Kardiomyozyten liefern die kontraktile Kraft für das Herz. Jeder Myoket enthält organisierte zytoskelettale und kontraktile Elemente, die für die Kontraktion unerlässlich sind. Das Herz enthält nicht nur Kardiomyozyten, sondern auch Fibroblasten, Bindegewebe und modifizierte Myozyten wie Purkinje-Fasern. Veränderungen in einem oder allen dieser Zelltypen können bei Herzinsuffizienz beobachtet werden, was die Bestimmung der endgültigen Ursache der Herzfunktionsstörung erschwert. Der verminderten ventrikulären Kontraktilität eines versagenden Herzens geht ein unterschiedlich starker Aufbau von fibrösem Gewebe sowie eine Hypertrophie und Dysfunktion der Kardiomyozyten voraus1. Arrhythmien können durch Funktionsstörungen der leitenden Zellen2, Fibrose, die die Herzleitung unterbricht3, oder Veränderungen in der Expression von Ionenkanälen in Kardiomyozyten verursacht werden1,4. In der Tat existieren diese Probleme oft auf komplizierte Weise nebeneinander.
Das Isolieren und Untersuchen von Kardiomyozyten ermöglicht es, die kontraktile und elektrische Dysfunktion einzelner Myozyten im Kontext der allgemeinen Herzfunktion zu untersuchen. Techniken zur Isolierung einzelner Herzmyozyten wurden vor über 40 Jahren entwickelt, um die Physiologie dieser "Arbeitstier"-Zelle des Herzens besser zu untersuchen. Die Isolierungstechniken wurden verbessert, um die Ausbeute und Qualität der Zellen zu erhöhen, wobei die lebenswichtige Entwicklung der Koronarperfusion durch Kanülierung der Aorta erstmals 1970 durchgeführt wurde5. In diesem Artikel wird die Isolierung von Kardiomyozyten beschrieben, gefolgt von der Messung der Kontraktilität und der Kalziumtransienten mit Hilfe von ratiometrischer Fluoreszenz- und Zelldimensionierungssoftware. Sowohl in genetischen als auch in Umweltmodellen für Herzerkrankungen liefert die Verwendung dieses Protokolls wichtige Informationen über die Kontraktilität von Zellen, die sarkomerische Kontraktilität und Relaxation, Kalziumtransienten und Störungen des Zytoskeletts. Dieses System wird häufig verwendet, um die Wirkung von Medikamenten auf isolierte Kardiomyozyten zu testen6,7. Wir verwenden das System, um die Kontraktilität und die Kalziumtransienten von Kardiomyozyten zwischen Wildtyp-Mäusen und Mäusen mit einer Mutation, die zu einer dilatativen Kardiomyopathie führt, zu vergleichen.
Das Studium einzelner Herzmyozyten hat zahlreiche Vorteile gegenüber anderen häufig verwendeten Methoden zur Untersuchung der Herzanatomie und -physiologie. Die Echokardiographie und die Elektrokardiographie geben Aufschluss über die kontraktile Funktion und die elektrische Leitung des Herzens insgesamt. Keine dieser Methoden erklärt die Ursache oder Art der Funktionsstörung unterhalb des Niveaus des gesamten Organs. Die Messung der Kontraktilität einzelner Kardiomyozyten mit Hilfe von Kantendetektions- und Sarkomerlängenalgorithmen kann zeigen, dass Veränderungen in der kontraktilen Zelle des Herzens bei einer globalen Herzdysfunktion vorhanden sind. Die Messung von Kalziumtransienten zeigt den Einfluss von Änderungen des Ionenflusses auf zellulärer Ebene auf kontraktile Dysfunktionen oder Arrhythmien.
Zusätzlich zur Ergänzung ganzer Organstudien bietet dieses Protokoll Zellen, die leicht auf subzelluläre Komponenten gefärbt werden können. Es ist möglich, Veränderungen des Zytoskeletts durch Färben von Gewebeschnitten des gesamten Herzens zu sehen; Man ist jedoch nur in der Lage, einen Querschnitt von Zellen zu visualisieren. Ein ganzer Kardiomyzyt ist dicker als ein typischer Gewebeschnitt, und angesichts der Anordnung und Länge der Kardiomyozyten ist es schwierig, ganze Zellen in einem einzigen Schnitt zu sehen. Isolierte Kardiomyozyten können sofort fixiert und für eine Vielzahl von Zytoskelettelementen und Ionenkanälen gefärbt werden. Konfokale Bilder können in Z-Stapel der Zelle in voller Dicke kompiliert werden. Darüber hinaus ermöglicht die Färbung isolierter kardialer Myozyten die Färbung von Komponenten, die in Schnitten nicht sichtbar sind, wie z. B. die Membraneinstülpungen, die als T-Tubuli bekannt sind.
Es existieren kultivierte Zelllinien von Herzmyozyten, von denen einige ähnliche Transkriptionsprofile und phänotypische Merkmale wie Herzmyozyten aufweisen. Einige, wie z. B. die HL-1-Zelllinie, behalten sogar eine gewisse sarkomerische Organisation und rudimentäre kontraktile Fähigkeitbei 8. Trotz dieser Eigenschaften fehlen kultivierten Zellen die "Box-Car"-Form und die T-Tubulus-Struktur von Kardiomyozyten und sie haben eine weniger sarkomerische Organisation. Diese Komponenten sind essentiell für die Funktion von Kardiomyozyten in vivo. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von kultivierten Zellen eine genetische Manipulation, aber keine physiologische In-vivo-Manipulation. Isolierte Kardiomyozyten behalten ihre zelluläre Organisation lange genug bei, um untersucht zu werden, lassen sich aber immer noch leicht abbilden und sogar transduzieren9.
Isolierte Kardiomyozyten sind extrem vielseitig und bieten ein Substrat zur identischen Analyse von Zellen aus verschiedenen experimentellen Bedingungen. Die Isolierung und physiologische Analyse von Myozyten wurde von unzähligen Laboratorien für eine Vielzahl von Experimenten verwendet, einschließlich der Untersuchung der Wirkung von Medikamenten6,7 oder kleinen Molekülen10, Umweltstressoren11, Infektionen12, Krankheiten13 oder genetischen Mutationen14,15 auf die Kontraktilität und/oder Kalziumtransienten und der Untersuchung der Regulation der Kontraktilität und der Kalziumfreisetzung innerhalb eines Kardiomyozyten15-17. Bei der Anwendung eines dieser Stressoren könnten Veränderungen der Herzfunktion auf eine beliebige Kombination von Veränderungen in den Kardiomyozyten selbst und Veränderungen in der Umgebung des Herzens zurückzuführen sein, wie z. B. Narbenbildung, Veränderungen der Leitfähigkeit oder Veränderungen der extrazellulären Matrix. Dies ist ein ideales Protokoll zur Beantwortung von Forschungsfragen zur individuellen Myozytenstruktur und -funktion im Zusammenhang mit Herzinsuffizienz jeglicher Ursache.
Obwohl es unzählige Vorteile gegenüber anderen Techniken hat, ist die physiologische Analyse von isolierten Kardiomyozyten nicht für jede Forschungsfrage ideal. Die Isolierung ist ein terminales Verfahren, daher können Kardiomyozyten nur zu einem Zeitpunkt im Leben der Maus beurteilt werden. Dies kann teilweise durch Kohorten und das Opfern einzelner Mäuse im Verlauf der Krankheitsentwicklung oder durch das Beobachten der Maus überwunden werden, um festzustellen, ob sie vor der Isolierung eine klinisch signifikante Herzinsuffizienz hat. Obwohl dieses Protokoll feststellen kann, ob eine Kardiomyozyten-Dysfunktion aufgetreten ist, kann man ohne zusätzliche experimentelle Informationen nicht den Schluss ziehen, dass diese Dysfunktion die Ursache für Herzinsuffizienz ist. Es ist möglich, dass die Funktionsstörung der Kardiomyozyten selbst sekundär zu anderen Veränderungen im Herzen ist. Trotz dieser Herausforderungen bietet die Untersuchung von Kardiomyozyten wertvolle Informationen zur Bestimmung der Art der Funktionsstörung im Herzen, insbesondere in Kombination mit anderen Experimenten.
Das folgende Protokoll wurde von einem Protokoll übernommen, das von Dr. Chee Lim, Vanderbilt University, zur Verfügung gestellt wurde. Obwohl die Daten zur Kontraktilität und zum Kalziumfluss hochgradig reproduzierbar und nützlich sind, um Herzen mit genetischen oder umweltbedingten Manipulationen zu vergleichen, bleibt die Isolierung selbst ein technikabhängiges Protokoll, das optimiert werden muss. Die Minimierung der Zeit zwischen der Entnahme des Herzens aus der Maus und der Perfusion des Herzens durch Aortenkanülierung ist für eine qualitativ hochwertige Verdauung unerlässlich. Darüber hinaus können die Verdauungszeit und die Enzymkonzentration für Myozyten höchster Qualität optimiert werden. Die Schritte, die wahrscheinlich optimiert werden müssen, sowie Optimierungsvorschläge sind unten aufgeführt.