本方案采用组织块消化法从成年小鼠心脏中分离单个心房心肌细胞。该方法可用于分离右心房或左心房心肌细胞,进而用于膜片钳实验中对心房心肌细胞电生理特性的表征研究。
本方案采用组织块消化法从成年小鼠心脏中分离单个心房心肌细胞。该方法可用于分离右心房或左心房心肌细胞,进而用于膜片钳实验中对心房心肌细胞电生理特性的表征研究。
心房肌细胞的电生理特性对整体心脏功能具有重要影响。动作电位所依赖的离子电流发生改变时,可导致心律失常的促发基质,从而引发如心房颤动等心律失常,而这类心律失常在多种疾病状态中极为常见。通过分离成年小鼠心房心肌细胞并用于膜片钳实验,已显著推动了我们对健康心房心肌以及心房病理生理状态下细胞电生理机制的认识。此外,利用基因工程小鼠模型的研究已阐明了大量蛋白质在调控心房电生理中的作用。本文提供了一种详细的实验方案,用于从成年小鼠心耳组织中分离心肌细胞,该方法结合了酶消化与机械解离技术。该方法能够稳定、可靠地获得单个心房心肌细胞,可用于在多种实验条件下,通过膜片钳技术记录动作电位和离子电流,从而表征细胞的电生理特性。
心房是心脏中壁薄、低压的腔室,接收来自上腔静脉、下腔静脉以及肺静脉的血液,在正常心脏生理功能中具有重要作用。与心脏其他区域一样,心房包含多种细胞类型,包括心肌细胞、成纤维细胞、内皮细胞、血管平滑肌细胞以及其他细胞。心房肌细胞是可兴奋的电活性细胞,在心脏电信号传导过程中发挥关键作用,从而确保每次心跳时心房的正常收缩1。心房的电功能异常可导致多种特异性心房心律失常,例如心房扑动和心房颤动2,3。这些心律失常发病率高但机制尚不明确,可导致显著的发病率和死亡率。心房颤动可由基因突变引起,也可与衰老相关,或发生在获得性心脏病(如高血压、心力衰竭和糖尿病)的背景下2,4,5,6。这些病理状态可改变心房肌细胞的电生理特性,从而形成有利于心律失常发生的基质1,2。
心房的正常电活动以及心房心律失常的发生,均显著受到心房肌细胞产生动作电位(AP)形态的影响。心房动作电位由多种离子电流共同作用形成,包括钠电流(INa,由Na携带V1.5通道)、L型钙电流(ICa,L,由Ca携带v1.2 和 CaV1.3 通道),以及包括超快速延迟整流钾电流(I库尔,由 K 携带V1.5通道)、瞬时外向钾电流(I到,由 K 携带V4.2 和 KV4.3通道)、稳态钾电流(IKss,由K携带V2.1通道)以及内向整流钾电流(IK1,由K携带ir2.1 通道)1,7,8尽管快速和缓慢延迟整流钾电流成分在小鼠心房中不起主要作用,+ 电流(IKr 我Ks在某些物种中,) 也参与动作电位的复极化过程7这些离子电流中一种或多种发生改变,可显著影响心房肌细胞的电学特性,从而导致心房心律失常。例如,INa 可通过对动作电位升支速度的抑制,减慢心房内的传导速度。另一方面,复极化钾电流的减少或任一ICa,L 或晚期 INa 可能导致后除极的产生,从而触发心房的自发性活动1,2,9.
需要注意的是,心房肌不同区域的动作电位形态存在差异,这很可能与这些区域离子通道的表达或调控差异有关。例如,右心房与左心房之间动作电位时程的差异与Ito电流密度的不同密切相关,这一点已有充分描述10,11,12,13。此外,我们最近的研究表明,在慢性高血压小鼠模型中,右心房和左心房表现出不同的电重构模式6,14。右心房后壁还包含窦房结,后者具有独特的动作电位形态和放电模式15。通过分离自这些不同区域的单个心肌细胞,可对各区域心肌细胞的独特电生理特性进行深入研究。
可用于分离心房肌细胞以进行膜片钳电生理研究的方法有多种16。其中一种方法是逆行灌注法,即通过主动脉插管向心脏输送酶。尽管该方法可行,但由于心房灌注不一致,可能导致心房肌细胞质量的差异。我们采用了一种“组织块”消化法来分离心房肌细胞,从而无需对心脏进行逆行灌注。该方法结合了酶消化与心房组织的机械解离,能够稳定且可靠地获得大量适用于膜片钳实验的心房肌细胞。尽管本文以心耳组织为例描述该方法,但研究者可根据需要将其应用于心房心肌的任何区域(如右心耳、左心耳、游离壁、后壁等)。该方法特别适用于转基因小鼠、心血管疾病小鼠模型中的心房肌细胞电生理研究,或用于研究药理学化合物的作用5,6,17,18,19。
所有动物实验均经卡尔加里大学动物护理与使用委员会批准,并遵循加拿大动物护理委员会的指南进行。下文所述的心房肌细胞分离、图像及代表性结果均来自一只15周龄的雄性野生型C57Bl/6小鼠。我们常规使用该方案从野生型小鼠17,18、携带基因突变的小鼠19,20以及慢性高血压等疾病模型小鼠6,14中分离心房肌细胞。该方案同样适用于雄性和雌性小鼠。我们还采用过该分离方法的类似版本,用于从小鼠心脏中分离窦房结肌细胞17,21,22,23。本实验方案的流程图见图1。
1. 储备液和设备的准备
2. 心房肌细胞分离所需溶液的配制及分离装置的准备
3. 小鼠心耳的解剖
4. 心房肌细胞的分离
注意:本节所有步骤均在 35 °C 下进行,将离心管浸入 35 °C 水浴中。在圆底试管之间转移组织条时需小心,确保仅转移组织本身(而非溶液)至下一试管中。
采用本方案分离的心房肌细胞可用于通过膜片钳技术表征这些细胞的电生理特性。可将KB溶液中的心房肌细胞等分试样加入标准膜片钳装置的记录室,并用适合实验人员所需记录类型的溶液进行灌流。采用本方案分离的心房肌细胞最适合在分离后6-7小时内用于电生理研究。以下展示了本实验室的代表性膜片钳数据。
图4展示了使用上述方案制备的正常小鼠心房肌细胞分离示例。分离的心房肌细胞通常长约100 µm,宽约10 µm,具有清晰的横纹。分离心房肌细胞的电容通常为40–70 pF。
图5A 展示了使用穿孔膜片钳技术在电流钳模式下记录心房肌细胞动作电位(AP)的一个示例,该方法我们此前已有描述6,19,20。典型心房肌细胞AP参数的汇总数据见表6。具体而言,我们提供了静息膜电位(RMP)、最大上升速率(Vmax)、超射值(OS)以及复极化50%(APD50)、70%(APD70)和90%(APD90)时的动作电位持续时间的测量汇总数据(表6)。动作电位也可在全细胞记录构型下进行记录14。用于记录动作电位的灌流液和移液管液成分分别列于表7和表8。
图5B 展示了一类典型的 Na+ 电流(INa) 采用膜片钳技术的全细胞构型记录。这些电流的记录采用从-120 mV钳制电位出发,施加持续50 ms、范围从-100 mV至+10 mV的电压阶跃。我们已描述了记录INa 此前6,14,20. 摘要 INa IV 关系也已呈现于 图5B用于记录 I 的溶液Na 呈现在 表7 和 表8.
图 5C 展示了一类典型的Ca2+ 电流(ICa,L) 采用膜片钳全细胞构型记录。这些电流的记录采用从-70 mV的钳制电位出发,以250 ms的电压钳阶跃在-60至+80 mV范围内进行。可用于测量ICa,L 此前已有描述17,18,20. 摘要 ICa,L IV 关系也已呈现于 图 5C用于记录 I 的溶液Ca,L 可获取 表7 和 表8.
图5D 展示了一类典型的 K 家族+ 电流(IK在全细胞膜片钳技术构型下记录的电流。这些电流的记录采用我们此前描述过的方法,从-80 mV的保持电位出发,施加持续500 ms、范围从-120 mV至+80 mV的电压钳制阶跃。6,14总I的汇总IV关系K 也在此展示 图5D用于记录 I 的溶液K 可获取 表7 和 表8.
采用这些方法记录动作电位以及主要的离子电流家族,包括 Na+、Ca2+ 和 K+ 电流(如上图所示),可使研究人员在多种实验条件下严格探究心房肌细胞的电生理特性。本实验室 routinely 采用这些技术研究正常小鼠、心脏病小鼠模型以及基因修饰小鼠中心房肌细胞的电生理特性6,14,17,18,19,20。

图1:心房肌细胞分离方案流程图。 本方案用于分离心房肌细胞的各步骤概要。请点击此处查看此图的放大版本。

图2:心房肌细胞分离的实验装置与解剖工具。(A)小口径火焰抛光移液管(左),开口直径为1 mm,用于解剖后组织的转移;中等口径火焰抛光移液管(中),开口直径为3 mm,用于分离过程中组织条的转移;大口径火焰抛光移液管(右),开口直径为5 mm,用于消化后心房组织的吹打分散。(B)心房肌细胞分离的实验装置。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:心耳解剖图像。(A)将切除的心耳打开并固定后拍摄的代表性明场图像。(B)将心耳切割成宽度约为0.7 mm的组织条后的代表性明场图像。比例尺 = 1 mm。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:分离的心房肌细胞图像。(A)分离后立即拍摄的心房肌细胞明场图像。比例尺 = 50 μm。(B)单个分离心房肌细胞的明场图像。比例尺 = 100 μm。请点击此处查看该图的放大版本。

图5:从分离的心房肌细胞获得的代表性膜片钳数据。(A)来自单个分离心房肌细胞的动作电位(AP)刺激记录。AP参数的汇总见表6。向移液管溶液中加入两性霉素B(200 μg/mL)以通透细胞膜。(B)来自单个分离心房肌细胞的代表性INa记录(左)及其汇总的INa电流-电压(IV)曲线(右)。记录INa时,在改良Tyrode溶液中加入硝苯地平(10 μM)以阻断ICa,L。(C)来自单个分离心房肌细胞的代表性ICa,L记录(左)及其汇总的ICa,L IV曲线(右)。(D)来自单个分离心房肌细胞的代表性IK记录(左)及其汇总的IK IV曲线(右)。用于记录上述各电流的溶液列于表7和表8中。汇总IV曲线数据来自一只15周龄雄性野生型C57Bl/6小鼠分离的10个心房肌细胞的平均测量值。请点击此处查看本图的放大版本。
| 储存用 Tyrode's 溶液 pH 6.9 | 储存用 Tyrode's 溶液 pH 7.4 | |
| 化学成分 | 单位:mM | 单位:mM |
| NaCl | 140 | 140 |
| KCl | 5.4 | 5.4 |
| KH2PO4 | 1.2 | 1.2 |
| HEPES | 5 | 5 |
| 终体积 | 500 mL | 1 L |
| 用 NaOH 调至最终 pH | 6.9 | 7.4 |
表1:储存用Tyrode’s溶液(pH 7.4)和储存用Tyrode’s溶液(pH 6.9)。 可预先配制并储存于4 °C、最长可保存2个月的储存用Tyrode’s溶液(pH 7.4和pH 6.9)的组成成分。
| 化学物质 | 浓度(mM) |
| K-glutamate | 100 |
| K-aspartate | 10 |
| KCl | 25 |
| KH2PO4 | 10 |
| MgSO4 | 2 |
| Taurine | 20 |
| Creatine | 5 |
| EGTA | 0.5 |
| Glucose | 20 |
| HEPES | 5 |
| BSA | 0.10% |
| 终体积 | 1 L |
| 用 KOH 调节至最终 pH | 7.2 |
表2:改良KB溶液。 改良KB溶液的配制方法,可预先配制,分装后于-20 °C保存,最多可保存2个月。
| 化学物质 | 用量 |
| 葡萄糖 | 5.55 mM |
| MgCl2 | 1 mM |
| CaCl2 | 1.8 mM |
| 储存液 Tyrode's 溶液,pH 7.4 | 50 mL |
| 肝素 | 250 μL |
表3:含葡萄糖、镁、钙和肝素的改良Tyrode’s溶液(pH 7.4)。用于心房组织解剖的改良Tyrode’s溶液(pH 7.4)的组成。该溶液应现配现用,并在使用前置于35 °C水浴中保温。
| 化学物质 | 用量 |
| 葡萄糖 | 18.5 mM |
| 牛磺酸 | 49.96 mM |
| BSA | 15 mg |
| CaCl2 | 0.066 mM |
| Stock Tyrode's pH 6.9 | 15 mL |
表4:含葡萄糖、牛磺酸、BSA 和低钙的改良 Tyrode's 溶液(pH 6.9)。用于心房肌细胞分离的改良 Tyrode's 溶液(pH 6.9)的成分。该溶液应现配现用,并在使用前置于 35 °C 水浴中保温。
| 化学物质 | 用量 |
| 胶原酶 | 1,064 U |
| 弹性蛋白酶 | 9 U |
| 蛋白酶溶液 | 65.2 μL |
| 改良Tyrode's液,pH 6.9 | 5 mL |
表5:酶解溶液。用于酶解消化心房组织条的酶解溶液成分。该溶液应现配现用,并在使用前置于35 °C水浴中保温。
| 参数 | 平均值 |
| RMP (mV) | -74.2 ± 0.7 |
| Vmax (V/s) | 144.6 ± 5.8 |
| OS (mV) | 71.9 ± 3.0 |
| APD50 (ms) | 11.1 ± 1.7 |
| APD70 (ms) | 23.0 ± 4.6 |
| APD90 (ms) | 54.7 ± 7.8 |
表6:分离的心房肌细胞动作电位参数汇总。 数据以均值 ± 标准误表示,n = 10,来源于一只15周龄雄性野生型C57Bl/6小鼠的心房肌细胞。
| 钾电流与动作电位 | 钠电流 | 钙电流 | |
| 化学物质 | 单位:mM | 单位:mM | 单位:mM |
| NaCl | 140 | 5 | |
| KCl | 5.4 | ||
| MgCl2 | 1 | 1 | 1 |
| CaCl2 | 1 | 1 | 2 |
| HEPES | 10 | 10 | 10 |
| Glucose | 5.5 | 5.5 | 5.5 |
| CsCl | 130 | ||
| TEA-Cl | 5.4 | 145.5 | |
| pH | 用 NaOH 调至 7.4 | 用 CsOH 调至 7.4 | 用 CsOH 调至 7.4 |
表7:膜片钳实验中使用的台氏液成分。 用于记录分离心房肌细胞动作电位(APs)、钠电流(INa)、L型钙电流(ICa,L)和钾电流(IK)的台氏液成分。
| 钾电流与动作电位 | 钠电流 | 钙电流 | |
| 化学成分 | 单位为 mM | 单位为 mM | 单位为 mM |
| NaCl | 5 | 5 | 5 |
| KCl | 140 | ||
| MgCl2 | 1 | 1 | 1 |
| CaCl2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
| HEPES | 10 | 10 | 10 |
| EGTA | 5 | 5 | |
| Mg-ATP | 4 | 5 | 4 |
| Na-GTP | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| Na-phosphocreatine | 6.6 | 6.6 | |
| CsCl | 130 | 135 | |
| BAPTA | 5 | ||
| pH | 7.2(用 KOH 调节) | 7.2(用 CsOH 调节) | 7.2(用 CsOH 调节) |
表8:膜片钳实验中使用的细胞内电极内液成分。 用于记录分离的心房肌细胞动作电位、INa、ICa,L 和 IK 的电极填充液成分。
本实验室常规使用该方案分离小鼠心房肌细胞,用于膜片钳实验,以研究不同类型的心血管疾病、基因突变或药理化合物对心房肌细胞电生理特性的影响。尽管该方法具有高度可重复性,但从分离的心房肌细胞获得的数据质量仍取决于分离过程的质量。此外,在心房肌细胞分离后重新引入钙离子会导致部分细胞因钙超载悖论而死亡16。因此,采用此方法分离出具有活性且高质量的心房肌细胞需要在分离过程的多个环节进行实践和优化。一旦优化完成,采用该方法分离的全部心房肌细胞中,估计有70–90%既具备钙耐受性,又呈杆状形态。下文将讨论需要最多实践和优化的关键步骤。
解剖的速度和效率将直接影响分离细胞的质量。应留出足够时间,确保完全去除心房组织中的血液,并将组织切成大小相近的条状。切除心耳、将组织切成条状并转移至第一管pH 6.9的改良Tyrode液的过程应耗时约5分钟。然而,若此步骤耗时过长,组织质量可能受到影响。
在同一组织分离过程内以及不同心脏之间,将组织条切割成均匀的大小也非常重要。如果组织条过大或过小,或在同一分离过程中大小不一,则可能在酶消化和吹打过程中引发问题。这是因为较小的组织条会被更彻底地消化,而较大的组织条则消化不足。同时,还必须考虑所研究的基因型和疾病状态,因为不同动物之间的耳廓状心房 appendage 大小可能存在差异。例如,肥厚性心脏的心房耳状突较健康心脏更大,因此与正常大小的心脏相比,实验者可在肥厚性心脏中切割出更多的组织条。因此,优化切割后组织条的尺寸,并将这些尺寸标准一致地应用于每个个体的心房耳状突,将显著提高不同实验条件下心肌细胞分离的可重复性。
酶消化与机械解离之间的精细平衡是采用本方案成功分离心房肌细胞的关键。若在酶消化过程中组织未能充分涡旋震荡,则组织解离效果将受到影响。 消化过程中,单个组织条容易发生聚集和粘连,这会限制酶消化的效果。若振荡过于频繁或剧烈,可能损伤心房组织,导致分离出的细胞不可存活。在吹打过程中,从组织条中机械分离心房肌细胞是该方法分离心房肌细胞最关键的步骤,需要反复练习并优化。若吹打过于轻柔,细胞得率会较低;反之,若吹打过于剧烈,则会分离出大量不可存活的肌细胞,从而影响膜片钳实验所获数据的质量。此外,心房组织的组成也可能影响细胞分离效果。例如,若组织存在纤维化,可能需要对酶消化和吹打步骤进行调整。因此,有必要投入时间掌握吹打技术,以获得适用于膜片钳实验的高质量细胞。
与所有实验技术一样,该技术也存在局限性。该方法需要经过练习,才能可重复地分离出具有活性且高质量的心肌细胞,而细胞质量将直接影响后续使用这些细胞所开展实验的可行性。此外,该方法属于终末性操作,通过此方法分离得到的心房心肌细胞仅能在分离当天使用。本实验室通常在细胞分离后的6-7小时内使用这些细胞。
分离心房心肌细胞的这一方法具有多种应用。例如,该方法可经修改后用于从其他物种(包括人心房组织活检样本)中分离心房肌细胞(以及心脏成纤维细胞)。此外,与心脏逆行灌流法相比,采用这种组织块法分离心房肌细胞的一个优势在于,该方法可进一步调整以分离心脏其他区域的心肌细胞,例如窦房结或心房心肌的其他特定区域,甚至涵盖整个房室以上区域。本实验室利用心房心肌细胞进行膜片钳实验,以记录动作电位和离子电流,但该方法的应用并不局限于这一技术。例如,分离的肌细胞可用于在多种实验条件下研究钙瞬变和收缩力的变化。心房心肌细胞还可用于免疫荧光研究,以检测特定蛋白质或结构的定位。因此,该方法具有高度的灵活性和广泛的应用前景。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究获得了加拿大卫生研究院(MOP 93718,142486)和加拿大心脏与中风基金会向 R.A. Rose 提供的运营资助。 H.J. Jansen 获得了基拉姆博士后奖学金。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1,2-双(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N',N'-四乙酸 98% | Sigma | A4926-1G | |
| 腺苷-5'-三磷酸二钠盐水合物 BioXtra, > 99%,源自微生物 | Sigma | A7699-1G | |
| 腺苷-5'-三磷酸镁盐 > 95%,细菌 | Sigma | A9187-1G | |
| 来自链霉菌的两性霉素B ~80%(HPLC),粉末 | Sigma | A4888-500 MG | |
| 牛血清白蛋白 | Sigma | A3059-50G | |
| 氯化钙二水合物 | Sigma | 223506-500G | |
| 氯化铯 ReagentPlus, 99.9% | Sigma | 289329-100G | |
| 一水合氢氧化铯 > 99.5% 痕量金属基准 | Sigma | 562505-1KG | |
| 胶原酶 II | 沃辛顿生化公司 | LS004176 | |
| 无水肌酸 | Sigma | C0780 | |
| D-(+)-葡萄糖 | Sigma | G7021-1KG | |
| DL-天冬氨酸钾盐 | Sigma | A2025-100G | |
| 弹性蛋白酶悬浮液 | 沃辛顿生化公司 | LS002279 | |
| 乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸 >97.0% | Sigma | E4378-25G | |
| 鸟苷-5'-三磷酸钠盐水合物 > 95%(HPLC),粉末 | Sigma | G8877-250MG | |
| 肝素 10 000 USP U/10 mL | 山德士 | 10750 | |
| HEPES > 99.5%(滴定) | Sigma | H3375-500G | |
| L-谷氨酸钾盐一水合物 > 99%(HPLC),粉末 | Sigma | G1501-500G | |
| 硫酸镁 | Sigma | M2643-500G | |
| 硝苯地平 > 98%(HPLC),粉末 | Sigma | N7634-1G | |
| 磷酸肌酸二钠盐水合物(酶法),约98% | Sigma | P7936-5G | |
| 氯化钾 ACS 级试剂,99.0-100.5% | Sigma | P3911-500G | |
| 氢氧化钾 | EM Science | PX1480-1 | |
| 磷酸二氢钾 | EMD | PX1565-1 | |
| 灰链霉菌蛋白酶,XIV 型 >3.5 单位/毫克 固体,粉末 | Sigma | P5147-1G | |
| 氯化钠 ACS 级试剂, > 99.0% | Sigma | S9888-2.5KG | |
| 氢氧化钠,颗粒,97+%,ACS试剂 | Sigma | 221465-500G | |
| Sylgard 184 硅胶弹性体试剂盒 | World Precision Instruments Inc | SYLG184 | |
| 牛磺酸 | Sigma | T0625-100G | |
| 氯化四乙铵 > 98%(滴定) | Sigma | T2265-100G |