Opisujemy izolację ludzkich miocytów przedsionkowych, które mogą być używane do wewnątrzkomórkowych pomiarów Ca2+ w połączeniu z elektrofizjologicznymi badaniami patch-clamp.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Opisujemy izolację ludzkich miocytów przedsionkowych, które mogą być używane do wewnątrzkomórkowych pomiarów Ca2+ w połączeniu z elektrofizjologicznymi badaniami patch-clamp.
Badanie właściwości elektrofizjologicznych kanałów jonowych serca za pomocą techniki patch-clamp oraz badanie nieprawidłowości w radzeniu sobie z nieprawidłowościami w działaniu komórek sercowych Ca2+ wymaga izolowanych kardiomiocytów. Ponadto możliwość badania miocytów od pacjentów przy użyciu tych technik jest nieocenionym wymogiem dla wyjaśnienia molekularnych podstaw chorób serca, takich jak migotanie przedsionków (AF). 1 W tym miejscu opisano metodę izolacji ludzkich miocytów przedsionkowych, która nadaje się zarówno do badań typu patch-clamp, jak i jednoczesnych pomiarów wewnątrzkomórkowych stężeń Ca2+. Po pierwsze, przydatki prawego przedsionka uzyskane od pacjentów poddawanych operacji na otwartym sercu są cięte na małe kawałki tkanek ("metoda fragmentów") i myte w roztworze wolnym od Ca2+. Następnie fragmenty tkanek są trawione w roztworach zawierających kolagenazę i proteazę o zawartości 20 μM Ca2+. Następnie wyizolowane miocyty są zbierane przez filtrację i odwirowanie zawiesiny tkankowej. Na koniec stężenie Ca2+ w roztworze do przechowywania komórek dostosowuje się stopniowo do 0,2 mM. Pokrótce omawiamy znaczenie buforowania Ca2+ i Ca2+ podczas procesu izolacji, a także zapewniamy reprezentatywne zapisy potencjałów czynnościowych i prądów błonowych, zarówno wraz z jednoczesnymi pomiarami przejściowymiCa2+, wykonanymi w tych izolowanych miocytach.
Badanie właściwości elektrofizjologicznych kanałów jonowych serca za pomocą techniki patch-clamp oraz badanie nieprawidłowości w obsłudze komórkowych Ca2+ wymaga izolowanych kardiomiocytów. Są one zwykle uzyskiwane po ekspozycji in vitro próbek tkanki serca na działanie enzymów trawiennych (kolagenazy, hialuronidazy, peptydazy itp.). Od czasu pierwszego doniesienia o izolacji żywotnych miocytów serca w 1955 r.opracowano dużą liczbę protokołów w celu pobrania pojedynczych kardiomiocytów przedsionkowych i komorowych od różnych gatunków, w tym myszy, szczura, królika, psa, świnki morskiej i człowieka. W niniejszym przeglądzie skupiono się na izolacji ludzkich miocytów przedsionkowych. Jeśli chodzi o procedury izolacji miocytów od innych gatunków, odsyłamy do "Przewodnika dysocjacji tkanek Worthington" dostarczonego przez Worthington Biochemical Corp., USA (www.tissuedissociation.com).
Protokoły izolacji ludzkich miocytów przedsionkowych są zazwyczaj oparte na metodzie opisanej przez Bustamante i wsp.3 W tym miejscu przedstawiamy krok po kroku opis techniki, która jest zaadaptowana z wcześniej opublikowanej metody, w celu uzyskania miocytów przedsionkowych odpowiednich nie tylko do eksperymentów typu patch-clamp, ale także do jednoczesnych wewnątrzkomórkowych pomiarów Ca2+. 4-11
RozdziałProtokoły eksperymentalne muszą zostać zatwierdzone przez lokalną komisję etyki, a wszyscy pacjenci muszą wyrazić pisemną świadomą zgodę. Nasze badania zostały zatwierdzone przez komisję etyki Wydziału Medycznego w Mannheimie Uniwersytetu w Heidelbergu (#2011-216N-MA) i przeprowadzono je zgodnie ze wszystkimi instytucjonalnymi, krajowymi i międzynarodowymi wytycznymi dotyczącymi dobrostanu ludzi. Wszyscy pacjenci wyrazili pisemną świadomą zgodę.
0. Pozyskiwanie tkanki przedsionkowej człowieka
Podczas rutynowych procedur kaniulacji u pacjentów poddawanych operacjom kardiochirurgicznym w celu wykonania pomostowania aortokoronarnego z wykorzystaniem krążenia pozaustrojowego, zazwyczaj usuwa się wierzchołek uszka prawego przedsionka, który może zostać wykorzystany do izolacji kardiomiocytów przedsionkowych. Po wycięciu próbkę tkanki przenosi się natychmiast do probówki Falcon o pojemności 50 ml z jałowym, wolnym od Ca2+ roztworem transportowym zawierającym monoksym 2,3-butanodionu (Tabela I; BDM, inhibitor skurczu, zapobiegający kurczeniu się miocytów). Przy czasie transportu wynoszącym od 30 do 45 min nie stwierdzono wyraźnej korzyści z chłodzenia lub napowietrzania w odniesieniu do liczby i jakości izolowanych kardiomiocytów przedsionkowych. Co do zasady transport do laboratorium powinien być jak najszybszy. Jeśli jednak nie można uniknąć dłuższego czasu transportu, korzystne może być przemieszczanie próbek w temperaturze 4 °C w roztworze napowietrzonym.
1. Przygotowania wstępne
2. Oczyszczanie tkanki
3. Pierwsze trawienie enzymatyczne
4. Druga digestia enzymatyczna
5. Końcowe przygotowanie i dostosowanie końcowego stężenia Ca2+
6. Obciążanie miocytów fluorescencyjnym wskaźnikiem Ca2+ Fluo-3 AM (Rysunek 1)
7. Jednoczesne pomiary techniką patch-clamp oraz epifluorescencyjne pomiary Ca2+
Ponieważ pomiary metodą patch-clamp nie są głównym tematem niniejszego przeglądu, odsyłamy zainteresowanego czytelnika do innych publikacji zawierających bardziej szczegółowy opis tej techniki.11-14 Dla zachowania kompletności przedstawiamy zwięzłe podsumowanie protokołu pomiaru potencjałów czynnościowych lub prądów Ca2+ typu L, w obu przypadkach wraz z jednoczesnym zapisem przejściowych zmian stężenia Ca2+.
Podczas eksperymentów miocyty są poddawane superfuzji w temperaturze 37 °C roztworem kąpieli (Tabela IV) przy użyciu systemu szybkiej perfuzji (Octaflow IITM, ALA Scientific Instruments, NY). W eksperymentach z zaciskiem napięciowym (voltage-clamp) prądy K+ są blokowane poprzez dodanie do roztworu kąpieli 4-aminopirydyny (5 mmol/L) oraz BaCl2 (0.1 mmol/L). Stosuje się borokrzemowe mikroelektrody szklane, których oporność końcówki po napełnieniu roztworem pipety (Tabela V) powinna wynosić 2-5 MΩ. Oprócz obciążania miocytów Fluo-3 AM (patrz krok 6), Fluo-3 jest również zawarty w roztworze pipety (Tabela V). Fluorescencję wzbudza się przy 488 nm, a emitowane światło (<520 nm) konwertuje się na [Ca2+]i przy założeniu

gdzie kd=stała dysocjacji Fluo-3 (864 nM), F=fluorescencja Fluo-3; Fmax=fluorescencja przy nasyceniu Ca2+ uzyskana na koniec każdego eksperymentu.12 Sygnały elektryczne oraz sygnały Ca2+ w epifluorescencji są rejestrowane jednocześnie. Potencjały czynnościowe są stymulowane z częstotliwością 0,5 Hz w trybie clampingu prądowego (current-clamp) przy użyciu 1 ms impulsów prądowych o sile 1,2x progu pobudzenia. Prądy Ca2+ typu L są mierzone w trybie clampingu napięciowego (voltage-clamp) przy potencjale spoczynkowym -80 mV i 100 ms impulsie rampowym do -40 mV w celu inaktywacji szybkich prądów Na+, a następnie 100 ms impulsie testowym do +10 mV z częstotliwością 0,5 Hz.
Rycina 2A przedstawia trzy reprezentatywne przykłady wyizolowanych miocytów prawego przedsionka człowieka. Aby określić liczbę uzyskanych komórek, nanosimy pipetą 10 μl zawiesiny komórkowej (krok 5.5) na szkiełko do mikroskopu CellFinder (http://www.antenna.nl/microlab/index-uk.html). Średnie liczby uzyskanych komórek na Rycynie 2B wyraźnie wskazują na tendencję do niższej wydajności komórkowej w próbkach pobranych od pacjentów z przewlekłym migotaniem przedsionków (cAF) (probówka A: 16,5±3,1 komórek/10 μl (n=29) w SR vs. 5,1±2,3 komórek/10 μl (n=10) w cAF, p<0,05; probówka B: 17,9±3,9 komórek/10 μl (n=29) w SR vs. 5,9±2,0 komórek/10 μl (n=9) w cAF, p=0,107).
Reprezentatywne przykłady pomiarów potencjałów czynnościowych oraz jednoczesnych rejestracji przejściowych zmian stężenia Ca2+ w cytozolu przedstawiono na Rysunku 3. W około 90% badanych komórek uwolnienie Ca2+ wywołane potencjałem czynnościowym powoduje wyraźne i regularne skurcze komórek. Jak raportowano wcześniej, spoczynkowy potencjał błonowy, będący uznanym wskaźnikiem integralności komórek, wynosił średnio około -73,9±2,7 mV (n = 23/10 miocytów/pacjentów) w SR oraz -77,7±1,8 mV (n = 19/8 miocytów/pacjentów) w cAF (p>0,05).15 Rysunek 4 przedstawia reprezentatywne jednoczesne rejestracje napięciozależnych prądów Ca2+ typu L oraz przejściowych zmian stężenia Ca2+ w cytozolu. Zastosowanie nieselektywnego agonisty β-adrenoreceptorów, izoprenaliny (1 μM), zwiększa amplitudy zarówno ICa,L, jak i przejściowych zmian stężenia Ca2+ w cytozolu, co sugeruje nienaruszoną kaskadę transdukcji sygnałów β-adrenergicznych.

Rycina 1. Schemat protokołu ładowania miocytów Fluo-3 AM (patrz kroki 6.1-6.5). m/v, masa/objętość.

Rycina 2. A, Izolowane miocyty prawego przedsionka ludzkiego po jednej godzinie w roztworze do przechowywania. B, Średnia±SEM wydajności komórek policzonych w 10 μl komórek w roztworze do przechowywania (patrz krok 5.5). n oznacza liczbę preparatów w każdej grupie. *p<0.05.

Rysunek 3. Reprezentatywne zapisy wywołanych potencjałem czynnościowym przejściowych wzrostów stężenia Ca2+ (CaT) w miocycie przedsionkowym pacjenta z rytmem zatokowym oraz pacjenta z przewlekłym migotaniem przedsionków. Góra: Wstrzyknięty prąd błonowy (IM) użyty do stymulacji (0.5 Hz). Dół: Jednoczesny zapis potencjału błonowego (VM) oraz wywołanego CaT (na dole). (Wykresy przerysowane za zgodą Voigt et al. 2012)15

Rysunek 4. Reprezentatywne zapisy działania izoprenaliny (1 μM) wpływ na kanały wapniowe typu L2+ uwolnienie $\text{Ca}^{2+}$ indukowane prądem2+-przejściowe (CaT) w miocycie przedsionkowym pacjenta z rytmem zatokowym oraz pacjenta z przewlekłym migotaniem przedsionków. Góra: Protokół zaciskania napięcia (voltage-clamp) (0,5 Hz). Dół: Jednoczesny pomiar całkowitego wypadkowego prądu błonowego (IM), odzwierciedlające głównie prądy Ca2+ typu L2+ bieżący (środkowy) oraz wywołany CaT (dolny). (Przedrysowano za zgodą Voigta, i wsp. 2012)15

Tabela I. Roztwory.

Tabela II. Specjalistyczny sprzęt.

Tabela III. Substancje do obciążania miocytów Fluo-3 AM.

Tabela IV. Roztwór kąpielowy do techniki patch-clamp.

Tabela V. Roztwór do pipety dla techniki patch-clamp*.
W tym artykule opisano metodę izolacji ludzkich miocytów przedsionków z przydatków prawego przedsionka uzyskanych od pacjentów poddawanych operacji na otwartym sercu. Aby wykorzystać te miocyty do pomiarów cytozolowego Ca2+ , dostosowaliśmy wcześniej opisaną metodę4-11 , pomijając EGTA w roztworze magazynowym.
Już w 1970 roku zaobserwowano, że chociaż miocyty dysocjują w obecnościCa2+ podczas trawienia, wszystkie z nich były w przykurczu i nie były zdolne do życia. 16,17 Dlatego izolację komórek przeprowadza się w roztworze wolnym odCa2+. Jednak ponowne wprowadzenie fizjologicznych stężeńCa2+ spowodowało szybki napływCa2+ i śmierć komórek. Zostało to opisane jako zjawisko paradoksu Ca2+, które zostało pierwotnie zaobserwowane w perfuzjach serc przez Zimmermana i Hulsmana. 18 Sugeruje się modyfikacje pożywki izolacyjnej, w tym obniżenie pH do 7,0,19, dodanie tauryny20 lub niewielkich ilości Ca2+ (patrz kroki 3.2 i 4.1),21 a także przechowywanie wyizolowanych miocytów w EGTA zawierającym roztwór magazynowy22 w celu zapobieżenia paradoksowi Ca2 +. 17 Wiadomo jednak, że buforowanie Ca2+ przez EGTA zmniejsza amplitudę amplitudy przejściowychCa 2+ indukowanych prądem Ca 2+ typu L i powoduje dwufazowy rozpad stanów nieustalonychCa2+. 23 W związku z tym pominęliśmy EGTA w całym procesie izolacji, aby uzyskać stany nieustalone Ca2+ o typowych właściwościach i rozpadach jednofazowych. Aby chronić komórki przed paradoksem Ca2+, stopniowo zwiększaliśmy końcowe stężenie Ca2+ w roztworze magazynującym do 0,2 mM.
Wybór kolagenazy jest prawdopodobnie najważniejszym krokiem dla udanej izolacji miocytów. Konwencjonalne kolagenazy są surowymi preparatami otrzymywanymi z Clostridium histolyticum i zawierają kolagenazę wraz z wieloma innymi proteinazami, polisacharydazami i lipazami. Ze względu na ich ogólny skład kolagenazy dzielą się na różne typy. 24 Kolagenaza Worthington typu I i II jest z powodzeniem stosowana do izolacji ludzkich miocytów przedsionkowych. 4-10,15,25-30 W naszym obecnie opisanym protokole zalecamy stosowanie kolagenazy typu I, chociaż udało nam się również uzyskać akceptowalne ilości żywotnych komórek przy użyciu kolagenazy typu II. Jednak nawet w obrębie jednego rodzaju kolagenazy istnieje znaczna różnica między partiami pod względem aktywności enzymu. Różnice te wymagają starannego doboru partii i testowania różnych partii w celu optymalizacji procedury izolacji. Dostępne online narzędzie do wyboru partii firmy Worthington Biochemical Corp. (http://www.worthington-biochem.com/cls/match.php) może być wykorzystane do znalezienia dostępnych partii o składzie, który okazał się odpowiedni do izolacji ludzkich miocytów przedsionkowych. Obecnie używamy kolagenazy typu I o aktywności kolagenazy 250 U/mg, aktywności kazeinazy 345 U/mg, aktywności klostripainy 2,16 U/mg i aktywności tryptycznej 0,48 U/mg (partia # 49H11338).
Komórki uzyskane przy użyciu procedury opisanej w tym manuskrypcie mogą być wykorzystane w ciągu 8 godzin do badań typu patch-clamp, pomiarów przejściowych Ca2+ i kombinacji obu. 15 Ponadto komórki te umożliwiają pomiary skurczu komórek w odpowiedzi na stymulację polem elektrycznym lub stymulację elektryczną za pomocą pipety typu patch-clamp (obserwacje niepublikowane).
Firma Worthington Biochemical Corp. wsparła tę publikację, pokrywając koszty produkcji pliku wideo. Fundatorzy nie odgrywali żadnej roli w projektowaniu badania, gromadzeniu i analizie danych, podejmowaniu decyzji o publikacji lub przygotowaniu manuskryptu.
Ponadto dziękujemy kardiochirurgom z Uniwersytetu w Heidelbergu za dostarczenie ludzkiej tkanki przedsionkowej oraz Claudii Liebetrau, Katrin Kupser i Ramonie Nagel za doskonałe wsparcie techniczne. Specjalne podziękowania należą się również Andy'emu W. Traffordowi za jego pomocne sugestie i rady podczas ustanawiania pomiarów stanów nieustalonych Ca2+. Autorzy pragną wyrazić najgłębszą wdzięczność pracownikom Katedry Farmakologii i Toksykologii (kierownik: Ursula Ravens) Uniwersytetu Technicznego w Dreźnie za możliwość poznania podstawowych technik i umiejętności w zakresie elektrofizjologii komórkowej i izolacji kardiomiocytów.
Badania autorów są wspierane przez Niemiecką Fundację Badawczą (Do769/1-1-3), Niemieckie Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań poprzez Sieć Kompetencyjną ds. Migotania Przedsionków (01Gi0204) oraz Niemieckie Centrum Badań Sercowo-Naczyniowych, Unię Europejską poprzez Europejską Sieć Badań Translacyjnych nad Migotaniem Przedsionków (EUTRAF, FP7-HEALTH-2010, duży projekt integracyjny, Propozycja nr 261057) oraz Europejsko-Północnoamerykański Przedsionek Grant Stowarzyszenia Badań nad Fibrylacją (ENAFRA) przyznany przez Fundację Leducq (07CVD03).
Schemat pokazany w pliku wideo został wykonany przy użyciu grafiki medycznej Servier.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Roztwór transportowy | |||
| Albumina | Sigma-Aldrich | A3059 | Roztwór do przechowywania: 1% |
| BDM | Sigma-Aldrich | 31550 | Roztwór transportowy: 30 |
| Kwas DL-β-hydroksymaślanowy | Sigma-Aldrich | H6501 | Roztwór do przechowywania: 10 |
| Glukoza | Sigma-Aldrich | G8270 | Roztwór transportowy: 20 roztwór wolny od jonów Ca2+: 20 Roztwory enzymów E1 i E2: 20 Roztwór do przechowywania: 10 |
| Kwas L-glutaminowy | Sigma-Aldrich | G1251 | Roztwór do przechowywania: 70 |
| KCl | Merck | 1049360250 | Roztwór transportowy: 10 roztwór wolny od jonów Ca2+: 10 Roztwory enzymów E1 i E2: 10 Roztwór do przechowywania: 20 |
| KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P5655 | Roztwór transportowy: 1.2 roztwór wolny od jonów Ca2+: 1.2 Roztwory enzymów E1 i E2: 1.2 Roztwór do przechowywania: 10 |
| MgSO4 | Sigma-Aldrich | M9397 | Roztwór transportowy: 5 roztwór wolny od jonów Ca2+: 5 Roztwory enzymów E1 i E2: 5 |
| MOPS | Sigma-Aldrich | M1254 | Roztwór transportowy: 5 roztwór wolny od jonów Ca2+: 5 Roztwór enzymu E1 i E2: 5 |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S3014 | Roztwór transportowy: 100 roztwór wolny od jonów Ca2+: 100 Roztwory enzymów E1 i E2: 100 |
| Tauryna | Sigma-Aldrich | 86330 | Roztwór transportowy: 50 roztwór wolny od jonów Ca2+: 50 Roztwory enzymów E1 i E2: 50 Roztwór do przechowywania: 10 |
| Kolagenaza I | Worthington | 4196 | Roztwory enzymów E1 i E2: 286 U/ml |
| Proteaza XXIV | Sigma-Aldrich | P8038 | Roztwory enzymów E1 i E25 U/ml* |
| pH | Roztwór transportowy: 7.00 roztwór pozbawiony jonów Ca2+: 7.00 Roztwory enzymów E1 i E2: 7.00 Roztwór do przechowywania: 7.40 | ||
| skorygowany za pomocą | Roztwór transportowy1 M NaOH roztwór wolny od jonów Ca2+1 M NaOH Roztwory enzymów E1 i E21 M NaOH Roztwór do przechowywania1 M KOH | ||
| Stężenia podano w mM, chyba że zaznaczono inaczej. BDM, 2,3-butanodionomonoksym. *Proteaza XXIV znajduje się wyłącznie w roztworze enzymu E1. | |||
| Tabela I. Roztwory. | |||
| Siatka nylonowa (200 μm) | VWR-Germany | 510-9527 | |
| Zlewka reakcyjna z płaszczem grzewczym | VWR | KT317000-0050 | |
| Tabela II. Specjalistyczny sprzęt. | |||
| Dimetylosulfoksyd | Sigma-Aldrich | D2650 | |
| Fluo-3 AM (specjalne opakowanie) | Invitrogen | F-1242 | |
| Pluronic F-127 | Invitrogen | P6867 | |
| Tabela III. Substancje do ładowania miocytów barwnikiem Fluo-3 AM. | |||
| 4-aminopirydyna | Sigma-Aldrich | A78403 | Roztwór kąpieli: 5 |
| BaCl2 | Sigma-Aldrich | 342920 | Roztwór kąpielowy: 0.1 |
| CaCl2 × 2H2O | Sigma-Aldrich | C5080 | Roztwór do kąpieli: 2 |
| Glukoza | Sigma-Aldrich | G8270 | Roztwór kąpieli: 10 |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H9136 | Roztwór kąpielowy: 10 |
| KCl | Merck | 1049360250 | Roztwór do kąpieli: 4 |
| MgCl2 × 6H2O | Sigma-Aldrich | M0250 | Roztwór kąpieli: 1 |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S3014 | Roztwór kąpielowy: 140 |
| Probenecyd | Sigma-Aldrich | P8761 | Roztwór kąpielowy: 2 |
| pH | Roztwór do kąpieli: 7.35 | ||
| skorygowano za pomocą | Roztwór kąpielowy1 M HCl | ||
| Tabela IV. Roztwór kąpielowy do metody patch-clamp. *4-aminopirydyna i BaCl zostały uwzględnione wyłącznie w eksperymentach z metodą clampy napięciowej. | |||
| sól potasowa kwasu DL-asparaginowego | Sigma-Aldrich | A2025 | Odpipetuj roztwór: 92 |
| EGTA | Sigma-Aldrich | E4378 | Pipetuj roztwór: 0.02 |
| GTP-Tris | Sigma-Aldrich | G9002 | Pipetuj roztwór: 0.1 |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H9136 | Odmierz roztwór pipetą: 10 |
| KCl | Merck | 1049360250 | Pipetuj roztwór: 48 |
| MgATP | Sigma-Aldrich | A9187 | Pipetuj roztwór: 1 |
| Na2ATP | Sigma-Aldrich | A2383 | Pipetuj roztwór: 4 |
| Fluo-3** | Invitrogen | F3715 | Pipetować roztwór: 0.1 |
| pH | 7.20 | ||
| skorygowano za pomocą | 1 M KOH | ||
| Tabela V. Roztwór do pipety dla techniki patch-clamp*. *W dniach przeprowadzania eksperymentów roztwór pipetujący przechowuje się w lodzie do momentu użycia. **W dniach przeprowadzania eksperymentów Fluo-3 dodaje się z roztworu stokowego o stężeniu 1 mM. | |||
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie