形成正确的肌节网络对于诱导多能干细胞来源的心肌细胞的成熟至关重要。我们提出了一种基于超分辨率成像的方法,可对干细胞来源心肌细胞的结构成熟度进行定量评估,从而优化促进心脏发育的培养条件。
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形成正确的肌节网络对于诱导多能干细胞来源的心肌细胞的成熟至关重要。我们提出了一种基于超分辨率成像的方法,可对干细胞来源心肌细胞的结构成熟度进行定量评估,从而优化促进心脏发育的培养条件。
iPSC来源的心肌细胞成熟度是其在再生治疗、药物筛选和疾病建模中应用的关键问题。尽管已开发出多种分化方案,但获得具有成人心肌细胞表型特征的iPSC心肌细胞仍具挑战性。心肌细胞成熟的一个重要方面是形成高度有序的肌节网络,以确保强大的收缩能力。本文介绍了一种基于超分辨率显微技术的半定量分析方法,用于评估心肌细胞中α-肌动蛋白素网络的结构。通过光激活定位显微技术,比较了iPSC来源的心肌细胞与新生儿组织分离的心肌细胞的肌节长度和Z盘厚度。同时,我们强调了采用合适成像条件以获得可靠数据的重要性。结果表明,该方法能够以高空间分辨率对心肌细胞的结构成熟度进行定量监测,从而检测到肌节组织中细微的结构变化。
心肌梗死或心肌病等心血管疾病(CVD)仍然是西方世界的主要死亡原因1。由于人类心脏的再生能力较弱,亟需开发促进心血管疾病恢复的新策略。这些策略包括细胞替代疗法,以补充丢失的心肌细胞(CM),以及开发新型抗心律失常药物,实现有效且安全的药物干预。研究表明,诱导性多能干细胞(iPSC)是一种极具前景的细胞来源,可用于在体外无限生成人类心肌细胞,适用于再生治疗、疾病建模以及药物筛选检测的开发2,3,4。
尽管目前已存在多种不同的心脏分化方案,但诱导多能干细胞(iPSC)来源的心肌细胞(CM)仍缺乏某些表型和功能特征,限制了其在体外和体内的应用5,6。除了电生理、代谢和分子层面的变化外,心脏成熟过程还涉及肌节的结构组织,而肌节是实现细胞收缩和产生收缩力的基本功能单位7。成年心肌细胞具有高度有序的收缩装置,而iPSC来源的心肌细胞通常表现出肌节纤维排列紊乱,导致收缩能力下降以及收缩动力学异常8,9。与具有单轴向收缩模式的成熟心肌细胞不同,未成熟心肌细胞中无序的结构会导致整个细胞呈径向收缩,或促进局部收缩点的出现9,10。
为了促进心肌细胞的成熟,已采用多种方法,包括三维细胞培养技术、电刺激和机械刺激,以及使用模拟体内环境的细胞外基质11,12,13。为了评估这些不同培养条件的效果与效率,需要借助技术手段来监测和估计诱导多能干细胞来源的心肌细胞(iPSC CM)结构成熟的程度,例如通过显微成像技术。与传统的共聚焦成像相比,光激活定位显微镜(PALM)的分辨率大约高出10倍。该技术因而能够实现更精确的分析,检测到细胞结构的细微变化14。鉴于PALM成像具有高分辨率,本方法的总体目标是通过对z-盘厚度和肌节长度的精确定量,显微评估由iPSC衍生的心肌细胞中肌节的成熟度。在既往研究中,这些结构特征已被证实是评估心脏成熟度的合适参数15。例如,缺乏全长dystrophin的疾病特异性iPSC-CM与野生型细胞相比,其肌节长度和z带宽度均减小16。同样,通过测量单个肌节的长度,可用来研究拓扑线索对心脏发育的影响16。因此,我们应用该方法,通过定量测定肌节长度和z-盘厚度,评估iPSC-CM中肌节网络的结构成熟程度。
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本方案中涉及新生小鼠和成年小鼠的所有步骤均遵循罗斯托克大学医学中心动物护理的伦理指南。
1. 诱导多能干细胞来源心肌细胞的培养与解离
2. 成年心肌细胞的分离
3. 新生儿心肌细胞的分离与培养
4. α-肌动蛋白网络的免疫荧光标记
注意:为获得最佳结果,细胞应培养在8孔玻璃底培养板中。标记操作应在成像前一天进行。
5. PALM 成像缓冲液的制备
注意:每次实验都必须 freshly 配制 PALM 成像缓冲液。
6. PALM 图像采集
7. PALM 数据的重建
8. 肌节肌丝的分析
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为了评估心肌细胞(CM)结构成熟的程度,首先使用α-肌动蛋白抗体对新生期、完全成熟的成年期以及诱导多能干细胞(iPSC)来源的心肌细胞进行标记,以可视化肌节网络。在完成PALM成像后,对图像进行重建,并利用基于插件的图像处理软件测量Z盘厚度,该软件可自动检测单个肌丝的宽度。通过测量两个相邻强度峰之间的距离(对应于相邻肌丝)来计算肌节长度。图1展示了诱导多能干细胞(iPSC)来源的心肌细胞中肌节结构的评估结果。
如图2A所示,iPSC-CM与新生心肌细胞表现出相似的α-肌动蛋白素分布模式,具有不规则且排列紊乱的肌节结构。同样,定量评估显示,α-肌动蛋白素纤维的长度和厚度几乎相同,表明iPSC-CM处于未成熟的发育状态。更准确地说,平均肌节长度约为1.83 µm(成年型 vs. iPSC-CM vs. 新生儿CM:1.91 ± 0.02、1.83 ± 0.049 µm vs. 1.82±0.03 µm,n=20个细胞),而Z盘厚度约为74 nm(成年型 vs. iPS...
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在体外生成具有功能的诱导多能干细胞来源的心肌细胞(iPSC-CM)对于再生治疗、疾病建模以及药物筛选平台的开发具有重要意义。然而,这些心肌细胞成熟度不足是心血管研究中的主要障碍20。在此背景下,亟需高分辨率成像技术,以实现对iPSC来源心肌细胞结构成熟状态的监测。同时,超分辨率显微镜可成为精确分析特定蛋白功能的有力工具,这些蛋白对于肌节的正常形成至关重要,近期针对肌联蛋白(titin)和肌钙蛋白(troponin)的研究已证实了这一点10,21,22。
在本实验方案中,我们介绍了一种基于光激活定位显微镜(PALM)的方法,通过分析α-肌动蛋白素肌节网络来定量评估诱导多能干细胞来源心肌细胞(iPSC CM)的结构成熟度。
与传统的光学显微镜相比,PALM 能够以约 20–50 nm23<...
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作者声明无利益冲突。
本研究由欧盟结构基金(ESF/14-BM-A55-0024/18)资助。此外,H.L. 得到罗斯托克大学医学中心 FORUN 项目(889001 和 889003)以及约瑟夫与凯特·克林茨基金会(T319/29737/2017)的支持。C.I.L. 得到罗斯托克大学医学中心临床科学家项目的支持。R.D. 得到德国研究基金会(DFG,DA1296/6-1)、DAMP 基金会、德国心脏基金会(F/01/12)以及联邦教育与研究部(BMBF,VIP+ 00240)的支持。
感谢 Madeleine Bartsch 在诱导多能干细胞培养和心肌分化方面的技术支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 人iPSC细胞系 | Takara | Y00325 | |
| µ-Slide 8孔玻璃底培养板 | ibidi | 80827 | |
| 0.5 ml离心管 | Eppendorf | 30121023 | |
| 牛血清白蛋白 | Sigma Aldrich | A906 | |
| 心肌细胞解离试剂盒 | Stem Cell Technologies | 05025 | |
| 过氧化氢酶 | Sigma Aldrich | C40-1G | |
| 环辛四烯 | Sigma Aldrich | 138924-1G | |
| 半胱胺 | Sigma Aldrich | 30070-10g | |
| 不含Ca²⁺和Mg²⁺的杜氏磷酸盐缓冲液 | Thermo Fisher | 14190169 | |
| F(ab')2-山羊抗小鼠IgG Alexa Fluor 647 | Thermo Fisher | A-21237 | |
| Fiji图像处理软件(Image J) | |||
| 葡萄糖 | Carl Roth | X997.2 | |
| 盐酸 | Sigma Aldrich | H1758 | |
| LSM 780 ELYRA PS.1系统 | Zeiss | ||
| 多聚甲醛 | Merck | 8187150100 | |
| 吡喃糖氧化酶 | Sigma Aldrich | P4234-250UN | |
| 肌节性α-肌动蛋白抗体 [EA-53] | Abcam | ab9465 | |
| 氯化钠 | Sigma Aldrich | S7653 | |
| 无菌水 | Carl Roth | 3255.1 | |
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | X100 | |
| Trizma碱 | Sigma Aldrich | T1503 | |
| β-巯基乙醇 | Sigma Aldrich | 63689 |
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