. Mechanizmy leżące u podstaw zwyrodnieniowych chorób metabolicznych, zaburzeń neurologicznych i poznawczych1, zapalne2 i choroby zakaźne3, cancer4,5, a także aging6, zależą od metabolizmu glukozy w celu uzyskania energii i jej magazynowania, procesów anabolicznych, modyfikacji białek i genów, sygnalizacji, regulacji genów i syntezy kwasów nukleinowych oraz replication7,8,9. Cukrzyca (DM) jest bezpośrednio związana z nieprawidłową regulacją wychwytu glukozy. Cukrzyca to spektrum chorób przewlekłych, takich jak cukrzyca typu 1, -2 i -3, cukrzyca ciążowa, cukrzyca wieku dojrzałego u dzieci i inne rodzaje tej choroby wywołane czynnikami środowiskowymi i/lub genetycznymi. W 2016 r. pierwszy globalny raport WHO na temat cukrzycy wykazał, że liczba dorosłych żyjących z najbardziej rozpowszechnioną cukrzycą wzrosła prawie czterokrotnie od 1980 r. do 422 milionów dorosłych10, a liczba pacjentów z cukrzycą rośnie wykładniczo w ciągu ostatnich kilku dekad. Szacuje się, że tylko w 2019 roku 1,5 miliona zgonów było bezpośrednio spowodowanych przez DM10. Ten dramatyczny wzrost jest spowodowany wzrostem cukrzycy typu 2 i warunkami, które go napędzają, w tym nadwagą i otyłością10. Pandemia COVID-19 ujawniła dwukrotny wzrost śmiertelności u pacjentów z cukrzycą w porównaniu z populacją ogólną, co sugeruje głęboką, ale słabo poznaną rolę metabolizmu glukozy w obronie immunologicznej3. Profilaktyka, wczesna diagnoza i leczenie cukrzycy, otyłości i innych chorób wymagają optymalizacji pomiarów wychwytu glukozy przez różne tkanki oraz identyfikacji czynników środowiskowych11, nutritional12, endocrine13, genetic14 oraz epigenetic15 czynników wpływających na wychwyt glukozy.
W badaniach, wewnątrzkomórkowy i/lub tkankowy wychwyt glukozy jest zwykle mierzony za pomocą fluorescencyjnie znakowanej glukozy (FD-glukozy) in vitro16,17,18 i in vivo19. FD-glucose stała się preferowaną metodą w porównaniu z bardziej precyzyjnymi metodami wykorzystującymi radioaktywnie znakowaną glukozę20, analityczna spektroskopia mas analysis21, metabolomics22, metody magnetycznego rezonansu jądrowego23, oraz pozytonowa tomografia emisyjna/tomografia komputerowa (PET/CT)5,24. W przeciwieństwie do wychwytu glukozy FD, metody analityczne wymagające większej ilości materiału biologicznego mogą obejmować wieloetapowe przygotowanie próbki, drogie instrumenty i złożoną analizę danych. Skuteczne i niedrogie pomiary wychwytu glukozy FD-glucose w hodowlach komórkowych zostały wykorzystane w eksperymentach potwierdzających słuszność koncepcji i mogą wymagać walidacji innymi metodami.
Podstawą zastosowania FD-glucose do badań nad absorpcją glukozy jest zmniejszony metabolizm glukozy FD w porównaniu do glukozy endogennej 25. Niemniej jednak zarówno endogenna glukoza, jak i FD-glukoza są dynamicznie dystrybuowane we wszystkich przedziałach komórkowych do stosowania w procesach anabolicznych, katabolicznych i sygnalizacyjnych. Podział na przedziały i przetwarzanie zależne od czasu25 FD-glucose zakłócają pomiary fluorescencji i stanowią główne czynniki ograniczające zastosowanie tego testu w wysokoprzepustowych eksperymentach przesiewowych, analizie kinetycznej, hodowli komórkowych 3D, kokulturach i eksperymentach z eksplantatami tkanek. W tym miejscu przedstawiamy dane wykazujące wysoką korelację między zewnątrzkomórkowym zubożeniem FD-glukozy a jej wewnątrzkomórkowym wychwytem, co sugeruje zewnątrzkomórkowe wyczerpanie FD-glukozy jako zastępczy pomiar wewnątrzkomórkowego wychwytu glukozy. Pomiar zewnątrzkomórkowego wyczerpania glukozy zastosowano w celu walidacji specyficznych dla tkanek różnic w wychwytywaniu glukozy u myszy leczonych insuliną i eksperymentalnym lekiem18, aby zapewnić dowód słuszności tej metody.
Obecny protokół opisuje wewnątrzkomórkowe i zewnątrzkomórkowe (Rysunek 1) pomiary wychwytu glukozy FD w komórkach 3T3-L1. Sekcje 1-7 protokołu wyjaśniają hodowlę i wzrost komórek przez 48 godzin; głód komórek, stymulacja i wyjściowe pomiary zewnątrzkomórkowe; oraz pomiary po stymulacji zewnątrzkomórkowej FD-glukozy i wewnątrzkomórkowe pomiary FD-glukozy i białka. Sekcja 8 protokołu opisuje pomiar ex vivo zewnątrzkomórkowego wychwytu FD-glukozy w tkankach wypreparowanych od myszy ob / ob w obecności i bez insuliny i związku aminokwasowego 2 (AAC2) opisanego w innym miejscu18.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Badania na zwierzętach zostały zatwierdzone przez Instytucjonalną Komisję ds. Opieki nad Zwierzętami i Użytkowania Uniwersytetu Stanowego Ohio (OSU, protokół 2007A0262-R4).
UWAGA: Wszystkie procedury muszą być wykonywane w komorze bezpieczeństwa biologicznego klasy II, przy włączonej dmuchawie i zgaszonym świetle.
1. Przygotowanie materiałów
UWAGA: Wszystkie materiały są wymienione w Tabeli Materiałów.
2. Hodowla i utrzymanie komórek 3T3-L1
3. Głód komórek 3T3-L1
4. Przygotowanie roztworów FD-glucose o różnych stężeniach
UWAGA: Eksperyment w Rysunek 2 bada pożywki zewnątrzkomórkowe i międzykomórkowe ze stymulacją insuliną i bez niej.
5. Leczenie wygłodzonych komórek 3T3-L1
6. Pomiary zewnątrzkomórkowe i międzykomórkowe dla stymulowanych komórek 3T3-L1
7. Wewnątrzkomórkowy wychwyt glukozy oparty na białku
UWAGA: Wewnątrzkomórkowy wychwyt glukozy FD zależy od liczby komórek. Poziomy białka w lizatach komórkowych są proporcjonalne do liczby komórek, które pozwalają na normalizację wewnątrzkomórkowego poziomu glukozy FD do liczby komórek w każdym dołku.
8. Pomiar ex vivo zewnątrzkomórkowego wyczerpania glukozy FD w narządach
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wewnątrzkomórkowy pobór i zewnątrzkomórkowe wyczerpanie glukozy zmierzono w preadipocytach 3T3-L1 w odpowiedzi na różne stężenia FD-glucose (Rysunek 2) z i bez stymulacji insuliną. Rysunek 2A wykazuje zależny od dawki wzrost wewnątrzkomórkowego poboru FD-glucose, który był znacząco zwiększony w obecności insuliny. Towarzyszący temu spadek poziomu zewnątrzkomórkowej FD-glucose w tych samych komórkach przedstawiono na Rysunku 2B, gdzi...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Bezpośrednie porównanie zewnątrzkomórkowego wyczerpania glukozy FD ze znormalizowanym wewnątrzkomórkowym wychwytem glukozy w hodowli komórkowej wykazało wysoką korelację, co sugeruje, że zewnątrzkomórkowe wyczerpanie glukozy może być zastępczym pomiarem do oceny wychwytu glukozy. Pomiar zewnątrzkomórkowej FD-glukozy może wykorzystywać szeroki zakres stężeń glukozy FD, również 0,5-2,5 μg FD-glukozy/ml wydaje się zapewniać optymalny zakres. Zewnątrzkomórkowa FD-glukoza nie wymaga normalizacji liczby komórek lub stężeń biał...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają żadnych problemów do ujawnienia i nie mają konfliktu interesów.
Projekt był wspierany przez Ralph and Marian Falk Medical Research Catalyst Award oraz Kathleen Kelly Award. Inne wsparcie obejmowało Narodowe Centrum Zasobów Badawczych UL1RR025755 i NCI P30CA16058 (OSUCCC), Mapę drogową NIH dla badań medycznych. Wyłączną odpowiedzialność za treść ponoszą autorzy i nie reprezentują one oficjalnych poglądów Narodowego Centrum Zasobów Badawczych ani NIH.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Mysie fibroblasty 3T3-L1 ATCC | CL-173 | Linia komórkowa | |
| 96-dołkowe płytki | Falcon | 353227 | Wyroby z tworzywa sztucznego |
| B6. Samce myszy V-Lepob/J Numer | magazynowy | Jackson Laboratory | |
| Myszy Modułowy wielomodowy czytnik mikropłytek BioTek Synergy H1 (Fisher Scientific, USA) | Fisher Scientific, US | Urządzenie B-SHT | |
| Surowica bydlęca | Gibco/ThermoFisher | 161790-060 | Hodowla komórkowa |
| Surowica cielęca | Gibco/ThermoFisher | 26010-066 | Hodowla komórkowa |
| Inkubator komórkowy | Forma | Series II Urządzenie z kurtką wodną | |
| Dieta (dieta myszy/szczurów, napromieniowana) | Envigo | Teklad LM-485 | Dieta |
| dimetylosulfotlenek (DMSO) | Sigma LifeScience | D2650-100mL | Odczynnik |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium | Gibco/ThermoFisher | 11965-092 | Hodowla komórkowa |
| Etanol | Sigma Aldrich | E7023-500mL | Odczynnik |
| Fluorescencyjny 2-deoksy-2-[(7-nitro-2,1,3-benzoksadiazol-4-ylo)amino]-D-glukoza) | Sigma | 72987-1MG | Test |
| Bez glukozy i bez czerwieni fenolowej DMEM | Gibco/ThermoFisher | A14430-01 | Hodowla komórkowa |
| Insulina ludzka 10 mg/ml | MilliporeSigma, Cat N 91077C | Cat N 91077C | Odczynnik |
| Izofluran, 5% | Henry Schein | NDC 11695-6776-2 | Penicylina anestetyczna |
| / streptomycyna (P / S) | Gibco / ThermoFisher | 15140-122 | Hodowla komórkowa |
| Roztwór buforowany fosforanami | Sigma-Aldrich | DA537-500 ml | Hodowla komórkowa |
| Test białka kwasu bicynowego pierce'a (BCA) | Test ThermoFisher | Cat N23225 | |
| Bufor do lizy do testów radioimmunoimmunoprecypitacyjnych | Santa Cruz Biotechnology | sc-24948 | Test |
| Trypsyna-EDTA (0,05%) | Gibco/ThermoFisher | 25300-054 | Hodowla komórkowa |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.