Method Article
* Ces auteurs ont contribué à parts égales
Le présent protocole décrit une méthode efficace pour l’acquisition dynamique et en temps réel des courants des canaux potassiques voltage-dépendants (Kv) dans les cardiomyocytes H9c2 en utilisant la technique de patch-clamp à cellules entières.
Les canaux potassiques sur la membrane cellulaire du myocarde jouent un rôle important dans la régulation des activités électrophysiologiques cellulaires. Étant l’un des principaux canaux ioniques, les canaux potassiques voltage-dépendants (Kv) sont étroitement associés à certaines maladies cardiaques graves, telles que les lésions myocardiques induites par les médicaments et l’infarctus du myocarde. Dans la présente étude, la technique de patch-clamp à cellules entières a été utilisée pour déterminer les effets de 1,5 mM de 4-aminopyridine (4-AP, un inhibiteur des canaux potassiques à large spectre) et d’aconitine (AC, 25 μM, 50 μM, 100 μM et 200 μM) sur le courant du canal Kv (IKv) dans les cardiomyocytes H9c2. Il a été constaté que la 4-AP inhibait le I Kv d’environ 54%, tandis que l’effet inhibiteur de l’AC sur le IKv montrait une tendance dose-dépendante (aucun effet pour 25 μM, taux inhibiteur de 30% pour 50 μM, taux inhibiteur de 46% pour 100 μM et taux inhibiteur de 54% pour 200 μM). En raison des caractéristiques de sensibilité et de précision plus élevées, cette technique favorisera l’exploration de la cardiotoxicité et des effets pharmacologiques de l’ethnomédecine ciblant les canaux ioniques.
Les canaux ioniques sont des protéines intégrées spéciales intégrées dans la bicouche lipidique de la membrane cellulaire. En présence d’activateurs, les centres de ces protéines intégrées spéciales forment des pores hydrophiles hautement sélectifs, permettant aux ions d’une taille et d’une charge appropriées de passer à travers de manière passive1. Les canaux ioniques sont à la base de l’excitabilité cellulaire et de la bioélectricité et jouent un rôle clé dans une variété d’activités cellulaires2. Le cœur fournit du sang à d’autres organes par des contractions régulières résultant d’un processus couplé excitation-contraction initié par des potentiels d’action3. Des études antérieures ont confirmé que la génération de potentiels d’action dans les cardiomyocytes est causée par le changement de la concentration d’ions intracellulaires, et l’activation et l’inactivation des canaux ioniques Na+, Ca2+ et K+ dans les cardiomyocytes humains conduisent à la formation de potentiels d’action dans une certaine séquence 4,5,6. Les courants perturbés des canaux potassiques voltage-dépendants (Kv) (IKv) pourraient modifier le rythme cardiaque normal, entraînant des arythmies, qui sont l’une des principales causes de décès. Par conséquent, l’enregistrement de l’IKv est essentiel pour comprendre les mécanismes des médicaments pour traiter les arythmies potentiellement mortelles7.
Le canal Kv est un composant important du canal potassique. La fonction de coordination du canal Kv joue un rôle important dans l’activité électrique et la contractilité myocardique du cœur des mammifères 8,9,10. Dans les cardiomyocytes, l’amplitude et la durée des potentiels d’action dépendent de la co-conduction des courants K+ sortants par plusieurs sous-types de canaux Kv11. La régulation de la fonction du canal Kv est très importante pour la repolarisation normale du potentiel d’action cardiaque. Même le moindre changement de conductance Kv a un impact considérable sur la repolarisation cardiaque et augmente la possibilité d’arythmie12,13.
Représentant une méthode fondamentale dans la recherche électrophysiologique cellulaire, un joint à haute résistance entre une petite zone de la membrane cellulaire et une pointe de pipette pour l’enregistrement de patch-clamp à cellules entières peut être établi en appliquant une pression négative. La pression négative continue fait que la membrane cellulaire entre en contact avec l’embout de la pipette et colle à la paroi interne de la pipette. Le circuit électrique complet résultant permet d’enregistrer n’importe quel courant de canal ionique unique à travers la surface de la membrane cellulaire14. Cette technique a une très grande sensibilité pour le courant du canal ionique de la membrane cellulaire et peut être utilisée pour détecter des courants dans tous les canaux ioniques, et les applications sont extrêmement larges15. De plus, par rapport au marquage fluorescent et au marquage radioactif, le patch-clamp a une autorité et une précision plus élevées16. À l’heure actuelle, la technique de patch-clamp à cellules entières a été utilisée pour détecter les composants de la médecine traditionnelle chinoise agissant sur les courants du canal Kv17,18,19. Par exemple, Wang et al. ont utilisé la technique du patch-clamp à cellules entières et ont confirmé que le composant efficace de la graine de lotus pourrait atteindre l’inhibition du canal Kv4.3 en bloquant les canaux d’étatactivés 19. L’aconitine (AC) est l’un des ingrédients efficaces et actifs des espèces d’Aconitum, telles que Aconitum carmichaeli Debx et Aconitum pendulum Busch. De nombreuses études ont montré que les surdoses de CA peuvent provoquer des arythmies et même un arrêt cardiaque20. L’interaction entre l’AC et les canaux ioniques voltage-dépendants conduit à la perturbation de l’homéostasie ionique intracellulaire, qui est le mécanisme clé de la cardiotoxicité21. Par conséquent, dans cette étude, la technique de patch-clamp à cellules entières est utilisée pour déterminer les effets de l’AC sur le IKv des cardiomyocytes.
Les cardiomyocytes H9c2 de rat obtenus commercialement (voir le tableau des matières) ont été incubés dans du DMEM contenant 10 % de sérum fœtal bovin (FBS) inactivé par la chaleur et 1 % de pénicilline-streptomycine à 37 °C dans une atmosphère humidifiée à 5 % de CO2. La technique de patch-clamp à cellules entières a ensuite été utilisée pour détecter les changements dans IKv dans les cellules H9c2 normales et les cellules traitées 4-AP- ou AC (Figure 1 et Figure 2).
1. Préparation de la solution
2. Culture cellulaire
3. Fabrication de micropipettes
4. Configuration de l’instrument
5. Réglage des paramètres IKv
6. Enregistrement patch-clamp à cellules entières de l’I Kv en mode pince de tension
Ce protocole a permis l’enregistrement du IKv selon les paramètres définis dans la technique du patch-clamp à cellules entières. Le IKv a été déclenché par 150 ms de stimulus d’impulsion dépolarisant de −40 à +60 mV à un potentiel de maintien de −60 mV (Figure 3A). Le IKv des cardiomyocytes H9c2 du rat est d’abord apparu autour de -20 mV, puis l’amplitude a augmenté avec la dépolarisation. La relation moyenne entre le IKv et le potentiel membranaire a été calculée à partir des amplitudes de courant mesurées. Les résultats ont montré qu’en comparaison avec le groupe témoin, l’amplitude IKv était sensiblement réduite après le traitement de 5 minutes avec 1,5 mM 4-AP (Figure 3B). De plus, le IKv a diminué de manière significative aux potentiels membranaires de 10 mV à 60 mV de manière dose-dépendante après le traitement CA de 24 h (Figure 3C-F).
Figure 1: Équipement et instruments nécessaires pour enregistrer le IKv. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Organigramme de l’enregistrement électrophysiologique de IKv dans des cellules H 9c2 à l’aide d’une technique de patch-clamp sur cellules entières. (A) Culture cellulaire. (B) Préparation des solutions intracellulaires et extracellulaires. C) Illustration schématique de l’enregistrement sur cellules entières. C1: Déplacer la pipette près de la cellule; C2: Former un joint à haute résistance entre la pipette et la cellule; C3: Rupture de la membrane cellulaire. d) Enregistrer le IKv. D1: Diagramme schématique de la formation du courant K+; D2: Traces de courant représentatives pour le IKv enregistrées en mode de serrage de tension de cellule entière. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Représentant IKv dans les cellules H9c2. (A) Traces de courant représentatives pour le IKv mesurées dans des cellules H9c2 sans aucun traitement (groupe témoin), avec des milieux contenant du courant alternatif pendant 24 h (25 μM, 50 μM, 100 μM et 200 μM), et avec 1,5 mM 4-AP pendant 5 min. Le IKv a été déclenché par 150 ms d’impulsion dépolarisante de −40 à +60 mV à un potentiel de maintien de −60 mV. (B) Pour la stimulation 4-AP de 1,5 mM, le IKv est descendu à des potentiels membranaires de 10 mV à 60 mV. (C-F) Le traitement AC a diminué le IKv d’une manière dépendante de la concentration aux potentiels membranaires de 10 mV à 60 mV. *p < 0,05 par rapport au groupe témoin (n = 6). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Solution extracellulaire | ||
Produits chimiques | g/50 mL | Composition (mM) |
NaCl | 0.3945 | 135.0 |
Kcl | 0.1865 | 5.0 |
HEPES | 0.5958 | 5.0 |
MgCl 2·6H2O | 0.2033 | 2.0 |
D-glucose | 0.9900 | 10.0 |
Solution intracellulaire | ||
Produits chimiques | g/50 mL | Composition (mM) |
Kcl | 0.4100 | 110.0 |
MgCl2 | 0.0120 | 1.2 |
Na2-ATP | 0.1270 | 5.0 |
HEPES | 0.1190 | 10.0 |
L’EGTA | 0.1900 | 10.0 |
Tableau 1 : Solutions intracellulaires et extracellulaires pour l’enregistrement de l’IKv en mode tension-pince.
La technique électrophysiologique patch-clamp est principalement utilisée pour enregistrer et refléter l’activité électrique et les caractéristiques fonctionnelles des canaux ioniques sur la membrane cellulaire25. À l’heure actuelle, les principales méthodes d’enregistrement de la technique patch-clamp comprennent l’enregistrement monocanal et l’enregistrement de cellules entières26. Pour le mode cellule entière, la microélectrode de verre et la pression négative sont utilisées pour former un joint à haute résistance entre une petite zone de la membrane cellulaire et une pointe de pipette27. Une fois que la pression négative soutenue provoque la rupture de la membrane cellulaire par l’extrémité de la pipette et que la membrane se fixe à la paroi interne de la pipette, le circuit électrique complet formé entre la pipette et la cellule permet d’enregistrer la densité de courant des canaux ioniques individuels sur la surface de la membrane cellulaire26,27 . Au cours des dernières années, la technique de patch-clamp à cellules entières a été largement utilisée pour la recherche de médicaments ciblant les maladies liées aux canaux ioniques. Bien qu’elle ait des exigences élevées pour les opérateurs, cette technique reste la « référence » pour la recherche sur les canaux ioniques28. En outre, la technique de patch-clamp perforé peut également enregistrer les changements actuels dans les canaux ioniques cibles dans des environnements intracellulaires relativement stables sur des durées prolongées en utilisant des antibiotiques pour former des pores de perméabilité dans la membrane cellulaire29,30. On peut enregistrer et tracer les changements dynamiques de la tension ou du courant des canaux ioniques en utilisant la technique du patch-clamp à cellules entières en mode pince de courant ou tension-pince, ce qui en fait sans aucun doute une plate-forme puissante pour évaluer l’activité pharmacologique ou les mécanismes de toxicité des médicaments31,32.
L’AC est l’un des principaux composants toxiques des espèces d’Aconitum, appartient au groupe des alcaloïdes diester-diterpénoïdes et est hautement toxique20,33. Des preuves ont indiqué que le courant alternatif peut causer une toxicité cardiovasculaire34,35. En tant que bloqueur non sélectif du canal K +, il a été rapporté que le courant alternatif peut bloquer le courant K+ transitoire vers l’extérieur, le courant K+ du redresseur retardé ultra-rapide et le courant K+ du redresseur retardé rapide, induisant des arythmies21,36,37. À ce jour, il n’existe aucune preuve solide que les courants de potassium voltage-dépendants sont impliqués dans la cardiotoxicité du courant alternatif. Par conséquent, dans cette étude, l’effet inhibiteur de l’AC sur le IKv dans les cardiomyocytes H9c2 du rat a été examiné à l’aide de la technique de patch-clamp à cellules entières. L’activation des canaux Na+ est un mécanisme largement reconnu par lequel l’AC exerce des effets pharmacologiques ou toxicologiques38. Fait intéressant, il existe des preuves que AC peut agir directement sur le IKv 21,36,37. Cependant, les données présentées dans cet article ne fournissent pas suffisamment de preuves que l’AC peut inhiber directement le IKv. L’effet inhibiteur IKv de l’AC peut être dû à l’activation directe des canaux Na+, ce qui nécessite une étude plus approfondie.
Depuis sa création et son développement, la technique de patch-clamp à cellules entières utilisée dans cette étude est devenue une méthode conventionnelle pour explorer la cardiotoxicité des médicaments en termes de canaux ioniques. Cette expérience a confirmé que le courant alternatif inhibait efficacement le IKv des cellules H9c2 d’une manière dépendante de la concentration en mode tension-pince. Cependant, chaque type de canal ionique, y compris les canaux K+, contient plusieurs sous-types, et seul le courant total du canal K+ dépendant de la tension a été enregistré dans cette étude. Des études ultérieures peuvent explorer les mécanismes pharmacologiques et toxicologiques de l’AC au moyen de lignées cellulaires modèles avec une expression élevée de sous-types de canaux ioniques spécifiques37. Alternativement, on peut incorporer des canaux ioniques spécifiques marqués avec des protéines fluorescentes pour étudier visuellement la toxicité myocardique de l’AC39. Les étapes critiques de ce protocole sont les étapes 6.4 à 6.6; l’achèvement de ces trois étapes détermine directement si l’enregistrement ultérieur de IKv est réussi. Par rapport à d’autres technologies, la technique de patch-clamp à cellules entières est la méthode de référence et acceptée pour enregistrer le courant dans des canaux ioniques simples dans la membrane cellulaire ou la membrane organite, avec les caractéristiques des exigences techniques élevées et de l’enregistrement à faible débit40. En résumé, cette technique n’est pas seulement une méthode de base pour la recherche en électrophysiologie cellulaire, mais elle est également largement utilisée en neurosciences, en sciences cardiovasculaires et dans d’autres domaines.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Nous apprécions le soutien financier de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (82130113) et du programme clé de R&D et de transformation du Département des sciences et de la technologie de la province du Qinghai (2020-SF-C33).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
4-Aminopyridine | Sigma | MKCJ2184 | |
Aconitine | Chengdu Lemetian Medical Technology Co., Ltd | DSTDW000602 | |
Amplifier | Axon Instrument | MultiClamp 700B | |
Analytical Balance | Sartorius | 124S-CW | |
ATP Na2 | Solarbio | 416O022 | |
Borosilicate glass with filament (O.D.: 1.5 mm, I.D.: 1.10 mm, 10 cm length) | Sutter Instrument | 163225-5 | |
Cell culture dish (100 mm) | Zhejiang Sorfa Life Science Research Co., Ltd | 1192022 | |
Cell culture dish (35 mm) | Zhejiang Sorfa Life Science Research Co., Ltd | 3012022 | |
Clampex software | Molecular Devices, LLC. | Version 10. 5 | |
Clampfit software | Molecular Devices, LLC. | Version 10. 6. 0. 13 | data acqusition software |
D-(+)-glucose | Rhawn | RH289133 | |
Digital camera | Hamamatsu | C11440 | |
Digitizer | Axon Instrument | Axon digidata 1550B | |
DMSO | Boster Biological Technology Co., Ltd | PYG0040 | |
Dulbecco's modified eagle medium (1x) | Gibco | 8121587 | |
EGTA | Biofroxx | EZ6789D115 | |
Fetal bovine serum | Gibco | 2166090RP | |
Flaming/brown micropipette puller | Sutter Instrument | Model P-1000 | |
H9c2 cells | Hunan Fenghui Biotechnology Co., Ltd | CL0111 | |
HCImageLive | Hamamatsu | 4.5.0.0 | |
HCl | Sichuan Xilong Scientific Co., Ltd | 2106081 | |
HEPES | Xiya Chemical Technology (Shandong) Co., Ltd | 20210221 | |
KCl | Chengdu Colon Chemical Co., Ltd | 2020082501 | |
KOH | Chengdu Colon Chemical Co., Ltd | 2020112601 | |
MgCl2 | Tianjin Guangfu Fine Chemical Research Institute | 20160408 | |
MgCl2·6H2O | Chengdu Colon Chemical Co., Ltd | 2021020101 | |
Micromanipulator | Sutter Instrument | MP-285A | |
Microscope | Olympus | IX73 | |
Microscope cover glass (20 × 20 mm) | Jiangsu Citotest Experimental Equipment Co. Ltd | 80340-0630 | |
Milli-Q | Chengdu Bioscience Technology Co., Ltd | Milli-Q IQ 7005 | |
MultiClamp 700B commander | Axon Instrument | MultiClamp commander 2.0 | signal-amplifier software |
OriginPro 8 software | OriginLab Corporation | v8.0724(B724) | |
Penicillin-Streptomycin (100x) | Boster Biological Technology Co., Ltd | 17C18B16 | |
PH meter | Mettler Toledo | S201K | |
Phosphate buffered saline (1x) | Gibco | 8120485 | |
Trypsin 0.25% (1x) | HyClone | J210045 |
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