I denne protokollen er metoder som er relevante for BAT-optimaliserte arteriovenøse metabolomics ved bruk av GC-MS i en musemodell skissert. Disse metodene gjør det mulig å tilegne seg verdifull innsikt i BAT-mediert metabolittutveksling på organismenivå.
Brunt fettvev (BAT) spiller en avgjørende rolle i å regulere metabolsk homeostase gjennom en unik energiforbruksprosess kjent som ikke-rystende termogenese. For å oppnå dette bruker BAT en variert meny av sirkulerende næringsstoffer for å støtte sin høye metabolske etterspørsel. I tillegg utskiller BAT metabolittavledede bioaktive faktorer som kan tjene som enten metabolske drivstoff eller signalmolekyler, noe som letter BAT-mediert intravev og / eller intervevskommunikasjon. Dette antyder at BAT aktivt deltar i systemisk metabolittutveksling, en interessant funksjon som begynner å bli utforsket. Her introduserer vi en protokoll for in vivo musenivå optimalisert BAT arteriovenøs metabolomikk. Protokollen fokuserer på relevante metoder for termogene stimuleringer og en arteriovenøs blodprøvetakingsteknikk ved bruk av Sulzers vene, som selektivt drenerer interskapulært BAT-avledet venøst blod og systemisk arterielt blod. Deretter demonstreres en gasskromatografibasert metabolomikkprotokoll ved bruk av disse blodprøvene. Bruken av denne teknikken bør utvide forståelsen av BAT-regulert metabolittutveksling på interorgannivå ved å måle netto opptak og frigjøring av metabolitter ved BAT.
Brunt fettvev (BAT) har en unik energiforbruksegenskap kjent som ikke-rystende termogenese (NST), som involverer både mitokondrielt frakoblingsprotein 1 (UCP1) -avhengige og UCP1-uavhengige mekanismer 1,2,3,4,5. Disse karakteristiske egenskapene impliserer BAT i reguleringen av systemisk metabolisme og patogenesen av metabolske sykdommer, inkludert fedme, type 2 diabetes, kardiovaskulær sykdom og kreftkakeksi 6,7,8. Nylige retrospektive studier har vist en omvendt sammenheng mellom BAT-masse og/eller dens metabolske aktivitet med fedme, hyperglykemi og kardiometabolsk helse hos mennesker 9,10,11.
Nylig har BAT blitt foreslått som en metabolsk vask som er ansvarlig for å opprettholde NST, da det krever betydelige mengder sirkulerende næringsstoffer som termogent drivstoff 6,7. Videre kan BAT generere og frigjøre bioaktive faktorer, referert til som brune adipokiner eller BATokiner, som fungerer som endokrine og / eller parakrine signaler, noe som indikerer dets aktive involvering i systemnivå metabolsk homeostase 12,13,14,15. Derfor bør forståelse av BATs næringsmetabolisme forbedre vår forståelse av dens patofysiologiske betydning hos mennesker, utover dens konvensjonelle rolle som et termoregulerende organ.
Metabolomiske studier ved bruk av stabile isotopsporstoffer, i kombinasjon med klassiske studier av næringsopptak ved bruk av ikke-metaboliserbare radiotracere, har betydelig forbedret vår forståelse av hvilke næringsstoffer som fortrinnsvis tas opp av BAT og hvordan de utnyttes 16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27. For eksempel har radioaktive tracerstudier vist at kaldaktivert BAT tar opp glukose, lipoproteinbundne fettsyrer og forgrenede aminosyrer 16,17,18,19,20,21,22,23,27. Nyere isotopsporing kombinert med metabolomiske studier har gitt oss mulighet til å måle metabolsk skjebne og fluks av disse næringsstoffene i vev og dyrkede celler 24,25,26,28,29,30. Imidlertid fokuserer disse analysene primært på individuell utnyttelse av næringsstoffer, noe som gir oss begrenset kunnskap om BATs systemnivå roller i organmetabolittutveksling. Spørsmål angående den spesifikke serien av sirkulerende næringsstoffer som forbrukes av BAT og deres kvantitative bidrag når det gjelder karbon og nitrogen, er fortsatt unnvikende. I tillegg er utforskningen av om BAT kan generere og frigjøre metabolittavledede BATokiner (f.eks. lipokiner) ved hjelp av næringsstoffer, bare begynnelsen 12,13,14,15,31,32.
Arteriovenøs blodanalyse er en klassisk fysiologisk tilnærming som brukes til å vurdere spesifikt opptak eller frigjøring av sirkulerende molekyler i organer/vev. Denne teknikken har tidligere blitt brukt på interscapular BAT av rotter for å måle oksygen og flere metabolitter, og dermed etablere BAT som det viktigste stedet for adaptiv termogenese med sitt katabolske potensial 33,34,35,36,37. Nylig ble en arteriovenøs studie ved bruk av rotte interskapulær BAT kombinert med en trans-omics tilnærming, noe som førte til identifisering av uoppdagede BATokiner frigjort av termogent stimulert BAT38.
Nylige fremskritt innen høysensitiv gasskromatografi- og væskekromatografi-massespektrometri (GC-MS og LC-MS)-basert metabolomikk har gjenopplivet interessen for arteriovenøse studier for kvantitativ analyse av organspesifikk metabolittutveksling 39,40,41. Disse teknikkene, med sin høye oppløsningsevne og massenøyaktighet, muliggjør omfattende analyse av et bredt spekter av metabolitter ved hjelp av små prøvemengder.
I samsvar med disse fremskrittene tilpasset en nylig studie vellykket arteriovenøs metabolomikk for å studere BAT på musenivå, noe som muliggjorde kvantitativ analyse av metabolittutvekslingsaktiviteter i BAT under forskjellige forhold42. Denne artikkelen presenterer en BAT-målrettet arteriovenøs metabolomikkprotokoll ved bruk av GC-MS i en C57BL/6J musemodell.
Et kritisk skritt for å forstå det metabolske potensialet til BAT i energibalansen i hele kroppen er å definere hvilke næringsstoffer det forbruker, hvordan de metabolsk behandles, og hvilke metabolitter som slippes ut i sirkulasjonen. Denne protokollen introduserer en spesialisert arteriovenøs prøvetakingsteknikk som gir tilgang til venøs vaskulatur av interskapulær BAT og systemisk arteriell vaskulatur i C57BL/6J-mus, som nylig ble utviklet og validert av Park et al42. Nedenfor er viktig…
The authors have nothing to disclose.
Vi takker alle medlemmer av Choi- og Jung-laboratoriene for metodologisk diskusjon. Vi takker C. Jang og D. Guertin for råd og tilbakemeldinger. Vi takker M.S. Choi for kritisk lesning av manuskriptet. Dette arbeidet ble finansiert av NRF-2022R1C1C1012034 til S.M.J.; NRF-2022R1C1C1007023 til D.W.C; NRF-2022R1A4A3024551 til S.M.J. og D.W.C. Dette arbeidet ble støttet av Chungnam National University for WTK Figur 1 og figur 2 ble opprettet ved hjelp av BioRender (http://biorender.com/).
0.5-20 µL Filter Tips | Axygen | AX.TF-20-R-S | |
1 mL Syringe with attached needle – 26 G 5/8" | BD Biosciences | 309597 | |
Agilent 5977B GC/MSD (mass selective detector) | Agilent | G7077B | |
Agilent 7693A Autosampler | Agilent | G4513A | |
Agilent 8890 GC System | Agilent | G3542A | |
Agilent J&W GC column (Capilary column) HP-5MS UI | Agilent | 19091S-433UI | |
Agilent MassHunter Workstation software_MS Quantitative analysis(Quant-My-way) | Agilent | G3335-90240 | |
C57BL/6J mouse | DBL | C57BL/6JBomTac | |
CentriVap -50 °C Cold Trap (with Stainless steel Lid) | LABCONCO | 7811041 | |
DL-Norvaline | Sigma-Aldrich | N7502-25G | |
Eppendorf centrifuge 5430R | Eppendorf | 5428000210 | |
Eppendorf Safe-Lock Tubes 1.5 mL | Eppendorf | 30120086 | |
Glass insert 250 μL | Agilent | 5181-1270 | |
Methanol (LC-MS grade) | Sigma-Aldrich | Q34966-1L | |
Methoxyamine hydrochloride | Sigma-Aldrich | 226904-5G | |
Microvette 200 Serum, 200 µL, cap red, flat base | Sarstedt | 20.1290.100 | |
MTBSTFA | Sigma-Aldrich | 394882-100ML | |
Pyridine(anhydrous, 99.8%) | Sigma-Aldrich | 270970-100ML | |
Refrigerated CentriVap Complete Vaccum Concentrators | LABCONCO | 7310041 | |
Rodent diet | SAFE | SAFE R+40-10 | |
Rodent incubator | Power scientific | RIT33SD | |
Ultra-Fine Pen Needles – 29 G 1/2" | BD Biosciences | 328203 | |
Vial Cap 9 mm | Agilent | 5190-9067 | |
Vial, ambr scrw wrtn 2 mL | Agilent | 5190-9063 | |
Vial, ambr scrw wrtn 2 mL+A2:C40 | Axygen | PCR-02-C |