非損傷微測技術在細胞生物學研究中的應用——新陳代謝方面應用
非損傷微測技術在細胞生物學研究中的應用
——（4）新陳代謝方面應用
作者：旭月（北京）科技有限公司 美國揚格非損傷技術中心
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摘要：本文介紹了非損傷微測技術在新陳代謝研究領域的應用。
關鍵詞：非損傷微測技術，新陳代謝, 胰腺β細胞, 胚胎，解偶聯蛋白UCP3，離子分子
新陳代謝過程是非常重要的生命活動過程，對生物體的存活狀態具有重要影響。一些嚴重影響人類健康的疾病，如糖尿病等，與新陳代謝過程密切相關。非損傷微測技術[1,2]作為世界尖端水平的特異性離子分子檢測技術，測量方便、快捷、多維和實時，對樣品無任何傷害，在新陳代謝研究中擁有其他方法無法比擬的優勢。下面簡要介紹三個具體應用實例。
1 非損傷微測技術發現單克隆胰腺β細胞的耗氧量振蕩
胰腺β細胞是胰島素的分泌細胞。人們已經知道胰腺β細胞在葡萄糖刺激下，胞外Ca2+存在不同的振蕩模式。而Porterfield DM等[3]利用非損傷微測技術檢測發現，在葡萄糖刺激下，單克隆胰腺β細胞的耗氧量也存在大幅振蕩。當胞外不存在Ca2+時，振蕩現象依然存在；而恢復到正常胞外Ca2+后，振蕩幅度會增加。這表明耗氧量振蕩與Ca2+振蕩存在一定關系，但又不完全相關。胰腺β細胞的新陳代謝過程與細胞信號轉導過程間存在復雜調控關系，這種關系的破壞與糖尿病的發病可能有密切關聯。
圖1單胰腺β細胞葡萄糖誘導的耗氧量振蕩在移除胞外Ca2+和正常胞外Ca2+濃度作用下的不同效果。[3]
2 非損傷微測技術檢測小鼠胚胎耗氧量變化
母體糖尿病可引起胚胎的多種缺陷，神經管缺陷是其中非常重要的一種。Li R等[4]用非損傷微測技術檢測人工誘導糖尿病小鼠胚胎與正常小鼠胚胎的耗氧量，發現糖尿病小鼠胚胎的耗氧量顯著低于正常小鼠胚胎，從而證明母體的糖尿病引起的過度葡萄糖代謝消耗了胚胎中的氧，導致氧化應激產生，損害胚胎中神經管關閉必須的基因Pax3的表達而引發神經管缺陷。這闡明了新陳代謝過程與疾病發生的直接關系。
3 非損傷微測技術研究解偶聯蛋白UCP3的功能
解偶聯蛋白UCP3的減少與糖尿病個體肌肉的胰島素抗性相關，但UCP3的功能還不清楚。MacLellan JD等[5]采用非損傷微測技術研究發現小鼠L6肌肉細胞中增加UCP3不會影響葡萄糖氧化，而二硝基酚和胰島素的處理會增加葡萄糖氧化。結合其他實驗結果證明了UCP3蛋白的功能是促進脂肪酸氧化和減少線粒體活性氧簇的產量。
非損傷微測技術對人們認識生命體新陳代謝過程及其與疾病間的關系具有重要意義。對于認識糖尿病等疾病的深層次發病機制，非損傷微測技術將發揮越來越重要的作用。
圖2上圖為用于記錄耗氧量的7.5日齡胚胎和接近它測量的微電極圖像。下圖為注射食鹽（正常）和注射葡萄糖（人工誘導糖尿病）小鼠的胚胎耗氧量的檢測。*P<0.005，n為檢測的胚胎數。 [4]
圖3 L6肌肉細胞耗氧量在UCP3中等程度過表達時無顯著增加，而輕微的化學解偶聯劑作用下增加。從左到右依次為對照細胞（未處理），綠色熒光蛋白轉染細胞，二硝基酚處理細胞和UCP3轉染細胞。每組測量值n=8-10。**P < 0.01，***P < 0.001。[5]
參考文獻
[1] Smith PJ. The non-invasive probes - tools for measuring transmembrane ion flux, Nature, 1995, 378(6557):645-646
[2] Reid B, Nuccitelli R, Zhao M. Non-invasive measurement of bioelectric currents with a vibrating probe,Nat Protoc,2007,2(3):661-669
[3] Porterfield DM, Corkey RF, Sanger RH,et al. Oxygen consumption oscillates in single clonal pancreatic beta-cells (HIT). Diabetes, 2000, 49(9):1511-1516
[4] Li R, Chase M, Jung SK,et al. Hypoxic stress in diabetic pregnancy contributes to impaired embryo gene expression and defective development by inducing oxidative stress. Am J Physiol Endocrinol Metab, 2005, 289(4):E591-599
[5] MacLellan JD, Gerrits MF, Gowing A,et al. Physiological increases in uncoupling protein 3 augment fatty acid oxidation and decrease reactive oxygen species production without uncoupling respiration in muscle cells. Diabetes, 2005, 54(8):2343-2350