מדידת שיעור הליפוליזה ברקמת השומן Ex Vivo Murine ובפראדיפוציטים ראשוניים מובחנים במבחנה

Summary

טריגליצרידים ליפוליזה באדיפוציטים היא תהליך מטבולי חשוב המביא לשחרור חומצות שומן חופשיות וגליצרול. כאן, אנו מספקים פרוטוקול מפורט למדידת ליפוליזה בסיסית ומגורה באדיפוציטים וברקמת שומן ex vivo מעכברים.

Abstract

אדיפוציטים מאחסנים אנרגיה בצורה של טריגליצרידים בטיפות שומנים. אנרגיה זו יכולה להיות מגויסת באמצעות ליפוליזה, שבה שרשראות הצד של חומצות השומן נבקעות ברצף מעמוד השדרה של הגליצרול, וכתוצאה מכך משחררים חומצות שומן חופשיות וגליצרול. בשל הביטוי הנמוך של גליצרול קינאז באדיפוציטים לבנים, שיעורי הספיגה מחדש של גליצרול זניחים, בעוד ספיגה מחדש של חומצות שומן מוכתבת על ידי יכולת הקישור של חומצות שומן של רכיבי מדיה כגון אלבומין. ניתן לכמת הן גליצרול והן שחרור חומצות שומן למדיה על ידי בדיקות קולורימטריות כדי לקבוע את הקצב הליפוליטי. על ידי מדידת גורמים אלה בנקודות זמן מרובות, ניתן לקבוע את הקצב הליניארי של ליפוליזה בביטחון גבוה. כאן, אנו מספקים פרוטוקול מפורט למדידת ליפוליזה במבחנה אדיפוציטים מובחנים ורקמת שומן ex vivo מעכברים. פרוטוקול זה עשוי להיות מותאם גם עבור שורות תאים preadipocyte אחרים או רקמת שומן מאורגניזמים אחרים; שיקולים ופרמטרים אופטימיזציה נדונים. פרוטוקול זה נועד להיות שימושי בקביעה והשוואה של שיעור ליפוליזה אדיפוציט בין מודלים וטיפולים בעכברים.

Introduction

חומרים מזינים עודפים מאוחסנים ברקמת שומן לבן בצורה של טריגליצרידים בליבת השומנים הניטרלית של טיפות השומנים. מאגרי הטריגליצרידים מגויסים באמצעות ליפוליזה, תהליך שבו שרשראות הצד של חומצות השומן נבקעות ברצף על ידי ליפאז טריגליצרידים ברקמת השומן (ATGL), ליפאז רגיש להורמונים (HSL) ומונוגליצרידים ליפאז (MGL), וכתוצאה מכך משחררים חומצות שומן חופשיות (FFAs) ואת עמוד השדרה של גליצרול ^1,2. ליפוליזה מופעלת על ידי איתות קטכולאמין ברקמת השומן. מסופי עצבים סימפתטיים משחררים קטכולאמינים באופן מקומי, הנקשרים לקולטנים β-אדרנרגיים על קרום הפלזמה האדיפוציטית. עם קשירת ליגנד, קולטנים מצומדים אלה של חלבון G (GPCRs) מפעילים ציקלאז אדניליל באמצעות G_αs. הפעלה עוקבת של חלבון קינאז A (PKA) על ידי cAMP גורמת להגברת הרגולציה הן של ATGL והן של HSL. הזרחן של perilipin-1 על ידי PKA גורם לדיסוציאציה של ABHD5 (הידוע גם בשם CGI-58), אשר קושר ומפעיל ATGL³. PKA ישירות phosphorylates HSL, קידום טרנסלוקציה שלה מן cytosol אל טיפת השומנים, שבו אינטראקציה עם phosphorylated perilipin-1 עוד יותר מקדם את פעילות ליפאז שלה 4,5,6,7. נראה כי הליפאז השלישי המעורב בליפוליזה, MGL, אינו מוסדר על ידי איתות קטכולאמין⁸. חשוב לציין, סינתזת טריגליצרידים באדיפוציטים מתווכת על ידי מסלול סינתזת השומנים גליצרול, שאינו כרוך בהיווצרות מונוגליצרידים כמתווך; במקום זאת, גליצרול-3-פוספט אציל טרנספראזות מזרז את היווצרותה של חומצה ליזופוספטידית, אשר משולבת עם אציל-CoA שומני אחר ליצירת חומצה פוספטידית, ולאחר מכן איזומריזציה לדיגליצרידים לפני הסינתזה הסופית של טריגליצרידים (איור 1)9,10,11.

איור 1: מסלולי סינתזת ליפוליזה וגליצרול. למעלה: מסלול ליפוליטי; אנזימים המוצגים באדום: טריגליצרידים ליפאז מרקמת השומן (ATGL), ליפאז רגיש להורמונים (HSL) ומונוגליצריד ליפאז (MGL). למטה: מסלול סינתזת שומנים גליצרול; אנזימים המוצגים בירוק: דיגליצריד אצילטרנספראז (DGAT), חומצה פוספטידית פוספטאז (PAP), חומצה ליזופוספטידית אצילטרנספראז (LPAT, הידוע גם בשם LPAATs) וגליצרול-3-פוספט אצילטרנספראז (GPAT). שומנים: טריגליצרידים (TG), דיגליצרידים (DG), מונוגליצרידים (MG), חומצת שומן חופשית (FFA), אציל-CoA שומני (FA-CoA), חומצה ליזופוספטידית (LPA) וחומצה פוספטידית (PA). מטבוליטים אחרים: פוספט אנאורגני (Pi) וגליצרול 3-פוספט (G3P). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

אדנוזין חוץ-תאי הוא וסת חשוב נוסף של ליפוליזה, הפועל באמצעות GPCRs מצומדים G_s ו-G_i כדי להשפיע על פעילות ציקלז אדניל. קולטן האדנוזין השולט באדיפוציטים, ADORA1, מעכב ציקלז אדניליל, ובכך ליפוליזה באמצעות הפעלת G_i¹². ADORA2A, המתבטא ברמות נמוכות יותר, ובעיקר באדיפוציטים חומים, מפעיל ליפוליזה באמצעות איתות G_s ¹³. ADORA1 משפיע הן על ליפוליזה בסיסית והן על התגובה לאגוניסטים אדרנרגיים. ההשפעה של אדנוזין על ליפוליזה יכולה להיות נשלטת על ידי הוספת אדנוזין deaminase כדי לנטרל אדנוזין, כמו גם אגוניסט ספציפי ADORA1 phenylisopropyladenosine^14,15. הפעלה הורמונלית של GPCRs מצומדים ל-G_q יכולה להשפיע גם על ליפוליזה באמצעות הפעלה של פוספוליפאז C וחלבון קינאז C^16,17,18,19. אותות דלקתיים משפיעים גם על שיעורים ליפוליטיים. הפעלת TLR4 על ידי LPS (ואנדוטוקסינים אחרים) מגבירה את הקצב הליפוליטי על ידי הפעלת ERK, אשר פוספורילטים perilipin-1 ו- HSL²⁰. TNF-α גם מפעיל ליפוליזה באמצעות הפעלת ERK ו- NF-κB, כמו גם הפחתת שעתוק של פוספודיאסטראז PDE-3B ו- CIDEC^21,22,23. IL-6 נקשר גם לליפוליזה מוגברת של אדיפוציטים, במיוחד ברקמת שומן מזנטרית, ששחרור FFA שלה משפיע על סטאטוזיס בכבד וגלוקונאוגנזה^24,25,26.

ליפוליזה מדוכאת במהלך מצב ההזנה על ידי אינסולין. AKT פוספורילטים ומפעיל PDE-3B כדי לדכא איתות cAMP ולמנוע הפעלת PKA²⁷. אינסולין גם משעתק למטה ATGL²⁸. השמנת יתר מקדמת עמידות לקטכולאמין באמצעות מגוון מנגנונים, כולל הפחתת ויסות של קולטני β-אדרנרגי באדיפוציטים 29,30,31,32,33^. אדיפוציטים מבטאים את כל שלושת הקולטנים β-אדרנרגיים (β-1, β-2 ו-β-3). בעוד קולטנים אדרנרגיים β-1 ו-β-2 מתבטאים בכל מקום, הקולטן האדרנרגי β-3 מתבטא בעיקר באדיפוציטים בעכברים^34,35. ביטוי Adrb3 מושרה על ידי C/EBPα במהלך אדיפוגנזה³⁶. הקולטן האדרנרגי β-3 מתבטא מאוד באדיפוציטים בוגרים. ההפעלה של קולטנים אדרנרגיים β-1 ו-β-2 מגבילה את עצמה עקב עיכוב משוב על ידי β-arrestin³⁷. עיכוב משוב של הקולטן האדרנרגי β-3 מתווך על ידי מסלולי איתות אחרים, המפחיתים את ביטוי Adrb3 ^33,38,39.

תרכובות רבות ניתן להשתמש כדי להפעיל ליפוליזה אדיפוציט. קטכולאמינים הם מפעילים פיזיולוגיים עיקריים של ליפוליזה. נוראפינפרין (או נוראדרנלין) ואפינפרין (או אדרנלין) מפעילים את כל שלושת קולטני β-אדרנרגי⁴⁰. נוראפינפרין ואפינפרין משפיעים גם על ליפוליזה באמצעות הפעלת איתות קולטן α-אדרנרגי⁴¹. אגוניסטים נפוצים לקולטן β-אדרנרגי כוללים איזופרוטרנול, שהוא אגוניסט קולטן β-אדרנרגי לא סלקטיבי, ואגוניסטים לקולטן β-3 אדרנרגי CL-316,243 ומירבגרון⁴². בהתחשב בכך שהאדיפוציטים מבטאים בעיקר את הקולטן האדרנרגי β-3, אנו משתמשים ב-CL-316,243 כדוגמה כאן. הספציפיות שלו לקולטן האדרנרגי β-3 הופכת אותו גם למפעיל ספציפי יחסית של איתות קטכולאמין אדיפוציט, שניתן להשתמש בו בבטחה גם in vivo. שימו לב שהריכוז הנפוץ של 10 מיקרומטר CL-316,243 בתרבית תאים גבוה בסדרי גודל מהמינון ~0.1 מיקרומטר הנדרש להשגת תגובה מקסימלית³³. פורסקולין עוקף את הקולטן האדרנרגי, מפעיל ישירות ציקלז אדניליל ואיתות ליפוליטי במורד הזרם. ישנם הרבה יותר activators, כמו גם מדכאים של ליפוליזה. בעת בחירת תרכובת לגירוי ליפוליזה, יש לשקול בזהירות את ספציפיות הקולטן ואת מסלולי האיתות במורד הזרם במסגרת תכנון הניסוי.

שיעור הליפוליזה ברקמת השומן הלבנה הוא גורם מטבולי חשוב המשפיע על סבילות לקור וזמינות חומרים מזינים במהלך צום או פעילות גופנית^43,44,45,46. מטרת פרוטוקול זה היא למדוד את קצב הליפוליזה באדיפוציטים וברקמת השומן, מה שיקל על הבנת חילוף החומרים של האדיפוציט וכיצד הוא עשוי להשפיע על הפנוטיפ המטבולי של מודלים שונים של מורין. כדי לכמת את השיעור הליפוליטי, אנו מודדים את הופעתם של מוצרים ליפוליטיים בתקשורת (כלומר, FFAs וגליצרול). השיטה מסתמכת על שחרור מוצרים ליפוליטיים מהאדיפוציט לתקשורת. מכיוון שאדיפוציטים לבנים מבטאים רמות נמוכות של גליצרול קינאז, שיעורי ספיגה חוזרת של גליצרול נמוכים⁴⁷. לעומת זאת, יש לשקול גם את הייצור של FFAs וגליצרול על ידי מסלולים מטבוליים שאינם ליפוליזה. נראה כי אדיפוציטים מבטאים פוספטאז עם פעילות נגד גליצרול-3 פוספט, מה שמאפשר ייצור גליצרול מגליצרול-3-פוספט המופק מגלוקוז^48,49,50. גליקוליזה היא מקור לגליצרול-3-פוספט המשמש לאסטריפיקציה מחדש של FFA באדיפוציטים לבנים. כאשר רמות הגלוקוז מוגבלות, גליצרונוגנזה דורשת מקורות אחרים של 3 פחמן, כגון לקטט ופירובט⁵¹. התקשור של FFAs המשוחררים על ידי ליפוליזה בתוך התא וגורלם המטבולי אינו מובן היטב; FFAs המשוחררים על ידי ליפוליזה חייבים להיות מומרים לאציל-CoA שומני, לפני שהם עוברים אסטריפיקציה מחדש או עוברים חמצון β. נראה כי FFAs המשוחררים על ידי ליפוליזה ככל הנראה יוצאים מהתא לפני שהם נלקחים בחזרה ומומרים לשומן acyl-CoA 52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62 . FFAs יכולים להיות מבודדים מחוץ לתא על ידי אלבומין. חשוב לציין, FFAs ארוכי שרשרת ידועים כמעכבים ליפוליזה אם הם אינם מוחזקים על ידי אלבומין 63,64,65,66,67. לכן, אופטימיזציה של יכולת האגירה FFA של התקשורת במהלך בדיקת ליפוליזה היא קריטית. ההליך המתואר כאן דומה לשיטות שפורסמו בעבר למדידת השיעור הליפוליטי באדיפוציטים וברקמת שומן ex vivo מעכברים ובני אדם 15,68,69,70,71. פרוטוקול זה שונה באמצעות שימוש בדגימה סדרתית; על ידי ביצוע דגימה סדרתית, אנו יכולים לאמת פנימית שליפוליזה נמדדת בפאזה ליניארית ולהשתמש במדידות מרובות כדי לחשב את קצב הליפוליזה, ובכך להפחית את טעות המדידה כדי להגביר את הביטחון בערך המחושב הסופי. החיסרון של דגימה סדרתית הוא כי הבדיקה דורשת יותר זמן ריאגנטים; עם זאת, מסגרת הזמן הארוכה יותר מפחיתה את השפעת טעות המדידה על שגיאת התקן של אומדני הקצב. בנוסף, פרוטוקול זה מודד הן FFA והן שחרור גליצרול, ומשקלל את היחס בין שחרור FFA:גליצרול במטרה להשיג יחס של 3:1, כפי שניתן היה לצפות מליפוליזה מלאה ושחרור מוצרים ליפוליטיים למדיה⁷².

Protocol

השימוש בכל בעלי החיים אושר על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים (IACUC) בקולג’ הרפואי וייל קורנל באוניברסיטת קורנל. 1. הכנת חוצצים וצלחות איסוף הכינו אלבומין בסרום בקר 5% (BSA) על ידי המסת 5 גרם BSA ב-100 מ”ל של מדיום הנשר המעובד של דולבקו (DMEM) ללא פנול אדום. ערבבו…

Representative Results

מדדנו את הקצב הליפוליטי הבסיסי והמגורה של אדיפוציטים ממוינים במבחנה. קדם-אדיפוציטים ראשוניים מרקמת השומן הלבן המפשעה התמינו לאדיפוציטים על ידי טיפול בתאים מתמזגים עם 5 מיקרומטר דקסמתזון, 0.5 מילימטר IBMX, 1 מיקרוגרם / מ”ל אינסולין ו -1 מיקרומטר טרוגליטזון במשך 4 ימים, ולאחר מכן טיפול נוסף ש…

Discussion

כאן, אנו מספקים פרוטוקול בסיסי למדידת שיעור הליפוליזה באדיפוציטים וברקמת השומן ex vivo . כדי לכמת ליפוליזה, חשוב למדוד את הקצב הליפוליטי בשלב הלינארי. אנו משתמשים בטכניקת דגימה סדרתית, שבה חלק גדול מהמדיה נאסף ומוחלף במדיה טרייה במרווחי זמן קבועים. שיטה שמרנית למחצה זו מאפשרת תוספת של BSA …

Materials

24-Well tissue culture treated plate	Corning Inc	3527	Must be tissue culture treated for adipocyte differntiation
48-Well flat bottom plate with lid	Corning Inc	353078	Can be tissue culture treated
6-Well flat bottom plate with lid	Corning Inc	353046	Can be tissue culture treated
96-Well PCR Plate	USA sceintific	1402-9100	Any conical 0.2 mL PCR plate will be convenient
Bovine Serum Albumin	Sigma Aldrich	A9418	FFA free BSA such as A8806, is also commonly used. The BSA should not have detectable FFA, also lot to lot variations in BSA can impact the observed rate of lipolysis
CL-316,243	Sigma Aldrich	C5976	CAS #: 138908-40-4 availaible from other suppliers
CO2 incubator	PHCBI	MCO-170AICUVH	CO2 should ideally be set to 10% for adipose tissue, however 5% CO2 will also work
DMEM, low glucose, no phenol red	Thermofischer	11054020	Any phenol red free media should work, DMEM/F12, RPMI, but should contain volatile buffering capacity, i.e. biocarbonate
FFA-free Bovine serum albumin	Equitech-Bio, Inc,	BAH66
Free Glycerol Reagent	Sigma Aldrich	F6428
Glycerol Standard Solution	Sigma Aldrich	G7793	This can also be made by diluting glycerol to the desired concentration
HR Series NEFA Standard Solution	Fujifilm	276-76491
HR Series NEFA-HR (2) Color Reagent A	Fujifilm	999-34691
HR Series NEFA-HR (2) Color Reagent B	Fujifilm	991-34891
HR Series NEFA-HR (2) Solvent A	Fujifilm	995-34791
HR Series NEFA-HR (2) Solvent B	Fujifilm	993-35191
Microbiological Incubator	Fischer Scientific	S28668	Any incubator at 37C can be used
Nunc MicroWell 96-Well Plates	Thermo Scientific	269620	Any optically clear, flat bottom 96-well plate works
Silicone Laboratory Benchtop Mat	VWR	76045-300	Glass plate can also be used. Absorbant surfaces are not recommended
Spectrophotometer/Microplate Reader	Molecular devices	SpectraMax i3x	Any plate reader that can read at 540, 550 and 660 mm will work
V Bovine serum albumin	Sigma-Aldrich	810531
WypAll X70 Wipers	Kimberly-Clark	41200	Any high quality paper towel will work