非损伤微测技术在细胞生物学研究中的应用——（4）新陈代谢方面应用
非损伤微测技术在细胞生物学研究中的应用
——（4）新陈代谢方面应用
作者：旭月（北京）科技有限公司 美国扬格非损伤技术中心
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摘要：本文介绍了非损伤微测技术在新陈代谢研究领域的应用。
关键词：非损伤微测技术，新陈代谢, 胰腺β细胞, 胚胎，解偶联蛋白UCP3，离子分子
新陈代谢过程是非常重要的生命活动过程，对生物体的存活状态具有重要影响。一些严重影响人类健康的疾病，如糖尿病等，与新陈代谢过程密切相关。非损伤微测技术[1,2]作为世界尖端水平的特异性离子分子检测技术，测量方便、快捷、多维和实时，对样品无任何伤害，在新陈代谢研究中拥有其他方法无法比拟的优势。下面简要介绍三个具体应用实例。
1 非损伤微测技术发现单克隆胰腺β细胞的耗氧量振荡
胰腺β细胞是胰岛素的分泌细胞。人们已经知道胰腺β细胞在葡萄糖刺激下，胞外Ca2+存在不同的振荡模式。而Porterfield DM等[3]利用非损伤微测技术检测发现，在葡萄糖刺激下，单克隆胰腺β细胞的耗氧量也存在大幅振荡。当胞外不存在Ca2+时，振荡现象依然存在；而恢复到正常胞外Ca2+后，振荡幅度会增加。这表明耗氧量振荡与Ca2+振荡存在一定关系，但又不完全相关。胰腺β细胞的新陈代谢过程与细胞信号转导过程间存在复杂调控关系，这种关系的破坏与糖尿病的发病可能有密切关联。
图1单胰腺β细胞葡萄糖诱导的耗氧量振荡在移除胞外Ca2+和正常胞外Ca2+浓度作用下的不同效果。[3]
2 非损伤微测技术检测小鼠胚胎耗氧量变化
母体糖尿病可引起胚胎的多种缺陷，神经管缺陷是其中非常重要的一种。Li R等[4]用非损伤微测技术检测人工诱导糖尿病小鼠胚胎与正常小鼠胚胎的耗氧量，发现糖尿病小鼠胚胎的耗氧量显著低于正常小鼠胚胎，从而证明母体的糖尿病引起的过度葡萄糖代谢消耗了胚胎中的氧，导致氧化应激产生，损害胚胎中神经管关闭必须的基因Pax3的表达而引发神经管缺陷。这阐明了新陈代谢过程与疾病发生的直接关系。
3 非损伤微测技术研究解偶联蛋白UCP3的功能
解偶联蛋白UCP3的减少与糖尿病个体肌肉的胰岛素抗性相关，但UCP3的功能还不清楚。MacLellan JD等[5]采用非损伤微测技术研究发现小鼠L6肌肉细胞中增加UCP3不会影响葡萄糖氧化，而二硝基酚和胰岛素的处理会增加葡萄糖氧化。结合其他实验结果证明了UCP3蛋白的功能是促进脂肪酸氧化和减少线粒体活性氧簇的产量。
非损伤微测技术对人们认识生命体新陈代谢过程及其与疾病间的关系具有重要意义。对于认识糖尿病等疾病的深层次发病机制，非损伤微测技术将发挥越来越重要的作用。
图2上图为用于记录耗氧量的7.5日龄胚胎和接近它测量的微电极图像。下图为注射食盐（正常）和注射葡萄糖（人工诱导糖尿病）小鼠的胚胎耗氧量的检测。*P<0.005，n为检测的胚胎数。 [4]
图3 L6肌肉细胞耗氧量在UCP3中等程度过表达时无显著增加，而轻微的化学解偶联剂作用下增加。从左到右依次为对照细胞（未处理），绿色荧光蛋白转染细胞，二硝基酚处理细胞和UCP3转染细胞。每组测量值n=8-10。**P < 0.01，***P < 0.001。[5]
参考文献
[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
