葡萄糖摄取测量和对胰岛素刺激的反应<em&gt;体外</em&gt;培养的人类初级肌管

摘要

在这种方法中，人原代肌细胞在体外培养以获得分化的肌管，并测量葡萄糖摄取率。我们提供了一个详细的方案，使用放射性标记的[ ³ H] 2-脱氧-D-葡萄糖来量化基础和胰岛素刺激状态的速率。

摘要

骨骼肌是哺乳动物中最大的葡萄糖沉积物，在很大程度上有助于葡萄糖的体内平衡。评估肌肉细胞的胰岛素敏感性与所有研究专门用于探索肌肉葡萄糖代谢和表征代谢改变相关。在肌肉细胞中，葡萄糖转运蛋白4型（GLUT4）蛋白质响应于胰岛素转移到质膜，从而允许葡萄糖大量进入细胞。肌肉细胞通过增加葡萄糖摄取速率来响应胰岛素的能力是量化肌肉细胞对胰岛素敏感性的标准读数之一。人原代肌管是一种合适的体外模型，因为细胞维持供体表型的许多特征，包括胰岛素敏感性。这种体外模型也适用于可能影响胰岛素反应性的任何化合物的测试。分化肌管中葡萄糖摄取率的测量反映胰岛素敏感性。

在这种方法中，人体原代肌细胞在体外培养以获得分化的肌管，并且测量有和没有胰岛素刺激的葡萄糖摄取率。我们提供了一个详细的方案来量化使用放射性标记的[ ³ H] 2-脱氧-D-葡萄糖（[ ³ H] 2dG）的被动和活跃的葡萄糖转运率。提供计算方法来量化活性基础和胰岛素刺激率以及刺激折叠。

引言

骨骼肌是哺乳动物中最大的葡萄糖沉积物，在很大程度上有助于葡萄糖的体内平衡。这种胰岛素反应性组织是由胰岛素刺激引起的葡萄糖摄取的主要部位¹ 。

在2型糖尿病中，在包括骨骼肌在内的几种组织中观察到胰岛素抵抗，并导致高于正常血糖浓度。因此，确定该组织及其细胞的胰岛素敏感性的水平是重要的，无论目标是表征受试者的缺陷，还是评估旨在改善其的治疗效率。在人或动物受试者中，评估胰岛素敏感性的金标准技术是高胰岛素血症 - 正义血糖钳夹。由DeFronzo于1979年推出，并自^{3月 4}日修改^，然后，该方法允许量化全身and组织胰岛素反应性测量为在胰岛素刺激下灌注的葡萄糖的速率以维持正常的血糖浓度。

也可以使用体外肌肉模型在细胞水平进行胰岛素敏感性检测，并且葡萄糖摄取率的测量仍然是量化细胞对胰岛素刺激的生物反应的有效和可靠的工具^5,6,7 。实际上，葡萄糖摄取测量量化胰岛素刺激的细胞生物学反应，从胰岛素与其受体结合到富含GLUT4的囊泡的易位，并包括细胞内信号传导和磷酸化级联⁸ 。

这是人类样本的主要兴趣，因为分化的肌管维持供体表型的许多特征，包括代谢性质在患者9,10,11,12中观察到的病症和病症。肌管显示与骨骼肌^13,14的结构，代谢和表型相似性，包括葡萄糖转运蛋白¹⁵和细胞胰岛素信号传导机制^16的表达 。因此，初级肌管中葡萄糖摄取的测量与表征供体的肌肉表型相关，或调查干预（药物，营养或身体活动）对肌肉细胞胰岛素敏感性的影响。

在进行修改胰岛素敏感性^17,18的实验时，培养的肌管上葡萄糖摄取的测量也是可靠的工具。 体外 模型适用于可以改善胰岛素反应性的任何化合物的测试，或可以预防或逆转所获得或诱导的胰岛素抵抗^{19,20,21,22,23} 。

在这里我们描述一个详细的培养和区分人肌管的方案，并测量细胞葡萄糖摄取率。该方法适用于人类肌肉前体细胞的任何来源，无论它们来自实验室内的制备，合作或商业供应商。分别来自小鼠和大鼠来源的永生化肌肉细胞系（如C2C12和L6）也可用于本方案的葡萄糖摄取测定。

我们提供了一个详细的方案来定量使用放射性标记的[ ³ H] 2dG的基础和胰岛素刺激状态的速率。 Ť他使用标记的葡萄糖类似物可以准确测定葡萄糖进入与起始原料减少，这是当与原代细胞一起工作时的常见情况。修饰的葡萄糖分子不能进入代谢途径，因此积累在细胞内，允许通过总细胞放射性进行可靠的定量。实验条件包括使用葡​​萄糖转运抑制剂（细胞松弛素B），并且使用和不使用胰岛素进行测量。该组合允许测定葡萄糖活性进入率，以及计算胰岛素反应指数的倍数变化。该方法在单个孵育时间内呈现一剂胰岛素，但是该方案可以容易地修改用于剂量反应或时间过程实验¹² 。

研究方案

1.细胞培养基和溶液的制备

1. 培养基的制备
   1. 通过补充Ham's F-10培养基与谷氨酰胺（2mM），青霉素/链霉素（最终5μg/ mL），2％胎牛血清（FCS）和2％血清替代物来制备增殖培养基（PM）。
   2. 通过用谷氨酰胺（2mM），青霉素/链霉素（最终5μg/ mL）和2％FCS补充Dulbecco's Modified Eagle培养基（DMEM）来制备分化培养基（DM）。
2. 葡萄糖摄取溶液的制备
   注意:授权人员只能在受限制的区域内处理放射性物质。材料和废物必须按照适当的程序，指导原则和当地立法处理。
   1. 为了制备X-Dulbecco的磷酸盐缓冲盐水（X-DPBS），制备含有0.2％（w / v）（终浓度）牛血清白蛋白umin（BSA）。通过0.2μm过滤器过滤溶液。储存于4°C。
   2. 为了制备冷的2-脱氧-D-葡萄糖（2dG）溶液，称重16.4mg的2dG并溶解在10mL蒸馏水中以获得10mM溶液。储存于4°C。
   3. 加入600μL冷2dG和6μL放射性标记的[ ³ H] 2dG至5400μLX-DPBS，得到放射性标记的2dG（2dG *）溶液。
      注意:最终浓度为1 mM 2dG，标记为1μCi/ mL。
      1. 放置放射性标记的2dG *溶液的20μL等分试样（TC20）。
3. 孵育混合物的制备
   1. 对于细胞松弛素B混合物，加入2μL20mM细胞松弛素B至2mL放射性标记的2dG *溶液。
      注意:细胞松弛素B的储备溶液在二甲基亚砜（DMSO）中为10mg / mL。
   2. 对于DMSO混合物，向剩余的4mL放射性标记的2dG *溶液中加入4μLDMSO。

2.人原代肌细胞培养

1. 用人类肌肉卫星细胞播种6孔板
   注意:从冷冻小瓶（含有25万个细胞）内部使用（详见参考资料²⁴ ）或市售的人类肌肉卫星细胞。给出250,000个细胞的以下程序，以获得在单一条件下测量葡萄糖摄取所必需的一个6-孔板。
   1. 在预热的水（37℃）中快速解冻冷冻的小瓶内部的²⁴或人类肌肉卫星细胞的商业制剂，直到小瓶中只剩下一小块冰块。
   2. 直接倒入含有10mL预热（37℃）PM的50mL塑料管中。
   3. 以500×g离心5分钟，弃去上清液。
   4. 用18mL预热的PM轻轻重悬细胞沉淀（每个获得42,000个细胞）3 mL培养基）。在6孔板（9.6cm ² ）的每个孔中分配3mL。
      注意:对于以下条件，板的六个单独的孔需要进行葡萄糖摄取的重复测量:被动运输抑制（孔1和2），基础速率（孔3和4）和胰岛素刺激速率（孔5和6）。重复几个六孔板需要不同的处理。
   5. 在标准培养条件（37℃，5％CO ₂ ）中孵育，直到细胞达到90％汇合。
      注意:根据细胞批次，此步骤需要48 - 72 h。在此步骤中不要更换介质。
2. 肌肉细胞分化
   1. 去除PM（48-72小时后），并用预热的DM（3mL /孔）代替。在37℃，5％CO ₂下孵育。
      注意:分化需要五天才能达到细胞排列和多核的稳定状态。通常，主要肌管在1g / L葡萄糖培养基中培养。因此，为了避免在培养过程中葡萄糖消耗，用3 mL培养基填充平板，以确保足够的葡萄糖底物在任何时间都可用于细胞。
   2. 每两天更换DM培养基。
      注意:从这一点来看，肌管长达7天是稳定的，没有任何显着的变化，并且可以随时进行葡萄糖摄取测量。
3. 肌肉细胞治疗（可选）
   注意:在胰岛素刺激和葡萄糖摄取测量之前，主要肌管可以治疗数天以诱导修饰（药物测试，信号通路的抑制剂/激活剂等 ）。肌肉细胞可以进行任何可能对胰岛素敏感性影响的治疗，葡萄糖摄入测量将量化这种影响。例如，肌肉细胞与饱和脂肪酸棕榈酸酯的孵育促进胰岛素抵抗，细胞显示减少i苏木精刺激葡萄糖摄取。
   1. 准备12 mL补充有10％BSA（不含脂肪酸）和0.5 mL棕榈酸酯（PALM）的DM。准备12 mL补充有10％BSA（不含脂肪酸）的DM。
   2. 用人原代肌管制备两个6孔板，按2.1和2.2节（分化5天）所述进行培养。
   3. 在第5天，用2mL PBS洗涤每个孔。向一个平板中加入2mL含有PALM的DM。向其他板中加入2mL仅含有DM的BSA。
   4. 在37℃，5％CO ₂下孵育48小时。

3.胰岛素刺激

1. 用2mL PBS洗涤分化的肌肉细胞两次。
2. 仔细取出PBS，并用3 mL无FCS的DM孵育3 h（37°C，5％CO ₂ ）用于血清消耗。
3. 用不含FCS的3mL DM替换所有孔中的培养基。向孔5和6添加100nM胰岛素。
4. 孵育人肌管培养1小时（37℃，5％CO ₂ ）。

葡萄糖摄取

1. 胰岛素刺激1小时后，用X-DPBS洗涤两次（每次洗一毫升）。
2. 将1mL细胞松弛素B混合物加入孔1和2，加入1mL DMSO混合物至孔3-6。孵育15分钟（37℃，5％CO ₂ ）。孵化结束后，立即将板放在冰上。

细胞裂解

1. 用1 mL冰冷的PBS清洗细胞两次。
2. 用600μL的50mM NaOH溶解各孔中的细胞。在冰上孵育5分钟，并慢慢地与轨道旋转混合。
   注意:如果裂解物太粘稠，最多可用1.5 mL NaOH稀释。
3. 使用移液管，重悬和收集细胞裂解液。

6.放射性标记葡萄糖的测定

1. 将每个细胞裂解物400μL放入液体闪烁计数小瓶中。准备一个400的阴性对照小瓶μL50mM NaOH和20μLTC20的阳性对照小瓶（来自步骤1.2.3.1）。
2. 向每个小瓶中加入4 mL液体闪烁溶液。关闭盖子并彻底混合每个小瓶（1-2秒）。
3. 将每个小瓶插入液体闪烁计数器，并根据制造商的说明测量放射性。每个闪烁瓶记录每分钟的计数（CPM）10分钟。
   注意:CPM ="每分钟分解"x"计数效率"。

7.葡萄糖摄取率

1. 使用剩余的裂解物（200μL;来自步骤5.2）来测量蛋白质浓度。使用Bradford ²⁵或等效方法确定每个细胞裂解物的蛋白质浓度。计算每个孔的总蛋白质量（Q）（mg）。
2. 要获得TC1（1μL放射性标记的2dG *的值），将TC20的CPM值除以20。
3. 对于每个小瓶，计算t他的葡萄糖摄取率如下:
   
   注意:R以pmol / mg / min测量。井1-2的平均值为被动运输速率，R _p 。井3-4的平均值为基础总运输率，R _bt 。孔5-​​6的R平均值给出胰岛素刺激的总运输速率R。
   1. 计算基础活动运输率（R _ba ）如下:
      
   2. 计算胰岛素刺激的活动转运率（R _ia ）如下:
      
      注意:在胰岛素反应性细胞如肌管中，葡萄糖摄取率通常由三个值表示:R _ba ，R _ia和胰岛素刺激倍数为R _ia / R _ba 。

结果

在第3天，成肌细胞达到汇合（ 图1A ）。在这个阶段的成肌细胞通常是单核的。培养基改变，第8天分化完成（ 图1B ）（方案第2节）。分化5天后，将肌管对准并且通常多核化。在葡萄糖摄取速率测量之前，将人原代肌管进行棕榈酸酯或仅BSA处理。将细胞与BSA（PALM）或BSA单独（BSA）中的棕榈酸酯0.5mM孵育48小时。进行胰岛素刺激?...

讨论

葡萄糖摄取是测试细胞培养上的活化剂或抑制剂以及它们如何影响葡萄糖使用以及细胞对胰岛素反应的能力的关键生物学测量。已经显示这里描述的方法是快速和可靠的，并已被广泛应用于使用来自健康受试者和/或代谢影响患者6,7,10,12,21,26,27,36,37的主要肌管的许多研究。只有一个6孔板，可以获得总基础运输，基础活动运输和胰岛素刺激主动运输的重复率。这三个值完全描述了体外培养的?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Human primary muscle cell	In house preparation from human skeletal muscle biopsies	In house preparation from human skeletal muscle biopsies	If not available, use commercial source
Human primary muscle cell	Promocell	C-12530	Should be cultured with associated media C23060 and C23061
6-well plate	Corning	356400	BioCoat Collagen I Multiwell Plates
Ham's F10	Dutscher	L0145-500	1 g/L glucose
Glutamine	Dutscher	X0551-100
penicilin/streptomycin 100x	Thermo fisher scientific	15140122
Serum substitute UltroserG	Pall France	15950.017	serum substitute in text
DMEM low glucose	Dutscher	L0064-500	1 g/L glucose
Fetal Calf Serum	Eurobio	CVFSVF00-01
Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline	Dutscher	L0625-500	Contains Mg2+ (0.5 mM) and Ca2+ (0.9 mM)
Insulin solution human	Sigma-Aldrich	I9278
2-deoxy-D-glucose	Sigma-Aldrich	D6134
Albumin bovine	euromedex	04-100-812-E
fatty acid-free BSA	Roche	10,775,835,001
palmitate	Sigma-Aldrich	P0500
Deoxy-D-glucose, 2-[1,2-3H (N)]	PerkinElmer	NET328A001MC	Specific Activity: 5 - 10 Ci (185-370GBq)/mmol, 1 mCi (37MBq
Cytochalasin B	Sigma-Aldrich	c2743
PICO PRIAS VIAL 6 mL	PerkinElmer	6000192
ultima gold MW CA	PerkinElmer	6013159	scintillation liquid
bêta counter	PerkinElmer	2900TR