下丘脑神经元周围网络组装是大鼠成纤维细胞生长因子1诱导的持续糖尿病缓解所必需的

Hypothalamic perineuronal net assembly is required for sustained diabetes remission induced by fibroblast growth factor 1 in rats

作者信息Kimberly M Alonge, Zaman Mirzadeh, Jarrad M Scarlett, Aric F Logsdon, Jenny M Brown, Elaine Cabrales, Christina K Chan, Karl J Kaiyala, Marie A Bentsen, William A Banks, Miklos Guttman, Thomas N Wight, Gregory J Morton, Michael W Schwartz
PMID32895577
期刊Nat Metab
发布时间2020-10
DOI10.1038/s42255-020-00275-6

实验完整度

包含ZDF大鼠和HFD/STZ大鼠模型、免疫荧光与立体学分析、LC-MS2硫酸化模式分析、ChABC酶消化干预及体内功能验证等多个独立证据层级,并进行功能与机制验证。

主要模型

ZDF大鼠(Zucker Diabetic Fatty rat) HFD/STZ Wistar大鼠 Wistar大鼠(对照) 人下丘脑组织样本

重点核对

ZDF大鼠模型(ZDF-Lepfa/Crl,雄性) icv FGF1注射剂量:3 μg/只 ChABC微注射剂量:17.5 mU/175 nL STZ剂量:30 mg/kg sc 高脂饮食(60% HFD)持续时间:2周

摘要

We recently showed that perineuronal nets (PNNs) enmesh glucoregulatory neurons in the arcuate nucleus (Arc) of the mediobasal hypothalamus (MBH)1, but whether these PNNs play a role in either the pathogenesis of type 2 diabetes (T2D) or its treatment remains unclear. Here we show that PNN abundance within the Arc is markedly reduced in the Zucker diabetic fatty (ZDF) rat model of T2D, compared with normoglycaemic rats, correlating with altered PNN-associated sulfation patterns of chondroitin sulfate glycosaminoglycans in the MBH. Each of these PNN-associated changes is reversed following a single intracerebroventricular (icv) injection of fibroblast growth factor 1 (FGF1) at a dose that induces sustained diabetes remission in male ZDF rats. Combined with previous work localizing this FGF1 effect to the Arc area2-4, our finding that enzymatic digestion of Arc PNNs markedly shortens the duration of diabetes remission following icv FGF1 injection in these animals identifies these extracellular matrix structures as previously unrecognized participants in the mechanism underlying diabetes remission induced by the central action of FGF1.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
下丘脑弓状核中的神经元周围网络是否参与2型糖尿病的病理过程及FGF1诱导的持续糖尿病缓解机制?
核心机制
FGF1通过逆转ZDF大鼠弓状核中异常的PNN组装(包括恢复PNN丰度和CS/DS-GAG硫酸化模式)来发挥持续降糖作用;PNN的完整性对于FGF1诱导的持续降糖(但非急性厌食效应)是必需的。
主要证据
ZDF大鼠中PNN丰度降低,CS硫酸化模式异常;单次icv FGF1可逆转这些异常;ChABC消化PNN显著缩短FGF1诱导的糖尿病缓解持续时间(post-acute phase血糖升高)。
研究意义
首次直接证明下丘脑PNN参与血糖稳态控制,为糖尿病治疗提供新的潜在靶点。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

PNN形态与组成的基线表征

比较正常血糖Wistar大鼠和糖尿病ZDF大鼠下丘脑弓状核中PNN的形态、分布和组成。

通过免疫荧光标记WFA和aggrecan,对脑切片进行共聚焦显微镜成像,并利用立体学方法量化PNN平均荧光强度。

2

CS/DS-GAG硫酸化模式分析

定量比较正常和糖尿病大鼠下丘脑组织中CS/DS二糖组成及硫酸化模式。

从固定脑组织中提取CS/DS二糖,采用LC-MS2结合MRM分析定量各CS异构体。

3

FGF1治疗对PNN组装及组成的影响

评估单次icv FGF1注射对ZDF大鼠弓状核PNN丰度和CS/DS-GAG硫酸化模式的影响。

对糖尿病ZDF大鼠给予单次icv FGF1(3 μg)或vehicle,24天后进行PNN免疫荧光定量和CS/DS-GAG分析。

4

ChABC介导的PNN降解对FGF1持续降糖作用的影响

验证PNN完整性对于FGF1诱导的持续糖尿病缓解是否必需。

在同一手术过程中,对ZDF大鼠给予icv FGF1并双侧微注射ChABC或heat-inactivated ChABC(vehicle)至弓状核,监测28天内血糖、体重和食物摄入。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
紫藤凝集素Sigma-AldrichL1516
抗聚集蛋白聚糖抗体MilliporeAB1031
抗硫酸软骨素-4-stub抗体MilliporeMAB2030
抗HAPLN-1抗体R&DAF2608
抗腱生蛋白R抗体Santa Cruz Biotechnologysc-376341
抗小清蛋白抗体R&DAF5058
驴抗绵羊488InvitrogenA11015
驴抗兔555InvitrogenA31572
链霉亲和素647InvitrogenS32357
链霉亲和素555InvitrogenS32355
驴抗兔647InvitrogenA31573
链霉亲和素488InvitrogenS32354
驴抗兔594InvitrogenA21207
驴抗兔488InvitrogenA21206
驴抗小鼠555InvitrogenA31570
驴抗山羊647InvitrogenA21447
山羊抗兔488InvitrogenA11008
链霉亲和素568InvitrogenS11226
最佳切割温度(OCT)包埋剂----
Fluoromount-G封片剂ThermoFisher4958-02
Leica CM1950冷冻切片机Leica--
Nikon A1R HD共聚焦显微镜Nikon--
Zeiss Axio Observer 7荧光显微镜Zeiss--
成纤维细胞生长因子1Prospec-Tany TechnoGene Ltd--
软骨素酶ABCSigma-AldrichC3667
链脲佐菌素Sigma-Aldrich--
高脂饲料(D12492)Research Diets--
Nanoject III微量注射系统Drummond Scientific--
SpeedVac浓缩仪----
Waters Xevo TQ-S质谱仪Waters--
Waters Acquity I-class超高效液相色谱系统Waters--
Hypercarb色谱柱ThermoFisher--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
动物模型
大鼠品系、性别、年龄、饲养条件
阅读提示:Methods: Study animals
糖尿病诱导
ZDF大鼠糖尿病标准(血糖>250 mg/dL持续3天),HFD/STZ模型(STZ剂量30 mg/kg sc,HFD 60%)
阅读提示:Methods: Criteria for diabetes and diabetes remission, STZ/HFD-Wistar rat model of T2D
icv FGF1注射
FGF1剂量3 μg,注射体积2 μL,注射速度,注射位点(侧脑室坐标)
阅读提示:Methods: Surgery, Intracerebroventricular (icv) injections
ChABC微注射
ChABC剂量17.5 mU/175 nL,注射位点(MBH坐标),注射速率1 nL/s
阅读提示:Methods: Surgery, Unilateral and bilateral intraparenchymal microinjections targeting the MBH
免疫荧光定量
抗体稀释度(WFA 1:1000, aggrecan 1:1000等),切片厚度30 μm,分析区域(ArcM, ArcL)
阅读提示:Methods: Immunofluorescent labeling, confocal microscopy, and mean fluorescence intensity quantifications