本文展示了从小鼠脑实质小动脉中大量制备完整脑微血管内皮"管状结构"的方法,用于研究脑血流调节机制。此外,我们还阐述了该内皮细胞研究模型在荧光成像和电生理学检测中的实验优势,可应用于关键细胞信号通路的分析,包括细胞内[Ca2+]浓度变化和膜电位变化。
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本文展示了从小鼠脑实质小动脉中大量制备完整脑微血管内皮"管状结构"的方法,用于研究脑血流调节机制。此外,我们还阐述了该内皮细胞研究模型在荧光成像和电生理学检测中的实验优势,可应用于关键细胞信号通路的分析,包括细胞内[Ca2+]浓度变化和膜电位变化。
脑血流由血管阻力动脉及下游的实质小动脉输送。从动脉到小动脉,血管直径逐渐减小,血流的稳态血管阻力随之增加,最终小动脉将血液输送至毛细血管。由于小动脉体积较小且位于脑实质内,相较于表面的软脑膜动脉,其研究相对较少,研究结果的可重复性也较低。然而,小动脉内皮细胞的结构与功能对于慢性退行性疾病的生理机制和病因至关重要,亟需深入研究。特别是,新兴证据表明,内皮功能受损先于并加剧认知障碍和痴呆的发生。
在实质微循环中,内皮细胞K+通道功能是最强效的刺激因素,可精细调控血管舒张的传播,从而促进神经元活动区域的血流量增加。本文介绍了一种优化的方法,用于从小鼠脑实质小动脉中新鲜分离出完整且电耦合的内皮"管状结构"(直径约25 µm)。在生理条件(37 °C,pH 7.4)下固定小动脉内皮管状结构,有助于明确涵盖K+通道功能及其调控机制的实验变量,包括细胞内Ca2+动态变化、膜电位改变以及膜脂质调控。与大动脉内皮相比,该技术的显著优势在于能够更清晰地分辨细胞及细胞器(如线粒体)的形态尺寸,从而拓展了该技术的应用价值。终生维持健康的脑灌注依赖于实质小动脉中强大的内皮功能,直接将血流与脑内精确解剖区域的神经元和胶质细胞活动的能量供应相联系。因此,预期该方法将显著推动关于健康与疾病状态下脑血管生理学及神经科学领域的整体认知。
实质小动脉直接向全脑输送必需的氧气和营养物质1。这些具有高度血管活性的小动脉在与毛细血管连接的同时,会响应由毛细血管离子通道启动的逆行信号,这些通道可感知特定神经区域的代谢信号2。尽管脑实质历来是研究的主要焦点,但目前研究发现,内皮功能障碍在阐明多种脑血管疾病(如缺血性卒中、阿尔茨海默病)相关病理机制中发挥着重要作用,而这些疾病是痴呆的潜在基础3,4,5,6。内皮细胞对于脑组织的灌注至关重要,其功能与不同血管节段在遗传、结构和功能上的异质性密切相关7。由于软脑膜动脉相对较大、节段性血管阻力较高,并在向下方大脑皮层分配血流方面起关键作用,因此已被广泛研究8,9。因此,深入理解小动脉内皮的作用机制,有望促进对健康与疾病状态下脑血流调节机制的认识,并推动新型治疗方案的开发。
越来越多的证据表明,研究实质小动脉与不同信号通路及疾病之间的关系具有重要意义8,10。然而,目前这一研究方法仅局限于使用完整的加压小动脉11 和/或毛细血管-实质小动脉(CaPA)制备物12。由于技术上的困难,尚无研究对 freshly isolated(新鲜分离)、不含其他细胞类型及混杂因素的原代脑实质小动脉内皮细胞进行检测。本文在先前报道的软脑膜动脉内皮分离技术13 基础上加以改进,实现了对脑实质小动脉内皮(直径:~25 µm,长度:~250 µm)的可靠且可重复的分离。该技术有助于在细胞个体取向及其细胞网络中,实现对电耦合和化学耦合细胞的最佳分辨率观察。
重点关注的通路包括细胞内 Ca2+ ([Ca2+]i)信号传导及膜电位(Vm)14,15—对血管舒张至关重要16—使血液进入毛细血管,向活跃的实质细胞输送氧气和营养物质17这些制备方法可用于对离子通道(包括Ca)进行实时电生理记录2+-通透的,瞬时受体电位(TRP)和K+ 在接近生理条件下,对内皮细胞管内的细胞器进行通道分析和/或荧光成像。该技术适用于研究内皮细胞调控脑实质血流输送所涉及的生理细胞机制的科研人员。总体而言,该技术将有助于研究人员更深入地理解嵌入脑实质的小动脉中内皮信号通路的基本机制及其网络通信功能 解决与脑血管生理学和病理学相关的问题。
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实验人员应确保动物的指定使用及相关实验方案已获得机构动物护理和使用委员会(IACUC)的批准,并依照美国国家研究委员会(National Research Council)的规定执行 "实验动物护理和使用的指南" (8th 版本,2011)及ARRIVE指南。洛马林达大学和亚利桑那大学的动物照护与使用委员会(IACUC)已批准本手稿中用于C57BL/6N和 3xTg-AD 小鼠(雄性和雌性;年龄范围:2-30 个月)。参见 图1 作为从小鼠脑实质微动脉中 freshly 分离 arteriolar 内皮管并进行检测的概述。
1. 材料与仪器
注意:本实验方案所需的所有试剂和材料请参见材料表。此外,可根据需要查阅各供应商提供的说明书和网站信息。解剖操作台和实验装置的示意图此前已有报道13。
2. 溶液与药物
3. 小鼠脑部小动脉的解剖与分离
注意:所有这些解剖操作均需使用体视显微镜和锋利的显微解剖工具(例如尖头镊子、Vannas型解剖剪刀)对样本进行放大(最高可达50倍)。
4. 实质小动脉的消化及血管内皮管的制备
5. 利用小动脉内皮管检测细胞生理学特性
注意:分离并固定的微动脉内皮管可用于细胞内钙离子浓度[Ca2+]i动态和膜电位Vm的记录,分别采用光度测定法和锐电极电生理技术,如先前研究所示13(图4)。根据实验需求,可单独或同时测量[Ca2+]i和Vm13(图4)。然而,微动脉内皮管比动脉内皮更为脆弱,实验时间不应超过1小时。
6. 细胞成像
注意:固定在移动平台腔室中的内皮管也可用于在活体和固定条件下通过标准荧光或共聚焦显微镜进行显微成像19。针对受体和离子通道的不同抗体的免疫组织化学染色也可按先前所述方法进行20。
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该方案的演示如图所示 图1 伴小动脉解剖及内皮细胞管分离步骤 图2 和 图3,分别。在此,通过测量[Ca2+]i 和 Vm 使用Fura-2光度法和锋电位电极电生理学图4A) 在给予药理学试剂[2-甲基硫代二磷酸腺苷(MTA),一种强效的嘌呤能受体(P2YR)激动剂]后 37 °C. 加入MTA后(1 µM),[Ca2+]i 迅速增加(图4B)伴随超极化(图 4C)。这些测量结果反映了G蛋白偶联受体的激活状态q-蛋白偶联受体(P2YRs),随后激活小电导和中电导Ca2+激活的 K+ 通道(SKCa
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越来越多的证据表明,脑血管疾病、衰老和阿尔茨海默病之间存在密切关联,是当前痴呆症研究的热点话题4,8,14,21因此,显然对脑血管网络的研究将在健康领域产生广泛影响,同时需要在各种条件下持续进行深入探索 疾病。作为脑灌注中血管阻力的重要位点,实质小动脉在心血管疾病(CVD)病因学及发展中的普遍重要性已被强调了50多年。22.
然而,直到最近出现离体(ex vivo)研究方法,例如分离并加压的实质小动脉11和CaPA12制备技术,用于研究完整的实质小动脉及其组成细胞类型的科学检测工具才得到充分发展。脑血管生理学领域还将受益于同型细胞研究模型(平滑肌细胞、周细胞和...
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作者声明无利益冲突。
本研究获得了美国国立卫生研究院(R00AG047198)基金的资助 & R56AG062169 资助 EJB;R00HL140106 资助 PWP)以及阿尔茨海默病协会(AZRGD-21-805835 资助 PWP)。本内容仅由作者负责,不一定代表美国国立卫生研究院或阿尔茨海默病协会的官方观点。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 放大器 | Molecular Devices,美国加利福尼亚州森尼韦尔 | Axoclamp 2B &和 Axoclamp 900A | |
| 可听基线监测器 | Ampol US LLC,佛罗里达州萨拉索塔,美国 | BM-A-TM | |
| 浴槽冷却器(Isotemp 500LCU) | 赛默飞世尔科技 | 13874647 | |
| 硼硅酸盐玻璃毛细管(Pinning) | Warner Instruments | G150T-6 | |
| 硼硅酸盐玻璃毛细管(尖端电极) | Warner Instruments | GC100F-10 | |
| 硼硅酸盐玻璃毛细管(机械吹打) | 美国佛罗里达州萨拉索塔市世界精密仪器公司(World Precision Instruments, WPI) | 1B100-4 | |
| BSA:牛血清白蛋白 | Sigma | A7906 | |
| CaCl2:氯化钙 | Sigma | 223506 | |
| 胶原酶(H型混合物) | Sigma | C8051 | |
| 盖玻片 (2.4 × 5.0 厘米 | 赛默飞世尔科技 | 12-548-5M | |
| 数据采集数字化仪 | Molecular Devices,美国加利福尼亚州森尼韦尔 | Digidata 1550A | |
| 解剖皿(带活性炭硅胶底的玻璃培养皿) | 美国佛蒙特州圣奥尔本斯市 Living Systems Instrumentation 公司 | DD-90-S-BLK | |
| 二硫苏糖醇 | Sigma | D8255 | |
| DMSO:二甲基亚砜 | Sigma | D8418 | |
| 弹性蛋白酶(猪胰腺) | Sigma | E7885 | |
| 内质网示踪剂(ER-Tracker Red,BODIPY TR 格列本脲) | 赛默飞世尔科技 | E34250 | |
| 光纤光源 | 德国美因茨,肖特公司 && KL200,蔡司 | Fostec 8375 | |
| 流量控制阀 | Warner Instruments | FR-50 | |
| 荧光系统接口,ARC灯 &放大器和电源、超速开关和光电倍增管 | Molecular Devices,美国加利福尼亚州森尼韦尔 | IonOptix 系统 | |
| 镊子(细尖,锋利) | FST | Dumont #5 & Dumont #55 | |
| 函数发生器 | EZ Digital,韩国首尔 | FG-8002 | |
| Fura-2 AM 染料 | 美国加利福尼亚州卡尔斯巴德,Invitrogen | F14185 | |
| 葡萄糖 | Sigma-Aldrich(美国密苏里州圣路易斯) | G7021 | |
| HCl:盐酸 | 赛默飞世尔科技公司(美国宾夕法尼亚州匹兹堡) | A466250 | |
| 前置放大器 | Molecular Devices | HS-2A & HS-9A | |
| HEPES:(4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸) | Sigma | H4034 | |
| 在线溶液加热器 | Warner Instruments | SH-27B | |
| KCl:氯化钾 | Sigma | P9541 | |
| MgCl2:氯化镁 | Sigma | M2670 | |
| 显微操作仪 | Narishige,美国纽约州东草地 | MF-900 | |
| 显微操作仪 | 锡斯基尤 | MX10 | |
| 数字微量移液器拉制仪 | Sutter Instruments,诺瓦托,加利福尼亚州,美国 | P-97 或 P-1000 | |
| 显微镜(Nikon 倒置) | 尼康仪器公司,美国纽约州梅尔维尔 | Ts2 | |
| 显微镜(Nikon 倒置) | 尼康仪器公司 | Eclipse TS100 | |
| 显微镜物镜 | 尼康仪器公司 | 20倍(S-Fluor)和40倍(Plan Fluor) | |
| 显微镜平台(阳极氧化铝;直径,7.8 cm | Warner Instruments | PM6 或 PH6 | |
| 显微镜载物台(铝制) | 美国俄勒冈州格兰茨帕斯,西斯基尤 | 8090P | |
| 显微注射泵控制器 | 美国佛罗里达州萨拉索塔市世界精密仪器公司(World Precision Instruments, WPI) | SYS-MICRO4 | |
| MTA:2-甲基硫代腺苷二磷酸三钠盐 | Tocris | 1624 | |
| NaCl:氯化钠 | Sigma | S7653 | |
| NaOH:氢氧化钠 | Sigma | S8045 | |
| 核染料(NucBlue Live ReadyProbes 试剂;Hoechst 33342) | 赛默飞世尔科技 | R37605 | |
| 示波器 | Tektronix,美国俄勒冈州比弗顿 | TDS 2024B | |
| 木瓜蛋白酶 | Sigma | P4762 | |
| 相差物镜 | 尼康仪器公司 | (Ph1 DL;10X && 20X) | |
| 细胞膜染料(CellMask Deep Red) | 赛默飞世尔科技 | C10046 | |
| Plexiglas 灌流室 | 美国康涅狄格州卡姆登,华纳仪器公司 | RC-27 | |
| 剪刀(3 mm &和 7 mm 刀片) | Fine Science Tools(或 FST),美国加利福尼亚州福斯特城 | Moria MC52 & 15000-00 | |
| 剪刀(Vannas 型;9.5 毫米 &和 3 毫米刀片 | World Precision Instruments | 555640S, 14364 | |
| 体视显微镜 | 蔡司,纽约,美国 | Stemi 2000 & 2000-C | |
| 注射器滤器(0.22 µm) | 赛默飞世尔科技 | 722-2520 | |
| 双通道温度控制器 | 华纳仪器 | TC-344B 或 C | |
| 阀门控制系统 | Warner Instruments | VC-6 | |
| 减振台 | 美国马萨诸塞州皮博迪,技术制造公司 | 微重力 |
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