Ökande bevis tyder på att överdriven infiltration av lipider inuti skelettmuskulaturen resulterar i lipotoxicitet och diabetes. Här presenterar vi ett komplett protokoll, inklusive vävnadsbehandling, färgning med Bodipy, bildförvärv och analys, för att kvantifiera storleken, densiteten och subcellulär fördelning av lipiddroppar på ett fibertypspecifikt sätt.
Skelettmuskellipidinfiltration, känd som myosteatos, ökar med fetma och åldrande. Myosteatos har också nyligen upptäckts som en negativ prognostisk faktor för flera andra sjukdomar som hjärt-kärlsjukdom och cancer. Överdriven lipidinfiltration minskar muskelmassa och styrka. Det resulterar också i lipotoxicitet och insulinresistens beroende på totalt intramyocellulärt lipidinnehåll, lipiddroppe (LD) morfologi och subcellulär distribution. Fibertyp (oxidativ vs glykolytisk) är också viktig, eftersom oxidativa fibrer har större kapacitet att utnyttja lipider. På grund av deras avgörande konsekvenser inom patofysiologi är fördjupade studier av LD-dynamik och funktion på ett fibertypspecifikt sätt motiverade.
Häri presenteras ett komplett protokoll för kvantifiering av intramyocellulärt lipidinnehåll och analys av LD-morfologi och subcellulär distribution på ett fibertypspecifikt sätt. För detta ändamål färgades seriella muskelkryosektioner med det fluorescerande färgämnet Bodipy och antikroppar mot myosin tunga kedjeisoformer. Detta protokoll möjliggör samtidig bearbetning av olika muskler, vilket sparar tid och undviker möjliga artefakter och tack vare ett personligt makro skapat i Fiji är automatiseringen av LD-analys också möjlig.
Skelettmuskellipidinfiltration, känd som myosteatos, ökar med fetma och åldrande. Myosteatos är negativt korrelerad med muskelmassa och styrka och med insulinkänslighet1. Dessutom tyder nya studier på att graden av myosteatos kan användas som en prognostisk faktor för andra tillstånd som hjärt-kärlsjukdom2, alkoholfri fettleversjukdom3 eller cancer4. Lipider kan ackumuleras i skelettmuskulaturen mellan muskelfibrer som extramyocellulära lipider eller i fibrerna, som intramyocellulära lipider (IMCLs). IMCLs lagras främst som triglycerider i lipiddroppar (LDs) som används som metaboliskt bränsle under fysisk träning 5,6. Men när lipidutbudet överstiger efterfrågan, eller när mitokondrier blir dysfunktionella, kommer IMCLs att vara inblandade i muskelinsulinresistens, vilket ses hos metaboliskt ohälsosamma, överviktiga individer och hos typ 2-diabetespatienter7. Intressant nog har uthållighetsidrottare liknande, om inte högre, nivåer av IMCLs som de som finns hos överviktiga patienter med typ 2-diabetes mellitus, samtidigt som de bibehåller hög insulinkänslighet. Detta fenomen beskrivs som “idrottarens paradox”8,9 och förklaras av en mer nyanserad bedömning av muskel-LDs, relaterade till deras storlek, densitet, lokalisering, dynamik och lipidartsammansättning.
För det första är LD-storlek omvänt korrelerad till insulinkänslighet och fysisk kondition10,11. Faktum är att mindre LD uppvisar en relativt större ytarea för lipasverkan och därmed potentiellt har en större kapacitet att mobilisera lipider12. För det andra spelar LD-densitet (antal / yta) en kontroversiell roll i insulinverkan 8,10; ändå verkar det ökas hos idrottare. För det tredje är den subcellulära lokaliseringen av LDs viktig, eftersom LDs som ligger strax under ytmembranet (subsarcolemmal eller perifer) utövar en mer skadlig effekt på insulinkänsligheten än centrala 8,9,13. De senare ger bränsle till centrala mitokondrier, som har en större andningsaktivitet och är mer specialiserade för att möta det höga energibehovet som krävs för sammandragning14. Däremot levererar perifera LDs subsarcolemmal mitokondrier, som är involverade i membranrelaterade processer8. Slutligen, utöver triglycerider, kan specifika komplexa lipider i muskeln vara mer skadliga än andra. Till exempel kan diacylglycerol, långkedjig acyl-CoA och ceramider ackumuleras i muskler när triglyceridomsättningshastigheten är låg, vilket försämrar insulinsignalering 9,15. För att återgå till “idrottarens paradox” har uthållighetsidrottare ett stort antal mindre centrala LDs med förhöjda omsättningshastigheter i typ I (oxidativa) fibrer, medan överviktiga och diabetespatienter har större perifera LDs med låg omsättningshastighet i typ II (glykolytiska) fibrer 8,15,16. Förutom sin roll i energilagring och frisättning kan LDs via härledda fettsyror (FA) och ett pälsprotein (perilipin 5) också fungera som kritiska aktörer som är involverade i transkriptionell reglering av FA-oxidation och mitokondriell biogenes8. På grund av deras avgörande konsekvenser inom fysiologi och patofysiologi är fördjupade studier av LDs dynamik och funktioner motiverade.
Även om det finns flera tekniker för att studera IMCLs, är de inte alla lämpliga för att exakt kvantifiera LD-storlek, densitet och distribution på ett fiberspecifikt sätt. Till exempel erbjuder bedömningen av IMCLs genom magnetisk resonansspektroskopi, även om den är icke-invasiv, en upplösningsnivå som inte är tillräcklig för att studera storleken och den exakta placeringen av LD: er i fibern, och det är inte fibertypsspecifikt17,18. På samma sätt kan biokemiska tekniker som utförs på helmuskelhomogenater19 inte bedöma placeringen och storleken på lipider. Följaktligen är den mest adekvata metoden för att analysera LD-morfologi och plats kvantitativ överföring elektronisk mikroskopi13, men denna teknik är dyr och tidskrävande. Därför har konfokal fluorescensavbildning på preparat med färgämnen som Oil Red O (ORO)20,21, monodansylpentan (MDH)22 eller Bodipy 23,24,25 framstått som det bästa verktyget för dessa studier.
Här beskrivs ett komplett protokoll, inklusive vävnadsprovtagning och bearbetning, Bodipy-färgning och konfokal bildförvärv och analys för att kvantifiera LD-storlek, antal och lokalisering i musmuskelkryosektioner. Eftersom IMCLs inte är jämnt fördelade mellan oxidativa och glykolytiska fibrer, och varje fibertyp reglerar LD-dynamiken annorlunda, måste studien av IMCLs vara fibertypspecifik 16,25,26,27. Därför använder detta protokoll immunofluorescens på seriella sektioner för att identifiera myosin tunga kedjor (MyHC) isoform (er) uttryckt av varje fiber. En annan fördel med detta protokoll är samtidig behandling av en glykolytisk (extensor digitorum longus, EDL) och en oxidativ (soleus) muskel placerad sida vid sida före frysning (Figur 1). Denna samtidiga bearbetning sparar inte bara tid utan undviker också variabilitet på grund av separat bearbetning av proverna.
Figur 1: Schematisk översikt över proceduren. Efter muskeldissektion (1) förbereds och fryses utvalda muskler av liknande storlek (2). Seriella tvärsektioner på 10 μm erhålls med användning av en kryostat och monteras direkt på vidhäftningsglas (3). Från två seriella bilder är den första (4A) immunolabelerad för laminin och färgad med Bodipy för att känna igen LDs och den andra (4B) immunostained med antikroppar mot MyHC för erkännande av muskelfibertyper. Bilder förvärvas med hjälp av ett konfokalmikroskop för Bodipy (5A) och ett epifluorescensmikroskop för muskelfibertyper (5B). Bilder analyseras i Fiji genom att tillämpa en tröskel och kvantifiera partiklar (6A) för att erhålla antalet, medelstorleken, densiteten och procentandelen av den totala ytan som upptas av LDs (7) eller räkningsceller (6B) för att erhålla procentandelen fibrer av varje typ i sektionen (7). Förkortningar: LDs = lipiddroppar; EDL = extensor digitorum longus; MyHC = myosin tunga kedjeisoformer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Protokollet som beskrivs här beskriver en effektiv metod för att kvantifiera LD: er märkta med Bodipy på en fibertyp- och subcellulär specifik basis. Under de senaste åren har klassiska lipidfärger, såsom ORO eller Sudan Black B, ersatts med en ny uppsättning cellgenomsläppliga, lipofila, fluorescerande färgämnen som binder till neutrala lipider (t.ex. Bodipy). Bodipy finns som olika konjugat och har visat sig vara mycket effektivt för att märka LDs för att studera deras morfologi, dynamik och interaktion …
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av bidrag från Fonds National de la Recherche Scientifique (FNRS-Crédit de Recherche J.0022.20) och Société Francophone du Diabète (SFD-Roche Diabetes Care).C.M.S. är mottagare av ett doktorandstipendium från FRIA (FNRS). M.A.D.-L.d.C. fick ett stipendium från Wallonie-Bruxelles International Excellence Program.
Författarna tackar Alice Monnier för hennes bidrag till utvecklingen av detta protokoll och Caroline Bouzin för hennes expertis och tekniska hjälp i bildförvärvsprocessen. Vi tackar också 2IP-IREC-bildplattformen för tillgång till kryostaten och mikroskopen (2IP-IREC Imaging Platform, Institute of Experimental and Clinical Research, Université Catholique de Louvain, 1200 Bryssel, Belgien). Slutligen vill författarna tacka Nicolas Dubuisson, Romain Versele och Michel Abou-Samra för konstruktiv kritik av manuskriptet. Några av figurerna i denna artikel skapades med BioRender.com.
Equipment | |||
AxioCam 506 mono 6 Mpix camera | Zeiss | ||
AxioCam MRm 1.4MPix CCD camera | Zeiss | ||
Chemical hood | Potteau Labo | EN-14175 | |
Confocal microscope | Zeiss | LSM800 | |
Cork discs (ø 20 mm, 3 mm thick) | Electron Microscopy Sciences | 63305 | |
Cryo-Gloves | Tempshield | 16072252 | |
Cryostat | Thermo Scientific | Microm Cryo Star HM 560 | |
Dissecting Stereo Microscope SMZ745 | Nikon | ||
Dry Ice | |||
Dumont Forceps | F.S.T | 11295-10 | |
Epifluorescence microscope | Zeiss | AxioImage-Apotome Z1 | |
Extra Fine Bonn Scissors | F.S.T | 14084-08 | |
FisherBrand Disposable Base Molds (0.7 x 0.7 cm) | ThermoFisher | 22-363-552 | Used to cut a piece to hold the muscle on the cork for freezing |
Glass petri dish (H 25 mm, ø 150 mm) | BRAND Petri dish, MERK | BR455751 | Used to place the muscles on ice during dissection |
ImmEdge Hydrophobic barrier PAP Pen | Vector Labs | H-4000 | Used to create an hidrophobic barrier around the muscle sections |
Incubator | MMM Medcenter | Incucell 707 | |
Microscope Cover Glasses (24×50 mm) | Assistent | 40990151 | |
Microscope Slide Boxes | Kartell | 278 | Used as humid chambers for immunohistochemistry |
Neck holder | Linie zwo | SB-035X-02 | Used as strap to hold the stainless steel tumbler |
No 15 Sterile Carbon Steel Scalpel Blade | Swann-Morton | 0205 | |
Paint brushes | Van Bleiswijck | Amazon B07W7KJQ2X | Used to handle cryosections |
Permanent Marker Pen Black | Klinipath/VWR | 98307-R | Used to label slides |
Pierce Fixation Forceps | F.S.T | 18155-13 | |
Polystyrene Box | H 12 cm x L 25 cm x W 18 cm, used as a liquid nitrogen container and to transport the samples to the cryostat | ||
Scalpel Handle, 125 mm (5"), No. 3 | Aesculap | BB073R | |
Stainless Steel Cup 10oz | Eboxer | B07GFCBPFH | Tumbler to fill with isopentene for muscle freezing |
Superfrost Ultra Plus slides | ThermoFisher | J1800AMNZ | |
Surgical tweezers 1/2 teeth | Medische Vakhandel | 1303152 | Also called "Rat teeth tweezers" |
Vannas Spring Scissors – 3 mm Cutting Edge | F.S.T | 15000-00 | |
Weighing boats | VWR international | 611-2249 | |
Whole-Slide Scanner for Fluorescence | Zeiss | Axio Scan.Z1 | |
Reagents | |||
Alexa Fluor 405 Goat Anti-Mouse IgG2b | Sigma-Aldrich | SAB4600477 | Used at a final concentration of 1:500 |
Alexa Fluor 488 Goat Anti-Mouse IgG1 | ThermoFisher | A-21121 | Used at a final concentration of 1:500 |
Alexa Fluor 568 Goat Anti-Mouse IgM | Abcam | ab175702 | Used at a final concentration of 1:1,000 |
Alexa Fluor 647 goat anti rat-IgG (H+L) secondary antibody | ThermoFisher | A-21247 | Used at a final concentration of 1:500 |
BODIPY-493/503 (4,4-difluoro-1,3,5,7,8-pentametil-4-bora-3a,4a-diaza-s-indaceno) | ThermoFisher | D3922 | Used at a final concentration of 1 µg/mL |
BODIPY-558/568 C12 (4,4-Difluoro-5-(2-Thienyl)-4-Bora-3a,4a-Diaza-s-Indacene-3-Dodecanoic Acid) | ThermoFisher | D3835 | Used at a final concentration of 1 µg/mL |
DAPI (4',6-diamidino-2-phenylindole) | ThermoFisher | D1306 | Used at a final concentration of 0.5 µg/mL |
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D-8418 | Used to solve Bodipy for the 1 mg/mL stock solution. CAUTION: Toxic and flammable. Vapors may cause irritation. Manipulate in a fume hood. Avoid direct contact with skin. Wear rubber gloves, protective eye goggles. |
Formaldehyde solution 4%, buffered, pH 6.9 | Sigma-Aldrich | 1004969011 | CAUTION: May cause an allergic skin reaction. Suspected of causing genetic defects. May cause cancer. Manipulate in a fume hood. Avoid direct contact with skin. Wear rubber gloves, protective eye goggles. |
Isopentane GPR RectaPur | VWR international | 24872.298 | CAUTION: Extremely flammable liquid and vapor. May be fatal if swallowed and enters airways. May cause drowsiness or dizziness. Repeated exposure may cause skin dryness or cracking. Wear protective gloves/protective clothing/eye protection/face protection. |
Liquid Nitrogen | CAUTION: Extremely cold. Wear gloves. Handle slowly to minimize boiling and splashing and in well ventilated areas. Use containers designed for low-temperature liquids. | ||
Mouse on mouse Blocking Reagent | Vector Labs | MKB-2213-1 | Used at concentration of 1:30 |
Myosin heavy chain Type I (BA-D5-s Primary Antibody) Gene: MYH7, monoclonal bovine anti mouse IgG2b | DSHB University of Iowa | BA-D5-supernatant | Used at a final concentration of 1:10 |
Myosin heavy chain Type IIA (SC-71-s Primary Antibody) Gene: MYH2, Monoclonal bovine anti mouse IgG1 | DSHB University of Iowa | SC-71-supernatant | Used at a final concentration of 1:10 |
Myosin heavy chain Type IIX (6H1-s Primary Antibody), Gene: MYH1, Monoclonal rabbit anti mouse IgM | Developmental Studies Hybridoma Bank, University of Iowa | 6H1-supernatant | Used at a final concentration of 1:5 |
Normal Goat Serum (NGS) | Vector Labs | S-1000 | |
PBS 0.1 M | Commonly used on histology laboratories | ||
ProLong Gold Antifade Mountant | Invitrogen | P36930 | |
Rat anti-Laminin-2 (α-2 Chain) primary antibody (monoclonal) | Sigma-Aldrich | L0663 | Used at a final concentration of 1:1,000 |
Tissue-Tek O.C.T compound | Sakura | 4583 | |
Software | |||
Adobe Illustrator CC | Adobe Inc. | Used to design the figures | |
Adobe Photoshop | Adobe Inc. | Confocal software | |
BioRender | https://biorender.com/ | Used to design the figures | |
Fiji/ImageJ | https://imagej.net/software/fiji/ | Used to analyse the acquired images | |
Microsoft PowerPoint | Microsoft | Used to reconstruct the histology of the whole muscle after scanning the fiber types | |
Zen Blue 2.6 | Zeiss | Used to reconstruct the histology of the whole muscle after scanning the fiber types |