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Method Article
肌肉葡萄糖摄取的完全调节对于维持全身葡萄糖稳态非常重要。该方案在描述各种生理干预对全身葡萄糖代谢的影响时,评估孤立和孵育成熟骨骼肌中胰岛素和收缩刺激的葡萄糖摄取。
骨骼肌是一种胰岛素反应组织,通常占据饭后进入血液的大部分葡萄糖。此外,据报道,与静息条件相比,骨骼肌在运动期间可能使血液中葡萄糖的提取增加多达50倍。运动和胰岛素刺激期间肌肉葡萄糖摄取的增加取决于葡萄糖转运蛋白4(GLUT4)从细胞内隔室到肌肉细胞表面膜的易位,以及葡萄糖通过己糖激酶II磷酸化为葡萄糖-6-磷酸。小鼠肌肉(如 米氏 支原肌和 长指伸 肌(EDL))的分离和孵育是研究胰岛素和电诱导收缩(运动模型)对成熟骨骼肌葡萄糖摄取的影响的适当离体模型。因此,离体模型允许评估肌肉胰岛素敏感性,并使得在收缩期间匹配肌肉力量的产生成为可能,从而确保在测量肌肉葡萄糖摄取期间肌肉纤维的均匀募集。此外,所描述的模型适用于可能对肌肉胰岛素敏感性产生影响的药理学化合物测试,或者在试图描绘骨骼肌葡萄糖摄取的调节复杂性时可能有所帮助。
在这里,我们描述并提供有关如何使用放射性标记的[3H]2-脱氧-D-葡萄糖和[14C]甘露醇作为细胞外标志物来测量小鼠的分离和孵育的比目鱼和EDL肌肉制剂中胰岛素和收缩刺激葡萄糖摄取的详细方案。这可以准确评估成熟骨骼肌中的葡萄糖摄取,而没有可能干扰完整动物模型的混杂因素。此外,我们提供有关孵化小鼠骨骼肌代谢活力的信息,表明在研究肌肉能量代谢时,所应用的方法在某些条件下具有一些警告。
骨骼肌具有从细胞外空间提取大量葡萄糖的能力,以响应胰岛素和运动。这有助于维持全身葡萄糖稳态,并在高能量需求期间确保葡萄糖供应。由于骨骼肌葡萄糖摄取的完整调节已被证明对整体健康和身体表现很重要1,2,因此在各种条件下测量肌肉葡萄糖摄取受到了很多关注。在人类和动物中,高胰岛素 -正血糖钳夹已被用作评估体内胰岛素敏感性的金标准技术3,4.与口服葡萄糖耐量试验的结果相反,高胰岛素-正血糖钳夹技术不需要完整的胃肠功能或胰腺分泌胰岛素,因此可以在胃肠和/或胰腺功能变化的受试者之间比较胰岛素反应。自20世纪60年代以来,人类运动期间体内肌肉葡萄糖摄取的测量一直很频繁5。首先通过使用动静脉平衡技术6 ,后来通过使用正电子发射断层扫描(PET)成像结合发射葡萄糖类似物,例如18F-氟脱氧葡萄糖7。在啮齿动物中,运动刺激的肌肉在体内葡萄糖摄取通常通过使用放射性或稳定同位素标记的葡萄糖类似物8,9,10进行。
测量体内肌肉葡萄糖摄取的补充方法是从啮齿动物中分离和孵育小肌肉,然后使用放射性或稳定同位素标记的葡萄糖类似物11,12,13测量葡萄糖摄取。该方法可以准确可靠地量化成熟骨骼肌中的葡萄糖摄取率,并且可以在存在各种胰岛素浓度和通过电刺激引起的收缩期间进行。更重要的是,在研究经过各种干预(例如营养,身体活动,感染,治疗)的小鼠的肌肉代谢表型时,分离和孵育骨骼肌中葡萄糖摄取的测量具有相关性。分离的骨骼肌模型也是可能影响葡萄糖摄取本身和/或改变胰岛素敏感性的药理学化合物测试 的 合适工具12,14。通过这种方式,设计用于调节肌肉葡萄糖代谢的化合物的功效可以在高度受控的环境中进行测试和评估,然后再在临床前动物模型中进行后续的体内测试。
在某些条件下,代谢活力可能对孤立和孵育的骨骼肌模型系统构成挑战。事实上,在孵化的肌肉中缺乏循环系统意味着基质(例如氧气和营养物质)的输送完全取决于肌肉纤维与周围环境之间的简单扩散。关于这一点,重要的是,孵化的肌肉小而薄,因此,在孵育过程中代表较少的氧扩散屏障15。特别是在长时间孵育数小时期间,缺氧状态可能由于氧气供应不足导致肌肉能量消耗而发展15。尽管先前已经报道了孵化大鼠肌肉中代谢活力的各种标志物以及有助于维持大鼠肌肉活力的重要变量的鉴定15,但仍然需要对小孵化小鼠肌肉中的代谢活力进行全面评估。因此,目前,糖原含量已主要被用作培养小鼠骨骼肌16,17中代谢活力的标志物。
在这里,我们描述了一个详细的方案,以测量使用放射性标记的[3H]2-脱氧-D-葡萄糖和[14C]甘露醇作为细胞外标志物的小鼠分离和孵育的比目鱼和EDL肌肉中的基础,胰岛素和收缩刺激的葡萄糖摄取。在本研究中,在10分钟内测量葡萄糖摄取,并且该方法使用亚最大和最大有效胰岛素浓度以及单一收缩方案。然而,本文中描述的方案可以很容易地在孵育时间、胰岛素剂量和电刺激方案方面进行修改。此外,我们还对孵育的比目鱼和EDL小鼠肌肉中的代谢活力的各种标志物进行了彻底的表征。结果表明,向孵育缓冲液补充葡萄糖对于保持孵育肌肉1小时的代谢活力至关重要。
涉及研究动物的程序应根据相关准则和当地立法进行。用于本研究的所有动物实验均符合《欧洲保护脊椎动物公约》,用于实验和其他科学目的,并得到丹麦动物实验监察局的批准。
1.实验装置和缝合环的制备
注意:对于本研究,使用带有定制孵育钩的集成肌肉条肌图系统来孵育孤立的小鼠骨骼肌(图1)。该系统允许肌肉在具有连续氧合(95%O2 和5%CO2)和恒定温度下的生理溶液中沐浴。肌肉组织浴与力传感器耦合,用于测量收缩过程中的肌肉力产生。为了在收缩期间引发和记录肌力学反应,请分别使用电脉冲刺激器和数据收集程序。刺激孵化的肌肉通过位于肌肉中央和两侧的铂电极收缩。
2. 溶液和培养基的制备
3.动物和小鼠比目鱼和EDL肌肉的解剖进行孵育
注意:涉及研究动物的程序应根据相关指南和当地立法进行。所描述的程序可用于各种菌株和遗传背景的内部繁殖或市售的雄性和雌性小鼠。为喂养的雌性C57Bl / 6J小鼠提供以下程序。平均而言,小鼠年龄为19周,体重为25克。将小鼠维持在12:12小时的明暗循环中,自由获得标准的啮齿动物食物和水。动物实验于当地时间约9:00开始,所有动物在2小时内处死。
4. 胰岛素刺激的葡萄糖摄取在分离的小鼠骨骼肌中
5. 孤立小鼠骨骼肌收缩刺激葡萄糖摄取
注意:为了诱导孤立的小鼠骨骼肌收缩,请使用以下方案:1个训练/ 15秒,每个训练1秒长,由以100 Hz传递的0.2 ms脉冲组成。然而,其他类似的方案引发孤立的小鼠骨骼肌的收缩也可能起作用。重要的是,应调整电压以产生孵化肌肉的最大力发展,这取决于实验设置。如果不能确保这一点,您可能会面临并非所有肌肉纤维都在收缩的风险。反过来,这可能会在数据集中引起偏差。
6. 骨骼肌均质化与加工
注意:下面给出的肌肉均质化程序可以通过同一组肌肉样品中的蛋白质印迹来确定葡萄糖摄取和肌细胞信号传导。
7. 放射性标记的2-脱氧葡萄糖和甘露醇的测定
8. 肌肉葡萄糖摄取率的计算
9. SDS-PAGE和蛋白质印迹分析
10.肌肉糖原、核苷酸、乳酸、肌酸和磷酸肌酸
11. 统计
如图2所示,从雌性小鼠分离出的比目鱼和EDL肌之间的基础葡萄糖摄取率相似。在12,13,19,20之前也曾多次报告。在比目鱼和EDL肌肉中,葡萄糖摄取增加约0.8和〜0.6倍,分别达到12和9μmol / g蛋白质/ h,以响应低于最大有效胰岛素浓度(100μU / mL)。当肌?...
骨骼肌葡萄糖摄取的完全调节对于保持整体健康很重要1.因此,在评估各种改变健康的干预措施时,对肌肉葡萄糖摄取的研究通常作为主要读数。在这里,我们描述了一种离体方法,用于测量小鼠分离和孵育的比目鱼和EDL肌肉中葡萄糖摄取,以响应胰岛素和电诱导的收缩。该方法快速可靠,可以精确控制孵化肌肉的周围环境,从而可以准确研究从血液中可以找到的激素和底物的?...
作者无事可披露
这项工作得到了丹麦医学科学独立研究委员会(FSS8020-00288B)和诺和诺德基金会(NNF160C0023046)的资助。这项工作还得到了丹麦糖尿病学院向Rasmus Kjøbsted提供的研究资助,该基金由诺和诺德基金会资助,拨款编号为NNF17SA0031406。作者要感谢Karina Olsen,Betina Bolmgren和Irene Bech Nielsen(哥本哈根大学理学院营养,运动和运动系)提供熟练的技术援助。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
[14C]D-mannitol | American Radiolabeled Chemicals, Inc. | ARC 0127 | |
[3H]2-deoxy-D-glucose | American Radiolabeled Chemicals, Inc. | ART 0103A | |
2-Deoxy-D-glucose | Sigma | D8375 | |
4-0 USP non-sterile surgical nylon suture | Harvard Apparatus | 51-7698 | |
Streptavidin/HRP (Conjugate) | DAKO | P0397 | Used to detect ACC protein |
Akt2 antibody | Cell Signaling | 3063 | |
AMPKα2 antibody | Santa Cruz | SC-19131 | |
aprotinin | Sigma | A1153 | |
benzamidine | Sigma | B6505 | |
Bovine serum albumin (BSA) | Sigma | A7030 | |
CaCl2 | Merck | 1020831000 | |
Calibration kit (force) | Danish Myo Technology A/S | 300041 | |
Chemiluminescence | Millipore | WBLUF0500 | |
D-Glucose | Merck | 1084180100 | |
D-Mannitol | Sigma | M4125 | |
Data collection program | National Instruments | LabVIEW software version 7.1 | |
Dialysis tubing | Visking | DTV.12000.09 Size No.9 | |
Digital imaging system | BioRad | ChemiDoc MP | |
EDTA | Sigma EDS | E9884 | |
EGTA | Sigma | E4378 | |
Electrical Pulse Stimulator | Digitimer | D330 MultiStim System | |
Glycerol | Sigma | G7757 | |
HEPES | Sigma | H7637 | |
IGEPAL CA-630 | Sigma | I8896 | |
Insulin | Novo Nordisk | Actrapid, 100 IE/mL | |
KCl | Merck | 1049361000 | |
KH2PO4 | Merck | 104873025 | |
leupeptin | Sigma | L2884 | |
MgSO4 | Merck | 1058860500 | |
Muscle Strip Myograph System | Danish Myo Technology A/S | Model 820MS | |
Na-Orthovanadate | Sigma | S6508 | |
Na-Pyrophosphate | Sigma | 221368 | |
Na-Pyruvate | Sigma | P2256 | |
NaCl | Merck | 106041000 | |
NaF | Sigma | S1504 | |
NaHCO3 | VWR | 27778260 | |
pACC Ser212 antibody | Cell Signaling | 3661 | |
pAkt Thr308 antibody | Cell Signaling | 9275 | |
pAMPK Thr172 antibody | Cell Signaling | 2531 | |
phenylmethylsulfonylfluoride | Sigma | P7626 | |
Platinum electrodes | Danish Myo Technology A/S | 300145 | |
pTBC1D4 Ser588 antibody | Cell Signaling | 8730 | |
Scintillation counter | Perkin Elmer | Tri-Carb-2910TR | |
Scintillation fluid | Perkin Elmer | 6013329 | |
Statistical analyses software | Systat | SigmaPlot version 14 | |
TBC1D4 antibody | Abcam | ab189890 | |
TissueLyser II | Qiagen | 85300 | |
Ultrapure water | Merck | Milli-Q Reference A+ System | |
β-glycerophosphate | Sigma | G9422 |
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