Method Article
מוצגת סדרה של פרוטוקולים המתארים את מדידת פונקציית ההתכווצות באמצעות זיהוי אורך סרקומר יחד עם מדידת סידן (Ca2+) במיוציטים של חולדות מבודדות. היישום של גישה זו למחקרים במודלים של בעלי חיים של אי ספיקת לב נכלל גם הוא.
תפקוד לקוי של התכווצויות ו-Ca2+ מנותחים לעתים קרובות ברמה התאית כחלק מהערכה מקיפה של פגיעה הנגרמת על ידי הלב ו / או שיפוץ. גישה אחת להערכת שינויים תפקודיים אלה משתמשת בקיצור פרוק ובניתוחים חולפים של Ca2+ במיוציטים לבביים בוגרים ראשוניים. לצורך גישה זו, מיוציטים בוגרים מבודדים על ידי עיכול קולגן, הופכים את Ca2+ לסובלני, ולאחר מכן נדבקים לכיסויים מצופים למינין, ולאחר מכן לקצב חשמלי במדיה נטולת סרום. הפרוטוקול הכללי משתמש במיוציטים לבביים של חולדות בוגרות, אך ניתן להתאים אותו בקלות למיוציטים ראשוניים ממינים אחרים. ניתן להשוות שינויים תפקודיים במיוציטים מלבבות פגועים למיוציטים ו/או לטיפולים במבחנה . המתודולוגיה כוללת את המרכיבים החיוניים הדרושים לקצב מיוציטים, יחד עם מרכיבי תא התא והפלטפורמה. הפרוטוקול המפורט לגישה זו משלב את השלבים למדידת התקצרות נפרקת על ידי זיהוי אורך סרקומר וטרנזיינטים סלולריים Ca2+ שנמדדו באמצעות מחוון היחס Fura-2 AM, כמו גם לניתוח נתונים גולמיים.
ניתוח תפקוד משאבת הלב דורש לעתים קרובות מגוון גישות כדי לקבל תובנה מספקת, במיוחד עבור מודלים של בעלי חיים של אי ספיקת לב (HF). אקוקרדיוגרפיה או מדידות המודינמיות מספקות תובנה לגבי תפקוד לב in vivo 1, בעוד שגישות in vitro משמשות לעתים קרובות כדי לזהות אם תפקוד לקוי נובע משינויים במיופילמנט ו/או ב-Ca2+ חולף האחראי על עירור צימוד, או פוטנציאל הפעולה, עם פונקציית התכווצות (למשל, צימוד עירור-כיווץ [E-C]). גישות במבחנה מספקות גם הזדמנות לסנן את התגובה התפקודית לנוירוהורמונים, שינויים גנטיים הנגרמים על ידי וקטורים, כמו גם סוכנים טיפוליים פוטנציאליים2 לפני נקיטת אסטרטגיות טיפול in vivo יקרות ו / או מייגעות.
מספר גישות זמינות כדי לחקור את תפקוד ההתכווצות במבחנה, כולל מדידות כוח בטרבקולה3 שלמה או מיוציטים מחלחלים4, כמו גם קיצור לא טעון ו- Ca2+ טרנזיינטים במיוציטים שלמים בנוכחות והיעדר HF 5,6. כל אחת מהגישות הללו מתמקדת בתפקוד התכווצות המיוציטים הלבביים, האחראי ישירות על תפקוד משאבת הלב 2,7. עם זאת, הניתוח של התכווצות וצימוד E-C יחד מבוצע לרוב על ידי מדידת קיצור אורך השריר ו- Ca 2+ חולפים במיוציטים בוגרים מבודדים, Ca2+ סובלניים. המעבדה משתמשת בפרוטוקול מפורט שפורסם כדי לבודד מיוציטים מלבבות חולדות עבור שלב8 זה.
גם Ca2+ חולף וגם מיופילמנטים תורמים לקיצור והארכה מחדש של מיוציטים שלמים ויכולים לתרום לתפקוד לקוי של התכווצות 2,7. לפיכך, גישה זו מומלצת כאשר ניתוח פונקציונלי במבחנה דורש מיוציט שלם המכיל את מכונות המחזור Ca2+ בתוספת המיופילמנטים. לדוגמה, מיוציטים מבודדים שלמים רצויים לחקר תפקוד התכווצות לאחר שינוי תפקוד המיופילמנט או Ca2+ מחזורי באמצעות העברת גנים9. בנוסף, גישת מיוציטים שלמים מוצעת לניתוח ההשפעה התפקודית של נוירוהורמונים כאשר חוקרים את ההשפעה של מסלולי איתות שליח שני במורד הזרם ו / או תגובה לסוכנים טיפוליים2. מדידה חלופית של כוח תלוי עומס במיוציטים בודדים מבוצעת לרוב לאחר חדירת ממברנה (או עור) בטמפרטורות נמוכות (≤15 מעלות צלזיוס) כדי להסיר את התרומה החולפת Ca2+ ולהתמקד בפונקציית מיופילמנט10. מדידת כוח תלוי עומס בתוספת Ca2+ חולפים במיוציטים שלמים היא נדירה בעיקר בשל האתגר המורכב והטכני של גישה11, במיוחד כאשר יש צורך בתפוקה גבוהה יותר, כגון למדידת תגובות לאיתות נוירוהורמונים או כמסך לסוכנים טיפוליים. הניתוח של טרבקולה לבבית מתגבר על אתגרים טכניים אלה, אך עשוי להיות מושפע גם משינויים שאינם מיוציטים, פיברוזיס ו/או מטריצה חוץ-תאית2. כל אחת מהגישות שתוארו לעיל דורשת תכשיר המכיל מיוציטים בוגרים מכיוון שמיוציטים ילודים ומיוציטים שמקורם בתאי גזע פלוריפוטנטיים בלתי ניתנים להשראה (iPSCs) עדיין אינם מבטאים את ההשלמה המלאה של חלבוני מיופילמנט בוגרים ובדרך כלל חסרים את רמת ארגון המיופילמנט הקיימת במיוציטים בצורת מוט בוגר2. נכון להיום, עדויות ב- iPSCs מצביעות על כך שהמעבר המלא לאיזופורמים בוגרים עולה על יותר מ -134 ימים בתרבית12.
בהתחשב בהתמקדות של אוסף זה ב- HF, הפרוטוקולים כוללים גישות וניתוח כדי להבדיל בין תפקוד התכווצות במיוציטים שלמים כושלים לעומת מיוציטים שלמים שאינם נכשלים. דוגמאות מייצגות מסופקות ממיוציטים של חולדות שנחקרו 18-20 שבועות לאחר כריתה על-כלייתית, שתוארה קודםלכן 5,13. לאחר מכן נעשות השוואות למיוציטים מחולדות שטופלו בבושה.
הפרוטוקול ופלטפורמת ההדמיה המתוארים כאן משמשים לניתוח וניטור שינויים בקיצור ו- Ca2+ חולפים במיוציטים לבביים בצורת מוט במהלך התפתחות HF. לצורך ניתוח זה, 2 x 104 Ca 2+-סובלניים, מיוציטים בצורת מוט מצופים על22 מ"מ 2 מ"מ 2 כיסויי זכוכית מצופים למינין (CSs) ומתורבתים לילה, כפי שתואר קודםלכן 8. הרכיבים שהורכבו עבור פלטפורמת הדמיה זו, יחד עם המדיה והמאגרים המשמשים להדמיה אופטימלית, מסופקים בטבלת החומרים. מדריך לניתוח נתונים באמצעות תוכנה והתוצאות המייצגות מסופקים גם כאן. הפרוטוקול הכולל מחולק לתתי-סעיפים נפרדים, כאשר שלושת החלקים הראשונים מתמקדים במיוציטים של חולדות מבודדות ובניתוח נתונים, ולאחר מכן ניסויים ארעיים של Ca2+ וניתוח נתונים במיוציטים.
מחקרים שבוצעו על מכרסמים עקבו אחר מדיניות שירות בריאות הציבור בנושא טיפול הומני ושימוש בחיות מעבדה ואושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של אוניברסיטת מישיגן. לצורך מחקר זה, מיוציטים בודדו מחולדות ספראג-דאולי ו-F344BN בנות 3-34 חודשים במשקל ≥-200 גרם5. נעשה שימוש בשיעורי זכר ונקבה כאחד.
1. קצב מיוציטים למחקרי תפקוד התכווצות
2. ניתוח תפקוד התכווצות של מיוציטים לבביים של חולדות בוגרות
3. ניתוח נתונים של תפקוד התכווצות במיוציטים מבודדים
4. רישום Ca2+ חולפים במיוציטים לבביים בוגרים של חולדות
5. ניתוח נתונים של Ca2+ ארעיים במיוציטים מבודדים.
מחקרי תפקוד התכווצות מבוצעים על מיוציטים של חולדות החל מהיום שלאחר הבידוד (יום 2) ועד 4 ימים לאחר הבידוד. למרות שניתן לרשום מיוציטים יום לאחר הבידוד (כלומר, יום 2), לעתים קרובות נדרשים זמני תרבית ארוכים יותר לאחר העברת גנים או טיפולים כדי לשנות את תפקוד ההתכווצות8. עבור מיוציטים שגודלו בתרבית במשך יותר מ-18 שעות לאחר הבידוד, פרוטוקול הקצב המתואר בסעיף 1 מסייע בשמירה על t-tubules ועל תוצאות קיצור והארכה מחדש עקביות.
חלק מייצג של CS המכיל מיוציטים למחקרי קיצור מוצג באיור 1A, יחד עם מיוציט הממוקם כראוי לפני קביעת ההחזר על ההשקעה (איור 1B). לאחר זיהוי החזר השקעה (איור 1C; תיבה ורודה), מידע האלגוריתם המוצג מתחת למיוציטים מסייע גם הוא למטב את מיקום המיוציטים לפני ההקלטה. באופן ספציפי, הצפיפות האופטית הליניארית (LOD; קו שחור) היא אינדיקטור למספר ולמרווח של סרקומרים, וספקטרום הספק חד במעקב התמרת פורייה המהיר (FFT, קו אדום) מסייע להשיג יישור אופטימלי להקלטת קיצור והארכה מחדש. תבנית הגרטיקולה המשמשת לכיול אורך הסרקומר (וזיהוי הקצוות) מוצגת באיור 1D. הקלטה מיושרת טיפוסית של קיצור אורך סרקומר מוצגת באיור 2A (הלוח העליון), יחד עם הניתוח הממוצע של האותות המתואר בסעיף 3 (הלוח התחתון).
תפקוד לקוי מזוהה לעתים קרובות במיוציטים כאשר יש תפקוד לקוי in vivo במודלים של בעלי חיים. לדוגמה, תפקוד לקוי סיסטולי שנצפה על ידי אקוקרדיוגרפיה בתגובה לעומס יתר בלחץ (PO)13 מזוהה גם במחקרי קיצור מיוציטים5. כדי להמחיש עקבות נתונים, עקבות גולמיים מייצגים (איור 2; פאנל עליון) וממוצע אותות (איור 2; פאנל תחתון) מוצגים עקבות גולמיים המתקבלים ב-0.2 הרץ עבור מיוציטים מחולדות שאם-(איור 2A) ו-PO שטופלו (איור 2B). כדי לבחון אם ניתן להציל את תפקוד המיוציטים לאחר PO, העברת גנים בתיווך נגידי בזמן בידוד מיוציטים שימשה גם להחלפת טרופונין לב אנדוגני I (cTnI) בהחלפת cTnI T144D פו-מימטית (T144D) בסרקומר16. הניתוח הראשוני מראה את ההפחתה המושרה על ידי PO בתפקוד ההתכווצות (טבלה 1, פאנל עליון) שהוחזרה לרמות דמה במיוציטים של PO 4 ימים לאחר העברת גנים של cTnIT144D (טבלה 1; פאנל תחתון).
פלטפורמה זו יכולה לשמש גם למדידת Ca2+ טרנזיינטים, יחד עם קיצור במיוציטים מבודדים. קיצור ו-Ca 2+ לא תועדו לאחר PO מכיוון ש-PO מפחית את ההיצמדות של מיוציטים של חולדות ללמינין13, ומודל דומה הראה בעבר שינוי בטיפול ב-Ca2+ מתפתח בנקודת זמן דומה17. במקום זאת, ניסויים מייצגים בוצעו במיוציטים טעונים Fura-2AM שבודדו מחולדות בנות 2-3 חודשים. הקלטה מייצגת ועקבות ממוצעים של אותות מוצגים באיור 3, יחד עם ניתוח הנתונים בטבלה 2. עבור סדרה זו של ניסויים, מיוציטים שבודדו מחולדות בוגרות נחקרו 4 ימים לאחר העברת גנים בתיווך אדנו-ויראלי (ריבוי זיהום = 100) של cTnIT144D או cTnI מסוג בר. גם קיצור סרקומר וגם ארעי Ca 2+ נמדדו לאחר טעינת מיוציטים עםFura-2AM. העברת גנים של cTnIT144D שיפרה את קיצור השיא ואת רמות Ca2+ דיאסטוליות גבוהות בהשוואה ל-cTnI במחקרים ראשוניים אלה (טבלה 2). אמנם יש צורך בניתוח מקיף יותר, אך התוצאות הראשוניות מצביעות על כך שהחלפת in vivo ב-cTnIT144D עשויה לייצר פנוטיפ לבבי מורכב עקב שינויים הן בתפקוד ההתכווצות והן בטיפול ב-Ca2+ לאורך זמן.
איור 1: מיוציטים לבביים של חולדות בוגרות המשמשים למחקרים פונקציונליים. (A) מיוציטים לבביים מבודדים מייצגים מחולדה בוגרת (סרגל קשקשים = 50 מיקרומטר). החץ מצביע על מיוציט מייצג שצולם לצורך ניתוח פונקציית התכווצות. (B) מיוציט מייצג עם ROI (ורוד) הממוקם בצד (סרגל קנה מידה = 20 מיקרומטר). (C) מיוציט מייצג עם ROI (פאנל עליון), תבנית הסרקומר עבור מיוציט זה (פאנל תחתון, כחול; סרגל קנה מידה = 20 מיקרומטר), והשיא החד של ספקטרום ההספק (פאנל תחתון, אדום). (D) לכידת מסך של 0.01 מ"מ graticule כדי לכייל את המדידות המקוצרות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 2: הקלטות מייצגות של מיוציטים של חולדות. הקלטה גולמית (פאנל עליון) ועקבות עם ממוצע אותות (פאנל תחתון) שנרשמו ב-0.2 הרץ במיוציטים מחולדות שטופלו בעומס יתר של (A) בלחץ (A) ו-(B). מיוציטים בודדו 18-20 שבועות לאחר הניתוח, עם PO המיוצר על ידי כריתת כליות13. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 3: רישום וניתוח מייצגים של אורך סרקומר (SL) ו-Ca 2+ ארעיים ממיוציטים לבביים בוגרים טעונים ב-Fura-2AM. (A) עקבות גולמיים עבור SL, Ca 2+ יחס ארעי (יחס), ועקבות הנומרטור והמכנה המשמשים ליצירת יחס ארעי Ca 2+. (B) דוגמה לעקבות ממוצעים של אותות עבור SL (עקבה עליונה) ויחס ארעיות Ca2+ (עקבה תחתונה). (C) עקבות מנותחות עבור אורך סרקומר (SL) ויחס הטרנזיינט Ca2+ באמצעות אלגוריתם המעקב המונוטוני. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
קבוצת עכברושים | שאם (n=30) | PO (n=32) |
אורך סרקומר מנוחה (מ"מ; SL) | 1.761 + 0.006 | 1.748 + 0.004 |
גובה שיא (% מקו בסיס) | 9.003 + 0.409 | 6.680 + 0.552* |
משרעת שיא (מ"מ) | 0.159 + 0.007 | 0.117 + 0.010* |
קצב קיצור (מ"מ/שנייה) | -4.674 + 0.285 | -4.143 + 0.335 |
קצב הארכה מחדש (מ"מ/שנייה) | 3.251 + 0.223 | 2.706 + 0.273 |
זמן לשיא (ms; TTP) | 60 + 2 | 59 + 3 |
זמן להארכה מחדש של 50% (ms; TTR50%) | 35 + 2 | 37 + 3 |
קבוצת עכברושים | שאם + cTnIT144D (n = 14) | PO + cTnIT144D (n = 17) |
אורך סרקומר מנוחה (מ"מ; SL) | 1.768 + 0.009 | 1.776 + 0.004 |
גובה שיא (% מקו בסיס) | 9.038 + 1.339 | 8.414 + 0.960 |
משרעת שיא (מ"מ) | 0.160 + 0.023 | 0.149 + 0.016 |
קצב קיצור (מ"מ/שנייה) | -5.972 + 0.711 | -4.173 + 0.726 |
קצב הארכה מחדש (מ"מ/שנייה) | 3.925 + 0.577 | 3.055 + 0.403 |
זמן לשיא (ms; TTP) | 51 + 5 | 59 + 2 |
זמן להארכה מחדש של 50% (ms; TTR50%) | 31 + 3 | 32 + 2 |
טבלה 1: השוואה של תפקוד התכווצות במיוציטים לבביים בתגובה לעומס לחץ (PO) והעברת גנים. תוצאות קיצור מיוציטים הן מלבבות חולדות sham ו- PO 18-20 שבועות לאחר הניתוח (פאנל עליון)5,13 ומיוציטים מחולדות sham ו- PO 4 ימים לאחר העברת גנים cTnIT144D (פאנל תחתון). תפקוד התכווצות נמדד 4 ימים לאחר בידוד מיוציטים/העברת גנים בכל הקבוצות. התוצאות מבוטאות כממוצע ± SEM (n = מספר המיוציטים). כל קבוצה של נתוני sham ו- PO מושווית על ידי מבחן t של סטודנט, כאשר *p < 0.05 נחשב מובהק סטטיסטית. תוצאות שיא המשרעת עבור מיוציטים של sham ו- PO בלבד דווחו מוקדם יותר ב- Ravichandran et al.5.
ניתוח אורך סרקומר | ||
קבוצת העברת גנים | cTnI (n=21) | cTnIT144D (n=16) |
אורך סרקומר מנוחה (מ"מ; SL) | 1.81 + 0.01 | 1.81 + 0.01 |
משרעת שיא (מ"מ) | 0.11 + 0.01 | 0.14 + 0.02* |
קצב קיצור (מ"מ/שנייה) | -4.29 + 0.42 | -4.67 + 0.77 |
קצב הארכה מחדש (מ"מ/שנייה) | 2.92 + 0.43 | 3.71 + 0.64 |
זמן לשיא (ms; TTP) | 50 + 4 | 84 + 28 |
זמן להארכה מחדש של 50% (ms; TTR50%) | 37 + 4 | 35 + 6 |
Ca2+ ניתוח ארעי | ||
קבוצת העברת גנים | cTnI (n=21) | cTnIT144D (n=19) |
יחס Ca2+ במנוחה | 0.89 + 0.02 | 1.04 + 0.04* |
יחס שיא Ca2+ | 0.50 + 0.05 | 0.42 + 0.07 |
Ca2+ שער ארעי (D/sec) | 45.24 + 5.85 | 40.53 + 10.95 |
Ca2+ קצב דעיכה (D/s) | -4.91 + 0.99 | -2.87 + 0.57 |
זמן לשיא Ca2+ (ms; TTP) | 34 + 2 | 41 + 3 |
זמן ל-50% Ca2+ ריקבון (ms; TTD50%) | 101 + 8 | 117 + 6 |
טבלה 2: תפקוד התכווצות ו-Ca2+ חולף במיוציטים של חולדות בוגרות 4 ימים לאחר העברת גנים cTnIT144D. ניתוח של פונקציית התכווצות (פאנל עליון) ו- Ca2+ טרנזיינטים (פאנל תחתון) מוצג במיוציטים לאחר העברת גנים של cTnIT144D בהשוואה ל- cTnI מסוג פראי. מיוציטים מבודדים מחולדות בוגרות בנות 2-3 חודשים, והנתונים מוצגים כממוצע ± SEM (n = מספר המיוציטים). השוואות סטטיסטיות של פונקציית כיווץ (משמאל) ו- Ca2+ ארעיים (מימין) מבוצעות באמצעות מבחן t של סטודנט לא משויך עם מובהקות המוגדרת ל- *p < 0.05.
איור משלים 1: רכיבים של מערכת הקצב עבור מיוציטים המצופים ב-CSs מצופים למינין. (A) תא קצב מותאם אישית המכיל אלקטרודות פלטינה בכל תא. (B) תא קצב עם ארבעת התאים הראשונים מלאים במדיה. (C) תא קצב המחובר לכבלי ג'ק בננה, המחוברים לתא ו-(D) למגרה. (E) החיבור בין הגירוי (מימין) לבין האינקובטור של 37 מעלות צלזיוס (משמאל). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור משלים 2: הרכיבים הדרושים לתפקוד כיווץ מיוציטים ו/או למדידות ארעיות של Ca2+. (A) פלטפורמת פונקציית ההתכווצות המציגה כל רכיב, כאשר הפריטים הממוספרים מוסברים ביתר פירוט בטבלת החומרים. הרכיבים בפלטפורמה כוללים שולחן נגד רעידות , מיקרוסקופ שדה בהיר הפוך (#2,3), מצלמת CCD , בקר CCD וספק כוח קסנון , מקור אור פליטה כפולה , בקר טמפרטורה , משאבה פריסטלטית , מחזיק צינור מבודד , תא זלוף המורכב על כיסוי (#10) ומערכת ואקום (#11). (B) רכיבים נוספים כוללים את ממשק הפלואורסצנציה (#12), מגרה התא (#13) ומחשב PC (#14), אשר מוסברים בפירוט רב יותר בטבלת החומרים. תצוגות תקריב של פריטים ממוספרים בחלונית A מוצגות ב- C-F. (C) תצוגה של ספק הכוח קסנון (משמאל) ובקר CCD (מימין). (D) בקר טמפרטורה. (E) משאבה פריסטלטית. (F) מבט על הבסיס של תא הזילוח CS (חץ שחור), תושבת אלקטרודת הפלטינה (חץ אפור) והתושבת העליונה (חץ לבן) עם ברגים עם ראש פאן #0. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
פרוטוקול הקצב הכרוני המתואר בשלב 1 מאריך את הזמן השימושי לחקר מיוציטים מבודדים ולהערכת ההשפעה של טיפולים ארוכים יותר. במעבדה שלנו, תוצאות עקביות התקבלו עד 4 ימים לאחר הבידוד בעת מדידת תפקוד התכווצות באמצעות אורך סרקומר על מיוציטים בקצב כרוני. עם זאת, תפקוד התכווצות המיוציטים מתדרדר במהירות בעת שימוש במדיה מעל שבוע אחד לקצב מיוציטים.
עבור מחקרי תפקוד התכווצות, הנתונים נאספים ב 37 מעלות צלזיוס, אשר קרוב לטמפרטורת הגוף עבור חולדות. כדי למטב את הכדאיות של מיוציטים ולקבל עקבות עקביים עבור כל מיוציט, ניסויים אלה מבוצעים בתדר קצב נמוך יותר מקצב הלב הפיזיולוגי של ~ 5 הרץ בחולדות. הגדרות אלה מייצרות נתוני פונקציית כיווץ עקביים, אך ניתן להתאים את טמפרטורת התא ו/או תדירות הקצב אם העקבות המתקצרים נשארים עקביים על פני CSs מרובים המכילים את אותה קבוצת טיפול של מיוציטים. בנוסף, תוצאות אופטימליות מתקבלות על ידי בחירת myocytes כי חסר blebs, דבקים באופן מלא CS, חוזה בשני הקצוות של תא בצורת מוט. תאים המחוברים בקצה אחד בלבד, אלה עם כתמים מרובים, ו / או מיוציטים מתכווצים רק בקצה אחד אינם רצויים ולעתים קרובות קשה יותר להקליט אותם עקב תנועת הרקע. עבור מחקרים אלה, ≥20 סרקומרים כלולים בהחזר ההשקעה כדי להשיג שיא ספקטרום הספק חד, אורכי סרקומר הניתנים לשחזור במנוחה ויחס אות/רעש אופטימלי עבור העקבות המתקצרים. ניתן להשתמש בהחזר השקעה עם שבעה סרקומרים בלבד אם שיא ספקטרום ההספק נשאר חד. אורך סרקומר המנוחה במיוציטים של חולדות מבודדות נע בדרך כלל בין 2.00-1.80 מיקרומטר. אם אורך סרקומר במנוחה קטן מ-1.5 מיקרומטר, התכווצות פעילה אינה מציאותית בהתבסס על הבנתנו את ארכיטקטורת הסרקומר18 ובדרך כלל היא תוצאה של כיוון מיוציטים תת-אופטימלי.
מדידת פונקציית ההתכווצות עם או בלי מדידות ארעיות של Ca2+ במיוציטים שלמים היא גישת תפוקה גבוהה יותר הדורשת פחות השקעה בפיתוח המומחיות הטכנית הדרושה למדידות כוח בתאים בודדים שלמים11. מחקרי מיוציטים שלמים מתמקדים גם הם אך ורק בתפקוד המיוציטים, ללא תרומתם של סוגי תאים אחרים בתכשירים רב-תאיים2. תחום מתפתח בתחום זה הוא פיתוח של ניתוח תפוקה גבוהה יותר על ידי מדידה בו זמנית של קיצורים ו/או ארעי Ca2+ במספר מיקרוציטים שלמים כדי להאיץ את ההקרנה של חומרים טיפוליים ברמה התאית לפני ניתוח in vivo נרחב יותר.
פונקציית התכווצות ומדידות ארעיות Ca2+ אפשריות גם במיוציטים שלמים שבודדו ממודלים אחרים של מכרסמים כגון עכברים, אם כי ישנם כמה שיקולים והבדלים חשובים בהשוואה למיוציטים של חולדות. מיוציטים של עכברים הם ברי קיימא בתרבית במשך 24-36 שעות, אך הכדאיות פוחתת בהדרגה במיוציטים שגודלו בתרבית במשך יותר מ-48 שעות19. יש לקחת בחשבון את מרווח התרבית החתוך הזה בעת שימוש בהעברת גנים מבוססת וקטורים, במיוחד עבור חלבוני מיופילמנט שיש להם זמן מחצית חיים בימים ולאבשעות 20. שלא כמו מיוציטים של חולדות, הבידוד והתרבית המוצלחים של מיוציטים של עכברים תלויים גם בתוספת של מעכבי מיוזין ATPase, כגון מונוקסיים 2,3-בוטנדיון או בלביסטטין, למדיה תרבותית19. כתוצאה מכך, קצב כרוני אינו אפשרות מעשית בתרביות מיוציטים של עכברים. יש צורך גם בזמן שיווי משקל ארוך יותר של 15-20 דקות כדי להסיר את ההשפעה התפקודית של מעכבי מיוזין אלה על מיוציטים של עכברים מבודדים. לבסוף, מיוציטים של עכברים הם בקצב אופטימלי של 0.5 הרץ כדי לקבל עקבות קיצור הניתנים לשחזור בהשוואה ל-0.2 הרץ המשמשים עבור מיוציטים של חולדות.
במחקרים על חולדות שטופלו ב-PO, תפקוד לקוי של התכווצות מזוהה באופן עקבי עם קצב בתדר נמוך במיוציטים של חולדות. הפחתה גדולה יותר תלוית תדירות בהתקצרות מתגלה גם במיוציטים לאחר PO בהשוואה לחולדות בושה כאשר יש תפקוד לקוי של התכווצות in vivo 5,13. במהלך מחקר שהשתמש בטווח תדרים, הכפלת מהירות המשאבה כדי לספק מדיה מספקת המיוצרת התקצרות במצב יציב תוך 15-20 שניות לאחר שינוי תדר הגירוי בין 0.2 ל-2 הרץ. באופן כללי, תפקוד התכווצות המיוציטים הוכח כגישה הניתנת לשחזור כדי לאשר או לאמת תפקוד לב in vivo במודלים של חולדות, כגון PO- בהשוואה לחולדות שטופלו בבושה (טבלה 1; ראו Kim et al.13). בנוסף, פלטפורמה זו יכולה לבדוק אם טיפול המכוון למיוציטים משחזר או פוגע בתפקוד ההתכווצות לפני נקיטת גישות in vivo יקרות יותר ו/או מייגעות. הן העברה אקוטית והן חשיפה ארוכה יותר לגורמים טיפוליים ו/או לאחר העברת גנים במהלך התרבית הראשונית אפשריים בגישה זו. לדוגמה, ניסויים בהעברת גנים להחלפת cTnI אנדוגני ב-cTnIT144D מצביעים על כך שאין שינוי משמעותי במשרעת הקיצור במיוציטים מחולדות בושה. לעומת זאת, cTnIT144D משחזר משרעת שיא של קיצור לקראת ערכי בושה במיוציטים מחולדות שטופלו ב-PO (טבלה 1). חולשה מובנית של גישה זו היא היעדר העומס הטיפוסי הקיים במיוציטים בתנאי in vivo. כתוצאה מכך, תגובות עשויות להיות שונות מתגובות פונקציונליות תלויות עומס, והניסוי לדוגמה מצביע על כך שיש צורך בגישות in vivo כדי לחקור עוד יותר אם cTnIT144D משפר את ביצועי הלב במהלך PO.
המדידה של שני הקיצור וגם של טרנזיינטים Ca2+ באותו מיוציט היא יתרון של פלטפורמה זו. לדוגמה, כיוון השינוי עשוי להיות שונה עבור ארעי Ca2+ בהשוואה לפונקציית התכווצות. כפי שמוצג בטבלה 2, קיצור שיא עולה באופן משמעותי לאחר העברת גנים של cTnIT144D לתוך מיוציטים מחולדות בנות 2-3 חודשים. תוצאה זו שונה מהנתונים המתקבלים במיוציטים מבוגרים יותר שטופלו בבושה (טבלה 1) ועשויה להיות קשורה לגיל5. עם זאת, יש צורך בבדיקות נוספות כדי להוכיח פרשנות זו. הנתונים בטבלה 2 מראים גם כי cTnIT144D אינו משנה את משרעת השיא Ca 2+, ובמקום זאת, נוטה להאט את קצב הדעיכה של Ca 2+ ולהעלות את Ca2+ במנוחה+. ממצאים אלה מצביעים על כך שביטוי cTnIT144D משפר את תפקוד ההתכווצות, בעוד שמכונות המחזור Ca2+ מפצות על כך כדי לרכך את האפקט הזה. תוצאות אלה מדגישות את יכולתה של גישה זו להבחין בין שינויים בתפקוד הכיווץ לבין מחזוריות Ca2+. בעוד שהתוצאות הספציפיות המוצגות כאן עדיין אינן חד משמעיות, הן מספקות רציונל מוצק לפיתוח מודל גנטי של בעלי חיים כדי לבטא את שריר הלב cTnIT144D ולהעריך אם הביטוי שלו מקהה תפקוד לקוי שנגרם על ידי PO בעתיד. תצפית אחרונה מהנתונים הארעיים של Ca 2+ היא שצבעים פלואורסצנטיים כגון Fura-2AM משנים את קינטיקה של פונקציית הכיווץ במיוציטים21. למרות שהתגובה היחסית המיוצרת על ידי טיפול נתון או מודל של בעלי חיים דומה בתוך מיוציטים טעונים Fura-2, אין לשלב תוצאות אלה עם מדידות קיצור שנעשו בהיעדר Fura-2AM. כדי לייעל את השימוש ב- Fura-2AM לניתוח ארעישל Ca 2+, המעבדה מודדת לרוב קיצור בהיעדר Fura-2AM ומבצעת תת-קבוצה של ניסויים למדידת ארעיות Ca2+.
למחברים אין אינטרסים כספיים מתחרים או ניגודי עניינים אחרים.
עבודה זו נתמכת על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (NIH) מענק R01 HL144777 (MVW).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
MEDIA | |||
Bovine serum albumin | Sigma (Roche) | 3117057001 | Final concentration = 0.2% (w/v) |
Glutathione | Sigma | G-6529 | Final concentration = 10 mM |
HEPES | Sigma | H-7006 | Final concentration = 15 mM |
M199 | Sigma | M-2520 | 1 bottle makes 1 L; pH 7.45 |
NaHCO3 | Sigma | S-8875 | Final concentration = 4 mM |
Penicillin/streptomycin | Fisher | 15140122 | Final concentration = 100 U/mL penicillin, 100 μg/mL streptomycin |
REAGENTS SPECIFICALLY FOR Ca2+ IMAGING | |||
Dimethylsulfoxide (DMSO) | Sigma | D2650 | |
Fura-2AM | Invitrogen (Molecular Probes) | F1221 | 50 μg/vial; Prepare stock solution of 1 mM Fura-2AM + 0.5 M probenicid in DMSO; Final Fura2-AM concentration in media is 5 μM |
Probenicid | Invitrogen (Fisher) | P36400 | Add 7.2 mg probenicid (0.5 M) to 1 mM Fura-2AM stock; Final concentration in media is 2.5 mM |
MATERIALS FOR RAT MYOCYTE PACING | |||
#1 22 mm2 glass coverslips | Corning | 2845-22 | |
3 x 36 inch cables with banana jacks | Pomona Electronics | B-36-2 | Supplemental Figure 1, panel C |
37oC Incubator with 95% O2:5% CO2 | Forma | 3110 | Supplemental Figure 1, panel E. Multiple models are appropriate |
Class II A/B3 Biosafety cabinet with UV lamp | Forma | 1286 | Multiple models are appropriate |
Forceps - Dumont #5 5/45 | Fine Science Tools | 11251-35 | |
Hot bead sterilizer | Fine Science Tools | 1800-45 | |
Low magnification inverted microscope | Leica | DM-IL | Position this microscope adjacent to the incubator to monitor paced myocytes for contraction at the start of pacing and after media changes; 4X and 10X objectives recommended |
Pacing chamber | Custom | Supplemental Figure 1, panel A. The Ionoptix C-pace system is a commercially available alternative or see 22 | |
Stimulator | Ionoptix | Myopacer | Supplemental Figure 1, panel D. |
MATERIALS FOR CONTRACTILE FUNCTION and/or Ca2+ IMAGING ANALYSIS | ID in Supplemental Figure 2 & Alternatives/Recommended Options | ||
Additional components for Ca2+ imaging analysis | Ionoptix | Essential system components: -- Photon counting system -- Xenon power supply with dual excitation light source -- Fluorescence interface | - The photon counting system contains a photomultiplier (PMT) tube and dichroic mirrorand is installed adjacent to the CCD camera (panel A #4). - The power supply for the xenon bulb light source (see panel A #5 and panel C, left) is integrated with a dual excitation interface (340/380 nm excitation and 510 nm emission) shown in panel A #6. - The fluorescence interface between the computer and light source is shown in panel B, #12. |
CCD camera with image acquisition hardware and software (240 frames/s) | Ionoptix | Myocam with CCD controller | Myocam and CCD controller are shown in Supplemental Fig. 2, panel A #4 and panel A #5 & panel C #5 (right), respectively. The controller is integrated with a PC computer system (panel B #14). |
Chamber stimulator | Ionoptix | Myopacer | Panel B, #13; Alternative: Grass model S48 |
Coverslip mounted perfusion chamber | Custom chamber for 22 mm2 coverslip with silicone adapter and 2-4 Phillips pan-head #0 screws (arrow, panel F) | Panel A #10 & panel F; Chamber temperature is calibrated to 37oC using a TH-10Km probe and the TC2BIP temperature controller (see temperature controller). Commercial alternatives: Ionoptix FHD or C-stim cell chambers; Cell MicroControls culture stimulation system | |
Dedicated computer & software for data collection and analysis of function/Ca2+ transients | Ionoptix | PC with Ionwizard PC board and software | Panel B, #14; Contractile function is measured using either SarcLen (sarcomere length) or SoftEdge (myocyte length) acquisition modules of the IonWizard software. The Ionwizard software also includes PMT acquisition software for ratiometric Ca2+ imaging in Fura-2AM-loaded myoyctes. - A 4 post electronic rack mount cabinet and shelves are recommended for housing the somputer and cell stimulator. The fluorescence interface for Ca2+ imaging also is housed in this cabinet (see below). |
Forceps - Dumont #5 TI | Fine Science Tools | 11252-40 | Panel F |
Insulated tube holder for media | Custom | Panel A #9; This holder is easily assembled using styrofoam & a pre-heated gel pack to keep media warm | |
Inverted brightfield microscope | Nikon | TE-2000S | Install a rotating turret for epi-fluorescence (Panel A #2) for Ca2+ imaging. A deep red (590 nm) condenser filter also is recommended to minimize fluorescence bleaching during Ca2+ imaging. |
Isolator Table | TMC Vibration Control | 30 x 36 inches | Panel A, #1; Desirable: elevated shelving, Faraday shielding |
Microscope eyepieces & objective | Nikon | 10X CFI eyepieces 40X water CFI Plan Fluor objective | Panel A #3; 40X objective: n.a. 0.08; w.d. 2 mm. A Cell MicroControls HLS-1 objective heater is mounted around the objective (see temperature controller below). NOTE: water immersion dispensers also are now available for water-based objectives. |
Peristaltic pump | Gilson | Minipuls 3 | Panel A #8 and panel E |
small weigh boat | Fisher | 08-732-112 | |
Temperature controller | Cell MicroControls | TC2BIP | Panel A #7; Panel D. This temperature controller heats the coverslip chamber to 37oC. A preheater and objective heater are recommended for this platform. A Cell MicroControls HPRE2 preheater and HLS-1 objective heater are controlled by the TC2BIP temperature controller for our studies. |
Under cabinet LED light with motion sensor | Sylvania | #72423 LED light | Recommended for data collection during Ca2+ transient imaging under minimal room light.. Alternative: A clip on flashlight/book light with flexible neck - multiple suppliers are available. |
Vacuum line with in-line Ehrlenmeyer flask & protective filter | Fisher | Tygon tubing - E363; polypropylene Ehrlenmeyer flask - 10-182-50B; Vacuum filter - 09-703-90 | Panel A #11 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved