我们描述了一种从成年小鼠六种肌肉中获取经酶法解离的不同长度和类型的肌纤维的方案:其中三种肌肉已有报道(趾短屈肌、趾长伸肌、比目鱼肌),另外三种则是首次成功实现解离(拇长伸肌、腓骨长肌、第四趾腓骨肌)。
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我们描述了一种从成年小鼠六种肌肉中获取经酶法解离的不同长度和类型的肌纤维的方案:其中三种肌肉已有报道(趾短屈肌、趾长伸肌、比目鱼肌),另外三种则是首次成功实现解离(拇长伸肌、腓骨长肌、第四趾腓骨肌)。
通过酶解法分离小鼠肌肉获得的骨骼肌纤维是生理学实验的有用模型。然而,大多数研究集中于趾短屈肌(flexor digitorum brevis, FDB)的短纤维,这限制了有关肌纤维类型研究结果的适用范围,减少了可用的生物材料量,并阻碍了细胞生理现象与在其他肌肉中已获得的生化及动力学知识之间的清晰关联。
本文介绍了如何从六种具有不同纤维类型组成和长度的肌肉中获取完整的肌纤维。利用C57BL/6成年小鼠,我们展示了肌肉解剖和纤维分离的操作流程,并证明了所获得的肌纤维适用于Ca2+瞬变研究及其形态计量学表征。文中还提供了各肌肉的纤维类型组成。经分离后,所有肌肉均能获得完整且存活的肌纤维,这些纤维在超过24小时的时间内仍能快速收缩。趾短伸肌(FDB)产生短纤维(<1 mm),第四趾腓骨肌(PDQA)和腓骨长肌(PL)产生中等长度纤维(1–3 mm),而趾长伸肌(EDL)、拇长伸肌(EHL)和比目鱼肌则释放出长纤维(3–6 mm)。
使用快速染料 Mag-Fluo-4 记录时,PDQA、PL 和 EHL 肌纤维的 Ca2+ 瞬变表现出快速、窄幅的动力学特征,类似于已知对应于 IIX 型和 IIB 型纤维的形态学 II 型(MT-II)。这与这些肌肉中 II 型纤维比例超过 90% 的事实一致,相比之下,FDB 肌约为 80%,比目鱼肌约为 65%。在超越 FDB 肌的基础上,我们首次展示了多种肌肉的分离方法,所获得的肌纤维长度范围为 1 至 6 mm。这些肌纤维具有活性,并能产生快速的 Ca2+ 瞬变,表明 MT-II 特征可推广至来源于不同肌肉的 IIX 和 IIB 快肌纤维。这些结果提高了可用于成熟骨骼肌研究的模型系统的可获得性。
哺乳动物成熟的骨骼肌是一种多功能组织。它在很大程度上调控机体代谢,是产热的主要来源,其动力学特性使其在呼吸、身体节段运动或整体位移中发挥关键作用1,2,3。骨骼肌在多种疾病的病理生理过程中也具有重要意义,包括遗传性和慢性疾病,如肌病、肌营养不良和肌肉减少症,以及许多非肌肉系统的慢性疾病,例如心脑血管代谢性疾病3,4,5,6,7,8。
在健康与疾病背景下,对成熟骨骼肌结构和功能特性进行离体(ex vivo)研究主要依赖于两种实验模型:完整肌肉和分离的肌纤维。20世纪,研究人员利用多种小型物种的完整趾长伸肌(EDL)、比目鱼肌、胫骨前肌和腓肠肌作为关键模型,深入研究了运动单位、肌纤维类型以及收缩与舒张过程中的力学和动力学特性9,10,11,12,13,14,15,16。然而,随着细胞生物学研究技术的不断精细化,研究重点逐渐转向单根肌纤维。早期的开创性工作通过酶解法成功分离出大鼠完整的趾短屈肌(FDB)肌纤维,为后续的表征分析奠定了基础17,18,19。尽管FDB肌纤维也可通过手工解剖获得20,但小鼠肌肉酶解法具有操作简便、通量高的优势,加之其适用于多种实验方法,使得该模型在过去二十年中被广泛应用。
短腓骨长肌纤维适用于电生理学及其他生物物理研究、生化、代谢和药理学分析、电子显微镜和荧光显微镜实验、细胞生物学研究中的转染操作,或作为肌发生研究中干细胞的来源5,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32。然而,在肌肉实验中仅使用腓骨长肌纤维会限制涉及肌纤维类型的研究范围,并减少可用于某些方法学技术或从单个动物获取更多信息的生物材料量。这些局限性阻碍了将细胞生理现象与先前在不同完整肌肉(如趾长伸肌、比目鱼肌、腓骨肌)中开展的生化和动力学研究结果进行明确关联。
克服这些局限性,一些研究团队已成功分离出较长的趾长伸肌(EDL)和比目鱼肌24,33,34,35,36,37,38,39,40,为将该方法进一步拓展至其他相关肌肉打开了大门。然而,目前使用EDL和比目鱼肌纤维的研究仍较为少见,可能原因是缺乏获取完整纤维的详细方法学描述。本文中,我们详细描述了如何从六种肌肉中分离出不同长度和类型的肌纤维:其中三种肌肉已有报道(FDB、EDL和比目鱼肌),另外三种则是首次成功分离(拇长伸肌[EHL]、腓骨长肌[PL]和第四趾腓骨肌[PDQA])。本研究结果证实,酶解分离肌纤维模型适用于多种研究,并可与已发表的数据进行未来关联分析,从而进一步丰富了成熟骨骼肌研究可用的模型体系。
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所有实验程序均经安蒂奥基亚大学(UdeA)动物实验伦理委员会批准(2018年6月21日第104号会议纪要)st,2016年,以及4月15日的005th,2021),依据哥伦比亚政府颁布的1989年第84号法律和1993年第8430号决议,并按照相关要求进行和报告 动物研究:体内实验报告 (ARRIVE)指南41所有结果均来自健康的7-13周龄、体重20-26 g的C57BL/6雄性小鼠。 图1 展示了本研究的总体设计及实验步骤顺序。所有试剂、材料和设备的详细信息均列于下文 材料表.
1. 动物
2. 解剖
3. 肌纤维分离方案
4. 实验步骤
注意:分离的肌纤维用于估算肌浆钙离子(Ca2+)浓度、形态计量学测量以及肌球蛋白重链(MHC)表达研究。
(1)
(2)
(3)5. 统计分析与作图
注意:实验单位为肌纤维。
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单次收缩期间肌浆中的 Ca2+ 浓度
为了验证在分离的肌纤维样本中进行生理学实验的可行性,并扩展我们此前关于兴奋-收缩耦联(ECC)和肌纤维类型的研究结果,我们采集了来自所有肌肉的肌纤维中 Ca2+ 瞬变信号。首先,FDB(n = 5)和 EDL(n = 7)显示出被称为形态类型 II(MT-II)的 Ca2+ 动力学特征。这类信号快速且呈尖峰状,其上升时间(RT)约为 1 ms;其衰减相可用双指数函数拟合,其中第一组分(A1)占总振幅的 30% 以上,峰值 [Ca2+] 介于 15 至 30 µM 之间33,47 (图 3B)。这些结果被合并(n = 12)并列于表 1的第一列中,而比目鱼肌 Ca2+...
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为补充现有的成熟骨骼肌生物学研究模型,本文展示了对多种具有短、中、长肌纤维的小鼠肌肉进行成功酶解分离的方法。这些肌纤维可用于验证Ca²⁺诱导的MT-II动力学在不同纤维类型中的普适性2+ 骨骼肌中的瞬时变化。此外,对完整整块肌肉中的肌纤维类型进行了分类。鉴于FDB肌是生理学实验中最常用的肌肉,因此评估了分离后细胞悬液中所含肌纤维的类型。
用于肌肉生物学研究的一系列短、中、长完整肌纤维
解剖技术、酶解处理时间、所用酶的类型以及吹打程序是获得完整酶解分离纤维的关键步骤。解剖操作应尽可能迅速,以减少组织在缺氧状态下的暴露时间,同时避免不必要的牵拉。后一点对于比目鱼肌尤为重要,不得通过上提腓肠肌-比目鱼肌复合体的方式将其取出。此外,长时间的酶解处理(约3 h)20,48 研磨操作不当(例如操作粗暴或研究人员经验不足)会损伤细胞,这一点已在多个实验室中得到实证。推荐使用胶原酶2型,而非其他类型的胶原酶。研磨过...
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作者声明不存在利益冲突。
作者感谢乌dea的Robinson Ramírez教授在动物实验和部分照片方面提供的帮助,以及Carolina Palacios提供的技术支持。Kaika公司的Johan Pineda协助我们设置了彩色和荧光相机。昆士兰大学的Shyuan Ngo kindly对稿件进行了校对。本研究由CODI-UdeA资助(2020-34909,2020年2月22日)nd,2021年,以及2021-40170号文件,发布于3月31日st,2022年,SIU)以及哥伦比亚麦德林市安蒂奥基亚大学规划办公室(E01708-K 和 ES03180101)向 JCC 提供资助。资助方未参与数据收集与分析、稿件撰写或提交过程。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 试剂 | |||
| 无水乙醇 | Sigma Aldrich | 32221 | |
| 丙酮 | Merck | 179124 | |
| 丙烯酰胺 | Gibco BRL | 15512-015 | |
| 过硫酸铵 | Panreac | 141138.1610 | |
| 抗肌球蛋白I抗体 | Sigma Aldrich | M4276 | 一抗 |
| 抗肌球蛋白II抗体 | Sigma Aldrich | M8421 | 一抗 |
| 抗肌球蛋白IIA抗体 | American Type Culture Collection | SC-71 | 一抗。源自HB-277杂交瘤 |
| 抗肌球蛋白IIB抗体 | Developmental Studies Hybridoma Bank | BF-F3-c | 一抗 |
| 双丙烯酰胺 | AMRESCO | 0172 | |
| 牛血清白蛋白 | Thermo Scientific | B14 | |
| Bradford试剂 | Merck | 1.10306.0500 | |
| 溴酚蓝 | Carlo Erba | 428658 | |
| 碳酸钙 | Merck | 102066 | |
| 氯化钙(CaCl2) | Merck | 2389 | |
| 氯仿 | Sigma Aldrich | 319988 | |
| II型胶原酶 | Worthington | CLS-2/LS004176 | |
| Consul-Mount | Thermo Scientific | 9990440 | |
| 考马斯亮蓝R 250 | Merck | 112553 | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | Sigma Aldrich | D2650 | |
| 二硫苏糖醇(DTT) | AMRESCO | 0281 | |
| 乙二胺四乙酸(EDTA) | AMRESCO | 0322 | |
| 伊红Y | Sigma Aldrich | E4009 | |
| 甘油 | Panreac | 1423291211 | |
| 甘氨酸 | Panreac | 151340.1067 | |
| 山羊血清 | Sigma Aldrich | G9023 | |
| 苏木精 | Thermo Scientific | 6765015 | |
| HEPES | AMRESCO | 0511 | |
| Hoechst 33258 | Sigma Aldrich | 861405 | |
| 咪唑 | AMRESCO | M136 | |
| 异戊烷 | Sigma Aldrich | M32631 | |
| 层粘连蛋白 | Sigma Aldrich | L2020 | |
| Mag-Fluo-4, AM | Invitrogen | M14206 | 仅用DMSO配制。为避免纤维退化,无需且不应使用Pluronic酸。 |
| 巯基乙醇 | Applichem | A11080100 | |
| 甲醇 | Protokimica | MP10043 | |
| 小鼠 | 多个品系 | 多个品系 | 本研究仅使用C57BL/6小鼠。然而,一些初步结果表明,该方案对同龄同体重的Swiss Webster小鼠同样有效。 |
| Mowiol 4-88 | Sigma Aldrich | 81381 | |
| N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED) | Promega | V3161 | |
| N-苄基-对甲苯磺酰胺(BTS) | Tocris | 1870 | |
| 最佳切割温度化合物(OCT) | Thermo Scientific | 6769006 | |
| 二抗 | Thermo Scientific | A-11001 | 山羊抗小鼠IgG(H+L)交叉吸附二抗,Alexa Fluor 488标记 |
| 十二烷基硫酸钠 | Panreac | 1323631209 | |
| TRIS 0.5 M,pH 6.8 | AMRESCO | J832 | |
| 三(羟甲基)氨基甲烷 | AMRESCO | M151 | |
| 吐温X-100 | AMRESCO | M143 | |
| 材料 | |||
| 解剖皿 | 定制 | ||
| 带电载玻片 | Erie Scientific | 5951PLUS | |
| 实验浴槽 | Warner Instruments | RC-27NE2 | 带电场刺激功能的窄型浴槽,安装于PH-6加热平台 |
| 精细镊子 | World Precision Instruments | 500338, 500230 | |
| 精细剪刀 | World Precision Instruments | Vannas剪刀 501778 | |
| 玻璃巴斯德移液管 | 多个 | 火焰抛光尖端 | |
| 带盖玻璃小瓶 | 多个 | 容积2–3 mL | |
| 手术剪刀 | World Precision Instruments | 501223-G | |
| 设备 | |||
| 离心机 | Thermo Scientific | SL 8R | |
| 共聚焦显微镜 | Olympus | FV1000 | |
| 冷冻切片机 | Leica | CM1850 | |
| 数码相机 | Zeiss | Erc 5s 和 Axio 305 | Axio 305与Stemi 508体视显微镜联用,用于解剖过程中拍照;Erc 5s或Axio 208与Axio Observer A1显微镜联用,用于拍摄分离纤维及免疫荧光检测图像 |
| 数据采集器 | Molecular Devices | 1550A Digidata | |
| 电泳槽 | Bio Rad | Mini-Protean IV | |
| 倒置荧光显微镜 | Zeiss | Axio Observer A1 | 配备合适的光源、滤光片和物镜用于荧光成像 |
| 光电倍增管 | Horiba | R928管,Hamamatsu,安装于Horiba D104光度计 | 连接至荧光显微镜的侧端口 |
| 体视显微镜 | Zeiss | Stemi 508 | |
| 刺激器 | Grass Instruments | S6 | |
| 水浴锅 | Memmert | WNE-22 | |
| 二甲苯 | Sigma Aldrich | 808691 | |
| 软件 | |||
| 用于电泳分析的免费软件 | 肯塔基大学 | GelBandFitter v1.7 | http://www.gelbandfitter.org |
| 用于图像分析和形态测量的免费软件 | 美国国立卫生研究院 | ImageJ v1.54 | https://imagej.nih.gov/ij/index.html |
| 用于Ca2+信号采集与分析的授权软件 | Molecular Devices | pCLAMP v10.05 | https://www.moleculardevices.com |
| 用于统计分析和绘图的授权软件 | OriginLab | OriginPro 2019 | https://www.originlab.com/ |
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