過分極した 13C標識代謝物を連続灌流モードで単離灌流マウス心臓に投与するための実験セットアップについて説明します。専用の 13C-NMR取得アプローチにより、代謝酵素活性をリアルタイムで定量でき、マルチパラメトリック 31P-NMR分析により、組織のATP含有量とpHを測定できました。
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方法論記事
過分極した 13C標識代謝物を連続灌流モードで単離灌流マウス心臓に投与するための実験セットアップについて説明します。専用の 13C-NMR取得アプローチにより、代謝酵素活性をリアルタイムで定量でき、マルチパラメトリック 31P-NMR分析により、組織のATP含有量とpHを測定できました。
代謝は細胞生活における重要なプロセスの基礎です。生体組織における代謝ネットワークの機能を評価することは、疾患のメカニズムを理解し、治療法を設計するための重要な情報を提供します。この研究では、逆行性灌流マウス心臓の細胞内代謝活動をリアルタイムで研究するための手順と方法論について説明します。心臓は、心筋虚血を最小限に抑えるために心停止と併せてその場で単離され、核磁気共鳴(NMR)分光計内で灌流されました。分光計内および連続灌流下で、過分極[1-13 C]ピルビン酸を心臓に投与し、その後の過分極[1-13C]乳酸および[13C]重炭酸塩産生速度は、乳酸デヒドロゲナーゼおよびピルビン酸デヒドロゲナーゼ産生の速度をリアルタイムで決定するのに役立ちました。この過分極[1-13C]ピルビン酸の代謝活性は、生成物選択的飽和励起獲得法を用いて、モデルフリー方式でNMR分光法で定量されました。31名P分光法は、心臓エネルギーとpHを監視するために、過分極取得の間に適用されました。このシステムは、健康なマウスと病気のマウスの心臓の代謝活性を研究するのにユニークに有用です。
心臓代謝の変化は、さまざまな心筋症に関連しており、多くの場合、根底にある病態生理学的メカニズムの基礎を形成します1。しかし、ほとんどの生化学的アッセイでは組織の均質化と細胞溶解および/または放射性トレースが必要であるため、生体組織の代謝を研究するには多くの障害があります。したがって、生体組織における心筋代謝を調べるための新しいツールが急務となっています。過分極した 13C標識基質の磁気共鳴(MR)は、標識部位のMR信号対雑音比(SNR)を数桁3増加させることにより、電離放射線を使用せずに生体組織2の代謝のリアルタイム測定を可能にします。ここでは、単離されたマウス心臓の急速な代謝を研究するための実験セットアップ、獲得アプローチ、および分析アプローチについて説明し、並行して、一般的な組織エネルギーと酸性度の指標を提示します。心筋虚血、不適応肥大、心不全などの心臓病や状態の初期段階では酸塩基バランスが崩れるため、心臓のpHは貴重な指標です6。
過分極[1-13 C]ピルビン酸からの過分極[1-13C]乳酸および[13C]重炭酸塩の生産は、乳酸デヒドロゲナーゼ(LDH)およびピルビン酸デヒドロゲナーゼ(PDH)の産生速度を決定するのに役立ちます。単離されたげっ歯類の心臓で過分極基質を使用して行われた以前の研究のほとんどは、複雑な速度論モデルを使用してLDHとPDHの酵素活性を導き出すか、実際の酵素活性率を計算せずに過分極産物の基質に対するシグナル強度比を報告しました2,4,5,6,7,8,9,10、11,12,13,14。ここでは、モデルフリー様式での酵素活性のモニタリングを可能にする生成物選択的飽和励起アプローチ15、16を用いた。このようにして、絶対酵素速度(すなわち、単位時間当たりに生産される生成物のモル数)を決定した。31名P分光法を利用して、無機リン酸(Pi)、ホスホクレアチン(PCr)、およびアデノシン三リン酸(ATP)のシグナルを観察しました。マルチパラメトリック分析を使用して、組織のPi信号の不均一な化学シフトによって実証されるように、心臓のpH分布を特徴付けました。
逆行性灌流マウス心臓(Langendorff heart)17,18,19は、無傷の拍動心臓のex vivoモデルです。このモデルでは、心臓の生存率とpHは少なくとも80分間保存され20、長期の虚血性損傷後の回復の可能性を示しています21,22。それにもかかわらず、顕微手術中の不注意な変動は、心臓全体の組織生存率の変動につながる可能性があります。以前の研究では、この心臓の経時的な劣化が報告されています19。例えば、1時間当たり5%〜10%の収縮機能の低下が観察されている18。アデノシン三リン酸(ATP)シグナルは、心筋のエネルギー状態および生存率について報告することが以前に示されている23。ここでは、灌流された心臓は、ATP含有量によって示されるように、中断のない灌流と酸素供給があったにもかかわらず、生存率レベルに意図しない変動を示すことがあることに注意しました。ここでは、LDHおよびPDH率を心臓のATP含有量に正規化すると、これらの率の心臓間変動が減少することを示しています。
以下のプロトコルでは、NMR分光計での心臓カニュレーション、分離、およびその結果としての灌流に使用される外科的処置について説明します。注目すべきことに、マウス心臓を単離し灌流することを目的とした他の外科的アプローチは、24,25より前に記載されている。
鼓動する心臓の酵素速度(13 C分光法と過分極[1-13C]ピルビン酸を使用)および心臓の生存率と酸性度(31P NMR分光法を使用)に関連するデータを取得するために使用される方法論についても説明します。最後に、代謝酵素活性と組織の生存率と酸性度を決定するための分析方法論について説明します。
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ヘブライ大学とハダサ医療センターの合同倫理委員会(IACUC)は、動物福祉の研究プロトコル(MD-19-15827-1)を承認しました。
1. クレブス・ヘンゼライトバッファー調製
2.灌流システムの準備
3. 取得用NMR分光計の校正と準備
4.動物の準備、外科的処置、およびNMRチューブ内の心臓の灌流
5. 心臓エネルギーとpHのデータ取得
6. DNPスピンの偏極と溶解
7. 過分極 13°C分光法
8.組織の湿重量と体積の決定
9. ATP含有量の定量化
10.心臓のPi信号を解決する
注:組織のpHを評価するには、まず心臓のPi信号を総Pi信号(Pit)のPi信号からデコンボリューションする必要があります。これは、KHB Pi (PiKH) の信号をPi t の信号から省略することによって行われます。
式 1A
式 1B11. マルチパラメトリックpH分析
式 212. LDHおよびPDH活動の計算
注:過分極代謝物[1-13 C]乳酸および[13C]重炭酸塩の生成速度は、それぞれLDHおよびPDH活性を計算するために使用されます。生成物選択的飽和励起アプローチ15では、新たに合成された過分極代謝産物のみが各選択的励起によって検出される。
式 3
、[13 C]重炭酸塩の取得中に取得された[1-13C]ピルビン酸シグナルです。本明細書に記載の実験における平均Teffは、35.8秒±2.3秒(n=5ハート)であることが判明した。
式 4A
式 4B
、 は
、それぞれ各時点での[1-13 C]乳酸または[13 C]重炭酸塩の生成速度です。 は
、[1-13 C]ピルビン酸と生成物[1-13 C]乳酸または[13C]重炭酸塩の相対的励起を表す因子です。
これらの因子は、それぞれ0.113および0.139であると以前に決定された29。VpはNMRプローブ(1.375 mL)によって検出される体積であり、TRは2つの連続した生成物選択的飽和励起間の時間間隔(各生成物について12秒)
を示し、それぞれ[1-13 C]乳酸および[13 C]重炭酸塩のシグナルであり、[
1-13C]乳酸および[13 ]乳酸の間に取得された[1-13C]ピルビン酸のシグナルである。C]重炭酸塩励起、それぞれ。[Pyr]は[1-13C]ピルビン酸濃度であり、プラトー期には14mMであった。アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
KHBを灌流したマウス心臓およびバッファーのみから記録した 31Pスペクトルを 図1Aに示します。α、β、およびγ ATP、PCr、およびPiのシグナルが心臓で観察されました。Pi信号は2つの主要な成分で構成されていました:より高いフィールド(信号の左側)では、Pi信号は主にpH7.4のKHBによるものでした。下のフィールド(信号の右側)では、Pi信号はより酸性の環境のためにより広く、均質ではありませんでした。後者のパターンは心臓組織から生じる。心臓組織のPi信号は、KHBのPi信号を差し引いて抽出され(図1B)、ppmスケールからpHスケールに変換されます(図1C)。pHは、加重平均、加重中央値、グローバル最大値、および歪度を計算することにより、組織Pi信号のマルチパラメトリック分析を使用して調査されます(図1C)。
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分離されたマウス心臓モデルで過分極[1-13C]ピルビン酸代謝、組織エネルギー、およびpHを調査するように設計された実験セットアップを示します。
プロトコル内の重要なステップは次のとおりです:1)バッファーのpHが7.4であることを確認する。2)バッファのすべてのコンポーネントが含まれていることを確認する。3)ヘパリン注射による心臓血管内の血液凝固の回避;4)代謝活性を低下させることによって心臓への虚血性損傷を回避する(KCl注射および氷冷緩衝液);5)処置の任意の時点で心臓への気泡の導入を避ける。6)濃い赤から薄いピンクに変化する組織の色による大動脈のカニュレーションの成功を検証する。7)心臓が温かい緩衝液に移動した後、灌流が連続的であることを確認する。8)心臓の隣の分光器でNMRチューブ内の温度を注意深く監視し、37°Cに保ちます。9)測定中の磁場の均一性をチェックする。10)RFパルスの正確で更新されたキャリブレーションを使用します。
技術の変更とトラブルシューティング
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このプロジェクトは、助成金契約番号1379/18に基づいてイスラエル科学財団から資金提供を受けました。イスラエル科学技術省の応用工学科学省のジャボチンスキー奨学金は、D.S.の直接博士課程の学生番号3-15892です。助成金契約第858149号(AlternativesToGd)に基づく欧州連合のホライズン2020研究およびイノベーションプログラム。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Equipment | |||
| HyperSense DNP 偏光器 | Oxford Instruments | 52-ZNP91000 | HyperSense, 3.35 T, preclinical dissolution-DNP hyperpolarizer |
| NMR spectrometer | RS2D | NMR Cube、5.8 T、10 mm広帯域プローブ | |
| ペリスタルティックポンプを装備 | コールパー | マー07554-95 | |
| プローブ | Osensa | FTX-100-LUX + | NMR互換温度プローブ |
| Somnosuite低流量麻酔システム | ケントサイエンティフィック | ||
| <ストロング>ライン、チューブ、縫合糸 | |||
| プラチナ硬化シリコーンチューブコール | パー | マーHV-96119-16 | L / S 16 ID、3.1 mm |
| 薄いポリエーテルエーテルケトン(PEEK)ライン | チャーチサイエンティフィック | id.0.040 " | |
| 静脈カテーテル | BDの医学 | 381323 | 22 G |
| の絹の縫合 | Ethicon | W577H | 3-0 |
| Chemicalsおよびpharmaceuticals | |||
| [1-13C]ピルビン酸 | ケンブリッジ同位体研究所 | CLM-8077-1 | |
| カルシウム | ΣAldrich | 21074 | CAS:10043-52-4 |
| D-(+)-グルコース | Sigma-Aldrich | G7528 | CAS: 50-99-77 |
| ヘパリン | ナトリウム Rotexmedica | HEP5A0130C0160 | |
| 塩酸 37% | Sigma-Aldrich | 258148 | CAS: 7647-01-0 |
| インスリンアスパルト (NovoLog) | ノボ ノルディスク | ||
| イソフルラン | テレル | ||
| マグネシウム硫酸塩 | Sigma-Aldrich | 793612 | CAS:7487-88-9 |
| カリウム | Sigma-Aldrich | P4504 | CAS:7447-40-7 |
| リン酸カリウム一塩基性 | Sigma-Aldrich | P9791 | CAS:7778-77-0 |
| 重炭酸 | Gadotグループ | CAS:144-55-8 | |
| 塩化ナトリウム | Sigma-Aldrich | S9625 | CAS:7647-14-5 |
| ナトリウム水酸化物 | Sigma-Aldrich | 655104 | CAS:1310-73-2 |
| ナトリウム二塩基性 | Sigma-Aldrich | S7907 | CAS:7558-79-4 |
| ナトリウム一塩基性二水和物 | ク | 6345 | CAS:13472-35-0 |
| TRIS(バイオテクノロジーグレード) | Amresco | 0826 | CAS:77-86-1 |
| Trityl radical OX063 | GE Healthcare AS | NC100136 | OX063 |
| NMR標準試料 | |||
| 13C標準試料 | ケンブリッジ同位体研究所 | DLM-72A | 40%p-ジオキサン |
| 標準試料 | 自社 | 105 mM ATPおよび120 mM フェニルホスホン酸をD2O | |
| ソフトウェア | |||
| Excel 2016 | マイクロソフト | ||
| MNova | Mestrelab Research |
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