In dit protocol worden methoden geschetst die relevant zijn voor BAT-geoptimaliseerde arterioveneuze metabolomics met behulp van GC-MS in een muismodel. Deze methoden maken het mogelijk om waardevolle inzichten te verwerven in de uitwisseling van BBT-gemedieerde metabolieten op organismaal niveau.
Bruin vetweefsel (BAT) speelt een cruciale rol bij het reguleren van metabole homeostase door middel van een uniek energieverbruiksproces dat bekend staat als niet-rillende thermogenese. Om dit te bereiken, maakt BAT gebruik van een gevarieerd menu van circulerende voedingsstoffen om de hoge metabolische vraag te ondersteunen. Bovendien scheidt BAT van metabolieten afgeleide bioactieve factoren af die kunnen dienen als metabole brandstoffen of signaalmoleculen, waardoor BAT-gemedieerde communicatie tussen weefsels en/of tussen weefsels wordt vergemakkelijkt. Dit suggereert dat BAT actief deelneemt aan de uitwisseling van systemische metabolieten, een interessant kenmerk dat begint te worden onderzocht. Hier introduceren we een protocol voor in vivo geoptimaliseerde BAT-arterioveneuze metabolomics op muisniveau. Het protocol richt zich op relevante methoden voor thermogene stimulaties en een arterioveneuze bloedafnametechniek met behulp van de ader van Sulzer, die selectief interscapulier BAT-afgeleid veneus bloed en systemisch arterieel bloed afvoert. Vervolgens wordt een op gaschromatografie gebaseerd metabolomics-protocol gedemonstreerd met behulp van die bloedmonsters. Het gebruik van deze techniek zou het inzicht in de uitwisseling van BBT-gereguleerde metabolieten op het niveau tussen organen moeten vergroten door de netto-opname en afgifte van metabolieten door BBT te meten.
Bruin vetweefsel (BAT) bezit een unieke eigenschap van energieverbruik die bekend staat als niet-rillende thermogenese (NST), waarbij zowel mitochondriale ontkoppelingsproteïne 1 (UCP1)-afhankelijke als UCP1-onafhankelijke mechanismenbetrokken zijn 1,2,3,4,5. Deze onderscheidende kenmerken impliceren BAT bij de regulatie van het systemische metabolisme en de pathogenese van stofwisselingsziekten, waaronder obesitas, diabetes type 2, hart- en vaatziekten en kankercachexie 6,7,8. Recente retrospectieve studies hebben een omgekeerd verband aangetoond tussen BAT-massa en/of de metabole activiteit ervan met obesitas, hyperglykemie en cardiometabole gezondheid bij mensen 9,10,11.
Onlangs is BBT voorgesteld als een metabolische put die verantwoordelijk is voor het in stand houden van NST, aangezien het aanzienlijke hoeveelheden circulerende voedingsstoffen vereist als thermogene brandstof 6,7. Bovendien kan BAT bioactieve factoren genereren en afgeven, bruine adipokines of BATokines genoemd, die fungeren als endocriene en/of paracriene signalen, wat wijst op zijn actieve betrokkenheid bij metabole homeostase op systeemniveau 12,13,14,15. Daarom zou het begrijpen van het nutriëntenmetabolisme van BBT ons begrip van de pathofysiologische betekenis ervan bij mensen moeten vergroten, naast zijn conventionele rol als thermoregulerend orgaan.
Metabolomische studies waarbij gebruik wordt gemaakt van stabiele isotopentracers, in combinatie met klassieke nutriëntenopnamestudies met niet-metaboliseerbare radiotracers, hebben ons begrip van welke nutriënten bij voorkeur door BBT worden opgenomen en hoe ze worden gebruikt aanzienlijk verbeterd 16,17,18,19,20,21,22,23,24,2526,27. Radioactieve tracerstudies hebben bijvoorbeeld aangetoond dat koud geactiveerde BAT glucose, lipoproteïne-gebonden vetzuren en vertakte aminozuren opneemt 16,17,18,19,20,21,22,23,27. Recente isotopentracering in combinatie met metabolomische studies heeft ons in staat gesteld om het metabole lot en de flux van deze voedingsstoffen in weefsels en gekweekte cellen te meten 24,25,26,28,29,30. Deze analyses richten zich echter voornamelijk op het individuele gebruik van voedingsstoffen, waardoor we beperkte kennis hebben van de rol van BAT op systeemniveau bij de uitwisseling van orgaanmetabolieten. Vragen over de specifieke reeks circulerende nutriënten die door BBT worden geconsumeerd en hun kwantitatieve bijdragen in termen van koolstof en stikstof blijven ongrijpbaar. Bovendien is het onderzoek naar de vraag of BAT metaboliet-afgeleide BATokines (bijv. lipokines) kan genereren en vrijgeven met behulp van voedingsstoffen nog maar net begonnen 12,13,14,15,31,32.
Arterioveneuze bloedanalyse is een klassieke fysiologische benadering die wordt gebruikt om de specifieke opname of afgifte van circulerende moleculen in organen/weefsels te beoordelen. Deze techniek is eerder toegepast op de interscapulaire BAT van ratten om zuurstof en verschillende metabolieten te meten, waardoor BAT de belangrijkste plaats van adaptieve thermogenese is geworden met zijn katabole potentieel 33,34,35,36,37. Onlangs werd een arterioveneuze studie met behulp van interscapulaire BAT bij ratten gekoppeld aan een trans-omics-benadering, wat leidde tot de identificatie van onontdekte BATokines die vrijkomen door thermogeen gestimuleerde BAT38.
Recente ontwikkelingen op het gebied van hooggevoelige gaschromatografie en vloeistofchromatografie-massaspectrometrie (GC-MS en LC-MS) gebaseerde metabolomics hebben de belangstelling voor arterioveneuze studies voor de kwantitatieve analyse van orgaanspecifieke metabolietuitwisseling opnieuw aangewakkerd 39,40,41. Deze technieken, met hun hoge oplossend vermogen en massanauwkeurigheid, maken de uitgebreide analyse van een breed scala aan metabolieten mogelijk met behulp van kleine monsterhoeveelheden.
In overeenstemming met deze vooruitgang heeft een recente studie met succes arterioveneuze metabolomics aangepast voor het bestuderen van BAT op muisniveau, waardoor de kwantitatieve analyse van metabolietuitwisselingsactiviteiten in BBT onder verschillende omstandigheden mogelijk is42. Dit artikel presenteert een BAT-gericht arterioveneuze metabolomics-protocol met behulp van GC-MS in een C57BL/6J-muismodel.
Een cruciale stap in het begrijpen van het metabolische potentieel van BAT in de energiebalans van het hele lichaam is om te bepalen welke voedingsstoffen het verbruikt, hoe ze metabolisch worden verwerkt en welke metabolieten in de bloedsomloop vrijkomen. Dit protocol introduceert een gespecialiseerde arterioveneuze bemonsteringstechniek die toegang geeft tot het veneuze vaatstelsel van interscapulaire BAT en systemische arteriële vasculatuur in C57BL/6J-muizen, die onlangs is ontwikkeld en gevalideerd door Park et al<…
The authors have nothing to disclose.
We danken alle leden van de laboratoria van Choi en Jung voor de methodologische discussie. Wij danken C. Jang en D. Guertin voor hun advies en feedback. We danken M.S. Choi voor het kritisch lezen van het manuscript. Dit werk werd gefinancierd door NRF-2022R1C1C1012034 aan S.M.J.; NRF-2022R1C1C1007023 aan D.W.C; NRF-2022R1A4A3024551 aan S.M.J. en D.W.C. Dit werk werd ondersteund door Chungnam National University voor W.T.K. Figuur 1 en Figuur 2 zijn gemaakt met behulp van 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 |