文献速递 | ECHO荧光显微镜在脂肪产热新机制研究中的应用

肥胖是指脂肪层的堆积，减肥不仅是为了更美，也是为了更健康，肥胖已被证明会增加多种疾病的发生风险，如心血管疾病、癌症、脂肪肝等，但对于大多数人来说，控制体重却非常困难。减肥则主要通过刺激脂肪组织产热增加全身的能量消耗，运动和节食是我们最常见的方式，但运动和节食太累和痛苦，难以坚持；因此有很多人选择使用药物来进行体重的控制。现有刺激脂肪产热药物大多以β3-肾上腺素能受体（β3-AR）为靶点，通过激活β3-AR及其下游信号通路，活化解偶联蛋白（UCP1），从而引起脂肪组织产热。但是β-AR激动剂会导致血压增加，可能诱发心血管疾病。因此需要一种更低风险和安全的药物靶点。

美国加州大学旧金山分校糖尿病中心的研究人员对之前报道的一个与UCP无关的产热机制进行了进一步探索，研究者们将该机制的验证以《Wireless optogenetics protects against obesity via stimulation of non-canonical fat thermogenesis》为题发表在《Nature Communications》上。

这个与UCP无关的产热机制涉及依赖于ATP的Ca2+通过肌/内质网Ca2+-ATPase2b (SERCA2b)和Ryanodine受体2 (RyR2)的无效循环（无效循环指两物质自由能始终存在差异，自由能一高一低，即该循环发生必须从循环外注入能量）。之前研究发现作用于RyR2-Calstabin复合体的化学稳定剂S107可以增强Ca2+无效循环，刺激非UCP1依赖的产热，并保护UCP1缺失的小鼠在寒冷暴露后不会降低体温。但是S107是全身性给予小鼠的，无法排除脂肪组织以外的其他组织，如骨骼肌，可能有助于UCP1非依赖性产热的可能性，因此本文采用了独特的光遗传学方法，对脂肪细胞进行特异性操作，以严格测试非典型脂肪产热治疗肥胖的可能。

光遗传学是对体内神经元或细胞活动进行时间和空间操作的强大工具。传统的光遗传学研究需要光纤系绳和/或大型头戴式接收器，使其在一般代谢研究中应用受限。而无线供电的光遗传学设备使光能够高效、稳定地传递到行为自由的动物的外周神经，因此本文开发了一种可植入小鼠皮下脂肪组织的无线光遗传学装置，同时该装置刺激的细胞也与之前不同，刺激脂肪细胞而非常见的神经细胞。

无线光遗传学装置可以通过光激活转入channelrhodopsin2 （ChR2，光门控的、向内整流的阳离子通道，传输质子和单价Na+，K+和二价阳离子Ca2+，Mg2+）的神经细胞，并可以驱动神经元去极化。而该研究更进一步，将ChR2转入小鼠和脂肪细胞，通过光诱导脂肪细胞激活Ca2+循环的脂肪产热，增加全身能量消耗。

首先对细胞层面的可行性进行分析，确定转入ChR2的米色脂肪细胞可以被光激活膜去极化触发细胞内Ca2+内流，通过Echo Revolve正倒置一体显微镜对转入ChR2脂肪细胞在光激活下的Ca2+含量，如视频显示的，光激活后，细胞内Ca2+含量明显升高。且对耗氧量分析发现，光激活的脂肪细胞耗氧量明显增加。

进一步对体内脂肪是否会被激活进行检测，通过对温度，耗氧量等的检测确定，光激活后小鼠激活部位温度升高，整体耗氧量增加，表明非UCP1依赖的产热途径在体内脂肪细胞中可以被激活并发挥作用。通过对高脂肪饮食（HFD）的分析发现，光激活小鼠其体重增加明显少于对照组，表明非UCP1依赖的产热途径足以保护小鼠免受饮食诱导的体重增加。此项研究也首次证明了脂肪特异性冷刺激模拟可以通过激活非典型产热来预防肥胖。

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