В этой рукописи описывается протокол измерения базальной скорости метаболизма и окислительной способности термогенных адипоцитов у мышей с ожирением.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
В этой рукописи описывается протокол измерения базальной скорости метаболизма и окислительной способности термогенных адипоцитов у мышей с ожирением.
Измерения расхода энергии необходимы, чтобы понять, как изменения в метаболизме могут привести к ожирению. Базальный расход энергии может быть определен у мышей путем измерения потребления кислорода всем телом, производства CO2 и физической активности с использованием метаболических клеток. Термогенные коричневые/бежевые адипоциты (БА) вносят значительный вклад в расход энергии грызунов, особенно при низких температурах окружающей среды. Здесь измерения базального расхода энергии и общей способности БА расходовать энергию у мышей с ожирением описаны в двух подробных протоколах: первый объясняет, как настроить анализ для измерения базального расхода энергии с использованием анализа ковариации (ANCOVA), необходимого анализа, учитывая, что расход энергии изменяется вместе с массой тела. Второй протокол описывает, как измерить емкость расхода энергии BA in vivo у мышей. Эта процедура включает в себя анестезию, необходимую для ограничения расходов, вызванных физической активностью, с последующей инъекцией бета3-адренергического агониста CL-316,243, который активирует расход энергии при БА. Эти два протокола и их ограничения описаны достаточно подробно, чтобы обеспечить успешный первый эксперимент.
Метаболизм можно определить как интеграцию биохимических реакций, ответственных за поглощение, хранение, трансформацию и распад питательных веществ, которые клетки используют для роста и выполнения своих функций. Метаболические реакции преобразуют энергию, содержащуюся в питательных веществах, в форму, которая может быть использована клетками для синтеза новых молекул и выполнения работы. Эти биохимические реакции по своей сути неэффективны в преобразовании этой энергии в пригодную для использования форму для поддержания жизни1. Такая неэффективность приводит к рассеиванию энергии в виде тепла, причем это производство тепла используется для количественной оценки стандартной скорости метаболизма (SMR) организма1. Стандартное состояние было классически определено как производство тепла, происходящее у бодрствующего, но отдыхающего взрослого человека, не глотающего и не переваривающего пищу, при термонейтральности и без какого-либо стресса1. Базальная скорость метаболизма (BMR) или базальный расход энергии у мышей называется SMR, но у людей, принимающих и переваривающих пищу при легком тепловом стрессе (температура окружающей среды 21-22 ° C) 1. Проблемы и трудности непосредственного измерения производства тепла сделали косвенную калориметрию, а именно расчет производства тепла из измерений потребления кислорода, наиболее популярным подходом к определению БМР. Расчет BMR по потреблению кислорода возможен, потому что окисление питательных веществ митохондриями для синтеза АТФ отвечает за 72% общего кислорода, потребляемого в организме, причем 8% общего потребления кислорода также происходит в митохондриях, но без генерации АТФ (несвязанное дыхание)1. Большая часть оставшихся 20% потребляемого кислорода может быть отнесена к окислению питательных веществ в других субклеточных местах (окисление пероксисомальных жирных кислот), анаболическим процессам и образованию активных форм кислорода1. Так, в 1907 году Ласк установил уравнение, основанное на эмпирических измерениях, широко используемое для преобразования потребления кислорода и производства CO2 в рассеивание энергии в виде тепла. У людей мозг составляет ~ 25% BMR, опорно-двигательный аппарат ~ 18,4%, печень ~ 20 %, сердце ~ 10% и жировая ткань ~ 3-7%2. У мышей вклад ткани в BMR немного отличается: мозг составляет ~ 6,5%, скелетные мышцы ~ 13%, печень ~ 52%, сердце ~ 3,7% и жировая ткань ~ 5%3.
Примечательно, что биохимические реакции, определяющие BMR, не являются фиксированными и изменяются в ответ на различные потребности, такие как внешняя работа (физическая активность), развитие (рост тканей), внутренние стрессы (противодействие инфекциям, травмам, обороту тканей) и изменения температуры окружающей среды (защита от холода)1. Некоторые организмы активно рекрутируют процессы для генерации тепла при воздействии холода, подразумевая, что тепло, производимое метаболизмом, не является просто случайным побочным продуктом. Вместо этого эволюция выбрала регуляторные механизмы, которые могли бы специфически повышать выработку тепла, изменяя скорость метаболических реакций1. Таким образом, эти же измерения потребления кислорода могут быть использованы для определения способности организма генерировать тепло в ответ на холод.
Два основных процесса способствуют выделению тепла при воздействии холода. Первым из них является дрожь, которая генерирует тепло путем увеличения митохондриального окислительного фосфорилирования и гликолиза в мышцах, чтобы покрыть физическую работу, выполняемую непроизвольным сокращением мышц. Поэтому воздействие холода увеличит потребление кислорода в мышцах1. Второй — недрожащий термогенез, который происходит за счет увеличения потребления кислорода в коричневых и бежевых адипоцитах (БА). Рассеивание энергии в тепло в БА опосредовано митохондриальным разъединяющим белком 1 (UCP1), который позволяет протону возвращаться в митохондриальный матрикс, уменьшая митохондриальный протонный градиент. Диссипация митохондриального градиента протонов UCP1 увеличивает производство тепла за счет повышения переноса электронов и потребления кислорода, а также энергии, высвобождаемой при рассеивании протонов как таковом без генерации АТФ (несвязанной). Кроме того, термогенный БА может вызывать дополнительные механизмы, которые повышают потребление кислорода, не вызывая большого рассеивания в протонном градиенте, активируя бесполезные циклы окислительного синтеза и потребления АТФ. Метаболические клетки, описанные здесь, а именно система CLAMS-Oxymax от Columbus Instruments, предлагают возможность измерять расход энергии при различных температурах окружающей среды. Однако, чтобы определить термогенную способность БА с помощью измерений потребления кислорода всем телом, необходимо: (1) устранить вклад дрожи и других метаболических процессов, не связанных с БА, в расход энергии и (2) специфически активировать термогенную активность БА in vivo. Таким образом, второй протокол описывает, как избирательно активировать BA in vivo с использованием фармакологии у обезболенных мышей при термонейтральности (30 ° C), с анестезией и термонейтральностью, ограничивающей другие термогенные процессы без БА (т. Е. Физическая активность). Фармакологическая стратегия активации БА заключается в лечении мышей агонистом β3-адренергических рецепторов CL-316,246. Причина в том, что воздействие холода способствует симпатическому ответу, высвобождая норадреналин для активации β-адренорецепторов в БА, что активирует UCP1 и окисление жиров. Кроме того, экспрессия β3-адренергических рецепторов высоко обогащена жировой тканью у мышей.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Все эксперименты были одобрены Институциональным комитетом по уходу за животными и их использованию в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA). Мышам вводили их диету и воду ad libitum в метаболической клетке, размещенной в среде с контролируемой температурой (~ 21-22 или 30 ° C) с 12-часовым циклом света / темноты. Для этого исследования использовались 8-недельные самки мышей, которых кормили диетой с высоким содержанием жиров или диетой чау в течение 8 недель.
1. Измерение базальной скорости метаболизма (BMR)
2. Измерение способности термогенных адипоцитов расходовать энергию
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
На рисунке 4 показаны значения VO2, VCO2, теплопроизводства/расхода энергии (EE), коэффициента дыхательного обмена (RER) и значения физической активности X, Y, Z, полученные с использованием метаболических клеток системы CLAMS. VO2 и VCO2, предоставляемые системой CLAMS, представляют собой объем газа (мл) в минуту и уже могут быть разделены на массу тела или значения мышечной массы, введя эти значения веса в программное обеспечение CLAMS перед нача...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Непрямая калориметрия используется в течение многих лет для оценки расхода энергии всего тела4. Этот протокол, описанный в настоящем описании, обеспечивает простой способ измерения базальной скорости метаболизма и определения термогенной способности BA in vivo с использованием метаболических клеток.
Метод косвенной калориметрии, описанный здесь, подтверждает, что деление значений расхода энергии на значения массы тела может вводить в заблуждение. Например, можн...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении данной протокольной статьи. М.Л. является соучредителем и консультантом Enspire Bio LLC.
ML финансируется Департаментом медицины в UCLA, пилотные гранты от P30 DK 41301 (UCLA: DDRC NIH) и P30 DK063491 (UCSD-UCLA DERC).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Система CLAMS-Oxymax | Columbus Instruments | CLAMS-center feeder-ENC | Включая ограждение окружающей среды и датчик кислорода из диоксида циркония |
| Настольный ПК с программным обеспечением Oxymax | HP/Columbus | N/A | PC необходимо приобрести отдельно |
| Кувшин с дриеритом (сульфат кальция с индикатором хлорида кобальта) | Fisher Scientific | 23-116681 | Необходим для сушки газа, поступающего в датчик кислорода, влажности может повредить датчик |
| ЯМР для определения состава тела | Эхо-МРТ | Эхо-МРТ 100 | Измерьте мышечную и жировую массу у живых мышей. Он необходим для анализов ANCOVA. |
| CL-316-243 | Sigma | C5976 | Вводится мышам подкожно для активации термогенеза |
| Диета с высоким содержанием жиров | Исследования диет | D12266B | Предоставляется мышам до и во время измерений |
| Пентобарбитал/Нембутал | Аптека в DLAM | N/A | Анестезия для мышей |
| Первичный газ стандартного класса (резервуар и регулятор) | Praxair | NI CD5000O6P-K/PRS 2012-2331-590 | 20,50% кислорода, 0,50% CO2 сбалансированный с азотом, используемым для калибровки |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.