Методическая статья

Сборник новых методов изучения диабета и ожирения

2.6K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/64865

⸱

27 января 2023 г.

В этой статье

Аннотация

ОБСУЖДАЕМЫЕ СТАТЬИ:

McCarthy, E., Rowe, C. J., Crowley-Perry, M., Connaughton, V. P. Попеременное погружение в глюкозу для получения длительной гипергликемии у рыбок данио. Журнал визуализированных экспериментов. (171), E61935 (2021).

Rowe, C. J., Crowley-Perry, M., McCarthy, E., Davidson, T. L., Connaughton, V. P. Трехкамерная поведенческая задача выбора с использованием рыбок данио в качестве модельной системы. Журнал визуализированных экспериментов. (170), E61934 (2021).

Мемон, Б., Абделалим, Э. М. Дифференцировка плюрипотентных стволовых клеток человека в предшественники бета-клеток поджелудочной железы в 2D-системе культивирования. Журнал визуализированных экспериментов. (178), E63298 (2021).

Aghadi, M., Karam, M., Abdelalim, E. M. Устойчивая дифференцировка человеческих iPSCs в чистую популяцию адипоцитов для изучения расстройств, связанных с адипоцитами. Журнал визуализированных экспериментов. (180), e63311 (2022).

Галмоцци, А., Кок, Б.., Саез, Э. Выделение и дифференцировка первичных белых и коричневых преадипоцитов у новорожденных мышей. Журнал визуализированных экспериментов. (167), e62005 (2021).

Pérez Gutiérrez, R. M., Arrioja, M. W. Быстрая модель для оценки потенциала комбинации Syzygium aromaticum (гвоздика) и Cuminum cyminum (тмин) у мышей C57BL6/j, которых кормили пищей с высоким содержанием жиров. Журнал визуализированных экспериментов. (173), e62087 (2021).

Редакционная статья

Диабет и ожирение стали серьезным бременем для общественного здравоохранения и повышают риск неврологической дисфункции, приводящей к когнитивным нарушениям у пациентов1. В результате тревожных темпов роста этих заболеваний расширяются научные усилия по борьбе с этими проблемами в области здравоохранения. Эта коллекция методов объединяет широкий спектр методов, которые используются для изучения диабета и ожирения, наряду с связанными с ними когнитивными нарушениями, в различных модельных системах.

Рыбка данио является привлекательной моделью для изучения диабета, потому что экспрессия и функция генов, участвующих в развитии поджелудочной железы, высоко консервативны в этом организме по сравнению с системами млекопитающих 2,3,4,5,6. Сахарный диабет и гипергликемия могут быть индуцированы у рыбок данио с помощью инвазивных и неинвазивных механизмов, а также путем развития мутантных штаммов 7,8,9,10,11. McCarthy et al. представляют новый, неинвазивный метод индуцирования гипергликемии у рыбок данио с использованием альтернативного протокола погружения12. В этом методе взрослых рыбок данио помещают в раствор сахара на 24 часа, а затем в воду на 24 часа, чтобы имитировать повышение и падение уровня сахара в крови при диабете. Они демонстрируют, что этот процесс не только успешно индуцирует гипергликемию, но и приводит к осложнениям, связанным с измененным гомеостазом глюкозы. Как только этот метод будет установлен, его можно будет успешно использовать для имитации гипергликемического состояния у взрослых рыбок данио.

Неконтролируемая гипергликемия может привести к целому ряду осложнений, затрагивающих каждый орган в организме. Изменения памяти и/или когнитивные нарушения относятся к числу вызывающих беспокойство эффектов неконтролируемой гипергликемии у пациентов с повышенным уровнем глюкозы в крови. Поскольку рыбки данио были успешно использованы в исследованиях, проверяющих эффекты измененного гомеостаза глюкозы13, этот организм теперь следует использовать и в поведенческих исследованиях. В своей второй статье Роу и др. демонстрируют метод использования рыбок данио в поведенческих исследованияхс использованием модифицированного трехкамерного аппарата, предназначенного для мониторинга социальных взаимодействийу мышей. Рыбки данио демонстрируют приобретенную память примерно за 8 недель обучения. Тем не менее, гипергликемические рыбы демонстрируют когнитивный дефицит после 4 недель лечения, чтобы вызвать гипергликемию с использованием альтернативногопротокола погружения. Этот метод дает возможность использовать рыбок данио в поведенческих исследованиях, которые будут полезны не только в области диабета, но и в других областях, связанных с возрастными, генетическими и другими нейродегенеративными заболеваниями, приводящими к когнитивным нарушениям.

Наряду с продолжающимися исследованиями этиологии заболевания и его последствий, в этой области необходимы новые молекулярные пути для создания функциональных β-клеток для терапевтических вмешательств. Тем не менее, успешное производство β-клеток, будь то путем культивирования in vitro или стимуляции регенерации in vivo , было ограничено. Мемон и Абделалим описывают метод дифференцировки плюрипотентных стволовых клеток человека (hPSCs) в PDX1- (гомеобокс поджелудочной железы и двенадцатиперстной кишки 1) и NKX6.1 (гомеобокс 1 NKX6)-экспрессирующие клетки-предшественники поджелудочной железы16. Экспрессия этих двух транскрипционных факторов в предшественниках снижает частоту встречаемости нефункциональных эндокринных клеток в культурах и приводит к образованию функциональных, инсулин-продуцирующих и чувствительных к глюкозеβ-клеток. Масштабируемое поколение коэкспрессирующих предшественников PDX1 и NKX6.1 обладает потенциалом для создания функционального пула инсулин-секретирующих β-клеток для трансплантационной терапии, а также для моделирования заболеваний.

Ожирение – это сложное нарушение обмена веществ, вызванное аномальным адипогенезом. В связи с возросшей потребностью в адипоцитах человека для моделирования условий заболевания и ограничениями сбора образцов от доноров человека, генерация адипоцитов in vitro пользуется большим спросом. Aghadi et al. описывают протокол получения мезенхимальных стволовых клеток (МСК) из эмбриоидных телец, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) с использованием полностью транс-ретиноевой кислоты18. Полученные МСК демонстрируют быструю пролиферацию и успешную дифференцировку в адипоциты. Они также разработали метод увеличения пула дифференцированных адипоцитов путем сортировки клеток, помеченных нильским красным, липофильным красителем18. В совокупности они успешно произвели культуры, обогащенные чистой популяцией зрелых адипоцитов, которые помогут исследователям с легкостью изучать метаболические нарушения, связанные с адипоцитами.

В области исследований ожирения существуют две основные проблемы: неспособность культивируемых клеточных линий, таких как 3T3-L1, отражать клеточную гетерогенность жирового депо 19,20 и низкий выход преадипоцитов из ткани, собранной у взрослых мышей21,22. Клетки, собранные у взрослых мышей, могут отражать клеточную гетерогенность, но содержат в основном полностью созревшие адипоциты и меньшее количество преадипоцитов21,22. Saez et al. отвечают на обе проблемы, описывая метод выделения белых и коричневых преадипоцитов у новорожденных мышей23. Эти клетки демонстрируют высокую пролиферативную способность и потенциал дифференцировки в зрелые адипоциты по сравнению с преадипоцитами, собранными у взрослых мышей. Их статья является эффективным ресурсом для моделирования сложности ожирения с использованием белых и коричневых преадипоцитов, которые могут быть дифференцированы в полностью зрелые адипоциты.

Контроль веса является важным клиническим вопросом. Долгосрочные изменения в образе жизни, препараты против ожирения и физические упражнения играют важную роль в этом процессе. Тем не менее, потеря мотивации из-за проблем с поддержанием долгосрочных изменений образа жизни, стоимость лекарств против ожирения и возросшая частота расстройств пищевого поведения привели к тому, что научное сообщество начало изучать природныесредства. Перес Гутьеррес и Арриоха исследуют потенциал двух растений, Syzygium aromaticum (гвоздика ) и Cuminum cyminum (тмин)25, в качестве природных ресурсов соединений против ожирения. Активные фитохимические вещества экстрагируют с помощью ультразвука в растворе этанол:вода (50:50) и вводят мышам C57BL6/J, которых кормили пищей с высоким содержанием жиров. Это представляет собой модель ожирения. Результаты включают улучшение различных параметров ожирения, таких как регуляция липидных профилей (холестерина и триглицеридов) и снижение потребления пищи, увеличение веса, массы жировой ткани и массы печени. Этот предлагаемый метод занимает 5 недель по сравнению с традиционным 16-недельным режимом и имеет потенциал для тестирования и идентификации новых фитохимических веществ для их возможного использования в контроле веса.

Эта коллекция методов предлагает новые способы использования рыбок данио в поведенческих исследованиях, чтобы вызвать гипергликемическое состояние у этого модельного организма и получить клетки-предшественники, которые приводят к производству инсулин-продуцирующих и чувствительных к глюкозе β-клеток. Коллекция также посвящена ожирению и знакомит с методами успешного получения адипоцитов из иПСК, сбора преадипоцитов у новорожденных мышей и выделения фитохимических веществ для проверки их потенциала в лечении ожирения. В совокупности эта коллекция нацелена на широкую группу исследователей в области диабета и ожирения и представляет собой новый инструментарий для освещения ранее неисследованных областей в исследованиях диабета и ожирения.

Раскрытие информации

Автору нечего раскрывать.

Благодарности

Я благодарю авторов за обогащение областей диабета и ожирения новыми методологиями и Journal of Visualized Experiments за помощь в этом процессе.

Ссылки

  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).

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Zebrafish ModelHyperglycemiaBehavioral TaskHuman Pluripotent Stem CellsPancreatic Beta CellsAdipocytesAdipocyte DisordersPreadipocytesAnti-obesity PotentialHigh-fat DietSyzygium AromaticumCuminum Cyminum