Method Article
В этом протоколе представлена подробная методологическая основа для основанного на электропорации трансгенеза сердечных клеток в развивающихся сердцах мышей. Представленные здесь видеоматериалы облегчат изучение этой универсальной техники.
Сердце млекопитающих — сложный орган, формирующийся в процессе развития с помощью очень разнообразных популяций клеток-предшественников. Происхождение, сроки пополнения и судьба этих прародителей имеют жизненно важное значение для правильного развития этого органа. Молекулярные механизмы, которые управляют морфогенезом сердца, имеют важное значение для понимания патогенеза врожденных пороков сердца и эмбриональной регенерации сердца. Классические подходы к исследованию этих механизмов использовали создание трансгенных мышей для оценки функции конкретных генов во время развития сердца. Тем не менее, трансгенез у мышей является сложным, трудоемким процессом, который часто не может быть выполнен для оценки роли конкретных генов в развитии сердца. Чтобы решить эту проблему, мы разработали протокол эффективной электропорации и культивирования эмбриональных сердец мышей, что позволяет с помощью транзиторного трансгенеза быстро оценить влияние усиления или потери функции генов, участвующих в развитии сердца. Используя эту методологию, мы успешно сверхэкспрессировали Meis1 в эмбриональном сердце, отдавая предпочтение трансфекции эпикардиальных клеток, демонстрируя возможности метода.
Сердце – это первый орган, который формируется во время эмбрионального развития. Этот процесс включает в себя пространственно-временную координацию различных популяций клеток-предшественников из различных областей эмбриона. Все это происходит в то время, когда развивающееся сердце продолжает биться и функционировать, подчеркивая замечательную координацию, необходимую для его формирования 1,2,3. Учитывая решающую роль сердца, строгая регуляция на клеточном и молекулярном уровнях имеет важное значение для его правильного формирования 4,5. Выявление механизмов, контролирующих развитие сердца, представляет большой интерес, поскольку они имеют решающее значение для раскрытия врожденных пороков сердца, которые поражают значительное числопациентов во всем мире. Кроме того, понимание развития сердца имеет решающее значение для расшифровки регенерации сердца, поскольку послеродовое сердце млекопитающих сохраняет регенеративную способность, которая теряется или затрудняется во взрослом возрасте. Следовательно, препарирование молекулярных регуляторов развития сердца является обязательным условием для продвижения исследований врожденных пороков сердца и регенерации сердца.
В стремлении к достижению этой цели все большее внимание уделяется исследованию роли эпикарда в развитии и регенерации сердца9. Эпикард представляет собой тонкий слой мезотелиальной ткани, который составляет самый внешний слой сердца млекопитающих (Рисунок 1). Недавние исследования показали важность эпикарда при повреждении сердца, показав, что эта ткань способна посылать сигналы пролиферации кардиомиоцитам в пораженной области, чтобы смягчить повреждение10,11. Несмотря на важность эпикарда, проведение дальнейших молекулярных исследований было затруднено из-за его огромной гетерогенности. Эксперименты с РНК одиночных клеток выявили гетерогенность эпикарда, содержащего несколько клеточных субпопуляций с различными транскриптомными сигнатурами 12,13,14,15,16. Таким образом, стратегия скрининга потенциальных регуляторов сердечного развития должна учитывать разнообразие эпикардиальных клеток-предшественников.
В этом смысле способность мышиной модели к генетической модификации способствовала идентификации многочисленных генов, имеющих решающее значение для развития сердца, что позволило создать мутантные линии с усилением функции (GOF) или потерей функции (LOF) определенных генов. Однако такие подходы предполагают значительные вложения времени и экспериментальных ресурсов; Поэтому они непрактичны при оценке роли большого числа генов-кандидатов. Кроме того, гены развития часто проявляют плейотропные функции в различных тканях или необходимы для раннего эмбрионального развития, что затрудняет интерпретацию их вклада в развитие в конкретном процессе. Несмотря на то, что можно нацелить функцию гена на определенные структуры или временные точки развития, это обычно требует использования более сложных генетических конструкций, которые может быть трудно создать или которые вообще недоступны.
Чтобы преодолеть эти ограничения, мы представляем методологию электропорации эмбриональных сердец мышей для транзиторного трансгенеза (рис. 2). В сочетании с культурой ex vivo и флуоресцентно-активируемой сортировкой клеток (FACS) эта стратегия демонстрирует свои возможности через транзиторный GOF Meis1, хорошо охарактеризованный ген, участвующий в развитии и регенерации сердца 17,18,19. В данной статье также исследуются другие потенциальные применения этой методологии, а также обсуждаются ее преимущества и ограничения, а также сравнение с существующими протоколами для транзиторной модуляции экспрессии генов. Мы считаем, что представленная структура и наглядные примеры улучшат понимание биологии эпикарда во время развития и болезни.
Рисунок 1: Эмбриональные слои сердца мыши. Принципиальная схема коронального изображения эмбрионального сердца мыши E13-14. Три основных клеточных слоя сердца представлены желтым (эндокард), красным (миокард) и синим (эпикардом) цветом. Перикард представлен коричневой линией. Четыре камеры сердца сокращенно обозначаются как ЛЖ – левый желудочек; ПЖ, правый желудочек; Лос-Анджелес, левое предсердие; РА, правое предсердие. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2: Схематический обзор протокола электропорации сердца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Все процедуры на животных были одобрены Комитетом по этике экспериментов на животных CNIC и соответствуют действующему законодательству, включая Директиву ЕС 2010/63EU и Рекомендацию 2007/526/EC, как это предусмотрено испанским законодательством в соответствии с Real Decreto 53/2013. Для этого протокола использовались самки мышей дикого типа CD-1 в возрасте 15-21 недели. Подробная информация об используемых животных, реагентах и оборудовании приведена в Таблице материалов.
1. Плазмида и подготовка инструмента
2. Вскрытие эмбрионов и экстракция сердца
3. Электропорация сердца и культивирование ex vivo
Рисунок 3: Установка электропорации. (А) Установка, используемая для электропорации. Красными стрелками обозначены электропоратор, электроды и чашка Петри, в которую электропорируются сердца. (А') Деталь иглы электропорации, как показано на рисунке (A) белым прямоугольником. (B) Подробная информация о скорректированном расстоянии до электродов, используемых в сердцах E12.5. (В) Схематическое изображение электропорации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
4. Сортировка клеток и иммуногистохимический анализ
Чтобы продемонстрировать эффективность этого метода при проведении экспериментов по усилению функции (GOF) для соответствующих регуляторов развития сердца, была проведена электропорация с гиперэкспрессией транскрипционного фактора Meis1. Для этого из эмбрионов E9.5 была выделена РНК, а для получения комплементарной ДНК (кДНК) была проведена обратная транскрипция. Используя кДНК в качестве матрицы, кодирующую последовательность Meis1 клонировали (Дополнительная таблица 1) в экспрессирующую pCAG плазмиду (далее именуемую pCAG::Meis1), в то время как в качестве контроля использовали конститутивную GFP-экспрессирующую плазмиду (pCAG::GFP). Затем сердца подвергали электропорации либо только pCAG::GFP, либо в комбинации с pCAG::Meis1.
Через 24 ч после электропорации (ГЭП) сердца начали биться и казались в хорошем состоянии (Рисунок 4A; Дополнительный фильм 1; Дополнительный фильм 2). Для оценки жизнеспособности электропорированных клеток анализировали апоптоз с помощью иммуногистохимического окрашивания каспазы 3. Несмотря на то, что некоторые положительные клетки были обнаружены в сердце, ни миокард, ни эпикард, где расположено большинство электропорированных клеток, не были поражены апоптозом (дополнительный рисунок 1C). При оценке флуоресцентной активности почти во всех четырех камерах сердца наблюдался мозаичный сигнал GFP, что указывает на то, что этот протокол способен достигать большинства сердечных структур (рис. 4А). Чтобы определить, какие типы сердечных клеток были электропорированы, pCAG::GFP-электропорированные сердца иммуноокрашивали против маркеров эпикарда, WT12, и миокарда, MF2023, а затем визуализировали с помощью конфокального микроскопа (рис. 4B). Большинство клеток GFP+ были преимущественно расположены во внешней области сердца, что в значительной степени соответствовало сигналу WT1, что указывает на то, что этот метод наиболее эффективен при достижении эпикардиальных клеток (рис. 4B, белые стрелки).
С другой стороны, pCAG::Meis1-электропорированное или контрольное (только pCAG::GFP) сердце диссоциировали, и клетки подвергали флуоресцентно-активируемой сортировке клеток (FACS) для выделения клеток GFP+ из всего органа, как описано на шаге 4 протокола. Из отсортированных клеток экстрагировали РНК и проводили количественную ПЦР с обратной транскрипцией (ОТ-кПЦР) для оценки уровней экспрессии Meis1 в трансфицированных клетках (рис. 4C, дополнительная таблица 1). Общую экспрессию гена Meis1 нормализовали с использованием уровней экспрессии гена Eef224 мышиного хозяйства, а относительную экспрессию гена рассчитывали с помощью метода ΔΔCt25. Значительное повышение уровня РНК Meis1 наблюдалось в сердцах, электропорированных плазмидой pCAG::Meis1, по сравнению с сердцами, получавшими только плазмиду pCAG::GFP (рис. 4C). Таким образом, это демонстрирует потенциал метода для сверхэкспрессии генов, представляющих интерес, и решения молекулярного результата.
Рисунок 4: Молекулярный анализ электропорированных сердец E 12.5.(A) Флуоресценция GFP одного CAG::GFP - электропорированное сердце через 24 ч после электропорации. Нижнее изображение показывает флуоресценцию GFP, в то время как верхнее изображение показывает слияние GFP и яркого поля одного сердца. (B) Иммунофлюоресценция электропорированных гистологических срезов сердца E12.5. MF20 маркирует кардиомиоциты, в то время как WT1 помечает эпикардиальные клетки. Изображения справа соответствуют увеличенному белому прямоугольнику. Белыми стрелками обозначены клетки GFP+, расположенные в эпикарде, примерно ограниченные пунктирной белой линией. (C) ОТ-кПЦР анализ сердца, электропорированного с помощью pCAG::Meis1 или pCAG::GFP (контроль). Каждая точка представляет собой биологическую реплику, полученную в результате объединения трех сердец. В общей сложности анализ количественной ПЦР был проведен в трех экземплярах с тремя различными биологическими репликациями. Статистический анализ проводили с помощью t-критерия Стьюдента (*P < 0,05). Масштабные линейки: 200 μм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Дополнительный рисунок 1: Эффективность электропорации сердца и жизнеспособность клеток. (A) Экспрессия GFP в двух различных сердцах E12.5, электропорированных с помощью контрольной плазмиды pCAG::GFP через 24 ч или 48 ч после электропорации (hpe). Изображение сигнала GFP было наложено на яркое изображение того же сердца. (B) Количественное определение клеток GFP+ в сердцах 24 hpe и 48 hpe с электропорацией с контролем pCAG::GFP. Точками обозначены отдельные образцы; Сплошными линиями обозначено среднее значение, а полосы погрешности — стандартное отклонение. Существенной разницы между обоими условиями не наблюдалось (непараметрический t-критерий; P > 0,9). (C) Конфокальная фотография сердца E12.5, электропорированного с помощью pCAG::GFP, иммуноокрашенного против расщепленных каспаз 3 и MF20. Пунктирная линия представляет собой слой миокарда сердца. Изображения справа увеличены от белого прямоугольника. Масштабные линейки: 100 μм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.
Дополнительная таблица 1: Краткое изложение праймера и последовательности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный фильм 1: pCAG::GFP - электропорированное сердце через 24 ч. Видеосъемка одного сердца, электропорированного с помощью контрольной плазмиды pCAG::GFP через 24 часа после процедуры. Сердце продолжает биться, а электропорированные клетки экспрессируют сигналы GFP. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот фильм.
Дополнительный фильм 2: pCAG::GFP - электропорированное сердце через 48 ч. Фильм, показывающий электропорированное сердце с контролем pCAG::GFP, через 48 часов после электропорации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот фильм.
В целом, описанная здесь методология предлагает надежную основу для экспрессии трансгенных конструкций в развивающемся эпикарде (рисунок 4B), как показано на примере сверхэкспрессии Meis1 (рисунок 4C). При наличии соответствующих конструкций этот протокол может быть использован для временной оценки влияния либо усиления функции (GOF), либо потери функции (LOF) конкретного гена. LOF может быть реализован в методике путем трансфекции плазмиды, нацеленной на ген-кандидат посредством РНК-интерференции26. Быстрая оценка гена GOF или LOF особенно выгодна, особенно учитывая большую транскриптомную гетерогенность эпикардиальных клеток12, что делает нецелесообразным создание трансгенных животных для оценки каждого гена-кандидата в отдельности.
Поскольку в этом протоколе используется культура ex vivo, он дает возможность исследовать судьбу клеток эпикарда в пределах временного окна. Развивающийся эпикард играет ключевую роль в формировании различных областей в сердце взрослого человека 13,27,28; Таким образом, понимание его вклада в развитие сердца играет важную роль в анализе основы врожденных пороков развития сердца. Хотя в этой статье не рассматривается это применение, рекомендации, изложенные в протоколе, потенциально могут быть полезны для будущих исследований по картированию судьбы эпикарда
Несмотря на практическую полезность текущего метода, необходимо признать некоторые ограничения. Поскольку эта методология основана на транзиторном трансгенезе, экспрессия плазмид может быть утрачена или уменьшена с течением времени, что ограничивает диапазон протокола для изучения конкретного окна развития29. Тем не менее, в этом исследовании сверхэкспрессия GFP сохранялась на протяжении всей длительности постэлектропорационных культур (48 hpe). Кроме того, потенциальные ограничения в современных технологиях культивирования ex vivo препятствуют применению метода для оценки поздних эмбриональных или постнатальных стадий развития, особенно в тех случаях, когда культура ex vivo после электропорациистановится сложной задачей. Несмотря на то, что существуют более сложные методы культивирования эмбрионов ex vivo, они могут потребовать использования оборудования, которое менее доступно для исследователей и может не гарантировать выживание образца.
Несмотря на то, что представленный здесь протокол разработан таким образом, чтобы быть максимально простым для повышения воспроизводимости, он включает в себя важнейшие шаги, которые играют важную роль в успехе. Во-первых, вскрытие эмбриона должно быть проведено осторожно и быстро, чтобы свести к минимуму повреждение сердца, которое может поставить под угрозу выживание органа после электропорации. Настоятельно рекомендуется соблюдать особую осторожность на этом этапе, наряду с использованием оптимального оборудования для вскрытия. Еще одним важным аспектом протокола является проведение самой электропорации, так как неадекватная инъекция плазмиды может привести к нежелательным результатам. Поэтому рекомендуется выполнять несколько инъекций в одно сердце, и введение образца довольно поверхностным способом может быть полезным для повышения выживаемости органов. Наконец, диссоциация клеток во время обработки сердечной информации должна быть строго выполнена, соблюдая время, указанное в протоколе, чтобы максимизировать жизнеспособность клеток.
В заключение следует отметить, что идентификация ключевых генов в формировании сердца играет важную роль в понимании основных механизмов врожденных заболеваний сердца и регенерации. Разработанная здесь методология позволяет проводить быстрый скрининг эффектов усиления функции гена (GOF) и потери функции (LOF) в развивающемся сердце. Признавая определенные ограничения, этот метод демонстрирует значительный потенциал для экстраполяции на различные стадии развития или для картирования судьбы эмбриональных эпикардиальных клеток. С помощью визуальных рекомендаций, представленных в этой статье, мы стремимся предложить ценный набор инструментов для оценки огромной сложности и потенциала развивающегося эпикарда.
У авторов нет конфликта интересов, который можно было бы раскрыть.
Это исследование было поддержано грантом RTI2018-097617-J-I00 от испанского Ministerio de Ciencia e Innovación и Acción 9 от Universidad de Jaén до O.H.O. Grant PGC2018-096486-B-I00 от испанского Ministerio de Ciencia e Innovación и грантом H2020-MSCA-ITN-2016-722427 от программы EU Horizon 2020 для M.T. JMG был поддержан стипендией PhD от Министерства науки Испании и Fundación Severo Ochoa (PRE2022-101884). Как CNIC, так и CBMSO поддерживаются Министерством науки Испании, а CNIC поддерживается Фондом ProCNIC.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
#55 Forceps | Dumont | 11295-51 | |
12-well Clear Flat Bottom Multiwell Cell Culture Plate | BD Falcon | 353043 | |
35 mm vise table | Grandado | SKU 8798771617573 | |
40 µm Cell Strainer | Fischer Scientific | 08-771-1 | |
50 mL tubes | BD Falcon | 352070 | |
70 µm Cell Strainer | Corning | CLS431751 | |
Anti-GFP Policlonal Antibody | Invitrogen | A10262 | 1:1000 dilution used |
Anti-Myosin 4 (MF20) Monoclonal Antibody | Invitrogen | 14-6503-82 | 1:500 dilution used |
CD1 Wild Type mice | Provided by Animalary Unit (CNIC) | ||
Cleaved Caspase-3 (Asp175) Antibody | Cell Signalling Technologies | 9661 | 1:400 dilution used |
DAPI | Cell Signalling Technologies | 4083 | 1:1000 dilution used |
Dispase/collagenase | Roche | 10269638001 | |
Distilled water | |||
DMEM - Dulbecco's Modified Eagle Medium | Gibco | 10313021 | |
Fetal Bovine Serum | Invitrogen | 10438-026 | |
Heracell 150i CO2 Incubator | Thermo Scientific | 51032720 | |
Leica Stereoscopic Microscope S8AP0 | Leica | 11524102 | |
Liberase | Roche | 5401119001 | |
Micropipette Puller Model P-97 | Sutter Instrument | SU-P-97 | |
pCAG expression plasmid | Addgene | #89689 | |
Penicillin-streptomycin | Invitrogen | 15070-063 | |
Petri dishes 35 × 10 mm | BD Falcon | 351008 | |
Petri dishes 60 × 15 mm | BD Falcon | 353002 | |
Phenol Red | Merck | P3532 | |
Pipette tips | Reused from old laboratory equipment | ||
Rat Serum culture embryo, male rats SPRAGUE DAWLEY RjHan SD | Janvier Labs | 9979 | |
Recombinant anti-Wilms Tumor Protein 1 (WT1) Antibody | Abcam | ab89901 | 1:300 dilution used |
Square Wave Electroporator CUY21SC | Nepa Gene | CUY664-10X15 | |
Sterile PBS | Provided and autoclaved by technical unit | ||
Sucrose | Millipore | 84100 | |
Tweezer electrodes with variable gap | Nepa Gene | CUY650P5 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены