Artigo de método

Uma coleção de novas técnicas para estudar diabetes e obesidade

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DOI:

10.3791/64865

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27 de janeiro de 2023

Neste artigo

Resumo

ARTIGOS DISCUTIDOS:

McCarthy, E., Rowe, C. J., Crowley-Perry, M., Connaughton, V. P. Imersão alternada em glicose para produzir hiperglicemia prolongada em peixe-zebra. Jornal de Experimentos Visualizados. (171), e61935 (2021).

Rowe, C. J., Crowley-Perry, M., McCarthy, E., Davidson, T. L., Connaughton, V. P. A tarefa comportamental de escolha de três câmaras usando o peixe-zebra como sistema modelo. Jornal de Experimentos Visualizados. (170), e61934 (2021).

Memon, B., Abdelalim, E. M. Diferenciação de células-tronco pluripotentes humanas em precursores de células beta pancreáticas em um sistema de cultura 2D. Jornal de Experimentos Visualizados. (178), e63298 (2021).

Aghadi, M., Karam, M., Abdelalim, E. M. Diferenciação robusta de iPSCs humanas em uma população pura de adipócitos para estudar distúrbios associados a adipócitos. Jornal de Experimentos Visualizados. (180), e63311 (2022).

Galmozzi, A., Kok, B. P., Saez, E. Isolamento e diferenciação de pré-adipócitos brancos e marrons primários de camundongos recém-nascidos. Jornal de Experimentos Visualizados. (167), e62005 (2021).

Pérez Gutiérrez, R. M., Arrioja, M. W. Modelo rápido para avaliar o potencial anti-obesidade de uma combinação de Syzygium aromaticum (cravo) e Cuminum cyminum (cominho) em camundongos C57BL6/j alimentados com dieta rica em gordura. Jornal de Experimentos Visualizados. (173), e62087 (2021).

Editorial

O diabetes e a obesidade emergiram como grandes encargos para a saúde pública e aumentam o risco de disfunção neurológica, levando ao comprometimento cognitivo dos pacientes1. Como resultado da taxa alarmante de aumento dessas doenças, os esforços de pesquisa para combater esses desafios de saúde estão crescendo. Esta coleção de métodos reúne uma ampla gama de técnicas que são usadas para estudar diabetes e obesidade, juntamente com o comprometimento cognitivo associado, em uma variedade de sistemas modelo.

O peixe-zebra é um modelo atraente para estudar o diabetes, pois a expressão e a função dos genes envolvidos no desenvolvimento do pâncreas são altamente conservadas nesse organismo quando comparadas aos sistemas de mamíferos 2,3,4,5,6. Diabetes mellitus e hiperglicemia podem ser induzidos em zebrafish usando mecanismos invasivos e não invasivos e desenvolvendo cepas mutantes 7,8,9,10,11. McCarthy et al. introduzem um novo método não invasivo para induzir hiperglicemia em peixe-zebra usando um protocolo de imersão alternativo12. Neste método, o peixe-zebra adulto é colocado em uma solução de açúcar por 24 h e depois em água por 24 h para imitar o aumento e a queda do açúcar no sangue no diabetes. Eles demonstram que esse processo não apenas induz com sucesso a hiperglicemia, mas também leva às complicações relacionadas à alteração da homeostase da glicose. Uma vez estabelecido, este método pode ser usado com sucesso para imitar a condição hiperglicêmica em peixes-zebra adultos.

A hiperglicemia descontrolada pode levar a uma série de complicações que afetam todos os órgãos do corpo. Alterações na memória e/ou comprometimento cognitivo estão entre os efeitos preocupantes da hiperglicemia não controlada em pacientes com glicemia elevada. Como o peixe-zebra tem sido usado com sucesso em estudos que testam os efeitos da homeostase alterada da glicose13, esse organismo agora também deve ser usado em estudos comportamentais. Em seu segundo artigo, Rowe et al. demonstram um método para usar o peixe-zebra em estudos comportamentais14 usando um aparelho modificado de três câmaras projetado para monitorar as interações sociais no camundongo15. O peixe-zebra demonstra memória adquirida em cerca de 8 semanas de treinamento. No entanto, os peixes hiperglicêmicos demonstram déficits cognitivos após 4 semanas de tratamento para induzir hiperglicemia usando um protocolo de imersão alternativo12. Este método fornece uma maneira de usar o peixe-zebra em estudos comportamentais que serão úteis não apenas no campo do diabetes, mas também em outros campos relacionados à idade, doenças genéticas e outras doenças neurodegenerativas que levam ao comprometimento cognitivo.

Juntamente com a pesquisa em andamento sobre a etiologia da doença e seus efeitos, o campo precisa de novos caminhos moleculares para gerar células β funcionais para intervenções terapêuticas. No entanto, a produção bem-sucedida de células β, seja por cultura in vitro ou por estimulação da regeneração in vivo , tem sido limitada. Memon e Abdelalim descrevem um método de diferenciação de células-tronco pluripotentes humanas (hPSCs) em células progenitoras pancreáticas que expressam PDX1- (homeobox 1 pancreático e duodenal) e NKX6.1 (NKX6 homeobox 1)16. A expressão desses dois fatores de transcrição em progenitores reduz a ocorrência de células endócrinas não funcionais em culturas e resulta em células β funcionais, produtoras de insulina e responsivas à glicose17. A geração escalável de progenitores que co-expressam PDX1 e NKX6.1 tem o potencial de gerar um pool funcional de células β secretoras de insulina para terapia de transplante, bem como para modelagem de doenças.

A obesidade é um distúrbio metabólico complexo causado pela adipogênese anormal. Devido ao aumento da necessidade de adipócitos humanos para modelar as condições da doença e as limitações de coleta de amostras de doadores humanos, a geração in vitro de adipócitos está em grande demanda. Aghadi et al. descrevem um protocolo para produzir células-tronco mesenquimais (MSCs) a partir de corpos embrióides derivados de células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) usando ácido all-trans retinóico18. As MSCs resultantes mostram rápida proliferação e diferenciação bem-sucedida em adipócitos. Eles também estabelecem um método para aumentar o pool de adipócitos diferenciados, classificando as células marcadas com vermelho do Nilo, um corante lipofílico18. Juntos, eles produziram com sucesso culturas enriquecidas em uma população pura de adipócitos maduros que ajudarão os pesquisadores a estudar distúrbios metabólicos associados aos adipócitos com facilidade.

Existem dois grandes problemas no campo da pesquisa da obesidade: a incapacidade de linhagens celulares cultivadas, como 3T3-L1, de refletir a heterogeneidade celular do depósito adiposo19,20 e o baixo rendimento de pré-adipócitos do tecido coletado de camundongos adultos21,22. As células coletadas de camundongos adultos podem refletir a heterogeneidade celular, mas contêm principalmente adipócitos totalmente amadurecidos e menos pré-adipócitos21,22. Saez et al. respondem a ambos os problemas descrevendo um método para isolar pré-adipócitos brancos e marrons de camundongos recém-nascidos23. Essas células apresentam alta capacidade proliferativa e potencial de diferenciação em adipócitos maduros em comparação com os pré-adipócitos coletados de camundongos adultos. Seu artigo é um recurso eficaz para modelar a complexidade da obesidade usando pré-adipócitos brancos e marrons que podem ser diferenciados em adipócitos totalmente maduros.

O controle de peso é uma questão clínica importante. Mudanças de estilo de vida a longo prazo, medicamentos anti-obesidade e regimes de exercícios desempenham papéis importantes nesse processo. No entanto, a perda de motivação devido aos desafios em manter modificações no estilo de vida a longo prazo, o gasto com medicamentos antiobesidade e o aumento da incidência de transtornos alimentares levaram a comunidade científica a explorar remédios naturais24. Pérez Gutiérrez e Arrioja exploram o potencial de duas plantas, Syzygium aromaticum (cravo) e Cuminum cyminum (cominho)25, como recursos naturais de compostos anti-obesidade. O conteúdo fitoquímico ativo é extraído por ultrassom em uma solução de etanol:água (50:50) e administrado a camundongos C57BL6/J alimentados com dieta rica em gordura. Isso representa um modelo de obesidade. Os resultados incluem melhorias em vários parâmetros da obesidade, como a regulação dos perfis lipídicos (colesterol e triglicerídeos) e reduções na ingestão de alimentos, ganho de peso, peso do tecido adiposo e peso do fígado. Este método proposto leva 5 semanas em comparação com o regime tradicional de 16 semanas e tem o potencial de testar e identificar novos fitoquímicos para seu possível uso no controle de peso.

Esta coleção de métodos fornece novas maneiras de usar o peixe-zebra em estudos comportamentais, para induzir uma condição hiperglicêmica neste organismo modelo e para gerar células progenitoras que levam à produção de células β produtoras de insulina e responsivas à glicose. A coleção também se concentra na obesidade e apresenta métodos para produzir com sucesso adipócitos a partir de iPSCs, coletar pré-adipócitos de camundongos recém-nascidos e isolar fitoquímicos para testar seu potencial no tratamento da obesidade. Em conjunto, esta coleção tem como alvo um amplo grupo de pesquisadores no campo do diabetes e da obesidade e fornece um novo kit de ferramentas para iluminar áreas anteriormente inexploradas na pesquisa sobre diabetes e obesidade.

Divulgações

O autor não tem nada a divulgar.

Agradecimentos

Agradeço aos autores por enriquecerem os campos do diabetes e da obesidade com as novas metodologias e ao Journal of Visualized Experiments por ajudar nesse processo.

Referências

  1. Kodl, C. T., Seaquist, E. R. Cognitive dysfunction and diabetes mellitus. Endocrine Reviews. 29 (4), 494-511 (2008).
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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).
  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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