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Method Article
Questo protocollo descrive l'isolamento dei preadipociti di topo dal grasso sottocutaneo, la loro differenziazione in adipociti maturi e l'induzione della resistenza all'insulina. L'azione dell'insulina viene valutata mediante fosforilazione/attivazione dei membri della via di segnalazione dell'insulina attraverso il western blot. Questo metodo consente la determinazione diretta della resistenza/sensibilità all'insulina negli adipociti primari.
La resistenza all'insulina è un effetto ridotto dell'insulina sulle sue cellule bersaglio, di solito derivato dalla diminuzione della segnalazione del recettore dell'insulina. La resistenza all'insulina contribuisce allo sviluppo del diabete di tipo 2 (T2D) e di altre malattie derivate dall'obesità ad alta prevalenza in tutto il mondo. Pertanto, comprendere i meccanismi alla base della resistenza all'insulina è di grande rilevanza. Diversi modelli sono stati utilizzati per studiare la resistenza all'insulina sia in vivo che in vitro; Gli adipociti primari rappresentano un'opzione interessante per studiare i meccanismi di insulino-resistenza e identificare le molecole che contrastano questa condizione e i bersagli molecolari dei farmaci insulino-sensibilizzanti. Qui, abbiamo stabilito un modello di insulino-resistenza utilizzando adipociti primari in coltura trattata con fattore di necrosi tumorale α (TNF-α).
Le cellule precursori degli adipociti (APC), isolate dal tessuto adiposo sottocutaneo sottocutaneo di topo digerito con collagenasi mediante tecnologia di separazione cellulare magnetica, sono differenziate in adipociti primari. La resistenza all'insulina viene quindi indotta dal trattamento con TNF-α, una citochina proinfiammatoria che riduce la fosforilazione/attivazione della tirosina dei membri della cascata di segnalazione dell'insulina. La diminuzione della fosforilazione del recettore dell'insulina (IR), del substrato del recettore dell'insulina (IRS-1) e della proteina chinasi B (AKT) è quantificata dal western blot. Questo metodo fornisce un ottimo strumento per studiare i meccanismi che mediano l'insulino-resistenza nel tessuto adiposo.
L'insulina è un ormone anabolizzante prodotto dalle cellule β delle isole pancreatiche e il regolatore chiave del metabolismo del glucosio e dei lipidi. Tra le sue numerose funzioni, l'insulina regola l'assorbimento del glucosio, la sintesi del glicogeno, la gluconeogenesi, la sintesi proteica, la lipogenesi e la lipolisi1. Il segnale molecolare iniziale dopo l'interazione dell'insulina con il suo recettore (IR) è l'attivazione dell'attività intrinseca della proteina chinasi tirosina di IR2, con conseguente autofosforilazione3 e successiva attivazione di una famiglia di proteine note come substrati del recettore dell'insulina (IRS), che si lega alle proteine adattatrici portando all'attivazione di una cascata di protein chinasi4 . L'insulina attiva due principali vie di segnalazione: fosfatidilinositolo 3-chinasi (PI3K)-proteina chinasi B (AKT) e Ras-mitogen-activated protein chinasi (MAPK). Il primo costituisce un importante punto di diramazione o nodo 4,5 per l'attivazione di numerosi effettori a valle coinvolti in diverse funzioni fisiologiche, tra cui la regolazione dell'omeostasi del combustibile, mentre il secondo regola la crescita e la differenziazione cellulare 4,6. Le azioni dell'insulina dipendono in ultima analisi dal tipo di cellula e dal contesto fisiologico7.
Uno dei principali tessuti metabolici insulino-sensibili è il tessuto adiposo. Il tessuto adiposo bianco è il tipo di grasso più abbondante nell'uomo e nei roditori, distribuito all'interno del grasso sottocutaneo (tra la pelle e i muscoli) e del grasso viscerale (intorno agli organi nella cavità addominale). Dato il loro grande volume, gli adipociti o le cellule adipose sono il tipo di cellula più abbondante nel tessuto adiposo. Queste cellule adipose possono essere marroni / beige (termogeniche), rosa (nella ghiandola mammaria) e bianco 8,9. Gli adipociti bianchi mantengono le principali riserve energetiche nel corpo sotto forma di trigliceridi, un processo insulino-dipendente. L'insulina favorisce il trasporto del glucosio e la lipogenesi, mentre inibisce la lipolisi o la degradazione dei lipidi 7,10. Facilita anche la differenziazione dei preadipociti in adipociti - le cellule mature che immagazzinano il grasso11.
La resistenza all'insulina si verifica quando un livello normale di insulina produce una risposta biologica attenuata, con conseguente iperinsulinemia compensatoria12. La resistenza all'insulina è una condizione associata a sovrappeso e obesità5, che quando combinata porta al diabete di tipo 2 (T2D) e ad altre malattie metaboliche13. L'iperinsulinemia compensa la resistenza all'insulina nei tessuti periferici per mantenere normali livelli di glucosio nel sangue14. Tuttavia, l'eventuale perdita o esaurimento delle cellule β, insieme all'esacerbata resistenza all'insulina, porta a livelli elevati di glucosio nel sangue coerenti con T2D5. Pertanto, l'insulino-resistenza e l'iperinsulinemia possono contribuire allo sviluppo di malattie metaboliche derivate dall'obesità15. Inoltre, l'obesità può causare infiammazione locale cronica di basso grado promuovendo la resistenza all'insulina nel tessuto adiposo15,16,17. Inoltre, le alterazioni derivate dall'obesità nel tessuto adiposo, come la fibrosi, l'infiammazione e la riduzione dell'angiogenesi e dell'adipogenesi, portano a livelli sierici di adiponectina più bassi (un sensibilizzante dell'insulina) e ad un aumento della secrezione di fattori come l'inibitore dell'attivatore del plasminogeno 1 (PAI-1), acidi grassi liberi ed esosomi nel flusso sanguigno, esacerbando la resistenza all'insulina17.
Molti aspetti alla base della resistenza all'insulina rimangono sconosciuti. Sono stati sviluppati modelli in vitro e in vivo per studiare i meccanismi che mediano la resistenza all'insulina nei principali tessuti bersaglio, incluso il tessuto adiposo. Il vantaggio dei modelli in vitro è che i ricercatori hanno un maggiore controllo delle condizioni ambientali e possono valutare la resistenza all'insulina in specifici tipi di cellule. In particolare, le cellule precursori degli adipociti (APC) hanno il fenotipo individuale del tessuto donatore, che potrebbe riflettere meglio la fisiologia rispetto alle linee cellulari adipocitarie. Uno dei principali fattori che inducono insulino-resistenza in vitro è il fattore di necrosi tumorale α (TNF-α). Il TNF-α è una citochina proinfiammatoria secreta dagli adipociti e dai macrofagi nel tessuto adiposo18. Mentre è necessario per il corretto rimodellamento ed espansione del tessuto adiposo19, l'esposizione a lungo termine al TNF-α induce insulino-resistenza nel tessuto adiposo in vivo e negli adipociti in vitro20. Il trattamento cronico con TNF-α di diversi tipi cellulari porta ad un aumento della fosforilazione della serina sia di IR che di IRS-1, promuovendo così una diminuzione della fosforilazione della tirosina21. L'aumento della fosforilazione di IRS-1 sui residui di serina inibisce l'attività della tirosin-chinasi IR e può essere uno dei meccanismi chiave attraverso i quali il trattamento cronico con TNF-α altera l'azione dell'insulina22,23. Il TNF-α attiva vie che coinvolgono l'inibitore della serina/treonina chinasi del fattore nucleare ĸB chinasi β (IKKβ) e della chinasi terminale c-Jun N (JNK)24. JNK induce un complesso programma trascrizionale proinfiammatorio ma fosforila direttamente IRS-16.
Comprendere la patogenesi dell'insulino-resistenza è diventato sempre più importante per guidare lo sviluppo di future terapie contro il T2D. Le APC hanno dimostrato di essere un modello eccellente per lo studio della biologia delle cellule adipose, compresa la sensibilità e la resistenza all'insulina, e per identificare le proprietà intrinseche degli adipociti indipendenti dall'ambiente sistemico. Le APC possono essere facilmente ottenute da diversi depositi adiposi e, nelle condizioni appropriate, differenziate in adipociti maturi. Con questo metodo, gli effetti diretti sulla resistenza/sensibilità all'insulina possono essere valutati negli adipociti.
Tutti gli esperimenti sui roditori sono stati approvati dal Comitato di Bioetica dell'Istituto di Neurobiologia dell'UNAM, numero di protocollo 075.
1. Isolamento delle cellule precursori degli adipociti di topo
2. Differenziazione degli adipociti e induzione dell'insulino-resistenza
NOTA: Mantenere le cellule a 37 °C in 5% di CO2 ed eseguire passaggi che comportano il cambiamento del terreno e trattamenti con TNF-α e insulina all'interno di una cappa sterile.
3. Valutazione della via di segnalazione dell'insulina mediante western blot
Negli ultimi anni, l'aumento della prevalenza di obesità e T2D ha stimolato un'intensa ricerca dei meccanismi che mediano l'insulino-resistenza nel tessuto adiposo. Con il protocollo qui descritto, le APC possono essere differenziate in adipociti maturi per valutare la resistenza e la sensibilità all'insulina. Una volta che le APC raggiungono la confluenza, ci vogliono 10 giorni per completare la loro differenziazione in adipociti maturi e la loro induzione di insulino-resistenza mediata da TNF-α (
Questo articolo fornisce un metodo per studiare la resistenza all'insulina che utilizza adipociti primari in coltura trattata con TNF-α. Questo modello ha il vantaggio che gli adipociti primari possono essere coltivati in condizioni definite per lunghi periodi di tempo con uno stretto controllo dei fattori ambientali cellulari26. La durata del test è di 15-20 giorni, anche se possono verificarsi variazioni nella percentuale di adipociti differenziati tra gli esperimenti. Gli adipociti primari ha...
Gli autori non dichiarano conflitti di interesse.
Ringraziamo Daniel Mondragón, Antonio Prado, Fernando López-Barrera, Martín García-Servín, Alejandra Castilla e María Antonieta Carbajo per la loro assistenza tecnica, e Jessica Gonzalez Norris per aver curato criticamente il manoscritto. Questo protocollo è stato sostenuto dal Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México (CONACYT), Fondo Sectorial de Investigación para la Educación Grant 284771 (to Y.M.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1. Isolation mouse adipocyte precursor cells | |||
ACK lysing buffer | LONZA | 10-548E | |
Anti-Biotin Microbeads | Miltenyi | 130-090-485 | |
Anti-CD31 | eBioscience | 13-0311-85 | |
AutoMACS Pro Separator | Miltenyi | ||
Basement membrane matrix (matrigel) | Corning | 354234 | |
bFGF | Sigma | F0291 | Growth factor |
BSA | Equitech-Bio, Inc. | BAC63-1000 | |
CD45 Monoclonal Antibody (30-F11) - Biotin | eBioscience | 13-0451-85 | |
Collagenase, Type 1 | Worthington Biochem | LS004197 | |
Dexamethasone | Sigma | D1756 | |
DMEM | GIBCO | 12800017 | |
DMEM low glucose | GIBCO | 31600-034 | |
EGF | Peprotech | 315-09 | Growth factor |
FBS | GIBCO | 26140-079 | |
ITS mix | Sigma | I3146 | |
L-ascorbic acid 2-phosphate | Sigma | A8960 | |
LIF | Millipore | ESG1107 | Growth factor |
Linoleic acid-albumin | Sigma | L9530 | |
MCDB 201 medium | Sigma | M6770 | |
Normocin | InvivoGen | ant-nr-2 | |
PDGF-BB | Peprotech | 315-18 | Growth factor |
Peniciline-Streptomycine | BioWest | L0022-100 | |
Pre-Separation Filters (70 µm) | Miltenyi | 130-095-823 | |
Purified Rat Anti-Mouse CD16 / CD32 | BD Pharmingen | 553142 | |
Trypsin-EDTA | GIBCO | 25300062 | |
2. Adipocyte differentiation and insulin resistance induction | |||
3-Isobutyl-1-methylxanthine [IBMX] | Sigma | I5879 | Differentiation cocktail |
BMP4 | R&D Systems | 5020-BP-010 | Differentiation cocktail |
Dexamethasone | Sigma | D1756 | Differentiation cocktail |
Insulin | Sigma | I9278 | |
Rosiglitazone | Cayman | 71742 | Differentiation cocktail |
TNFα | R&D Systems | 210-TA-005 | |
3. Evaluation of insulin signaling pathway by western blot | |||
Anti-beta tubulin antibody | Abcam | ab6046 | |
Bromophenol blue | BioRad | 161-0404 | Laemmli buffer |
EDTA | Sigma | E5134 | RIPA buffer |
EGTA | Sigma | E4378 | RIPA buffer |
FluorChem E system | ProteinSimple | ||
Glycerol | Sigma | G6279 | Laemmli buffer |
Glycine | Sigma | G7126 | Running and Transfer buffer |
Igepal | Sigma | I3021 | RIPA buffer |
2- mercaptoethanol | Sigma | M3148 | Laemmli buffer |
Methanol | JT Baker | 907007 | Transfer buffer |
NaCl | JT Baker | 3624-05 | TBS-T |
NaF | Sigma | 77F-0379 | RIPA buffer |
NaOH | JT Baker | 3722-19 | |
Na4P2O7 | Sigma | 114F-0762 | RIPA buffer |
Na3VO4 | Sigma | S6508 | RIPA buffer |
Nitrocellulose membrane | BioRad | 1620112 | |
Nonfat dry milk | BioRad | 1706404 | Blocking solution |
Prestained protein standard | BioRad | 1610395 | |
Protease inhibitor cocktail | Sigma | P8340-5ML | |
Peroxidase AffiniPure Donkey Anti-Rabbit IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch | 711-035-132 | |
Phospho- Insulin Receptor β | Cell signaling | 3024 | |
Phospho-Akt (Ser473) Antibody | Cell signaling | 9271 | |
Phospho-IRS1 (Tyr608) antibody | Millipore | 9432 | |
Saccharose | JT Baker | 407205 | RIPA buffer |
SDS | BioRad | 1610302 | Running and laemmli buffer |
SuperSignal West Pico PLUS Chemiluminescent Substrate | Thermo Scientific | 34577 | |
Tris-base | Promega | H5135 | Running, transfer and laemmli buffer |
Tris-HCl | JT Baker | 4103-02 | RIPA buffer - TBS |
Tween 20 | Sigma | P1379 | TBS-T |
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