Bazal Enerji Harcamasının Ve Termojenik Adipositlerin Obez Farelerde Enerji Harcama Kapasitesinin Belirlenmesi
Summary
Bu makalede, obez farelerde termojenik adipositlerin bazal metabolizma hızını ve oksidatif kapasitesini ölçmek için bir protokol açıklanmaktadır.
Abstract
Metabolizmadaki değişikliklerin obeziteye nasıl yol açabileceğini anlamak için enerji harcaması ölçümleri gereklidir. Bazal enerji harcaması, metabolik kafesler kullanılarak tüm vücut oksijen tüketimi, CO2 üretimi ve fiziksel aktivite ölçülerek farelerde belirlenebilir. Termojenik kahverengi/bej adipositler (BA), özellikle düşük ortam sıcaklıklarında kemirgen enerji harcamasına önemli ölçüde katkıda bulunur. Burada, bazal enerji harcaması ölçümleri ve obez farelerde enerji harcamak için toplam BA kapasitesi iki ayrıntılı protokolde açıklanmıştır: ilk açıklama, enerji harcamasının vücut kütlesi ile birlikte değiştiği göz önüne alındığında gerekli bir analiz olan kovaryans analizi (ANCOVA) kullanılarak bazal enerji harcamasını ölçmek için testlerin nasıl ayarlanmıştır. İkinci protokol, farelerde BA enerji harcama kapasitesinin in vivo olarak nasıl ölçüldüklerini açıklar. Bu prosedür, fiziksel aktivitenin neden olduğu harcamaları sınırlamak için gereken anesteziyi ve ardından BA’da enerji harcamasını aktive eden beta3-adrenerjik agonist CL-316.243 enjeksiyonunu içerir. Bu iki protokol ve sınırlamaları, başarılı bir ilk deneye izin vermek için yeterli ayrıntıyla açıklanmıştır.
Introduction
Metabolizma, hücrelerin büyümek ve işlevlerini yerine getirmek için kullandıkları besin alımı, depolama, dönüşüm ve arızadan sorumlu biyokimyasal reaksiyonların entegrasyonu olarak tanımlanabilir. Metabolik reaksiyonlar, besin maddelerinde bulunan enerjiyi, hücreler tarafından yeni molekülleri sentezlemek ve iş yürütmek için kullanılabilecek bir forma dönüştürür. Bu biyokimyasal reaksiyonlar, bu enerjiyi yaşamı sürdürmek için kullanılabilir bir forma dönüştürmede doğası gereği verimsizdir1. Bu verimsizlik, ısı şeklinde enerji dağılımına neden olur ve bu ısı üretimi bir organizmanın Standart Metabolizma Hızını (SMR) ölçmek için kullanılır1. Standart durum klasik olarak uyanık ama dinlenmiş bir yetişkinde meydana gelen ısı üretimi, yiyecekleri yutmuyor veya sindirmiyor, termonötralitede ve herhangi bir stres olmadan olarak tanımlandı1. Farelerde Bazal Metabolizma Hızı (BMR) veya bazal enerji harcaması SMR olarak adlandırılır, ancak bireylerde hafif termal stres altında yiyecekleri yutarak ve sindirerek (ortam sıcaklıkları 21-22 °C)1. Isı üretiminin doğrudan ölçülmesinin zorlukları ve zorlukları, BMR’yi belirlemek için en popüler yaklaşım haline gelmek için dolaylı kalorimetre, yani ısı üretimini oksijen tüketim ölçümlerinden hesaplama yaptı. BMR’nin oksijen tüketiminden hesaplanması mümkündür, çünkü BESINLerİN ATP sentezlemek için mitokondri tarafından oksidasyonu, bir organizmada tüketilen toplam oksijenin% 72’sinden sorumludur, toplam oksijen tüketiminin% 8’i mitokondrilerde de meydana gelir, ancak ATP (ayrılmamış solunum) üretmeden 1. Tüketilen oksijenin kalan %20’sinin çoğunluğu diğer hücre altı yerlerdeki besin oksidasyonuna (peroksisyomal yağ asidi oksidasyonu), anabolik süreçlere ve reaktif oksijen türlerinin oluşumuna bağlanabilir1. Böylece, 1907’de Lusk, oksijen tüketimini ve CO2 üretimini ısı olarak enerji dağılımına dönüştürmek için yaygın olarak kullanılan ampirik ölçümlere dayanan bir denklem kurdu. İnsanlarda beyin BMR’nin ~%25’ini, kas-iskelet sisteminin ~%18,4’ünü, karaciğeri ~%20’sini, kalbi ~%10’unu ve yağ dokusunu ~3-7%2’yi oluşturur. Farelerde, BMR’ye doku katkısı biraz farklıdır, beyin ~ 6.5%, iskelet kası ~ 13%, karaciğer ~ 52%, kalp ~ 3.7% ve yağ dokusu ~ 5% 3 temsil eder.
Dikkat çekici bir şekilde, BMR’yi tanımlayan biyokimyasal reaksiyonlar sabit değildir ve dış çalışma (fiziksel aktivite), gelişim (doku büyümesi), iç stresler (enfeksiyonlara karşı koyma, yaralanmalar, doku devri) ve ortam sıcaklığındaki değişiklikler (soğuk savunma)1 gibi farklı ihtiyaçlara yanıt olarak değişmez. Bazı organizmalar, soğuk maruziyette ısı üretmek için süreçleri aktif olarak işe alır, metabolizma tarafından üretilen ısının sadece kazara bir yan ürün olmadığını ima eder. Bunun yerine, evrim, metabolik reaksiyonların hızını değiştirerek ısı üretimini özel olarak yükseltir düzenleyici mekanizmaları seçti1. Bu nedenle, aynı oksijen tüketimi ölçümleri, bir organizmanın soğuğa yanıt olarak ısı üretme kapasitesini belirlemek için kullanılabilir.
İki büyük proses, soğuğa maruz kalınca ısı üretimine katkıda bulunur. Bunlardan ilki, istemsiz kas kasılması ile yapılan fiziksel işleri kapsayacak şekilde kastaki mitokondriyal oksidatif fosforilasyonu ve glikolizi artırarak ısı üreten titremedir. Bu nedenle, soğuk maruziyet kaslarda oksijen tüketimini artıracaktır1. İkincisi, kahverengi ve bej adipositlerde (BA) oksijen tüketiminde bir artış yoluyla ortaya çıkan Titremeyen Termogenezdir. BA’da enerjinin ısıya dağıtılması, protonun mitokondriyal matrise yeniden girmesini sağlayan ve mitokondriyal proton gradyanını düşüren mitokondriyal ayrıştırma proteini 1 (UCP1) ile aracılık eder. Mitokondriyal proton gradyanının UCP1 tarafından dağıtılması, elektron transferi ve oksijen tüketimindeki yükselme ve ATP (ayrılmamış) üretmeden proton dağılımının serbest bırakıldığı enerji ile ısı üretimini arttırır. Ayrıca, termojenik BA, beyhude oksidatif ATP sentezini ve tüketim döngülerini etkinleştirerek proton gradyanında büyük bir dağılmaya neden olmadan oksijen tüketimini yükselten ek mekanizmalar oluşturabilir. Burada açıklanan metabolik kafesler, yani Columbus Instruments’ın CLAMS-Oxymax sistemi, farklı ortam sıcaklıklarında enerji harcamalarını ölçme imkanı sunar. Bununla birlikte, tüm vücut oksijen tüketimi ölçümlerini kullanarak BA termojenik kapasitesini belirlemek için şunları yapmak gerekir: (1) titremenin ve BA dışı diğer metabolik süreçlerin enerji harcamasına katkısını ortadan kaldırmak ve (2) özellikle BA termojenik aktivitesini in vivo olarak etkinleştirmek. Bu nedenle, ikinci bir protokol, termoneutralitede (30 °C) anestezik farelerde farmakoloji kullanılarak BA in vivo’nun seçici olarak nasıl aktive edilmesini, anestezi ve termonötralitenin diğer BA dışı termojenik süreçleri (yani fiziksel aktiviteyi) sınırlamasını açıklar. BA’yı aktive etmek için farmakolojik strateji, fareleri β3-adrenerjik reseptör agonist CL-316,246 ile tedavi etmektir. Bunun nedeni, soğuk maruziyetin, BA’daki β-adrenerjik reseptörleri aktive etmek için norepinefrin salgılayan sempatik bir yanıtı teşvik etmesidir, bu da UCP1 ve yağ oksidasyonunu aktive eder. Ayrıca, β3-adrenerjik reseptör ekspresyoz ifadesi farelerde yağ dokusunda oldukça zenginleştirilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dolaylı kalorimetre, tüm vücut enerji harcamasını değerlendirmek için yıllardır kullanılmaktadır4. Burada açıklanan bu protokol, bazal metabolizma hızını ölçmek ve metabolik kafesler kullanarak BA termojenik kapasitesini in vivo belirlemek için basit bir yöntem sağlar.
Burada açıklanan dolaylı kalorimetre yöntemi, enerji harcama değerlerinin vücut ağırlığı değerlerine bölünmesinin yanıltıcı olabileceğini doğrulamamaktadı…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ML, P30 DK 41301 (UCLA:DDRC NIH) ve P30 DK063491 (UCSD-UCLA DERC) pilot hibeleri olan UCLA Tıp Departmanı tarafından finanse edilmektedir.
Materials
| CLAMS-Oxymax System | Columbus Instruments | CLAMS-center feeder-ENC | Including enviromental enclosure and Zirconia oxygen sensor |
| Desktop PC with Oxymax Software | HP/Columbus | N/A | PC needed to be purchased separately |
| Drierite jug (Calcium Sulfate with Cobalt Chloride Indicator) | Fisher Scientific | 23-116681 | Needed to dry the gas entering the oxygen sensor, humidity can damage the sensor |
| NMR for body composition | Echo-MRI | Echo-MRI 100 | Measure lean and fat mass in alive mice. It is necessary for ANCOVA analyses. |
| CL-316-243 | Sigma | C5976 | Injected to the mice subcutaneously to activate thermogenesis |
| High fat diet | Research Diets | D12266B | Provided to the mice prior and during measurements |
| Pentobarbital/Nembutal | Pharmacy at DLAM | N/A | Anesthesia for the mice |
| Primary standard grade gas (tank and regulator) | Praxair | NI CD5000O6P-K/PRS 2012-2331-590 | 20.50% Oxygen, 0.50% CO2 balanced with nitrogen used for calibration |
References
- Rolfe, D. F., Brown, G. C. Cellular energy utilization and molecular origin of standard metabolic rate in mammals. Physiological Reviews. 77 (3), 731-758 (1997).
- Heymsfield, S. B., et al. Human energy expenditure: advances in organ-tissue prediction models. Obesity Reviews. 19 (9), 1177-1188 (2018).
- Kummitha, C. M., Kalhan, S. C., Saidel, G. M., Lai, N. Relating tissue/organ energy expenditure to metabolic fluxes in mouse and human: experimental data integrated with mathematical modeling. Physiological Reports. 2 (9), 12159 (2014).
- Tschop, M. H., et al. A guide to analysis of mouse energy metabolism. Nature. 9 (1), 57-63 (2011).
- Mina, A. I., et al. CalR: A Web-Based Analysis Tool for Indirect Calorimetry Experiments. Cell Metabolism. 28 (4), 656-666 (2018).
- Shum, M., et al. ABCB10 exports mitochondrial biliverdin, driving metabolic maladaptation in obesity. Science Translational Medicine. 13 (594), (2021).
- Assali, E. A., et al. NCLX prevents cell death during adrenergic activation of the brown adipose tissue. Nature Communication. 11 (1), 3347 (2020).
- Clark, J. D., Gebhart, G. F., Gonder, J. C., Keeling, M. E., Kohn, D. F. Special Report: The 1996 Guide for the Care and Use of Laboratory Animals. ILAR Journal. 38 (1), 41-48 (1997).
- Schena, G., Caplan, M. J. Everything You Always Wanted to Know about beta3-AR * (* But were afraid to ask). Cells. 8 (4), 357 (2019).
- Granneman, J. G., Burnazi, M., Zhu, Z., Schwamb, L. A. White adipose tissue contributes to UCP1-independent thermogenesis. American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism. 285 (6), 1230-1236 (2003).
- Szentirmai, E., Kapas, L. The role of the brown adipose tissue in beta3-adrenergic receptor activation-induced sleep, metabolic and feeding responses. Scientific Reports. 7 (1), 958 (2017).
