Method Article
Shown here is a method for visualizing extracellular matrix ultrastructure in decellularized cardiac tissues.
Fibrosis is a component of all forms of heart disease regardless of etiology, and while much progress has been made in the field of cardiac matrix biology, there are still major gaps related to how the matrix is formed, how physiological and pathological remodeling differ, and most importantly how matrix dynamics might be manipulated to promote healing and inhibit fibrosis. There is currently no treatment option for controlling, preventing, or reversing cardiac fibrosis. Part of the reason is likely the sheer complexity of cardiac scar formation, such as occurs after myocardial infarction to immediately replace dead or dying cardiomyocytes. The extracellular matrix itself participates in remodeling by activating resident cells and also by helping to guide infiltrating cells to the defunct lesion. The matrix is also a storage locker of sorts for matricellular proteins that are crucial to normal matrix turnover, as well as fibrotic signaling. The matrix has additionally been demonstrated to play an electromechanical role in cardiac tissue. Most techniques for assessing fibrosis are not qualitative in nature, but rather provide quantitative results that are useful for comparing two groups but that do not provide information related to the underlying matrix structure. Highlighted here is a technique for visualizing cardiac matrix ultrastructure. Scanning electron microscopy of decellularized heart tissue reveals striking differences in structure that might otherwise be missed using traditional quantitative research methods.
Fibrosis disrupts the normal myocardial collagen network, which is critical for normal mechanistic functions of cardiomyocytes 1,2 as well as for inter-cellular communication, intracellular signaling, and cell survival 3. The development of fibrosis is a major determinant of cardiac function, and fibrotic remodeling of the cardiac interstitium arising from a variety of etiologies leads to increased left ventricular stiffness and diastolic dysfunction 4. Myocardial fibrosis may also lead to arrhythmias, and whether the progression of fibrotic remodeling is a general or local phenomenon, it is highly associated with a poor prognosis in patients with ischemic and non-ischemic cardiomyopathy 5. Likewise, the absence of myocardial fibrosis is a strong predictor of ventricular functional recovery and long-term survival 6.
The hallmark of fibrosis is the deposition of excess collagen, which has the tensile strength of steel 7 and can adversely affect cardiomyocyte function on multiple levels. Mechanical forces resulting from an excessively collagenous matrix can lead to cardiomyocyte atrophy 8,9, passive tissue stiffness 10, tonic contraction-induced myocardial stiffness 11-13, and reduced delivery of oxygen to the remaining population of cardiomyocytes. Gap junction coupling of cardiomyocytes and myoFbs can also compromise the heart's electrical characteristics, creating a greater risk for the development of arrhythmias 14-16. Perivascular fibrosis alters vasomotor reactivity of intramural coronary arteries and arterioles 17 and contributes to luminal narrowing that reduces the supply of oxygen and thus the survival of cardiomyocytes 17-22. Pathogenic fibrotic and electrical remodeling, emanating from an initial site of ischemic injury or energy imbalance, inevitably progresses to heart failure.
Cardiomyocyte necrosis initiates the fibrotic response, and subsequent adverse fibrotic remodeling can occur irrespective of etiology. Finding a way to control cardiac fibrosis would be clinically beneficial for the treatment of ischemic and idiopathic cardiomyopathies, hypertensive heart disease, hypertrophic cardiomyopathy, valvular heart disease and dystrophinopathies 23-42. Regardless of how the fibrotic disease process begins, soluble, profibrotic factors can cross the interstitial space and provoke activation of interstitial and adventitial fibroblasts at sites remote to the initial fibrotic scar, creating a cascade effect that ultimately leads to heart failure. The optimum scenario would be to exploit the fibrillogenic process using a targeted therapeutic that can be applied during the compensative hypertrophic stage of cardiomyopathy before it progresses to systolic pump failure, diastolic heart failure, or other end-stage outcomes. The ultimate goal would be to reverse fibrosis so that dead cardiomyocytes can be replaced and heart function restored completely.
The importance of the matrix is widely understood, yet methods to study the matrix are limited mainly to quantitative measurements of major structural components, particularly collagen, and relative levels of different matrix and matricellular proteins. This protocol highlights a rarely used technique that is useful for assessing qualitative differences in the cardiac matrix. This technique has been recently used to compare and contrast fundamental differences in heart matrices from different etiologies of heart disease (in human explants), to examine hearts from post-infarcted pigs treated with the glial growth factor (GGF) isoform of neuregulin-1β, relative to untreated animals 43, and to probe for differences in the matrices of cardiac tissues from mdx mice (a commonly used animal model of Duchenne Muscular Dystrophy) at different ages and compared to wild-type controls. This technique was first introduced by Drs. Caulfield and Borg in 1979 44, but few studies have since employed this powerful technique 45-47, re-introduced here with only slight modification. This methodology is a valuable research tool, because it provides qualitative information about extracellular matrix ultrastructure that might otherwise be overlooked when simply measuring matrix component content and/or level of fibrosis.
윤리 문 : 동물 처리를위한 프로토콜 밴더빌트 기관 동물 관리 및 사용위원회 (IACUC에 의해 승인 된, AAALAC-국제 표준에 따라 수 M / 1백17분의 10 (돼지) 및 M / 219분의 10 (마우스) 및 실시를 프로토콜. 뱅크 인간의 심장 조직의 사용법은 밴더빌트 대학 의료 센터 IRB (프로토콜 번호 100887)에 의해 승인되었다.
1. 시료 채취 및 보관
심장 조직의 2. 탈세 포화
3. Osmication과 (안전을위한 연기 후드에서) 심장 조직의 탈수
SEM 4. 단면 표면 준비
5. 임계점 건조 (CPD) 심장 조직의
SEM에 대한 심장 조직 표본 6. 장착
심장 조직 표본의 7 SEM 시험
강조 표시된 기술은 사용하지 않는 인간의 심장 이식 기증자 (그림 1), 이식, 야생형과 이영 마우스 (그림 3)에서 마음에서 외식 조직에서 심장 조직에, 그리고 돼지에서 후 심근 경색 심장 샘플에 적용되었다 심장 손상 모델 (그림 2). 도 1에 도시 된 바와 같이, 인간의 심장 행렬은 단면에서 보았을 때, 벌집 형 패턴을 표시 가교 된 단백질의 복잡한 직조이다. 각 '벌집'구조는 그림 1의 평면도를 고려할 때 인터 디스크로 연결하면로드 할 때 은유 '터널'을 통해 길이 실행으로 약 40 μm의 폭, 일반적으로 단일 심근 세포를 우회,., 여러 심근 구상 할 수있다 세 차원으로 확장된다. 또한 1 하이라이트도절삭 가공 (그림 1, 오른쪽) 중 "분쇄"하는 부분보다 정밀도가 더 계시 지형 데이터를 산출로 절단 절차의 중요성, (그림 1, 왼쪽 위).
상주 심장 세포, 혈관 및 SEM 처리에 앞서 순환 세포의 제거는 전체 심장 조직 블록을 SEM으로 덜 감지 될 추가적인 극도의 세부 구조를 폭로한다. 각 콜라겐 "지주"(예를 들어,도 1, 하단 패널) 명백하게 일정한 간격으로 정렬 근섬유 분절 근원 섬유를 수직이다. 이 배열은 스트레칭에 대해 패브릭 몸과 양식을 유지하는 데 도움이 섬유의 '경사와 위사'과 유사한 수축과 이완 사이클 동안 가해 카운터 작용 변형에 의해 심장 구조를 유지 도움에 적합하다.
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그림 1 :. 사용되지 않는 인간의 기증자 심장에서 획득 Decellularized 좌심실 조직의 세포 외 매트릭스의 3 차원 배열의 대표 주사 전자 현미경 사진은 상단이 패널은 낮은 배율 (바 = 500 μm의)에서 단면 행렬을 보여 정상적인 인간의 심장 조직의 구조의 공중보기를 제공한다. 높은 배율에서, 하나는 더 규칙적으로 이격 된 근섬유에 대한 기계적 지원 (가운데 왼쪽과 오른쪽 패널 바 = 100 μm의 50 μm의 각각)을 제공지지 섬유의 일반적인 벌집 모양의 구조를 관찰 할 수있다. 가까이 검사시 각 '벌집'는 수직 주민 심근 (아래 왼쪽과 오른쪽 패널 바 = 각각 10 μm의 5 μm의)에 서로 동안 병렬로 구성되어 섬유로 구성되어있다.ttps : //www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54005/54005fig1large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
구조 정보를 제공 할뿐만 아니라, decellularized 조직의 SEM은 부상이나 심근 병증의 비 해로운 형태의 질문에 답변 세포 외 기질 변화의 의미, 질적 평가를 할 수 있습니다. 예를 들어,이 기술은 최근 후 경색 돼지 심장 조직 (43)의 외 기질을 조사 하였다. 이 대형 동물 실험의 과정에서 심장 매트릭스의 변화를 눈에 띄는 나타내었다 심부전, 정맥 NRG-1β 투여를받은 후 경색 돼지에 대한 잠재적 치료제로서 NRG-1β의 GGF2 동종의 효과를 평가하기 위해 특별히 설계된 포스트 경색 동물의 치료 심장 조직에 비해. 이 결과는 이후 테 (43)를 발표 하였다chnique이 초기, 뜻밖의 발견에 구축하기위한 유용한 도구를 유지하고있다. (2) 치료 및 NRG-1β 처리 행렬 사이의 격렬한 매트릭스의 차이를 강조하는 연구 과정 중에 생성 예 현미경을 포함 그림.
그림 2 :. 처리되지 않은 및 NRG-1 β 처리 한 돼지에서 왼쪽 심실 세포 외 매트릭스의 대표적인 주사 전자 현미경 사진은, NaOH를 침용 후 단면의 행렬은 치료 후 심근 경색에서 섬유의 규칙적인 공간 배열을 강조 (포스트 MI) 돼지 (왼쪽 위), 후 MI는 NRG-1β 처리 된 동물 (오른쪽) 비교. 경도에서 볼 때, 처리되지 않은 돼지의 행렬은 NRG-1β 처리 된 돼지의 행렬 반면 두꺼운 매트와 같은 모습 (왼쪽 아래)를 전시섬유의 규칙적인 공간 배열 (오른쪽 아래)를 표시합니다. 흰색 막대 = 40 μm의 (전 4 패널). 더 자세한 결과와 수치는 관련 원고 (43)에 포함되어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
이영 마음에서 발생하는 행렬 변경의 탐험은 뒤 시엔 느 근이영양증 심근증 (DMD)의 동물 모델의 진행 및 개발에 질적 통찰력을 굴복했다. MDX 마우스, DMD의 일반적으로 사용되는 마우스 모델에서, 야생형 및 고정 및 NaOH로 처리 후 SEM 볼 MDX 하트 중 상당한 연령 의존적 차이가있다. 도 3에 도시 된 바와 같이, 매트릭스 성분은 정상 마우스에 작용 디스트로핀 상대적인 결여 6주 된 MDX 하트 비교적 정상이었다. 더 INTeresting, 세포 외 매트릭스 조직은 마음에 DMD의 진보적 인 성격을 보여주는 명확하게 파괴 이하 MDX 쥐에 비해 나이가 디스트로핀 결핍 생쥐에서 아마도 저하되었다. MDX 생쥐 인해 그들이 훨씬 온화한 심근증 표현형과 DMD (48)보다 느린 인간 사망률을 나타낸다는 사실 인간 DMD 심근증의 저조한 대표 때문에 이러한 깊은 차이는 예상되지 않았다. 이는 심장 기능 심지어 작은 변경이 논문에 제시된 시각화 기법을 사용하여 캡처 될 수 있음을 시사한다. 이 방법은 더 현재 마찬가지로 사용할 수 섬유증 타겟팅 치료가되지 않은 다른 장기의 세포 외 매트릭스에 쉽게 적응할 수 있어야합니다.
그림 3 : 왼쪽 벤의 대표적인 주사 전자 현미경 사진MDX 마우스에 비해 야생형에서 tricular 외 매트릭스는. 야생형 마우스에서 좌심실 심근 매트릭스 (상단 패널)의 다른 종에서 관찰 된 것과 유사하다. 나이 6 주에서 MDX 마우스의 행렬은 외관 (가운데 패널)에서 비록 약간 "무성"상대적으로 보통 보인다. 반대로, 이전 MDX 마우스의 심장 행렬은 이영 프로세스 성적 고정 NaOH를 침연 (macerated) 조직에서 SEM을 사용하여 캡처 될 수 있음을 나타낸다 (하단 패널) 심각한 변성 나타난다. 흰색 막대 = 10 μm의 (세 개의 패널). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
단면 표면 처리 프로토콜 중 가장 중요한 단계입니다. 임계점 건조 공정에 도입 될 때까지 미세 구조를 보존하기 위해 탈수 시험편은 항상 100 % 에탄올에 남아 있어야한다. 따라서 표본의 슬라이스는 표본이 얕은 접시에 에탄올에 잠겨있는 동안 EM 시험을위한 표면을 수행해야합니다 달성했다. 노출 된 표면이 접촉 또는 후속 처리 중에 프로브되지 않는 것이 중요하다. 프로토콜의 SEM 부분에 관계없이 샘플 기원의 기본 전자 현미경 문제 해결이 필요할 수 있지만 더 중요한 수정은 유사한 매트릭스 관측 다른 조직 유형에이 기술의 응용 프로그램에 대한 예상되지 않습니다. 섬유 샘플에서 수집 한 이미지 ( "충전") 나쁨 전하 소산에 의해 도입 된 유물하는 경향이 있습니다. 충전의 문제는 일반적으로 주사 속도를 증가, 가속 전압 (또한 정지 시간을 감소시킴으로써 최소화 될 수있다) 및 전자 빔의 스폿 사이즈를 감소시킨다. 여러 스캔 통합 저속, 높은 품질의 단일 스캔 이미지에 전하 아티팩트없이 잡음 품질 비교 신호의 화상을 생성한다 전하 아티팩트들을 피하기 위해 충분히 빠르게 수집 하였다.
이러한 기술은 본질적으로 질적이며 따라서 정량적 측정 (예를 들면, 메이슨의 트리 크롬 또는 picoserius 레드 염색, 히드 록시 프롤린 함량, 질량 분석법과 RNASeq의 측정) 시각 구조적 차이점은 다양한 발달 또는 질병 상태와 관련 될 수있는 방법을 확인하기 위해 함께 고려 될 때 보완한다. 세포 외 기질은 체내 거의 모든 기관의 필수 구성 요소이기 때문에, 이러한 제한에도 불구하고,이 방법은 특히 심근 섬유증 이후 중요하다. 심장에서 심장 행렬 데프 연속 복잡한 특징으로 펌핑 스트레칭, 비틀림 및 중요 기계적인 지원을 제공합니다인간의 평균 수명 이상 발생> 25 억 비트에 대한 산화 된 혈액과 환원 된 혈액에 (49)의 최적의 입력 및 유출을 부여 ormation. 심장 조직의 매우 낮은 재생 능력을 감안할 때, 상황의 필요에 따라 개조 할 수있는 동적 인 행렬은 논리적 인 의미가 있습니다. 상상 약간만 스트레칭 한 불리한 섬유증을 제한하면서, 치유 과정을 개선하기 위해 매트릭스 개장 조작을위한 치료 표적이 존재한다고 추정 할 수있다. 최소한의 입증 기술의 적용은 심장 행렬의 정교함과 아름다움을 전시하고 그렇게함으로써 더 기능적 중요성을 강조한다.
정량적 측정 값이 거의 모든 실험 연구의 평가를위한 핵심 원칙이지만,이 기술은 현재의 표준 매트릭스 측정을 보완뿐만 아니라 미세 질적 변화를 나타 내기 위해 사용될 수있다 강조된하지만 질적 변화를 강조 근본적인 생화학 적 변화를 이해하기 위해 다른 조사 경로를 제안 할 수 있습니다. 이 기술의 예상되는 장래의 애플리케이션 매트릭스 변화는 질병 과정의 성분되는 기타 기관을 연구는 심장 질환 모델 매트릭스의 변화를 평가하기위한 상보 적 도구로서 인간 조직에서의 사용뿐만 아니라, 넓어진 사용된다.
The authors have nothing to disclose.
This study was funded by grants from the National Institutes of Health (NIH), Heart, Lung, and Blood Institute (NIHLB): K01-HL-121045, K08-HL-094703, 5T32HL007411-35, P20 HL101425, U01 HL100398.
Imaging and tissue processing (after NaOH maceration) were performed through the use of the Vanderbilt University Medical Center (VUMC) Cell Imaging Shared Resource (CISR) (supported by NIH grants CA68485, DK20593, DK58404, DK59637 and EY08126). We are especially grateful to the VUMC CISR core directors (Dr. Sam Wells and Dr. W. Gray (Jay) Jerome) for valuable technical advice and also for providing core space and resources for the purposes of filming the technique highlighted in this paper.
We would like to extend our deepest appreciation to Dr. Yan Ru Su and Ms. Kelsey Tomasek in the Cardiology Core Lab for Translational and Clinical Research at Vanderbilt University for providing technical expertise and for collecting human tissue samples used in this study.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Calcium Chloride | Electron Microscopy Sciences | 12340 | 100 g |
Carbon Adhesive | Electron Microscopy Sciences | 12664 | 30 g |
Carbon Adhesive Tabs | Electron Microscopy Sciences | 77825 | order to fit stubs |
Double Edge Razor Blades Stainless Steel | Ted Pella, Inc | 121-6 | 250/pkg |
Ethanol | Electron Microscopy Sciences | 15055 | 450 ml |
Gluteraldehyde, 50% Solution | Electron Microscopy Sciences | 16310 | EM grade, distillation purified |
Hydrochloric Acid | Electron Microscopy Sciences | 16760 or 16770 | 100 ml |
Monosodium Phosphate NaH2PO4 | Sigma-Aldrich | S9251-250G | 250 g |
Osmium Tetroxide | Electron Microscopy Sciences | 19100 | 1 g |
Silver Conductive Adhesive | Electron Microscopy Sciences | 12686-15 | 15 g |
Sodium hydroxide (NaOH) | Sigma-Aldrich | S8045-1KG | 1 kg |
Sodium Phosphate Dibasic (Na2HPO4) | Sigma-Aldrich | S3264-500G | 500 g |
Tannic Acid, 5% Aqueous | Electron Microscopy Sciences | 21702-5 | 500 ml |
Trihydrate Sodium Cacodylate | Electron Microscopy Sciences | 12300 | 100 g |
Gold-palladium Alloy or Gold | Refining Systems, Inc. | varies | specific to the sputter coater make and model |
Critical Point Dryer | Electron Microscopy Sciences | 850 | |
Plain Wooden Applicators | Fisher Scientific | 23-400-102 | |
Quanta 250 Environmental SEM | FEI | Q250 SEM | |
Sputter Coater | Cressington Scientific Instruments Ltd. | Model 108 | |
Alluminum SEM Sample Stubs | Electron Microscopy Sciences | 75220-12 | specific to the miscroscope |
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