ECHO熒光顯微鏡在脂肪產(chǎn)熱新機(jī)制研究中的應(yīng)用

肥胖是指脂肪層的堆積，減肥不僅是為了更美，也是為了更健康，肥胖已被證明會(huì)增加多種疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，如心血管疾病、癌癥、脂肪肝等，但對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，控制體重卻非常困難。減肥則主要通過(guò)刺激脂肪組織產(chǎn)熱增加全身的能量消耗，運(yùn)動(dòng)和節(jié)食是我們最常見(jiàn)的方式，但運(yùn)動(dòng)和節(jié)食太累和痛苦，難以堅(jiān)持；因此有很多人選擇使用藥物來(lái)進(jìn)行體重的控制。現(xiàn)有刺激脂肪產(chǎn)熱藥物大多以β3-腎上腺素能受體（β3-AR）為靶點(diǎn)，通過(guò)激活β3-AR及其下游信號(hào)通路，活化解偶聯(lián)蛋白（UCP1），從而引起脂肪組織產(chǎn)熱。但是β-AR激動(dòng)劑會(huì)導(dǎo)致血壓增加，可能誘發(fā)心血管疾病。因此需要一種更低風(fēng)險(xiǎn)和安全的藥物靶點(diǎn)。
 

美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校糖尿病中心的研究人員對(duì)之前報(bào)道的一個(gè)與UCP無(wú)關(guān)的產(chǎn)熱機(jī)制進(jìn)行了進(jìn)一步探索，研究者們將該機(jī)制的驗(yàn)證以《Wireless optogenetics protects against obesity via stimulation of non-canonical fat thermogenesis》為題發(fā)表在《Nature Communications》上。
 

這個(gè)與UCP無(wú)關(guān)的產(chǎn)熱機(jī)制涉及依賴于ATP的Ca2+通過(guò)肌/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+-ATPase2b (SERCA2b)和Ryanodine受體2 (RyR2)的無(wú)效循環(huán)（無(wú)效循環(huán)指兩物質(zhì)自由能始終存在差異，自由能一高一低，即該循環(huán)發(fā)生必須從循環(huán)外注入能量）。之前研究發(fā)現(xiàn)作用于RyR2-Calstabin復(fù)合體的化學(xué)穩(wěn)定劑S107可以增強(qiáng)Ca2+無(wú)效循環(huán)，刺激非UCP1依賴的產(chǎn)熱，并保護(hù)UCP1缺失的小鼠在寒冷暴露后不會(huì)降低體溫。但是S107是全身性給予小鼠的，無(wú)法排除脂肪組織以外的其他組織，如骨骼肌，可能有助于UCP1非依賴性產(chǎn)熱的可能性，因此本文采用了獨(dú)特的光遺傳學(xué)方法，對(duì)脂肪細(xì)胞進(jìn)行特異性操作，以嚴(yán)格測(cè)試非典型脂肪產(chǎn)熱治療肥胖的可能。
 

光遺傳學(xué)是對(duì)體內(nèi)神經(jīng)元或細(xì)胞活動(dòng)進(jìn)行時(shí)間和空間操作的強(qiáng)大工具。傳統(tǒng)的光遺傳學(xué)研究需要光纖系繩和/或大型頭戴式接收器，使其在一般代謝研究中應(yīng)用受限。而無(wú)線供電的光遺傳學(xué)設(shè)備使光能夠高效、穩(wěn)定地傳遞到行為自由的動(dòng)物的外周神經(jīng)，因此本文開(kāi)發(fā)了一種可植入小鼠皮下脂肪組織的無(wú)線光遺傳學(xué)裝置，同時(shí)該裝置刺激的細(xì)胞也與之前不同，刺激脂肪細(xì)胞而非常見(jiàn)的神經(jīng)細(xì)胞。
 

無(wú)線光遺傳學(xué)裝置可以通過(guò)光激活轉(zhuǎn)入channelrhodopsin2 （ChR2，光門(mén)控的、向內(nèi)整流的陽(yáng)離子通道，傳輸質(zhì)子和單價(jià)Na+，K+和二價(jià)陽(yáng)離子Ca2+，Mg2+）的神經(jīng)細(xì)胞，并可以驅(qū)動(dòng)神經(jīng)元去極化。而該研究更進(jìn)一步，將ChR2轉(zhuǎn)入小鼠和脂肪細(xì)胞，通過(guò)光誘導(dǎo)脂肪細(xì)胞激活Ca2+循環(huán)的脂肪產(chǎn)熱，增加全身能量消耗。
 

首先對(duì)細(xì)胞層面的可行性進(jìn)行分析，確定轉(zhuǎn)入ChR2的米色脂肪細(xì)胞可以被光激活膜去極化觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)Ca2+內(nèi)流，通過(guò)Echo Revolve正倒置一體顯微鏡對(duì)轉(zhuǎn)入ChR2脂肪細(xì)胞在光激活下的Ca2+含量，如視頻顯示的，光激活后，細(xì)胞內(nèi)Ca2+含量明顯升高。且對(duì)耗氧量分析發(fā)現(xiàn)，光激活的脂肪細(xì)胞耗氧量明顯增加。
 

進(jìn)一步對(duì)體內(nèi)脂肪是否會(huì)被激活進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)對(duì)溫度，耗氧量等的檢測(cè)確定，光激活后小鼠激活部位溫度升高，整體耗氧量增加，表明非UCP1依賴的產(chǎn)熱途徑在體內(nèi)脂肪細(xì)胞中可以被激活并發(fā)揮作用。通過(guò)對(duì)高脂肪飲食（HFD）的分析發(fā)現(xiàn)，光激活小鼠其體重增加明顯少于對(duì)照組，表明非UCP1依賴的產(chǎn)熱途徑足以保護(hù)小鼠免受飲食誘導(dǎo)的體重增加。此項(xiàng)研究也首次證明了脂肪特異性冷刺激模擬可以通過(guò)激活非典型產(chǎn)熱來(lái)預(yù)防肥胖。
 

Echo Revolve正倒置一體顯微鏡

Echo Revolve展現(xiàn)了其非凡的靈活性，可以輕松地實(shí)現(xiàn)正置和倒置顯微鏡轉(zhuǎn)換，創(chuàng)新性地把正倒置顯微鏡合二為一，開(kāi)啟了顯微鏡Hybrid時(shí)代。

▲ Echo Revolve正倒置一體顯微鏡
 

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☑   全視野觀察： 更清晰，更方便。

☑   多通道熒光：多達(dá)4個(gè)EPI熒光通道，無(wú)須暗室，就可以輕松快速地完成多色熒光顯微分析。

☑   自動(dòng)化操作：通過(guò)iPad Pro點(diǎn)觸操控相機(jī)及熒光通道之間的切換，實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化操作。

☑   App應(yīng)用軟件：基于IOS的Echo App是與Apple團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)的專業(yè)顯微鏡軟件。

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