我们介绍一种用于在原生、完整的微血管内皮中观察和操控钙信号的方法。从供应骨骼肌的小阻力动脉中 freshly 分离出的内皮管保留了体内的形态结构以及相邻细胞间和细胞内的动态信号传导。该内皮管也可由其他组织和器官的微血管制备而来。
方法文章
我们介绍一种用于在原生、完整的微血管内皮中观察和操控钙信号的方法。从供应骨骼肌的小阻力动脉中 freshly 分离出的内皮管保留了体内的形态结构以及相邻细胞间和细胞内的动态信号传导。该内皮管也可由其他组织和器官的微血管制备而来。
阻力血管对血流的调控作用在于调节氧气和营养物质的供应,同时伴随代谢废物的清除,例如在骨骼肌运动时即体现此功能。内皮细胞(ECs)衬于所有阻力血管的内膜,对血管直径(例如 依赖内皮的血管舒张)的调控起关键作用,从而影响组织血流量的大小和分布。内皮细胞通过细胞内Ca2+信号传导来调节血管阻力,该过程可导致扩散性自体活性物质(例如 一氧化氮和花生四烯酸代谢产物)的生成1-3以及细胞超极化4,5,进而引发平滑肌细胞松弛。因此,理解内皮细胞Ca2+信号动态变化是阐明血流调控机制的关键步骤。分离内皮管可消除血管腔内血液以及周围平滑肌细胞和血管外神经带来的混杂因素,这些因素通常会影响内皮细胞的结构与功能。本文介绍一种优化后的实验方案,用于从小鼠腹壁上动脉(SEA)中分离内皮管。
为从麻醉小鼠中分离血管内皮管,需结扎SEA 原位 以维持血管腔内的血液(便于解剖过程中观察),并切除整片腹肌组织。将腹壁下动脉(SEA)从周围的骨骼肌纤维和结缔组织中分离,冲洗血管腔内的血液,并进行轻度酶消化,随后通过轻柔吹打去除外膜、神经和平滑肌细胞。这些新近分离的完整内皮组织可保持其天然形态,内皮细胞(ECs)之间仍保持功能上的耦联,能够通过缝隙连接进行细胞间化学和电信号的传递6,7除了为钙信号传导和膜生物物理学提供新的见解外,这些制备方法还能够在天然微血管内皮中进行基因表达和蛋白质定位的分子研究。
在本实验方案中,我们描述了从小鼠胸腹壁动脉(SEA)中分离内皮细胞管的方法。SEA起源于胸内动脉,为前腹部肌群提供富氧血液。我们选择SEA作为研究模型,是因为它提供了相对较长且无分支的微血管节段,非常适合研究内皮在调控和协调平滑肌细胞舒张过程中所涉及的细胞间信号传导事件。对于关注骨骼肌以外组织的研究者,我们发现该技术可轻松适用于从脑、肠道及淋巴系统的微血管中获取内皮细胞管。
该方法的关键特征在于,可分离出完整长度(1-3 mm)的微血管内皮组织,并将其固定在玻璃盖玻片上,置于灌流 chamber 中,用PSS溶液进行表面灌流,随后用于Ca2+ 信号成像7-9或进行电生理穿刺以记录电信号6,8。在灌流 chamber 内,管状结构的上半部分暴露于灌流液中,可对实验干预产生反应,而下半部分(与盖玻片接触)则受到保护,保持静息状态。除了可用于研究细胞内和细胞间Ca2+信号事件外,内皮管还可用于定量实时PCR以评估基因表达6,10、免疫组织化学分析蛋白表达6,10,以及电生理研究以明确电传导的生物物理特性6,11。
内皮细胞管制备法在研究内皮功能方面具有多种优势。首先,分离过程可简单区分两种细胞群体:内皮细胞(保持管状结构)和平滑肌细胞(单个解离;静息状态下通常呈"C"形)。这使得研究人员能够选择性地取样并研究各自细胞对血管功能贡献的独特特性。其次,该模型能够解析内皮固有的信号事件,而不受血流、周围平滑肌、神经及实质组织的影响。第三,内皮细胞在新鲜分离状态下被研究,从而避免了因细胞培养导致的基因或蛋白表达改变。
1. 仪器准备:流式细胞室、移液器和溶液
2. 动物准备
确保所有涉及动物的实验操作和方案均符合美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)的规定 实验动物护理和使用的指南此处所述程序已获得密苏里大学动物护理与使用委员会的批准。
3. 胸廓内动脉上支的分离
4. 内皮管的分离
5. 染料加载与钙成像
钙反应可通过乙酰胆碱(ACh)在新分离的内皮管中引发。本视频中,一条加载了荧光钙指示剂的内皮管 10 µM fluo-4 AM 通过灌流刺激 1 µM ACh(视频 1). 点击此处观看视频染料在491 nm处被激发,使用增强型电荷耦合器件相机记录500–550 nm的发射光。以每秒120帧的速度采集持续25秒的图像序列,之后可进行平均处理例如 至 40 帧/秒)。随时间变化的代表性荧光图像如图所示。 图 4.

图1. 分离内皮管时所用的灌流室和移液管。 A) 组装好的灌流室,以24 mm × 50 mm的玻璃盖玻片作为底部。 B) 拉制(左)以及拉制、折断、抛光并成角(右)的套管移液管示例。该移液管用于在解剖后冲洗动脉管腔内的红细胞。比例尺 = 200 µm。 C) 拉制(左)以及拉制、折断并抛光(右)的吹打移液管示例。该移液管的内径由动脉的外径决定。比例尺 = 200 µm。 D) 拉制(左)以及拉制、折断并抛光(右)的固定移液管示例。该移液管的尖端呈圆钝状并完全封闭,用于在灌流室中固定内皮管。比例尺 = 200 µm。 点击此处查看高分辨率图像。

图 2. 用于成像 Ca2+ 信号的转盘共聚焦显微镜。 A) 用于钙成像的直立显微镜。B) (a) 带有 (b) 增强型电荷耦合器件相机的共聚焦转盘单元。C) 用于成像的浸液物镜 (a) 63X (NA = 1) 和 (b) 20X (NA = 0.5)。点击此处查看高分辨率图像。

图3. 腹直肌及上腹壁浅动脉的分离。 A) 腹直肌暴露并用室温0.9%生理盐水冲洗的麻醉小鼠。红色箭头标记了位于脂肪垫下方的上腹壁浅动脉(SEA)进入每侧腹直肌的位置(i.e. 血管应在此处结扎)。比例尺 = 1 cm。 B) 在解剖腔中固定并进行显微解剖的单侧分离腹直肌及上腹壁浅动脉。红色箭头指示上腹壁浅动脉的第一个主要分支点(i.e. 血管清理应在此处停止)。比例尺 = 1 cm。 C) 来自上腹壁浅动脉的分离内皮细胞管。室温孵育1小时后拍摄的微分干涉差显微图像。内皮管以3 ml/min流速持续灌注灌注缓冲液。比例尺 = 50 µm。 点击此处查看高分辨率图像。

图4. 内皮细胞管中的钙荧光。内皮管在1 µM乙酰胆碱刺激下的代表性荧光图像。A) 刺激前的荧光图像。B) 乙酰胆碱给药时的内皮管荧光图像,t=0 秒。C) t=5 秒时的内皮管荧光图像。D) t=10 秒时的内皮管荧光图像。E) t=15 秒时的内皮管荧光图像。F) t=20 秒时的内皮管荧光图像。比例尺 = 40 µm。点击此处查看高分辨率图像。
本文介绍了从 SEA 中分离内皮管及其用于观察其组成性内皮细胞(ECs)内 Ca2+ 信号事件的方法。该操作流程改编自最初用于分离仓鼠提睾肌小动脉内皮管的方法8。通过采用本文所述技术的微小变异,我们已从多种血管床中成功分离出内皮管,包括:仓鼠提肌的供血动脉和颊囊小动脉10、小鼠上腹壁上动脉6,7,9、小鼠肠系膜动脉和脑动脉以及淋巴微血管(未发表观察结果;其中肠系膜血管分离方法参见文献12,脑血管分离方法参见文献13)。从新的血管床中分离内皮管可能需要对原始方案进行调整。若分离不成功,建议首先调整消化时间:若内皮管难以从小血管平滑肌细胞和外膜中分离,则延长消化时间;若内皮管无法保持完整,则缩短消化时间。若调整消化时间无效,可尝试调整消化酶浓度或消化温度。另一种选择是减小吹打移液管的内径,以增强去除平滑肌细胞时的剪切力。也可尝试提高液体喷射速度以达到类似效果,但更易损伤样本。需认识到,在那些内皮细胞之间缺乏足够连接蛋白连接的血管中,可能无法分离出完整的内皮管。
在酶消化后分离平滑肌细胞最初是使用手动移液器完成的8。我们采用微注射器系统优化了吹打程序,从而能够稳定地分离出更长的内皮管状结构(最长可达3 mm)6。使用该系统时,需用矿物油从后端填充吹打移液管,以在控制液体流动的活塞与含有血管段的PSS之间形成连续的液柱。由于液体不可压缩,且微注射器活塞提供恒定驱动力,当血管段被迫通过移液管尖端时,所产生的剪切力保持恒定。相比之下,常用于细胞解离的手动方法(例如 挤压巴斯德移液管末端的橡胶球)涉及空气压缩,会导致驱动力压力不稳定,从而引起移液管尖端施加的剪切力产生变异。
微血管内皮功能研究中采用管状结构制备具有多种优势。其一是分离过程可获得明确且均一的内皮细胞(ECs)和血管平滑肌细胞的原代细胞群体。由于内皮细胞仍以管状结构保持物理连接,因而与保留其原有形态的单个平滑肌细胞明显区分 "C" 如果在吹打过程中细胞保持松弛状态,则可轻松区分不同类型的细胞。 例如 在获取用于实时 PCR 和免疫组织化学等分子技术的样本时10由于可以从单个血管(或如SEA中所述的双侧血管)分离出多个血管段,因此可从同一只动物的相同血管中获取分子数据和功能数据。从而能够将分子表达与微血管内皮的功能行为相关联。此外,可独立于血流动力学因素(压力、血流)以及血液中携带的血管活性物质的影响,解析微血管内皮固有的细胞内和细胞间信号事件。例如 激素),或来自周围的平滑肌细胞(例如 通过肌内皮耦联14-16),神经17或组织实质18.
重要的是,由于内皮细胞是从特定的微血管中 freshly 分离得到的,因此不存在因培养内皮细胞而可能导致的表型改变19-21。例如,培养的内皮细胞会丧失毒蕈碱受体的表达,从而改变其钙信号谱型。此外,内皮细胞的电生理特性在培养过程中也可能发生变化22。由于单个内皮细胞之间仍通过功能性的缝隙连接通道相互耦合,内皮管成为研究细胞间电信号和 Ca2+ 信号传导的理想模型6,7。还应认识到,分离的平滑肌细胞可方便地用于膜片钳技术,以获得与微血管功能相关的互补性数据23。
内皮管模型的一个主要局限性在于,随着温度升高,制备的样本稳定性下降。尽管我们的肠系膜动脉(SEA)来源样本在室温(约24 °C)下以及在32 °C条件下数小时内均表现出良好的稳定性和健康状态,但在37 °C时,其形态和功能在不到一小时内即出现退化9。内皮管的第二个重要局限性是失去了肌内皮连接及其固有的信号传导结构域,而这些结构域在完整血管壁中对内皮细胞(EC)功能至关重要14-16。还应认识到,尽管较长的管段有助于研究较远距离的细胞间信号传递6,但随着管段长度增加,制备过程变得更加复杂,因为周围平滑肌细胞和外膜组织更难完全解离。我们发现,长度超过1-2 mm的管段在流动腔室中也更难定位和固定。相反,虽然较短的管段(例如 <1 mm)适用于研究Ca2+和电信号8,但在流动腔室中进行灌流时难以维持其完整性。最后,即使双侧管段分离达到最佳状态,其样本量仍不足以使用Western blot进行传统的蛋白质表达定量分析,尽管免疫标记可提供蛋白质表达水平和定位的信息。尽管存在上述局限性,内皮管仍是一种新颖的实验模型,有助于深入理解微血管内皮细胞在体内的功能机制in vivo。
作者感谢 Pooneh Bagher 博士和 Erika Westcott 博士在准备手稿过程中提供的编辑意见。本研究由美国国立卫生研究院下属的国家心肺血液研究所资助,项目编号为 R37-HL041026 和 R01-HL086483(授予 SSS),以及 F32-HL107050(授予 MJS)。本内容完全由作者负责,不代表美国国立卫生研究院的官方观点。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 氯化钠 | Fisher | S642-212 | |
| 氯化钾 | Sigma | P9541 | |
| 硫酸镁 | Sigma | M2643 | |
| 氯化钙 | Sigma | C1016 | |
| 亚硝基铁氰化钠 | Sigma | 431451 | |
| 牛血清白蛋白 | USB Products | 9048-46-8 | |
| 木瓜蛋白酶 | Sigma | P-4762 | |
| 胶原酶 | Sigma | C-8051 | |
| 二硫赤藓醇 | Sigma | D-8255 | |
| 硼硅酸盐玻璃(灌流和固定用移液管) | Warner Instruments | G150-4 | |
| 硼硅酸盐玻璃(吹打用移液管) | World Precision Instruments | 4897 | |
| 纳升级注射器微量注射泵 | World Precision Instruments | B203MC4 | 已从Nanoliter 2000升级为Nanoliter 2010 |
| Micro4控制器 | World Precision Instruments | SYS-MICRO4 | |
| 12 mm × 75 mm 培养管 | Fisher | 14-961-26 | |
| 三轴显微操作器 | Siskiyou Corp | DT3-100 | 用于固定和定位固定移液管 |
| 灌流腔室 | Warner Instruments | RC-27N | |
| 100–1,000 µl 移液器 | Eppendorf | 3120000062 | 用于将消化后的血管段转移至灌流腔室 |
| 1 ml 移液器吸头 | Fisher | 02-707-405 | 用于将消化后的血管段转移至灌流腔室 |
| 直立显微镜 | Olympus | BX51W1 | 具体显微镜型号由用户自行决定 |
| 转盘共聚焦系统 | Yokogawa | CSU-X1 | 共聚焦成像为可选步骤 |
| XR/TURBO EX 相机 | Stanford Photonics | XR/TURBO EX | 符合我们的需求;可根据用户情况调整 |
| Piper 控制软件 | Stanford Photonics | TURBO EX 相机的成像软件 | |
| 体视显微镜 | Leica | MZ8 | 可根据用户情况调整 |
| Sylgard | Dow Corning | 184 | |
| 显微解剖剪刀 | Fine Science Tools | 15003-08 | |
| Dumont 镊子 | Fine Science Tools | #5/45 | |
| 微型昆虫针 | Austerlitz | M 尺寸 0.15 mm | |
| GP Millipore Express PLUS 膜 | Millipore | SCGPT05RE | |
| 移液管刻痕装置 | Austin Flameworks | 小型手持刻痕工具 | austinflameworks.com |
| 紧凑型宠物修剪器 | Wahl Clipper Corp. | Model 9966 | 每次使用后应彻底清洁以延长使用寿命 |
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