本文介绍了一种用于评估大鼠心脏分离心肌细胞在收缩过程中肌丝对Ca2+敏感性变化的实验方案。该检测方法结合心脏电生理学、收缩期/舒张期胞质Ca2+水平以及收缩/舒张功能,对于揭示健康与病变心脏中心肌兴奋-收缩耦联机制具有重要意义。
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本文介绍了一种用于评估大鼠心脏分离心肌细胞在收缩过程中肌丝对Ca2+敏感性变化的实验方案。该检测方法结合心脏电生理学、收缩期/舒张期胞质Ca2+水平以及收缩/舒张功能,对于揭示健康与病变心脏中心肌兴奋-收缩耦联机制具有重要意义。
心力衰竭和心脏心律失常是全球范围内导致死亡和疾病负担的主要原因。然而,病变心脏中病理发生机制及心肌功能障碍仍未完全阐明。近年来强有力的证据表明,肌丝对Ca2+敏感性的改变会影响心肌细胞内Ca2+稳态以及离子通道活性,而这些正是健康与病变心脏中产生心脏动作电位和收缩功能的核心机制。事实上,通常通过检测介导心脏动作电位的离子通道和转运体活性(例如,Na+、Ca2+和K+通道以及Na+-Ca2+交换体)以及细胞内Ca2+调控蛋白(例如,兰尼碱受体、肌浆网Ca2+-ATP酶(SERCA2a)、磷胶蛋白及其磷酸化状态)来评估心肌兴奋-收缩(E-C)耦联的基本机制。细胞膜上的电活动与细胞内Ca2+变化是E-C耦联的触发信号,而肌丝则是收缩与舒张的功能单位,肌丝对Ca2+的敏感性在肌原纤维功能实现中至关重要。然而,除非研究重点即为此,否则极少有研究在心肌功能分析中纳入肌丝Ca2+敏感性的评估。本文介绍一种通过Fura-2 AM(比率检测法)测量大鼠心脏心肌细胞中肌节缩短/再伸长及细胞内Ca2+水平,并评估肌丝Ca2+敏感性变化的实验方案。主要目的在于强调,在进行机制性分析时,应将肌丝Ca2+敏感性纳入E-C耦联的研究范畴。全面探究健康与病变心脏中心肌细胞收缩力背后的离子通道、离子转运体、细胞内Ca2+调控以及肌丝Ca2+敏感性,将为设计更具转化意义和治疗价值的干预策略提供重要信息。
心脏兴奋-收缩(E-C)耦联是分析心肌机械特性的基本方案, 即, 心脏的收缩功能1,2. E-C 耦联由肌膜离子通道活动引起的膜去极化所启动(例如, 电压门控Na+ 通道,可进行测量 通过 膜片钳技术)。随后激活电压门控L型Ca2+ 通道(LTCCs)和Ca2+ 流入 通过 LTCCs 触发大部分 Ca2+ 通过兰尼碱受体(RyRs)释放,增加胞质 Ca2+ 从纳摩尔(nM)到微摩尔(µM)浓度水平。这种细胞质 Ca²⁺ 浓度的升高2+ 促进 Ca2+ 与细丝中的肌钙蛋白C(TnC)结合,引发肌丝复合物的构象改变,促进肌动蛋白与肌球蛋白的相互作用,从而实现心肌收缩3. 相反,细胞质中的 Ca2+ 被重新摄取 回到肌浆网(SR)中,通过 Ca2+-ATP酶(SERCA2a)在肌质网(SR)中,或被排出心肌细胞外 通过 Na+/Ca2+ 交换体和质膜Ca2+ ATP酶1,2因此,胞质中 Ca2+ 引发细丝构象恢复至原始状态,导致肌动蛋白-肌球蛋白解离及心肌细胞舒张1-3在此机制中,SERCA2a 的活性通常被认为决定了心肌舒张的速度,因为它介导了胞质中 70 - 90% 的 Ca²⁺2+ 大多数哺乳动物心肌细胞中的去除1因此,异常的 Ca2+ LTCC、RyR 和 SERCA2a 等对钙离子的调控已被认为是病变心脏收缩和舒张功能受损的主要机制1-4.
实际上,游离的胞质 Ca2+ 在兴奋-收缩耦联中作为信使发挥作用的细胞内钙约占总细胞内钙的1%2+ 以及大多数Ca2+ 与细胞内 Ca 结合2+ 缓冲液5,6。这是由于不同的Ca2+ 缓冲液在心肌细胞中含量丰富, 例如, 膜磷脂、ATP、磷酸肌酸、钙调蛋白、副肌球蛋白、肌原纤维肌钙蛋白C、肌球蛋白、肌浆网钙泵2a(SERCA2a)以及肌质网中的钙结合蛋白(calsequestrin)。5,6,7其中,SERCA2a 和 TnC 是主要的 Ca2+ 缓冲液5,6,7。此外,Ca2+ 在抽搐过程中,与缓冲液的结合是一个动态过程例如, 30-50% 的 Ca2+ 与肌钙蛋白C(TnC)结合,并在Ca²⁺存在下与其解离2+ 瞬时表达7)以及Ca的变化2+ 结合导致额外 "释放" 游离 Ca2+ 进入细胞质后,导致细胞内 Ca 的改变2+ 浓度。因此,细胞内 Ca 的扰动2+ 水平升高会引发肌丝异常运动,这是收缩功能障碍和心律失常的前兆8,9许多因素(包括生理性和病理性因素)均可导致肌丝蛋白的转录后修饰,从而影响肌丝对钙离子的敏感性2+ 缓冲与肌丝钙2+ 灵敏度8-10最近有报道称,肌丝蛋白的突变会增加钙离子敏感性2+ 结合亲和力和细胞内 Ca2+ 处理,触发依赖于暂停的钙离子增强效应2+ 瞬变,异常Ca2+ 释放,以及心律失常8。与此概念一致,我们也已证明肌丝钙离子2+ 高血压大鼠心脏中由于神经元型一氧化氮合酶上调所致的去敏感化与舒张期和收缩期钙离子水平升高相关2+ 水平11,进而增加LTCC对Ca的易损性2+依赖性失活12因此,肌丝Ca2+ 敏感性是一种 "活性" 细胞内钙调节因子2+ 稳态与心肌细胞收缩功能。分析肌丝与钙离子之间的相互作用已变得十分必要2+ 处理蛋白质以深入研究心肌细胞的兴奋-收缩耦联及心脏功能。
在此,我们描述了一种用于评估肌丝钙敏感性变化的实验方案。该方法通过分离心肌纤维并测定其在不同钙离子浓度下的收缩力,以分析肌丝对钙离子的响应特性。该技术可用于研究心力衰竭、心肌病及其他影响心肌收缩功能的病理状态下肌丝功能的改变。2+ 分离心肌细胞中的敏感性。综合分析 细胞内 Ca2+ 谱型,肌丝钙2+ 敏感性和收缩性将揭示心肌力学的新型潜在机制。
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本方案遵循联合国国立卫生研究院(NIH出版物第85-23号,1996年修订版)发布的《实验动物护理与使用指南》,并已获得首尔国立大学机构动物护理与使用委员会(IACUC)的批准(IACUC批准编号:SNU-101213-1)。
1. 缓冲液制备(见材料与设备表)
2. 左心室(LV)心肌细胞分离的准备工作
3. LV 心肌细胞的分离
4. 同时测量细胞内 Ca2+ 瞬变和心肌细胞收缩
5. 肌原纤维Ca2+敏感性的评估
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从正常和高血压大鼠心脏中分离左心室心肌细胞。选择具有清晰横纹(代表肌节)且在电场刺激下能产生稳定收缩的杆状心肌细胞作为理想细胞用于记录图2A)。在图F所示的示例中图2A将负载Fura 2 AM的左心室心肌细胞水平放置,并调节相机光圈,使心肌细胞占据记录视野的大部分区域,同时尽量减少背景区域的纳入。在记录视野中,通过计算机屏幕上的记录程序点击并拖动紫色方框,调整其尺寸。当平均肌节长度显示为一个清晰的红色峰时,开始记录图2A,下图)。
在同一心肌细胞中同时记录肌节长度和细胞内Ca2+瞬变(Fura-2比值)(图3A)。肌节长度和Ca2+瞬变的平均轨迹如图3B所示。分别测量舒张期/收缩期肌节长度、达峰时间(PT)和肌节缩短程度,以评估心肌细胞收缩功...
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此处,我们描述了评估肌丝钙敏感性变化的实验方案,以及在分离的肌纤维中测量ATP酶活性的方法。2+ 单个分离心肌细胞中的敏感性,并强调在测量电生理特性、细胞内Ca的同时,检测该参数的重要性2+ 瞬变过程以及肌丝动力学。这是因为仅记录其中一个或两个参数可能无法阐明心肌收缩和舒张的潜在机制。与仅测量心肌细胞收缩和细胞内Ca2+ 单独分析每个样本1, 本方法在同一批心肌细胞中同时检测这两个参数.
通常采用多种方法来评估肌丝对钙离子的敏感性2+ 肌肉或肌细胞的敏感性15,16,17, 例如, 外源性Ca相互作用的检测2+ 以及去膜心肌细胞(经皂苷或β-伊辛等去污剂处理以通透细胞膜)中肌节/细胞长度/张力的测量。长度通过光电二极管与激光束衍射技术测定,张力则使用力传感器或碳纤维测定。这些技术在肌肉研究中被广泛应用,因其可实现肌丝对钙离子反应的定量评估2+ 灵敏度。然而,...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
本研究由韩国国家研究基金会(NRF)通过韩国教育科技部资助的基础科学研究中心项目(2013068067);韩国教育科技部脑科学BK21研究生项目、首尔国立大学医院、韩国高血压学会(2013)、SK电信研究基金(编号3420130290)以及国家自然科学基金委员会(NSFC 31460265;NSFC 81260035)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Sprague Dawley 大鼠 | Koatech | 8-12 周 | |
| 戊巴比妥钠 | 韩国韩林制药公司 | AHN901 | 保险代码:645301220 |
| NaCl | Sigma | S9625 | |
| KCl | Sigma | P4504 | |
| NaH2PO4 | Sigma | S8282 | |
| HEPES | Sigma | H3375 | |
| 葡萄糖 | Sigma | G8270 | |
| CaCl2 | Biosesang | C2002 | |
| MgCl₂2 | Biosesang | M2001 | |
| 甘露醇 | Sigma | M4125 | |
| MgSO₄4 | Sigma | M5921 | |
| 丙酮酸钠 | Sigma | P2256 | |
| 牛磺酸 | 默克 | 8.08616.1000 | |
| Na2HPO4 | Sigma | 71649 | |
| 牛胎盘白蛋白 | Sigma | A7906 | |
| II型胶原酶 | 沃辛顿 | LS004177 | |
| 蛋白酶 | Sigma | P6911 | |
| Fura-2 (AM) | 分子探针 | F1221 | |
| DMSO 中 20% Pluronic F127 溶液 | Invitrogen | P3000MP | |
| 振荡水浴箱 | 张 Shin 科学 | 型号:C-108 | |
| IonWizard 软件套件 | IonOptix Ltd | 实验设计工具 | 心肌细胞中兴奋-收缩耦合数据的采集与分析 |
| 心肌细胞钙 && 收缩力记录系统 | IonOptix Ltd | ||
| 循环水浴 | BS-Tech | BW2-8 | |
| 心肌细胞荧光显微镜 | 尼康 | DIATPHOTO 200 | |
| MyoCam-S 功率 | IonOptix | ||
| 荧光 &和视频检测 | IonOptix | MyoCam-S | |
| CFA300 | |||
| PMT400 | |||
| 荧光 &和系统接口 | IonOptix | FSI700 | |
| 激发光源 | IonOptix | mSTEP | |
| 高强度ARC灯电源供应器 | 凯恩研究 | ||
| 滤光轮控制器 | IonOptix | GB/MUS200 | |
| 数字刺激器 | Medical Systems Corporation | S-98 多模式 | |
| <强>实验溶液的组成 | |||
| <强>名称 | <强>公司 | <强>货号 | <强>评论 |
| 分离液(pH:7.4,NaOH) | |||
| NaCl | Sigma | S9625 | 浓度(mmol)135 |
| KCl | Sigma | P4504 | 浓度(mmol)5.4 |
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| 葡萄糖 | Sigma | G8270 | 浓度(mmol)5 |
| MgCl₂2 | Biosesang | M2001 | 浓度(mmol)3.5 |
| 牛磺酸 | Sigma | CB2742654 | 浓度(mmol)20 |
| Na2HPO4 | Sigma | 71649 | 浓度(mmol)0.4 |
| 储存溶液(pH:7.4,NaOH) | |||
| NaCl | Sigma | S9625 | 浓度(mmol)120 |
| KCl | Sigma | P4504 | 浓度(mmol)5.4 |
| HEPES | Sigma | H3375 | 浓度(mmol)10 |
| 葡萄糖 | Sigma | G8270 | 浓度(mmol)5.5 |
| CaCl2 | Biosesang | C2002 | 浓度(mmol)0.2 |
| 甘露醇 | Sigma | M4125 | 浓度(mmol)29 |
| MgSO₄4 | Sigma | M5921 | 浓度(mmol)5 |
| 丙酮酸钠 | Sigma | P2256 | 浓度(mmol)5 |
| 牛磺酸 | Sigma | CB2742654 | 浓度(mmol)20 |
| 灌流液(Tyrode 溶液,pH:7.4,NaOH) | |||
| NaCl | Sigma | S9625 | 浓度(mmol)141.4 |
| KCl | Sigma | P4504 | 浓度(mmol)4 |
| NaH2PO4 | Sigma | S8282 | 浓度(mmol)0.33 |
| HEPES | Sigma | H3375 | 浓度(mmol)10 |
| 葡萄糖 | Sigma | G8270 | 浓度(mmol)5.5 |
| CaCl2 | Biosesang | C2002 | 浓度(mmol)1.8 Fura 2AM 负载时,CaCl2 浓度分别为 0.25 mM 和 0.5 mM |
| MgCl₂2 | Biosesang | M2001 | 浓度(mmol)1 |
| 甘露醇 | Sigma | M4125 | 浓度(mmol)14.5 |
| 胶原酶溶液1 | |||
| 分离液(30 mL) | |||
| 牛胎血清白蛋白(BSA 溶液 5 ml) | 浓度(mmol)1.67 mg/mL | ||
| II型胶原酶 | 沃辛顿 | LS004177 | 浓度(mmol)1 mg/mL |
| 蛋白酶 | Sigma | P6911 | 浓度(mmol)0.1 mg/mL |
| CaCl2 | Biosesang | C2002 | 浓度(mmol)0.05 mM |
| 胶原酶溶液2 | |||
| 分离液(20 mL) | |||
| 牛胎血清白蛋白(BSA 溶液 3.3 mL) | 浓度(mmol)1.67 mg/mL | ||
| II型胶原酶 | 沃辛顿 | LS004177 | 浓度(mmol)1 mg/mL |
| CaCl2 | Biosesang | C2002 | 浓度(mmol)0.05 mM |
| BSA 溶液 | |||
| 分离液(40 mL) | |||
| 牛胎血清白蛋白 | Sigma | A7906 | 浓度(mmol)400 mg |
| CaCl2 | Biosesang | C2002 | 浓度(mmol)1 mM |
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