Dit protocol evalueert de beschermende rol van klotho-overexpressie in H9C2-cardiomyocyten onder hypoxie-reoxygenatie met behulp van moleculaire en functionele assays.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Onderzoeksartikel
Dit protocol evalueert de beschermende rol van klotho-overexpressie in H9C2-cardiomyocyten onder hypoxie-reoxygenatie met behulp van moleculaire en functionele assays.
Deze studie had als doel de beschermende rol van klotho te onderzoeken bij cardiomyocyten die zijn blootgesteld aan hypoxie/reoxygenatie (H/R) letsel. Een in vitro H/R-model werd ontwikkeld met H9C2 rattencardiomyoblasten, die werden getransfecteerd met klotho-overexpresserende lentivirale vectoren. Cellen werden verdeeld in zes experimentele groepen: controlegroep, H/R, negatieve controle (NC), klotho-overexpressie, PDTC (een NF-κB-remmer) en een combinatiegroep behandeld met klotho en lipopolysaccharide (LPS). De expressieniveaus van Klotho werden bepaald door kwantitatieve realtime PCR en western blotting. De cellevensvatbaarheid werd gemeten via de MTT-assay, terwijl apoptose werd beoordeeld met flowcytometrie. De expressie van eiwitten die betrokken zijn bij de NF-κB-signaalroute werd geanalyseerd met western blotting, en de cellulaire expressie van pro-inflammatoire cytokines werd geëvalueerd via immunofluorescentiekleuring. Klotho-overexpressie verhoogde de klotho-niveaus in H9C2-cellen significant en leidde tot verbeterde cellevensvatbaarheid, verminderde apoptose en verminderde cellulaire expressie van pro-inflammatoire cytokines vergeleken met de H/R-groep. Western blot-analyse toonde aan dat klotho-overexpressie, evenals PDTC-behandeling, de activatie van de NF-κB-route onderdrukte, wat blijkt uit een verlaagde p-P65/P65-verhouding en verhoogde p-IκBα/IκBα-niveaus. Deze effecten werden gedeeltelijk omgekeerd na co-behandeling met LPS. Deze resultaten suggereren dat klotho cardiobescherming biedt tegen door H/R-geïnduceerde schade door de NF-κB-signaaloverdracht te moduleren, ontstekingen te verminderen en celoverleving te bevorderen. Dit protocol biedt een reproduceerbare methode om de moleculaire mechanismen ten grondslag van myocardiecochemie-reperfusieschade en het therapeutische potentieel van klotho bij hartontsteking te bestuderen.
Acuut myocardinfarct (AMI) wordt voornamelijk veroorzaakt door ischemie gevolgd door reperfusie, wat heeft geleid tot uitgebreid onderzoek naar de mechanismen van myocardhypoxie/reoxygenatie (H/R) letsel 1,2,3. Een cruciaal aspect van myocard-H/R-letsel is celapoptose, wat aanzienlijk bijdraagt aan de pathologische progressie van AMI 4,5.
Recente studies hebben de nucleaire factor kappa B (NF-κB) signaalweg in verband gebracht met myocardiale H/R-schade door de modulatie van ontstekingsreacties op prikkels zoals lipopolysaccharide (LPS)6,7,8. Activatie van NF-κB vindt plaats via twee verschillende mechanismen: de canonieke en niet-canonieke paden9. In het canonieke pad is activatie afhankelijk van de door fosforylering veroorzaakte afbraak van de inhibitor van kappa B alfa (IκBα)10. Er is echter ook gerapporteerd dat fosforylering van de NF-κB subunit p65 apoptose kan aansturen, mogelijk onafhankelijk van IκBα-degradatie11. Klotho, een enkelvoudig transmembraaneiwit, reguleert het fosfaat- en calciummetabolisme en remt insulinesignalering 12,13,14. Nieuw bewijs wijst erop dat Klotho remmende effecten uitoefent op de activatie van NF-κB in diverse weefsels, waaronder de nier, hippocampus en verouderende cellen, waardoor ontsteking en weefselschade worden verminderd 15,16,17. Ondanks deze vooruitgang blijft de rol van Klotho in AMI en de mogelijke interactie met de NF-κB-route tijdens myocard-H/R-letsel grotendeels ononderzocht.
Vanuit methodologisch oogpunt biedt het in vitro H/R-model met H9C2-rattencardiomyoblasten verschillende voordelen ten opzichte van diermodellen, waaronder gecontroleerde zuurstofspanning, reproduceerbaarheid en verminderde variabiliteit. Bovendien maakt lentiviraal-gemedieerde Klotho-overexpressie stabiele en efficiënte modulatie van genexpressie mogelijk, waardoor direct onderzoek naar de functionele impact mogelijk is. Deze benaderingen maken het protocol praktisch, kosteneffectief en toegankelijk voor mechanistische studies, terwijl ze ook de ethische en logistieke uitdagingen van in vivo experimenten vermijden.
Wat praktische overwegingen betreft, worden H9C2-cellen veel gebruikt in cardiovasculair onderzoek omdat ze veel cardiomyocyt-achtige eigenschappen behouden, hoewel ze het fenotype van volwassen cardiomyocyten niet volledig nabootsen. De geselecteerde H/R-toestand (5 uur hypoxie gevolgd door 1 uur reoxygenatie) valt binnen een bereik dat vaak wordt gebruikt om ischemie-reperfusieschade in vitro te modelleren. Evenzo is lentivirale transductie met multipliciteiten van infectie (MOI) rond 100 een standaardbenadering om efficiënte overexpressie met beheersbare cytotoxiciteit te bereiken. Hoewel deze kenmerken de toepasbaarheid van het protocol vergroten, moeten beperkingen zoals onvolledige recapitulatie van de in vivo omgeving worden erkend. Daarom is het doel van deze studie te onderzoeken hoe Klotho myocardcellen beschermt tegen H/R-letsel en een reproduceerbaar protocol op te stellen voor het beoordelen van de interactie met NF-κB-signalering.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Alle procedures waarbij de H9C2 rat cardiomyoblastcellijn (ATCC, CRL-1446) betrokken is, zijn uitgevoerd in overeenstemming met institutionele bioveiligheidsvoorschriften. Geen enkel dier of mens was direct betrokken bij deze studie. Figuur 1 illustreert de grafische workflow van de experimentele ontwerp- en analysepijplijn. De reagentia en de gebruikte apparatuur worden vermeld in de Materiaaltabel.
1. Celkweek
De H9C2 rat cardiomyoblast cellijn (ATCC, CRL-1446) werd gecryopconserveerd in vloeibare stikstof met behulp van een vriesmedium bestaande uit Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM, hoge glucose, 4,5 g/L) aangevuld met 10% foetaal rundereserum (FBS) en 10% dimethylsulfoxide (DMSO). Voor het herstel werden bevroren flesjes snel ontdooid in een 37 °C waterbad gedurende 2-3 minuten en direct overgebracht in voorverwarmde DMEM. Het kweekmedium werd bereid met 10% FBS, 100 U/mL penicilline, 100 μg/mL streptomycine, 3,7 g/L natriumbicarbonaat en 1 mM natriumpyruvat. De cellen werden op 37 °C gehouden in een bevochtigde broedmachine met 5% CO₂. H9C2-cellen tussen passages 6 en 20 werden voor alle experimenten gebruikt. Vroege passages (P20) werden niet gebruikt om passage-gerelateerde fenotypische drift te vermijden.
2. Lentivirale overexpressie van Klotho in H9C2-cellen
Een derde-generatie, zelf-inactiverende lentivirale vector die codeert voor het volledige rat Klotho (Kl)-gen onder controle van de EF1α-promotor werd toegepast om stabiele overexpressie in H9C2-cellen te vestigen. Het construct bevatte een P2A-EGFP-reporter voor visualisatie, woodchuck hepatitis virus posttranscriptioneel regulatief element (WPRE) en centrale polypurine tract (cPPT) elementen voor transcriptstabiliteit, en een puromycineresistente cassette aangedreven door de PGK-promotor voor selectie. Lentivirale deeltjes werden geproduceerd in HEK293T cellen door het overdrachtsplasmide co-transfecteren met psPAX2 (gag/pol/rev) en pMD2.G (VSV-G) plasmiden in een verhouding van 4:3:1 met behulp van polyethyle�mine (PEI; DNA: PEI = 1:3, w/w). Supernatanten werden geoogst na 48 uur en 72 uur, geklareerd door centrifugatie bij 3.000 × g gedurende 10 minuten, gefilterd door een 0,45 μm PES-membraan en geconcentreerd door ultracentrifugatie bij 25.000 × g gedurende 2 uur bij 4 °C. Virale pellets werden opnieuw gesuspendeerd in PBS met 1% rundereserumalbumine (BSA), en functionele titers (TU/mL) werden bepaald door een limietverdunningsinfectie van HEK293T cellen met EGFP-uitlezing na 72 uur. H9C2-cellen werden gezaaid in 6-wellplaten met 2 × 105-cellen per put, wat resulteerde in ongeveer 60% confluentie op het moment van transductie. Lentivirale deeltjes werden toegevoegd bij een veelvoudige infectie (MOI) van 100 in 1 mL vers kweekmedium aangevuld met polybreen (8 μg/mL) om de infectie-efficiëntie te verbeteren. Het inoculum werd na 12 uur verwijderd en vervangen door 2 ml volledig medium. 72 uur na infectie werd de transductie-efficiëntie geverifieerd door EGFP-fluorescentie onder een fluorescentiemicroscoop. Voor het vestigen van stabiele cellijnen werd puromycine (2 μg/mL, pre-titratie) 3-5 dagen toegediend, beginnend 48 uur na infectie, met middelmatige wisselingen elke 48 uur. Overexpressie van Klotho werd bevestigd door RT-qPCR en immunoblotting. Alle lentivirale procedures werden uitgevoerd onder biosafety level 2 (BSL-2) containment, en al het virale afval werd met 10% bleekmiddel geïnactiveerd gedurende minstens 30 minuten voorafgaand aan verwijdering.
3. Experimentgroepen
H9C2-cellen werden gezaaid in 6-wellplaten (groeioppervlak 9,6 cm²) met 3 × 10⁵ cellen per put, wat na 24 uur ongeveer 70%-80% confluentie opleverde, de vereiste dichtheid voor hypoxie/reoxygenatie (H/R) verwerking en daaropvolgende assays. Na een nachtelijke hechting werden cellen verdeeld over zes experimentele groepen: (1) Controlegroep, die geen aanvullende behandeling kreeg; (2) H/R-groep, die hypoxie/reoxygenatie (H/R) onderging in een afgesloten modulaire hypoxiekamer, gevolgd door blootstelling aan 5 uur hypoxie (1% O₂, 94% N₂, 5% CO₂) en 1 uur reperfusie (5% CO₂), zoals eerder beschreven18; (3) Negatieve controle (NC) groep, waarbij cellen 24 uur voor de H/R-behandeling met een lege vector werden getransfecteerd; (4) Klotho-groep, waarin cellen werden getransfecteerd met lentivirale vectoren die Klotho 24 uur coderen vóór de H/R-behandeling; (5) Pyrrolidine-ditiocarbamaat-behandelgroep (PDTC), die werd behandeld met 200 mg/L NF-κB route-remmer PDTC gedurende 24 uur vóór H/R-behandeling19; (6) Klotho + LPS-groep, waarin cellen werden getransfecteerd met lentivirale vectoren die codeer voor Klotho en vervolgens werden behandeld met lipopolysaccharide van 1 mg/L gedurende 24 uur vóór H/R-behandeling20.
4. qRT-PCR
H9C2-cellen werden gezaaid in platen met 6 putjes met een dichtheid van 1 × 10⁶ cellen per put. Na behandeling werd totaal RNA geïsoleerd met behulp van een fenol-chloroform extractieprotocol. Kort gezegd werd er per put 1 ml reagens toegevoegd, gevolgd door chloroformextractie, isopropanolprecipitatie en wasbeurt met 75% ethanol. De RNA-pellet werd aan de lucht gedroogd en opgelost in RNase-vrij water. RNA-concentratie en zuiverheid werden spectrofotometrisch bepaald. Voor cDNA-synthese werd 1 μg totaal RNA reverse-getranscribeerd met een commerciële reverse transcriptiekit volgens het protocol van de fabrikant, inclusief genomische DNA-verwijdering en willekeurige hexamer-priming. Kwantitatieve real-time PCR werd uitgevoerd in een real-time PCR-systeem met SYBR Green-chemie onder de volgende voorwaarden: initiële denaturatie bij 95 °C gedurende 30 seconden, gevolgd door 40 cycli van 95 °C voor 5 seconden en 60 °C voor 30 seconden. Primersequenties werden ontworpen met Primer-BLAST (NCBI) en gesynthetiseerd door een commerciële leverancier: (1) Klotho: F 5′-TAAGGTTCAAGTATGGAGAC-3′, R 5′-GGGCGTTCACACTTATTTAT-3′; (2) β-actine (interne controle): F 5′-TGTCACCAACTGGGACGATA-3′, R 5′-GGGGTGTTGAAGGTCTCAAA-3′. Relatieve expressieniveaus werden berekend met de 2^-ΔΔCT-methode, en de amplificatiespecificiteit werd bevestigd door een enkele smeltcurvepiek.
5. Western blot
Eiwitten werden geëxtraheerd uit H9C2-cellen met behulp van een radioimmunoprecipitatietest (RIPA) buffer (200 μL per put van een 6-put plaat) aangevuld met een proteaseremmer-cocktail op ijs. Eiwitconcentraties werden gemeten met een bicinconininezuur (BCA) assay, en gelijke hoeveelheden eiwit (20-30 μg) werden per baan geladen op een 10% SDS-PAGE gel voor elektroforetische scheiding. Eiwitten werden overgebracht op polyvinylidieniedifluoride (PVDF) membranen met behulp van een nat transfersysteem bij 100 V gedurende 90 minuten bij 4 °C. De membranen werden geblokkeerd met 5% magere melk die 1 uur op kamertemperatuur in TBST werd bereid, en vervolgens 's nachts geïncubeerd bij 4 °C met primaire antistoffen tegen Klotho (1:500), fosfo-p65 (1:500), p65 (1:500), fosfo-IκBα (1:500), IκBα (1:500) en β-actine (1:1000). Na drie washes met TBST werden membranen geïncubeerd met miekenwortelperoxidase (HRP)-geconjugeerde secundaire antilichamen (1:1000) gedurende 1 uur bij kamertemperatuur. Eiwitbanden werden gevisualiseerd met een verbeterd chemiluminescentiedetectiesysteem, en signaalintensiteiten werden gekwantificeerd met ImageJ-software met identieke drempelinstellingen.
6. MTT-assay
H9C2-cellen werden in 96-wellplaten geplaatst met een dichtheid van 2 × 10³ cellen per put in 100 μL volledig medium en 's nachts geïncubeerd om hechting te garanderen. Een volume van 10 μL MTT-oplossing (5 mg/mL in PBS) werd aan elke put toegevoegd en 4 uur geïncubeerd bij 37 °C onder bevochtigde omstandigheden met 5% CO₂. Na de incubatie werd het supernatant voorzichtig verwijderd en werd 100 μL dimethylsulfoxide (DMSO) toegevoegd om de formazankristallen op te lossen, gevolgd door 10 minuten incubatie bij kamertemperatuur met zacht schudden. De absorptie werd vervolgens gemeten op 490 nm met een microplaatlezer. Het verwachte visuele resultaat was het verschijnen van paarse formazankristallen in levensvatbare cellen vóór de toevoeging van DMSO, en een homogene paarse oplossing na de oplossing.
7. Flowcytometrie
Cellen werden 24 uur na behandeling geoogst door trypsinisatie en verzameld door centrifugatie bij 1.500 × g gedurende 5 minuten bij 4 °C. De celpellet werd opnieuw opgehangen in 100 μL van 1× bindingsbuffer (10 mM HEPES, 140 mM NaCl, 2,5 mM CaCl₂, pH 7,4). Annexine V-APC en propidiumjodide (PI) werden gemengd in een verhouding van 1:2 om een 15 μL kleuroplossing te bereiden, die aan de celsuspensie werd toegevoegd. Het mengsel werd 10 minuten op kamertemperatuur in het donker geïncubeerd. Na de incubatie werd 400 μL van dezelfde bindingsbuffer toegevoegd en werden de monsters onmiddellijk geanalyseerd met een flowcytometer. In totaal werden er 10.000 gebeurtenissen per monster verzameld. De gegevens werden geanalyseerd met behulp van FlowJo-software. Cellen werden eerst gegated op basis van voorwaartse verstrooiing (FSC) en zijspreiding (SSC) om puin uit te sluiten, gevolgd door kwadrant gating van Annexine V versus PI om levensvatbare cellen (Annexin V-/PI-), vroege apoptotische cellen (Annexin V+/PI-) en late apoptotische/necrotische cellen (Annexine V+/PI+) te onderscheiden. Annexin V-positieve/PI-negatieve kleuring wees op vroege apoptose, terwijl Annexin V/PI dubbel-positieve kleuring op late apoptose of necrose wees.
8. Immunofluorescentie
H9C2-cellen werden op steriele glazen dekfolies in 6-wellplaten geplaatst met een dichtheid van 1 × 10⁵ cellen per put en onderworpen aan behandelingen. Cellen werden 15 minuten bij kamertemperatuur gefixeerd met 4% paraformaldehyde, permeabiliseerd met 0,1% Triton X-100 in PBS gedurende 10 minuten, en geblokkeerd met 5% rundereserumalbumine (BSA) in PBS gedurende 30 minuten bij kamertemperatuur. Coverslips werden 's nachts geïncubeerd bij 4 °C met primaire antilichamen tegen TNF-α (1:200), IL-1β (1:200) en IL-6 (1:100). Na drie washes in PBS werden cellen geïncubeerd met fycoreytrine (PE)-gelabelde secundaire antilichamen (1:500) gedurende 1 uur bij kamertemperatuur in het donker. De kernen werden 5 minuten geïntroduceerd met DAPI. Dekfolies werden gemonteerd op glazen glaasjes met antifade montagemedium, en fluorescentiesignalen werden gevisualiseerd met een fluorescentiemicroscoop. Afbeeldingen werden geanalyseerd met ImageJ (versie 1.54). Rode fluorescentie gaf cytokineexpressie aan, terwijl blauwe fluorescentie kernen markeerde.
9. Statistische analyse
Alle gegevens werden geanalyseerd met SPSS-software. De resultaten worden uitgedrukt als gemiddelde ± standaarddeviatie (SD) van ten minste drie onafhankelijke experimenten. Voor meervoudige groepsvergelijkingen werd eenrichtingsvariantieanalyse (ANOVA) gevolgd door Tukey's post hoc-test toegepast. Een P-waarde < 0,05 werd als statistisch significant beschouwd.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Klotho-overexpressie verbetert de celoverleving en vermindert door NF-κB gemedieerde ontstekingsschade
Om de efficiëntie van genlevering te bevestigen, werd Klotho-expressie gekwantificeerd op zowel mRNA- als eiwitniveau. Klotho-overexpressieve cellen vertoonden een robuuste toename vergeleken met zowel hypoxie/reoxygenatie (H/R) als negatieve controlegroepen (p < 0,05; Fi...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
In deze studie werd de beschermende rol van Klotho onderzocht bij cardiomyocyten die zijn blootgesteld aan hypoxie/reoxygenatie (H/R) letsel, en werd vastgesteld dat Klotho-overexpressie de cellevensvatbaarheid significant verbetert, apoptose vermindert en pro-inflammatoire cytokine-expressie onderdrukt. Deze effecten gingen gepaard met verminderde fosforylering van p65 en een verhoogde fosforylering van IκBα, wat suggereert dat inhibitie van NF-κB-signalering bijdraagt aan het bescherme...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hoeven geen belangenconflicten aan te geven.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 4% Paraformaldehyde | Biosharp | XG1050 | |
| Annexin V APC/PI Staining Solution | Elabscience | E-CK-A217 | |
| cDNA Synthesis Kit | Qiagen | 205410 | |
| DAPI Solution | BioFroxx | 1155MG010 | |
| Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM) | HyClone | SH30243.01B | |
| ECL Detection Reagent Kit | Meilunbio | MA0186-1 | |
| Electrophoresis Power Supply (POWER PAC 200) | Bio-Rad | POWER PAC 200 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | VivaCell | C04001-500, C04002-500 | |
| Flow Cytometer (Gallios) | Beckman Coulter | Gallios | |
| Fluorescence Microscope (BK6000) | Chongqing Optec | BK6000 | |
| Formazan Solvent | Solarbio | M1020 | |
| HRP-Conjugated Goat Anti-Rabbit IgG Antibody | Bethyl | A120-101P | |
| LPS (NF-κB Pathway Agonist) | Sigma-Aldrich | L2630 | |
| Microplate Reader (Model K3) | Thermo | K3 | |
| Modular Incubator Chamber (Hypoxia Chamber) | Billups-Rothenberg | MIC-101 | |
| MTT Solution | Cayman | 21795 | |
| PDTC (NF-κB Pathway Inhibitor) | Sigma-Aldrich | P8765 | |
| PE-Conjugated Goat Anti-Rabbit IgG Antibody | Bioss | bs-0295G-PE | |
| Polybrene (Hexadimethrine Bromide) | Invitrogen | X2351 | |
| PVDF Membrane | Merck | ISEQ00010 | |
| Rabbit Anti-Rat IL-1β Antibody | Biorbyt | orb378927 | |
| Rabbit Anti-Rat IL-6 Antibody | ZEN BIO | 384702 | |
| Rabbit Anti-Rat IκBα Antibody | Biorbyt | orb223182 | |
| Rabbit Anti-Rat Klotho Antibody | Biorbyt | orb333711 | |
| Rabbit Anti-Rat p65 Antibody | Biorbyt | orb229138 | |
| Rabbit Anti-Rat Phospho-IκBα Antibody | Biorbyt | orb223035 | |
| Rabbit Anti-Rat Phospho-NF-κB p65 Antibody | Biorbyt | orb304662 | |
| Rabbit Anti-Rat TNF-α Antibody | Biorbyt | orb106548 | |
| Rabbit Anti-Rat β-actin Antibody | Huabio | ET1702 | |
| Real-Time Quantitative PCR System (LightCycler 96) | Roche | Light Cycler96 | |
| RIPA Lysis Buffer | Mreda | MO52447 | |
| SDS-PAGE Gel Preparation Kit | Elabscience | E-IR-R305 | |
| TRIzol Reagent Kit | Life Technologies | 15596-018 |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.