Deplezione extracellulare di glucosio come misura indiretta dell'assorbimento di glucosio nelle cellule e nei tessuti Ex Vivo

La domanda di misurazione dell’assorbimento di glucosio aumenta insieme alla necessità critica di affrontare un aumento epidemico di una moltitudine di malattie dipendenti dal metabolismo del glucosio. I meccanismi alla base delle malattie metaboliche degenerative, dei disturbi neurologici e cognitivi¹, delle malattie infiammatorie² e infettive³, del cancro ^4,5, così come dell’invecchiamento⁶, dipendono dal metabolismo del glucosio per l’energia e il suo stoccaggio, i processi anabolici, le proteine e la modificazione genica, la segnalazione, la regolazione dei geni e la sintesi e la replicazione degli acidi nucleici ^7,8,9 . Il diabete mellito (DM) è direttamente correlato al malfunzionamento della regolazione dell’assorbimento del glucosio. La DM è uno spettro di malattie croniche come il diabete mellito di tipo 1, -2 e -3, il diabete gestazionale, il diabete ad esordio maturo dei giovani e altri tipi di questa malattia indotti da fattori ambientali e / o genetici. Nel 2016, il primo rapporto globale dell’OMS sul diabete ha dimostrato che il numero di adulti che vivono con il DM più diffuso è quasi quadruplicato dal 1980 a 422 milioni di adulti¹⁰, e questo numero di pazienti DM è aumentato esponenzialmente negli ultimi decenni. Solo nel 2019, una stima di 1,5 milioni di morti è stata causata direttamente da¹⁰ DM. Questo drammatico aumento è dovuto all’aumento del DM di tipo 2 e alle condizioni che lo guidano, tra cui sovrappeso e obesità¹⁰. La pandemia di COVID-19 ha rivelato un aumento di due volte della mortalità nei pazienti con DM rispetto alla popolazione generale, suggerendo il ruolo profondo ma poco compreso del metabolismo del glucosio nella difesa immunitaria³. La prevenzione, la diagnosi precoce e il trattamento del DM, dell’obesità e di altre malattie richiedono l’ottimizzazione delle misurazioni dell’assorbimento del glucosio da parte di diversi tessuti e l’identificazione dei fattori ambientali¹¹, nutrizionali¹², endocrini¹³,^{genetici 14} ed epigenetici¹⁵ che influenzano l’assorbimento del glucosio.

Nella ricerca, l’assorbimento intracellulare e/o tissutale di glucosio è comunemente misurato da glucosio marcato fluorescentemente (FD-glucosio) in vitro 16,17,18 e in vivo¹⁹. Fd-glucosio è diventato un metodo preferito rispetto a metodi più precisi che utilizzano glucosio²⁰ marcato radioattivamente, analisi analitica di spettroscopia^{di massa 21}, metabolomica²², metodi di risonanza magnetica nucleare²³ e tomografia ad emissione di positroni / tomografia computerizzata (PET / CT) ^5,24. A differenza dell’assorbimento di FD-glucosio, i metodi analitici che richiedono più materiale biologico possono comportare una preparazione del campione in più fasi, strumenti costosi e analisi di dati complessi. Misurazioni efficaci e poco costose dell’assorbimento di glucosio FD in colture cellulari sono state utilizzate in esperimenti proof-of-concept e potrebbero richiedere la convalida con altri metodi.

La base dell’applicazione di FD-glucosio per gli studi sull’assorbimento del glucosio è il ridotto metabolismo del glucosio FD rispetto al glucosio endogeno²⁵. Tuttavia, sia il glucosio endogeno che il glucosio FD sono distribuiti dinamicamente tra tutti i compartimenti cellulari per l’uso nei processi anabolici, catabolici e di segnalazione. La compartimentazione e l’elaborazione dipendente dal tempo²⁵ del glucosio FD interferiscono con le misurazioni di fluorescenza e rappresentano i principali fattori limitanti per l’uso di questo test in esperimenti di screening ad alto rendimento, analisi cinetica, coltura cellulare 3D, co-colture ed esperimenti di espianto tissutale. Qui, forniamo dati che dimostrano un’alta correlazione tra l’esaurimento extracellulare di FD-glucosio e il suo assorbimento intracellulare, suggerendo l’esaurimento extracellulare di FD-glucosio come misura surrogata per l’assorbimento intracellulare di glucosio. La misurazione della deplezione extracellulare del glucosio è stata applicata per convalidare le differenze tessuto-specifiche nell’assorbimento del glucosio nei topi trattati con insulina e un farmaco sperimentale¹⁸ per fornire una prova di principio di questo metodo.

L’attuale protocollo descrive le misurazioni intracellulari ed extracellulari (Figura 1) dell’assorbimento di FD-glucosio nelle cellule 3T3-L1. Le sezioni del protocollo 1-7 spiegano la coltura e la crescita delle cellule per 48 ore; fame cellulare, stimolazione e misurazioni extracellulari di base; e misure post-stimolazione di FD-glucosio extracellulare e misurazioni intracellulari di FD-glucosio e proteine. La sezione 8 del protocollo descrive la misurazione ex vivo dell’assorbimento extracellulare di FD-glucosio in tessuti sezionati da topi ob/ob in presenza e assenza di insulina e composto di aminoacidi 2 (AAC2) descritti altrove¹⁸.