Eksperimentell tilnærming til å undersøke leptin signalering i hals puls organer og dens virkninger på kontroll av pusting
Summary
Vår studie fokuserer på virkningene av leptin signalering i hals puls kroppen (CB) på hypoxic ventilatory respons (HVR). Vi utførte “tap av funksjon” eksperimenter måle effekten av leptin på HVR etter CB denervation og “gevinst av funksjon” eksperimenter som måler HVR etter overuttrykte av leptin reseptoren i CB.
Abstract
En adipocyte-produsert hormon leptin er en potent respiratoriske stimulerende, som kan spille en viktig rolle i å forsvare åndedretts funksjon i fedme. Hals puls organene (CB), et nøkkel organ for perifer hypoxic følsomhet, uttrykker den lange funksjonelle isoformen av leptin reseptor (LepRb), men rollen til leptin signalering i kontroll av pusting har ikke blitt fullstendig belyst. Vi undersøkte hypoxic ventilatory respons (HVR) (1) i C57BL/6J-mus før og etter leptin infusjon ved Baseline og etter CB denervation; (2) i LepRb-mangelfull obese DB/DB mus ved Baseline og etter LepRb overuttrykte i CBS. I C57BL/6J mus, leptin økte HVR og effekter av leptin på HVR ble avskaffet av CB denervation. I DB/DB mus, LepRb uttrykk i CB utvidet HVR. Derfor konkluderer vi at leptin opptrer i CB å øke responsen på hypoksi.
Introduction
En adipocyte produsert hormon leptin opptrer i hypothalamus å undertrykke matinntak og øke metabolic rate. Studier utført i vårt laboratorium1,2 og av andre etterforskere3,4 viste at leptin øker hyperkapniske ventilatory Response (HVR) forebygge fedme hypoventilasjon i leptin mangelfull fedme. Men, et flertall av overvektige individer har høy plasma leptin nivåer og demonstrere motstand mot metabolske og respiratoriske effekter av hormonet5,6,7,8. Motstand mot leptin er multifaktoriell, men begrenset permeabilitet av blod-hjerne-barrieren (BBB) til leptin spiller en viktig rolle. Vi foreslår at leptin handlinger under BBB i et sentralt organ for perifer hypoxic følsomhet, den hals puls organer (CB), å forsvare puste i overvektige individer. CBS Express den lange funksjonelle isoformen av leptin reseptor, LepRb, men rollen som CB i respiratoriske effekter av leptin har ikke vært tilstrekkelig belyst9,10.
Målet med vår metode var å undersøke effekten av leptin signalering i CB på HVR. Vår begrunnelse var å utføre (a) tap av funksjon eksperimenter infusjonen leptin i mus med intakt hals puls organer og denervated hals puls organer etterfulgt av HVR målinger; (b) gevinst av funksjonen eksperimenter i DB/DB mus mangler LepRb, der vi målte HVR ved Baseline og etter uttrykk for LEPRb eksklusivt i CB. Fordelen med våre teknikker var at vi utførte alle våre eksperimenter i hemningsløs unanesthetized mus under søvn og våkenhet. Tidligere etterforskere enten utført sine eksperimenter under anestesi9 eller ikke måle effekten av leptin under søvn10. I tillegg er vår studie den første til å utnytte en unik gevinst på funksjonen tilnærming med selektiv LepRb uttrykk i CB beskrevet ovenfor.
I den brede sammenhengen, kan vår tilnærming være generalisert til andre reseptorer uttrykt i CB og deres rolle i hypoxic følsomhet. Etterforskerne kan sette mot en ligand til en reseptor av interesse og måle HVR ved Baseline og etter CB denervation. Som en utfyllende tilnærming, kan en reseptor av interesse være overexpressed i CB og HVR målinger kan utføres før og etter overuttrykte bruke vår teknologi som er beskrevet i dette manuskriptet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hovedfokuset i vår studie var å undersøke åndedretts effekter av leptin signalering i CB. Flere protokoller er utviklet for å vurdere leptin rolle på en mekanistisk måte. Først bestemte bidrag av CB til HVR ble analysert av forsiktig kvantifisering av HVR i løpet av de første 2 min av hypoxic eksponering. For det andre, relevansen av CB i leptin-mediert opp-regulering av kontroll av pusting ble undersøkt av to komplementære tilnærminger. I mager vill-type mus med lave leptin nivåer ble HVR målt ved Baselin…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
R01HL138932, RO1HL133100, RO1HL128970, AHACDA34700025
Materials
| 1ml Insulin Syringes | BD Biosciences | 309311 | |
| 1x PBS (pH 7.4) | Gibco | 10010-023 | 500 ml |
| Ad-Lacz | Dr. Christopher Rhodes (University of Chicago) | 1×1010 pfu/ml | |
| Ad-LepRb-GFP | Vector Biolabs | ADV-263380 | 2-5×1010 pfu/ml |
| Anesthetic cart | Atlantic Biomedical | ||
| Betadine | Purdue Products Ltd. | 12496-0757-5 | |
| Buprenorphine (Buprenex) | Reckitt Benckiser Healthcare Ltd. | 12496-0757-5 | 0.3mg/ml |
| C57Bl/6J | Jackson laboratory | 000664 | Mice Strain |
| Cotton Gauze Sponges | Fisherbrand | 22-362-178 | |
| db/db | Jackson laboratory | 000697 | Mice Strain |
| Ethanol | Pharmco-AAPER | 111000200 | |
| Isoflurane | Vetone | 502017 | |
| Lab Chart | Data Science International (DSI) | Software | |
| Matrigel Matrix | BD Biosciences | 356234 | |
| Micro Spring Scissors | World Precision Instruments (WPI) | 14124 | |
| Mouse Ox Plus | STARR Life Sciences Corp. | Software | |
| Mouse Ox Plus Collar Sensor | STARR Life Sciences Corp. | 015022-2 | Medium Collar Clip Special 7” |
| Mouse Whole Body Plethysmography Chamber | Data Science International (DSI) | PLY3211 | |
| Ohio Care Plus Incubator | Ohmeda | HCHD000173 | |
| Operating Scissors | World Precision Instruments (WPI) | 501753-G | Straight |
| Osmotic Pump | Alzet | 1003D | 1ul per hour, 3 days |
| Phenol | Sigma-Aldrich | P4557 | |
| Recombinant Mouse Leptin protein | R&D systems | 498-OB-05M | 5mg |
| Saline | RICCA Chemical | 7210-16 | 0.9% Sodium Chloride |
| Sterile Surgical Suture | DemeTech | DT-639-1 | Silk, size 6-0 |
| Thermometer | Innovative Calibration Solutions (INNOCAL) | EW 20250-91 |
References
- O’donnell, C. P., et al. Leptin prevents respiratory depression in obesity. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 159, 1477-1484 (1999).
- Polotsky, V. Y., et al. Female gender exacerbates respiratory depression in leptin-deficient obesity. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 164, 1470-1475 (2001).
- Bassi, M., et al. Central leptin replacement enhances chemorespiratory responses in leptin-deficient mice independent of changes in body weight. Pflügers Archiv: European Journal of Physiology. 464, 145-153 (2012).
- Inyushkina, E. M., Merkulova, N. A., Inyushkin, A. N. Mechanisms of the respiratory activity of leptin at the level of the solitary tract nucleus. Neuroscience and Behavioral Physiology. 40, 707-713 (2010).
- Considine, R. V., et al. Serum immunoreactive-leptin concentrations in normal-weight and obese humans. New England Journal of Medicine. 334, 292-295 (1996).
- Maffei, M., et al. Leptin levels in human and rodent: measurement of plasma leptin and ob RNA in obese and weight-reduced subjects. Nature Medicine. 1, 1155-1161 (1995).
- Phipps, P. R., Starritt, E., Caterson, I., Grunstein, R. R. Association of serum leptin with hypoventilation in human obesity. Thorax. 57, 75-76 (2002).
- Berger, S., Polotsky, V. Y. Leptin and Leptin Resistance in the Pathogenesis of Obstructive Sleep Apnea: A Possible Link to Oxidative Stress and Cardiovascular Complications. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2018, 5137947 (2018).
- Ribeiro, M. J., et al. High fat diet blunts the effects of leptin on ventilation and on carotid body activity. The Journal of Physiology. 96, 3187-3199 (2018).
- Yuan, F., et al. Leptin signaling in the carotid body regulates a hypoxic ventilatory response through altering TASK channel expression. Frontiers in Physiology. 9, 249 (2018).
- Caballero-Eraso, C., et al. Leptin acts in the carotid bodies to increase minute ventilation during wakefulness and sleep and augment the hypoxic ventilatory response. The Journal of Physiology. 591, 151-172 (2018).
- Jun, J. C., Shin, M. K., Yao, Q., Devera, R., Fonti-Bevans, S., Polotsky, V. Y. Thermoneutrality modifies the impact of hypoxia on lipid metabolism. American Journal of Physiology Endocrinology and Metabolism. 304, 424-435 (2012).
- Polotsky, V. Y., et al. Impact of interrupted leptin pathways on ventilatory control. Journal of Applied Physiology. 96, 991-998 (2004).
- Pho, H., et al. The effect of leptin replacement on sleep-disordered breathing in the leptin-deficient ob/ob mouse. Journal of Applied Physiology. 120, 78-86 (2016).
- Hernandez, A. B., et al. Novel whole body plethysmography system for the continuous characterization of sleep and breathing in a mouse. Journal of Applied Physiology. 112, 671-680 (2012).
- Powell, F. L., Milsom, W. K., Mitchell, G. S. Time domains of the hypoxic ventilatory response. Respiration Physiology. 112, 123-134 (1998).
- Drorbaugh, J. E., Fenn, W. O. A barometric method for measuring ventilation in newborn infants. Pediatrics. 16, 81-87 (1955).
- Duffin, J. Measuring the ventilatory response to hypoxia. The Journal of Physiology. 587, 285-293 (2007).
- Teppema, L. J., Dahan, A. The Ventilatory Response to Hypoxia in Mammals: Mechanisms, Measurement, and Analysis. Physiological Reviews. 90, 675-754 (2010).
- Nurse, C. A., Fearon, I. M. Carotid body chemoreceptors in dissociated cell culture. Microscopy Research and Technique. 59, 249-255 (2002).
- Kumar, P., Prabhakar, N. R. Peripheral chemoreceptors: function and plasticity of the carotid body. Comprehensive Physiology. 2, 141-219 (2012).
- Roux, J. C., Peyronnet, J., Pascual, O., Dalmaz, Y., Pequignot, J. M. Ventilatory and central neurochemical reorganisation of O2 chemoreflex after carotid sinus nerve transection in rat. The Journal of Physiology. 522, 493-501 (2000).
