本文介绍了一种经过优化的基于兰根多夫(Langendorff)系统的分离方法,用于从与代谢综合征相关且射血分数保留的心力衰竭大鼠模型中分离单个心房心肌细胞。通过手动调节心脏腔室的管腔内压力,可获得功能完整的肌细胞,适用于兴奋-收缩耦联研究。
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本文介绍了一种经过优化的基于兰根多夫(Langendorff)系统的分离方法,用于从与代谢综合征相关且射血分数保留的心力衰竭大鼠模型中分离单个心房心肌细胞。通过手动调节心脏腔室的管腔内压力,可获得功能完整的肌细胞,适用于兴奋-收缩耦联研究。
本文介绍了一种经过优化的、基于兰格多夫(Langendorff)系统的单细胞心房心肌细胞(ACMs)分离方法,用于从代谢综合征(MetS)相关射血分数保留型心力衰竭(HFpEF)的大鼠模型中获取细胞。MetS相关HFpEF的发病率正在上升,而与心房重构及心房颤动相关的心房心肌病在临床上具有重要意义,因为心房重构是死亡率的独立预测因子。针对分离的单个心肌细胞的研究常被用于验证和补充体内实验的结果。然而,循环血管稀疏化和间质组织纤维化可能成为从此类疾病动物模型中成功分离单个ACMs的潜在限制因素。
我们通过使用一种能够在分离过程中手动调节心腔内压力的装置,显著提高了形态和功能完整的心肌细胞的得率。所获得的细胞可用于多种不同的实验,例如细胞培养和功能性钙成像(即,兴奋-收缩耦联)。
我们为研究人员提供了一步一步的操作方案、优化试剂列表、准备必要设备的详细说明以及全面的故障排除指南。尽管该实验程序的初次实施可能较为困难,但成功掌握后,读者便可在与代谢综合征相关的射血分数保留型心力衰竭(HFpEF)大鼠模型中,开展多种实验所需的前沿心外膜脂肪组织(ACM)分离。
代谢综合征(MetS)是一组2型糖尿病和心血管疾病的危险因素集合,包括动脉血压升高、血脂异常(甘油三酯升高和高密度脂蛋白胆固醇降低)、空腹血糖升高以及中心性肥胖1。全球范围内MetS的患病率估计为25%–30%,且呈持续上升趋势2。射血分数保留的心力衰竭(HFpEF)是一种具有异质性的临床综合征,常与MetS相关。在HFpEF及其前期阶段(即高血压性心脏病)中,心脏重构通常伴随心房的重构3。左心房收缩功能减退及结构改变与死亡率升高、心房颤动以及新发心力衰竭密切相关4。心房重构的特征包括离子通道功能改变、Ca2+稳态失调、心房结构变化、成纤维细胞活化以及组织纤维化5。MetS相关HFpEF中的左心房重构及其潜在病理机制目前仍不明确,亟需深入研究。动物模型已被证实是研究心房心肌病的重要工具,并推动了该领域的多项进展6,7,8,9。
采用分离的单细胞心肌细胞进行的研究常被用于验证和补充 体内 研究发现,心肌细胞的分离及可能的后续细胞培养,可用于研究信号通路、离子通道电流以及兴奋-收缩耦联。在生理条件下,心肌细胞不具有增殖能力。通过将心房利钠因子的转录调控序列与转基因小鼠中猴病毒40大T抗原融合,首次成功构建了永生化成人传导系统心肌细胞(AT-1)。10AT-1细胞的进一步发育产生了HL-1细胞,后者不仅可连续传代,还能自发收缩。11然而,与 freshly isolated 细胞相比,它们在结构和功能上存在差异,例如超微结构的有序性较低,且发育中的肌原纤维出现频率较高11以及一种超极化激活的内向电流12从多种模型的大鼠和小鼠中分离心室心肌细胞(VCM)的方法已十分成熟13,14,15,16,17,18,19通常,将离体心脏连接至兰格多夫装置,并以无钙溶液逆行灌注2+不含钙缓冲液中加入消化酶(如胶原酶和蛋白酶)。随后逐步重新引入钙离子,恢复至生理条件。然而,尽管已有专门用于分离心房心肌细胞(ACMs)的实验方案20,21由于纤维化增加以及与压力相关的差异,其在伴有心房重构的疾病模型中的应用受到限制。
本文中,我们建立了一种从呈现心房重构的动物中分离心房单细胞心肌细胞的实验方案即,特别是针对与代谢综合征相关的射血分数保留型心力衰竭(HFpEF)的ZFS1大鼠模型)22现有的分离方案经过优化,并辅以一种简易的自制装置来调控和改变心腔内的管腔压力,从而获得更高产量的形态和功能完整的心肌细胞。以下方案为研究者提供了分步操作指南、自制设备的详细说明、溶液列表以及全面的故障排除指南。
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所有实验均经当地伦理委员会批准(TVA T0060/15 和 T0003-15),并遵循美国国立卫生研究院(National Institute of Health, U.S.A.)颁布的《实验动物护理与使用指南》进行。
注意:该实验流程的简化流程图见图1。
1. 实验前准备
| 溶液 | PB | CB | DB | SB | S1 | S2 | S3 | NT | |
| 试剂 (mM) | |||||||||
| NaCl | 135 | 135 | 135 | 135 | 135 | 135 | 135 | 135 | |
| KCl | 4.7 | 4.7 | 4.7 | 4.7 | 4.7 | 4.7 | 4.7 | 4 | |
| KH2PO4 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | ||
| Na2HPO4 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | ||
| MgSO4 | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 1.2 | ||
| MgCl | 1 | ||||||||
| HEPES | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | |
| 牛磺酸 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | ||
| 葡萄糖 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | ||
| BDM | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | ||
| CaCl2 | 1 | 0.01 | 0.125 | 0.25 | 0.5 | 1 | |||
| BSA | 150 | 70 | 70 | 70 | |||||
| 纯化酶混合物(中等 Thermolysin) | 0.195 Wünsch 单位/mL | ||||||||
| pH 调整至 | 7.4 | 7.4 | 7.4 | 7.4 | 7.4 | 7.4 | 7.4 | 7.4 | |
| pH 调整温度 | 37 °C | 4 °C | 37 °C | 37 °C | 37 °C | 37 °C | 37 °C | 37 °C | |
| pH 调整使用 | NaOH | NaOH | NaOH | NaOH | NaOH | NaOH | NaOH | NaOH |
表1:缓冲液列表。 PB:灌流缓冲液,可在4 °C保存3天(每只动物300 mL)。CB:插管缓冲液,可在4 °C保存3天(每只动物200 mL)。DB:消化缓冲液,必须在配制当天使用(每只动物40 mL)。SB:终止缓冲液,必须在配制当天使用(每只动物2 mL)。S1:第一步缓冲液,必须在配制当天使用(每只动物2 mL)。S2:第二步缓冲液,必须在配制当天使用(每只动物2 mL)。S3:第三步缓冲液,必须在配制当天使用(每只动物2 mL)。NT:正常台氏液,必须在配制当天使用(每只动物50 mL)。
2. 心脏制备
3. 插管
4. 压力调控与消化
5. 细胞处理与钙再适应
6. 兴奋-收缩耦联的功能评估

图 1:细胞分离流程的简化流程图。 该操作在完成心肌细胞的酶解之前具有极高的时间敏感性。请点击此处查看此图的放大版本。

图 2:分离前的设备准备。(A)本图显示自制的朗根多夫(Langendorff)装置:(1)含PB的夹套反应容器;(2)含CB的夹套反应容器;(3)三通旋塞;(4)注射器;(5)蠕动泵;(6)浸入式加热器;(7)夹套式气泡捕集器;以及(8)插管和心脏。(B)本图显示用于插管与器官摘除的优化工作流程装置:(1)含50 mL冰浴CB的100 mL烧杯;(2)含冰浴CB的10 mL注射器;(3)含冰浴CB的培养皿;(4)光源;(5)自制插管(含插管结,另见图 3A 和 3B);(6)细弯镊;(7)组织镊;(8)45°角弯头精细镊;(9)腹部手术剪;(10)精细手术剪;(11)4根30 G针头;以及(12)15 G针头。(C)本图显示用于共聚焦成像的显微镜固定装置:(1)电刺激电极;(2)灌流笔;(3)含ACM的玻璃底培养皿;以及(4)浸入式铂金电刺激电极。(D)本图显示共聚焦成像的显微镜配置:(1)共聚焦显微镜;(2)灌流笔;(3)灌流缓冲液储液器;(4)灌流流速调节器;(5)灌流加热模块;(6)计算机工作站;以及(7)电刺激器。请点击此处查看此图的放大版本。

图3:自制设备。(A)此图显示经改造的15 G套管针,带有鲁尔锁接口。箭头指示用于套管结扎的两个凹槽位置。(B)此图为套管结扎结,由两个双单结叠加而成,便于快速收紧。箭头指示结扎的部位及收紧顺序。(C)此图显示组装完成的压力控制装置。一根21 G蝶形针固定在三脚架夹具上,软管保持与针头相同高度,螺口处于打开状态。如箭头所示,可通过调节蝶形针软管的高度来改变左心房腔内压力。(D)使用压力控制装置穿刺左心房。此图显示左心房处于理想充盈状态。椭圆标记指示单结的位置。(E)使用压力控制装置穿刺左心房。此图显示左心房过度充盈,将导致可存活心肌细胞的得率降低。椭圆标记指示单结的位置。请点击此处查看该图的放大版本。
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通过本方法,可在21周龄时从ZSF-1肥胖大鼠中分离出60–90%的有活力心外膜细胞(ACM)(活力评估方法见步骤6.1),且细胞经过钙再适应处理(步骤5.4–5.7)(图4A)。在大鼠中,与心室心肌细胞(VCM)相比,ACM具有不同且更为异质的表型24,25。图4B显示了一个单个ACM,其细胞膜和肌节结构均保持完整,两者均为功能完整细胞的有力指标。
所获得的心房心肌细胞(ACMs)可通过多种方式进行处理。如图5所示,可将细胞负载荧光染料,用于研究其形态和/或功能。例如,使用di-8-ANEPPS染料来显示大鼠心房细胞中肌管系统的结构(
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本文首先描述了一种从表现为明显心房重构的代谢综合征相关射血分数保留型心力衰竭(HFpEF)大鼠模型中分离单个心房心肌细胞(ACM)的实验方案22。该操作具有独特挑战性,因为过量的脂肪组织会使得手术准备以及主动脉插管变得愈发困难。表2中提供的故障排除指南针对了分离过程中最常见的问题。
...| 问题 | 可能原因 | 解决方案 |
| 蝶形管无液体流过 | 插管结扎导致主动脉闭合不充分 | 结扎前去除脂肪组织 |
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究得到了德国心血管研究中心(DZHK,D.B.)、Else-Kröner-Fresenius 基金会(EKFS,F.H.)以及德国联邦教育与研究部(BMBF)的支持,同时也获得了由柏林夏里特医学院(Charité - Universitätsmedizin Berlin)和柏林健康研究所(Berlin Institute of Health)资助的 BIH-Charité 临床科学家项目(F.H.)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| ZSF-1 肥胖大鼠 | Charles River Laboratories, Inc. | 21 周龄 | |
| 精细虹膜剪刀 | Fine Science Tools GmbH | 14094-11 | |
| 手术剪刀 | Fine Science Tools GmbH | 14001-18 | |
| 微型敷料镊(弯曲,带齿) | Aesculap, Inc. | BD312R | |
| 组织镊(直型,1×2齿) | Aesculap, Inc. | BD537R | |
| 打结镊(成角) | Aesculap, Inc. | MA624R | |
| 啮齿类与小型动物断头器 | Kent Scientific Corp. | DCAP | |
| 低成本诱导室 3.0 L | Kent Scientific Corp. | SOMNO-0730 | |
| 蝶形带翼输液套管 21 G | Hospira, Inc. | 181106101 | |
| Abbocath 16 G | Hospira, Inc. | 0G7149702 | |
| 微量兰斯皮下注射针头 | Becton Dickinson GmbH | 301300 | 改装针头以制备套管 |
| Braun Original Perfusor 注射器 50 ml | B. Braun Melsungen AG | 8728810F | |
| Braun Inject Solo 注射器 10 ml | B. Braun Melsungen AG | 2057926 | |
| 50 ml 烧杯 | Duran Group (DWK Life Sciences GmbH) | 21 106 17 | |
| Duroplan 培养皿(100 × 20 mm) | Duran Group (DWK Life Sciences GmbH) | 21 755 48 | |
| Seraflex 缝合线 USP 3/0 | SERAG-WIESSNER GmbH & Co. KG | IC208000 | |
| VWR 一次性方形称量舟 100 ml | VWR, Inc. | 10803-148 | |
| 泡沫塑料表面 | |||
| 氯化钠 | Sigma-Aldrich, Inc. | 71380 | |
| 氯化钾 | Sigma-Aldrich, Inc. | P4504 | |
| 磷酸二氢钾 | Sigma-Aldrich, Inc. | P5379 | |
| 磷酸氢二钠 | Sigma-Aldrich, Inc. | S0876 | |
| 七水合硫酸镁 | Sigma-Aldrich, Inc. | 230391 | |
| 氯化镁 | Sigma-Aldrich, Inc. | M8266 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich, Inc. | H3375 | |
| 牛磺酸 | Sigma-Aldrich, Inc. | T0625 | |
| 葡萄糖 | Sigma-Aldrich, Inc. | G7528 | |
| 2,3-丁二酮单肟 | Sigma-Aldrich, Inc. | B0753 | |
| 氯化钙溶液(1 M) | Sigma-Aldrich, Inc. | 21115 | |
| 牛血清白蛋白 | Sigma-Aldrich, Inc. | A9647 | |
| Liberase | Roche (Sigma-Aldrich, Inc.) | LIBTM-RO | |
| 肝素 | Rotexmedica GmbH | 3862357 | |
| Forene(异氟烷) | Abbvie Deutschland GmbH & Co. KG | 10182054 | |
| Engelbreth-Holm-Swarm 小鼠肉瘤基底膜来源层粘连蛋白 | Sigma-Aldrich, Inc. | L2020 | |
| WillCo 玻璃底培养皿 500µl 0.005 mm | WillCo Wells B.V. | HBST-3522 | |
| Fluo4 AM | Invitrogen (Thermo Fisher Scientific, Inc.) | F14201 | 室温下 5µM 孵育 20 分钟 |
| Di-8-ANNEPS | Invitrogen (Thermo Fisher Scientific, Inc.) | D3167 | 37°C 下 10µM 孵育 45 分钟 |
| Mitotracker RED FM | Invitrogen (Thermo Fisher Scientific, Inc.) | M22425 | 37°C 下 20 nM 孵育 30 分钟 |
| 夹套式反应容器 500 ml | Gebr. Rettberg GmbH | 107024414 | |
| 夹套式反应容器 1000 ml | Gebr. Rettberg GmbH | 107025414 | |
| 夹套式气泡捕集器 | Gebr. Rettberg GmbH | 134720001 | |
| ED 加热浸入式循环器 | Julabo GmbH | 9116000 | |
| Reglo Digital MS-2/6 蠕动泵 | Ismatec (Cole-Parmer Gmbh) | ISM 831 | |
| Voltcraft Thermometer 302 K/J 温度计 | Conrad Electronic SE | 030300546 | |
| 管路 | |||
| LSM 700 显微镜 | Carl Zeiss, Inc. | ||
| ZEN 2.3 成像软件 | Carl Zeiss, Inc. | 410135-1011-240 | |
| 单通道加热控制器 TC-324B | Warner Instruments, LLC | 64-2400 | |
| 8 通道灌流系统 | Warner Instruments, LLC | 64-0185 | |
| 8 通道多管线串联溶液加热器 | Warner Instruments, LLC | 64-0105 |
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