$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Duaal optisch meten van intracellulair Ca2+ en transmembraanpotentiaal (Vm) in het intacte Langendorff-geperfuseerde hart is een hoofdonderdeel geworden van onderzoeken in cardiale elektrofysiologie, inclusief mechanismen van aritmie en excitatie-contractiekoppeling1-4. Deze aanpak heeft ongekende kennis opgeleverd over normale en abnormale elektrofysiologie en, belangrijker nog, over de bidirectionele relatie tussen Vm en intracellulair Ca2+. Echter, optisch meten van intracellulair Ca2+ met hoog-affiniteit fluorescente indicatoren (zoals Rhod-2 en Fluo-4) rapporteert alleen over bulkveranderingen in intracellulair Ca2+ en is niet in staat om te onderscheiden of deze veranderingen te wijten zijn aan transmembraan Ca2+ flux, afgifte en heropname in intracellulaire opslagplaatsen, of in de meeste gevallen, een combinatie van beide. Verder hebben hoog-affiniteit Ca2+ indicatoren langzame on-off kinetics en rapporteren mogelijk niet nauwkeurig snelle veranderingen in Ca2+ concentratie5.
Elke actiepotentiaal veroorzaakt een stijging van intracellulair Ca2+, bekend als de intracellulair Ca2+ transitie (CaT). In het zoogdierhart is ongeveer 70 – 90% van de totale CaT te wijten aan afgifte van Ca2+ uit het sarcoplasmatisch reticulum (SR) via opening van ryanodine receptoren (RyRs)6. Binnen het SR is ongeveer de helft van de totale Ca2+ gebonden aan calsequestrin (CSQ) en andere intra-SR buffers7, die een belangrijke rol spelen in SR Ca2+ homeostase8,9. De hoeveelheid vrij SR Ca2+ bepaalt de drijvende kracht voor SR Ca2+ afgifte evenals het gating van RyR, en heeft daarom een significant effect op de intracellulair CaT. Verder kunnen veranderingen in SR Ca2+ afgifte of heropname, op hun beurt, Vm beïnvloeden via de elektrogene Na+-Ca2+ uitwisseling, wat aritmogene gevolgen kan hebben. Daarom, in aanvulling op de CaT, kan monitoring van vrij SR Ca2+ belangrijke inzichten bieden in contractiele en elektrofysiologische disfunctie.
In de afgelopen jaren hebben onderzoekers significante vooruitgang geboekt in het meten van SR Ca2+ in geïsoleerde cardiale myocyten en vanaf een enkele locatie op het intacte hart. Een van deze methoden vereist snelle pulsen van cafeïne om RyRs te openen en de SR Ca2+ inhoud wordt vervolgens afgeleid of berekend vanuit de onmiddellijke stijging van intracellulair Ca2+10. Een andere intrigerende aanpak gebruikt laag-affiniteit Ca2+ indicatoren, zoals Fluo-5N11 of Mag-Fluo412, die binden aan vrij SR Ca2+. Deze indicatoren hebben dissociatieconstanten (Kd) in het bereik van 10 – 400 μM en vertonen daarom minimale fluorescentie in het cytosol vergeleken met het SR lumen, waar de Ca2+ concentratie ([Ca2+]SR) in de millimolare reikwijdte is. Door gebruik van laag-affiniteit Ca2+ indicatoren zijn verschillende aspecten van SR Ca2+ cyclus onderzocht op het niveau van de geïsoleerde myocyte, inclusief fractionele SR Ca2+ afgifte en de mechanismen van Ca2+ alternans13,14. Echter, om de heterogene aard van SR Ca2+ cyclus in het intacte hart en de rol van SR Ca2+ in ruimtelijk distincte aritmische fenomenen volledig te begrijpen, zijn methoden voor beeldvorming van SR Ca2+ over het epicardiale oppervlak van het intacte hart vereist15.
Dit artikel beschrijft de methodologie voor duaal optisch meten van vrij SR Ca2+ en Vm in het intacte Langendorff-geperfuseerde konijnenhart met de laag-affiniteit Ca2+ indicator Fluo-5N. Naast het onthullen van SR Ca2+ kenmerken ruimtelijk over het epicardiale oppervlak van het hart, heeft deze aanpak het voordeel van gelijktijdige monitoring van Vm, wat onderzoek naar de bidirectionele relatie tussen Vm en SR Ca2+ mogelijk maakt.