Method Article
Этот протокол описывает быстрый и эффективный метод выделения гладкомышечных клеток из базилярной артерии крысы и регистрации направленных внутрь токов калиевых каналов в этих клетках с использованием техники патч-зажима для целых клеток. Он предлагает новый подход для исследователей, изучающих базилярную артерию и ионные каналы.
Цереброваскулярные заболевания являются распространенным заболеванием среди пожилых людей, и их частота неуклонно растет. Базилярная артерия является важнейшим мозговым сосудом, который снабжает мост, мозжечок, задние отделы мозга и внутреннее ухо. Активность канала калия (К+) играет важную роль в определении тонуса сосудов путем регуляции потенциала клеточной мембраны. Активация направленных внутрь выпрямляющих K+ (Kir) каналов, как и других K+ каналов, приводит к гиперполяризации клеточных мембран и вазодилатации. В этом исследовании свежевыделенные гладкомышечные клетки базилярной артерии были использованы для регистрации токов Kir с помощью метода зажима целых клеток. Исследовано влияние 100 мкмоль/л BaCl2, ингибитора Kir-канала, и 10 мкмоль/л нитропруссида натрия (SNP), нитровазодилататора, на токи Kir-канала. Результаты показали, что BaCl2 ингибирует токи Kir-канала в гладкомышечных клетках базилярной артерии, в то время как SNP усиливает эти токи. Этот протокол представляет собой исчерпывающее руководство по подготовке свежевыделенных артериальных гладкомышечных клеток и регистрации токов канала Kir с использованием техники патч-зажима, предлагая ценный ресурс для исследователей, стремящихся овладеть этим методом.
Цереброваскулярные заболевания являются распространенным заболеванием у пожилых людей. С повышением уровня жизни, увеличением продолжительности жизни и старением населения заболеваемость цереброваскулярными заболеваниями неуклоннорастет1. Базилярная артерия, непарный сосуд, образованный слиянием двусторонних позвоночных артерий, проходит под мостом внутри черепа и разделяется на две задние мозговые артерии. Он снабжает мост, мозжечок, задние отделы мозга и внутреннее ухо. Недостаточное кровоснабжение базилярной артерии может привести к эпизодическому головокружению, часто сопровождающемуся тошнотой и рвотой. Пациенты также могут испытывать такие симптомы, как шум в ушах, потеря слуха и другие связанные с этим проблемы. Эти симптомы часто связаны с такими состояниями, как шейный спондилез, церебральный атеросклероз и аномальное кровяное давление. Цереброваскулярные заболевания, особенно распространенные среди людей среднего и пожилого возраста, часто связаны с этими основными заболеваниями 2,3,4.
Артерии сопротивления играют жизненно важную роль в сердечно-сосудистой функции и поддержании гомеостаза организма. Являясь основным местом сосудистого сопротивления, они регулируют кровяное давление и сердечный выброс, обеспечивая достаточный кровоток для удовлетворения метаболических и физиологических потребностей тканей и органов5. Базилярная артерия, классифицируемая как резистентная артерия, в первую очередь регулирует приток крови к стволу мозга6. Гладкомышечные клетки, которые формируют стенки артерий сопротивления, являются ключевыми медиаторами сосудистого сопротивления за счет регуляции стационарного сокращения или сосудистого напряжения. Эти клетки содержат многочисленные ионные каналы, в том числе K+-каналы,Ca-2+ каналы и Cl-каналы, которые имеют решающее значение для модуляции сосудистого тонуса 5,7.
К+ каналы имеют решающее значение в установлении мембранного потенциала и регуляции сократительного тонуса артериальных гладкомышечных клеток8. Существует четыре типа K+ каналов в гладкой мускулатуре артерий: потенциал-зависимый K+ (Kᴠ), Ca2+-зависимый K+ (KCa), АТФ-зависимый K+ (KATP) и внутренний выпрямитель K+ (Kir) каналы 9,10,11. Kir-каналы подразделяются на семь подтипов, где Kir2.x — это классические kir-каналы. Среди них наиболее актуальными в сосудистой системе являются подсемейства Kir2.x. Токи Kir демонстрируют внутреннее выпрямление при отрицательных напряжениях, что указывает на суммарный приток K+ в ячейку, в то время как при положительных напряжениях суммарныйток K+ минимальен или отсутствует вовсе5. В сердечно-сосудистой системе каналы Kir необходимы для стабилизации мембранного потенциала. Их активация индуцирует гиперполяризацию клеточных мембран и вазодилатацию 12,13,14.
Эксперименты с наложением пластыря на свежевыделенных гладкомышечных клетках были проведены в различных артериях, включая коронарные, церебральные, почечные и брыжеечные артерии15,16. В то время как некоторые методы используют один и тот же тип коллагеназы для выделения клеток, точные процедуры различаются. В немногих исследованиях были всесторонне обобщены методы выделения гладкомышечных клеток сосудов. Таким образом, данное исследование сосредоточено на свежей изоляции первичных сосудистых гладкомышечных клеток из базилярной артерии крысы и регистрации токов канала Kir в этих клетках с использованием техники цельноклеточного зажима, что обеспечивает подробный и полный протокол для исследователей в смежных областях.
Протокол для животных был одобрен Комитетом по этике благополучия лабораторных животных Университета традиционной китайской медицины в Чэнду (запись No 2024035). В данном исследовании использовались самцы крыс породы Спрэг-Доули (SD) массой тела 260-300 г и возрастом 8-10 недель. Животных кормили водой и пищей (SPF экспериментального корма для животных) в неограниченном количестве. Подробная информация о реагентах и оборудовании, использованных в данном исследовании, приведена в Таблице материалов.
1. Диссекция базилярной артерии крысы
2. Выделение гладкомышечных клеток
3. Регистрация тока Kir с помощью цельноклеточного патч-клеммы
Выделение артериальных гладкомышечных клеток
В первом разделе процедуры подробно описан процесс выделения гладкомышечных клеток из базилярной артерии головного мозга крысы. Этот процесс проиллюстрирован на рисунке 1. Процедура включает в себя этапы ферментативного пищеварения и разделения клеток для высвобождения гладкомышечных клеток из артерии.
Репрезентативные изображения изолированных гладкомышечных клеток
Во втором разделе представлена репрезентативная диаграмма выделенных гладкомышечных клеток. На рисунке 2 представлены светлопольные изображения гладкомышечных клеток веретенообразной формы, подтверждающие их принадлежность к гладкомышечным клеткам на основе их характерной формы.
Техника зажима целых клеток
В третьем разделе представлена блок-схема метода патч-зажима для цельных клеток, используемого для регистрации токов Kir в только что выделенных гладкомышечных клетках. На рисунке 3 представлена подробная иллюстрация установки патч-зажима и процедур для создания конфигурации целой ячейки.
Запись тока Kir
В четвертой части представлен репрезентативный ток Kir, зарегистрированный из свежевыделенных гладкомышечных клеток с использованием метода патч-зажима для целых клеток. На рисунке 4 показаны зарегистрированные токи и влияние различных вмешательств на активность канала Kir. На рисунке 4А показан типичный ток Kir, демонстрирующий внутреннюю выпрямляемость при отрицательных напряжениях, что указывает на суммарный приток K+ в ячейку. При положительном напряжении суммарный ток K+ минимален или отсутствует. На рисунке 4B показано ингибирование токов Kir специфическим ингибитором BaCl2. Результаты показывают, что Ba2+ в концентрациях 100-300 мкмоль/л эффективно блокирует Kir-каналы, подтверждая ток как Kir. На рисунке 4C показано влияние нитропруссида натрия (SNP), нитровазодилататора, на токи Kir. Данные показывают, что SNP увеличивает ток Kir, что предполагает участие Kir-каналов в SNP-индуцированной вазодилатации. На рисунке 4F представлены значения емкости (Cm) в группах control, BaCl2 и SNP. Результаты не указывают на статистическую значимость значений Cm в этих группах.
Рисунок 1: Выделение артериальных гладкомышечных клеток. (A) Вентральная сторона мозга крысы и базилярная артерия. (B) Предварительный нагрев 1 мл раствора для разделения клеток, 1 мл ферментативного гидролизата I клетки и 1 мл ферментативного гидролизата II клетки до 37 °C в пробирках 1, 2 и 3 соответственно. (К-Е) Три этапа отделения клеток от сосудистой ткани с помощью ферментативного лечения. (Ф,Г) Окончание ферментативной обработки путем добавления разделительного раствора 4 °C. (H) Клеточная жидкость, содержащая артериальные гладкомышечные клетки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2: Артериальные гладкомышечные клетки. (A) Светлопольный вид свежевыделенных гладкомышечных клеток сосудов, демонстрирующих веретенообразную морфологию. Масштабная линейка: 10 мкм. (B) Здоровые клетки, пригодные для экспериментов с патч-зажимом. Масштабная линейка: 30 μм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Процесс формирования патч-зажима для всей клетки. Это показывает результат испытания мембраны импульсным напряжением. (A) Пипетку опускают в ванну. (B) Записывающий электрод перемещается так, чтобы он соприкасался с ячейкой, и прижимается к мембране. (В) Образование высокопрочного уплотнения между пипеткой и клеткой. (D) Компенсация емкости электрода. (E) Разрыв клеточной мембраны. (F) Компенсация емкости клеточной мембраны. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 4. Репрезентативный ток Kir в гладкомышечных клетках артерий. (A) Нормальный ток Kir. (B) Ингибирование специфическим ингибитором BaCl2. (C) Влияние нитропруссида натрия (SNP) на ток Kir. (D) Вольт-амперная кривая кировых токов. (E) Статистические результаты. p < 0,05, BaCl2 (n = 6) и SNP (n = 6) по сравнению с контрольной группой (n = 6); различия анализировали с помощью двухстороннего двустороннего ANOVA. (F) Cm (pF), p > 0,05, BaCl2 (n = 6) и SNP (n = 6) по сравнению с контрольной группой (n = 6); Различия были проанализированы с помощью Т-критерия. Протокол стимуляции: Удержание при -60 мВ с линейной стимуляцией от -160 мВ до +40 мВ в течение 500 мс. Контроль, BaCl2 и SNP проводили отдельно в разных группах клеток. Соединения добавлялись за 40 минут до записи и могли оставаться в ванне до 20 минут во время записи. SNP: нитропруссид натрия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Тип решения | Состав раствора | Ключевые моменты | ||
Физиологический раствор соли (ПСС, ммоль/л) | 118 NaCl, 4,7 KCl, 2,5 CaCl2, 1,2 KH2PO4, 1,2 MgCl2, 25 NaHCO3, 11 D-глюкоза, 5 HEPES | Пропитайте раствор и наполните его смесью газа, состоящей на 95%О2 и 5%СО2 перед использованием. Затем отрегулируйте pH раствора до 7,4 с помощью NaOH. Температура для изготовления и хранения при комнатной температуре и 4°C соответственно | ||
Раствор для разделения клеток (ммоль/л) | 118 NaCl, 4,7 KCl, 2,5 CaCl2, 1,2 KH2PO4, 1,2 MgCl2, 25 NaHCO3, 11 D-глюкоза, 5 HEPES | То же, что и физиологический раствор соли | ||
Клеточный ферментативный гидролизат I | В раствор для разделения клеток добавляли сывороточный альбумин крупного рогатого скота (БСА): 1 мг/мл, дитиотреитол (ДТТ): 1 мг/мл и папаин: 0,5 мг/мл | Приготовьте раствор сразу для использования. Температура для его изготовления при комнатной температуре | ||
Ферментативный гидролизат клеток II | В раствор для разделения клеток добавляли БСА: 1 мг/мл, коллагеназу H: 0,3 мг/мл и коллагеназу F: 0,7 мг/мл | То же, что и ферментативный гидролизат I клетки | ||
Раствор для ванны Kir тока (ммоль/л) | 12 NaCl, 130 KCl, 0,4 KH2PO4 , 0,32PO4, 2 NaHCO3 , 1 MgCl2 , 1,8 CaCl2 , 10 HEPES, 5,5 глюкозы | Скорректировано до pH 7,4 с использованием NaOH и осмолярности 310 мОсм. Температура для изготовления и хранения при комнатной температуре и 4°C соответственно | ||
Раствор для наполнения пипетками Kir тока (ммоль/л) | 100 калий-D-глюконат, 30 KCl, 1 MgCl2, 1 EGTA, 15 HEPES, 1 Na2-АТФ | Отрегулирован до pH 7,2 с помощью KOH и осмолярности 300 мОсм. Температура для изготовления и хранения при комнатной температуре и -20°C соответственно |
Таблица 1: Состав и меры предосторожности при приготовлении различных растворов.
Запись целых клеток с использованием свежевыделенных клеток восходит к началу 1980-хгодов18, а запись токов каналов от базилярных гладкомышечных клеток грызунов стала широко практиковаться в 1990-хгодах19. С развитием технологий исследователи все больше сосредотачиваются на результатах, достигнутых с помощью этих технологий. Однако внимание, уделяемое обновлению и обобщению технических методов, постепенно уменьшается. В данной статье представлен подробный метод свежего разделения гладкомышечных клеток сосудов и последующего использования этих клеток для регистрации токов Kir, с целью помочь исследователям в понимании стандартного методологического процесса.
Гладкие мышцы сосудов играют решающую роль в регулировании артериального давления. Сообщалось о многочисленных методах разделения сосудистых гладкомышечных клеток 20,21,22,23,24,25, большинство из которых включают ферментативный гидролиз. Тем не менее, типы и этапы ферментов варьируются в разных исследованиях, и различные условия эксперимента могут влиять на ферментативную эффективность. В данной статье представлен метод ферментативного гидролиза с небольшими изменениями в типах ферментов и процедурах по сравнению с предыдущими исследованиями. Он предоставляет подробный протокол для острого разделения первичных сосудистых гладкомышечных клеток.
Ключевыми этапами данного протокола являются шаги с 2.2 по 2.4, так как успешное выполнение этих этапов напрямую влияет на качество выделенных клеток. Выделенные гладкие мышечные клетки сосудов подходят для различных применений, включая эксперименты с патч-клэмпингом для изучения ионных каналов, экстракцию РНК и белков для молекулярных исследований и иммунофлуоресценцию для изучения экспрессии белков на клетках. Следовательно, этот метод предлагает универсальный подход для соответствующих исследователей, предоставляя больше экспериментальных возможностей.
Проводимость калия (K+) на мембране гладкомышечных клеток артерий играет решающую роль в регуляции мембранного потенциала, сосудистого напряжения и, в конечном счете, местного кровотока26,27. Канал Kir, тип канала K+, обнаруженный в гладких мышечных клетках артерий, помогает стабилизировать мембранный потенциал и действует как электрический усилитель для других каналов K+. При активации канал Kir индуцирует гиперполяризацию мембраны и способствует расширению сосудов28. Технология патч-хомутов долгое время считалась золотым стандартом для исследования ионных каналов29,30, при этом патч-хомут для целых ячеек является наиболее часто используемым методом31. Хотя этот метод требует высокого уровня квалификации оператора, мастерство в конечном итоге зависит от следования стандартизированным протоколам.
В этом исследовании представлена детальная, стандартизированная процедура регистрации токов Kir из свежевыделенных сосудистых гладкомышечных клеток с использованием целоклеточного зажима, что является ценным ориентиром для исследователей. Критическими шагами в протоколе являются шаги с 3.2.7 по 3.2.9, так как успешное выполнение этих шагов определяет, будут ли успешными последующие записи тока Kir. Кроме того, выбор внутриклеточных жидкостей и жидкостей для ванн существенно влияет на регистрируемый ток. Например, использование внеклеточного калия с высоким содержанием калия в этом исследовании было направлено на полную активацию внутреннего выпрямителя калиевого канала. Поэтому успех эксперимента зависит от тщательного внимания к каждой детали операции.
В то время как свежевыделенные клетки имеют большую физиологическую значимость, чем клеточные линии, существуют внутренние ограничения. К ним относятся влияние температуры окружающей среды на ферментативное разделение, различное время переваривания кровеносных сосудов разного диаметра и нестабильность нативной среды клеток. В результате время ферментативного сбраживания часто приходится корректировать. Технология патч-зажимов также создает технические проблемы, особенно на этапах герметизации и разрыва мембраны, которые требуют высокой квалификации оператора. Состояние клетки напрямую влияет на успешность всей процедуры патч-зажима. Следовательно, тщательное внимание к этим ограничениям имеет важное значение для обеспечения успеха эксперимента.
Ba2+ широко используется в качестве специфического блокатора для изучения роли Kir-каналов в клетках и тканях. При концентрациях ниже 100 моль/л Ba2+ избирательно блокирует каналы Kir, в то время как концентрации до 300 моль/л могут полностью блокировать их32. В этом исследовании BaCl2 использовался для проверки тока в канале Kir.
Кир-каналы регулируются как сосудосуживающими, так и сосудорасширяющими средствами. SNP (нитропруссид натрия), нитровазодилататор, был использован в этом исследовании для изучения этого. SNP метаболизируется в гладких мышцах сосудов с образованием оксида азота, который снижает системное сосудистое сопротивление, воздействуя как на венозные, так и на артериальные гладкие мышцы, потенциально увеличивая сердечный выброс. Благодаря быстрому началу и короткому периоду полувыведения, SNP обычно используется в качестве агента первой линии для профилактики и лечения гипертензии33. В исследовании было отмечено, что SNP усиливает ток Kir в гладкомышечных клетках базилярной артерии, что предполагает активацию каналов Kir во время вазодилатации, вызванной SNP.
Ограничением настоящих записей является то, что они были получены из разных групп клеток, а сравнения проводились путем анализа текущих плотностей между группами. Более совершенный подход включает в себя регистрацию реакций одних и тех же клеток до и после применения соединений, что сведет к минимуму влияние вариабельности от клетки к клетке на интерпретацию данных.
В заключение данной статьи приводится подробный протокол острой изоляции гладкомышечных клеток базилярной артерии крысы и использования цельноклеточного зажима для изучения токов Kir. Этот протокол универсален и может быть применен к гладкомышечным клеткам из других артерий, таких как коронарные, брыжеечные и почечные артерии. Тем не менее, время ферментативного разделения может потребоваться скорректировать в зависимости от типа артерии. Кроме того, изолированные артериальные гладкомышечные клетки могут быть использованы во множестве других экспериментальных методов.
У авторов нет конфликта интересов, который можно было бы раскрыть.
Эта работа была поддержана Специальной программой талантов Университета традиционной китайской медицины Чэнду в рамках «Плана содействия исследованиям ученых и талантов в области дисциплины Синлинь» (33002324) и Ключевым проектом исследований и разработок для представления научных и технологических талантов высокого уровня в городе Лулян (2022RC28).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Bovine serum albumin | Sigma, USA | B2064 | |
Barium chloride | Macklin Biochemical Co.,Ltd.,Shanghai, China | B861682 | |
CaCl2 | Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China | A501330 | |
Camera | Hamamatsu, Japan | C11440 | |
Camera software | Image J, USA | Micro-manager 2.0.0-gammal | |
Collagenase F | Sigma, USA | C7926 | |
Collagenase H | Sigma, USA | C8051 | |
Computer | Lenovo, China | ~ | |
Data acquisition software | Molecular Devices, USA | Clampex 10.4 | |
Data analysis software | Axon, USA | clampfit 10.4 | |
D-glucose | Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China | A610219 | |
Digital-analog converter | Molecular Devices, USA | Axon digidata 1550B | |
Dithiothreitol | Sigma, USA | D0632 | |
Drawing software | San Diego, California, USA | GraphPad | |
EGTA | Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China | A600077 | |
Glass tube | DL Naturegene Life Sciences.USA | B150-86-10 | |
HEPES | Xiya Reagent Co., Ltd., Shandong, China | S3872 | |
KCl | Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China | A100395 | |
KH2PO4 | Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China | A100781 | |
MgCl2·6H2O | Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China | A100288 | |
Micromanipulator | sutter, USA | MP285A | |
Micropipette puller | sutter, USA | P1000 | |
Microscope | Olympus, Japan | IX73 | |
Na2-ATP | Sigma, USA | A26209 | |
Na2HPO4 | Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China | A610404 | |
NaCl | Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China | A100241 | |
NaH2PO4 | Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China | A600878 | |
NaHCO3 | Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China | A100865 | |
NaOH | Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China | A100173 | |
Papain | Sigma, USA | P4762 | |
Potassium-D-gluconate | Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China | A507810 | |
Signal amplifier | Molecular Devices, USA | Axon MutiClamp 700B | |
Signal amplifier software | Molecular Devices, USA | MultiClamp Commander software | |
Sodium nitroprusside | Sangon Biotech Co., Ltd., Shanghai, China | A600867 | |
Statistical analysis software | San Diego, California, USA | GraphPad |
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