$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Izolowane, wentylowane i perfundowane płuco myszy jest doskonałym modelem do analizy fizjologicznej odpowiedzi układu naczyniowego płuc na zmiany w dopływie tlenu i umożliwia m.in. ciągły pomiar ciśnienia tętniczego w płucach1. Model ten nie pozwala jednak na identyfikację i analizę tych segmentów naczyń krwionośnych, które wykazują najsilniejszą odpowiedź na niedotlenienie. Jest to zaleta naszej wideomorfometrycznej analizy PCLS, która ułatwia pomiar HPV poszczególnych tętnic o średnicach wewnętrznych 20-100 μm. PCLS stanowią atrakcyjny model in vitro , ponieważ są bardzo podobne do narządu, z którego są przygotowywane. W przeciwieństwie do systemów hodowli komórkowych, wszystkie typy komórek są obecne w swojej pierwotnej konfiguracji tkankowo-macierzowej. Co więcej, jedno płuco wystarcza do przygotowania wielu PCLS, tak że przynajmniej częściowo eksperymenty mogą być ustandaryzowane poprzez użycie wycinków tej samej myszy. Zgodnie z koncepcją 3R (redukcja, udoskonalenie i zastąpienie zwierząt laboratoryjnych w naukach przyrodniczych) Russella i Burcha23 fakt ten również przemawia za stosowaniem PCLS.
Należy jednak pamiętać, że tkanka jest uszkadzana przez cięcie wibratomem i sygnalizację podłużną, na przykład za pośrednictwem komórek śródbłonka, jak postulują Kübler i wsp. 14 nie jest już możliwe.
Początkowo PCLS były stosowane głównie w badaniach biochemicznych, farmakologicznych i toksykologicznych, ale w międzyczasie są również wykorzystywane do pomiaru kurczliwości oskrzeli, funkcji śluzowo-rzęskowej i odpowiedzi naczyniowych (przeglądy patrz Sanderson20 i Davies21). Held i wsp. przeprowadzili badanie, w którym porównali modele izolowanych, perfundowanych i wentylowanych płuc myszy oraz PCLS24. Na podstawie analizy reakcji dróg oddechowych i naczyń płucnych na różne mediatory endogenne odkryli, że w PCLS zachowały się ważne cechy całego płuca.
W PCLS warunki niedotlenienia nie są ustalane przez drogi oddechowe, jak w nienaruszonym płucu, ale przez inkubację odcinka płuca w podłożu podgazowanym hipoksyjnie. Przeanalizowaliśmy ciśnienie parcjalne tlenu (pO2) medium wstępnie zagazowanego odpowiednio 1% O2 , 5,3 % CO2 , 93,7% N2 i 21% O2, 5,3% CO2, 73,7% N2 za pomocą analizatora gazometrii krwi. Bezpośrednio przed wprowadzeniem go do komory perfuzyjnej pO2 hipoksyjnego gazowanego MEM wynosiło 40 mmHg, a normoksycznego gazowanego medium 160 mmHg6. W nienaruszonym płucu HPV jest indukowany, gdy pO2 w pęcherzykach płucnych spada poniżej 50 mmHg25, co można oczywiście naśladować przez zastosowanie pożywki z gazem hipoksyjnym. Nasze dane dotyczące zasięgu HPV dobrze pasują do wyników uzyskanych przy użyciu innego podejścia eksperymentalnego. Yamaguchi i wsp. zastosowali izolowane płuca szczura do badania mikronaczyń o średnicy 20-30 μm za pomocą konfokalnej laserowej skaningowej mikroskopii luminescencyjnej w czasie rzeczywistym sprzężonej z kamerą o wysokiej czułości ze wzmacniaczem obrazu10. Zaobserwowali średnie zmniejszenie średnicy o 2,7 μm po wystawieniu płuc na niedotlenienie. Można obliczyć, że zmniejszenie o 20% powierzchni światła, tak jak ją mierzymy w naszym systemie, odpowiada około 15% zmniejszeniu średnicy.
W naszych doświadczeniach sklasyfikowaliśmy tętnice odpowiednio jako naczynia przed- i wewnątrzziarniaste o średnicach wewnętrznych 40-100 μm i 20-40 μm. U ludzi przejście z tętnic mięśniowych do niemięśniowych następuje w zakresie średnic 70-100 μm. U myszy komórki mięśni gładkich są obecne do średnicy zewnętrznej 20 μm26. Z tego powodu nie jest możliwa analiza tętnic o średnicach poniżej 20 μm, ponieważ nie można ich wiarygodnie zidentyfikować na podstawie obrazu kontrastu fazowego. Na drugim końcu skali znajdują się naczynia o średnicy powyżej 100 μm, które są prawie niemożliwe do znalezienia w PCLS i często są usuwane z otaczającej tkanki.
W rzeczywistości wiele kandydatów molekularnych jest omawianych jako molekularne czujniki tlenu lub jako składnik kaskady sygnalizacyjnej skutkującej HPV (przegląd patrz Sylvester i wsp.4). Gdy dostępne są odpowiednie myszy z nokautem, można zastosować wideomorfometrię do analizy wazoreaktywności tętnic przed- i wewnątrzzrazikowych w porównaniu ze zwierzętami typu dzikiego. Jednak PCLS był również używany do innych problemów: Faro i wsp. wykorzystano je do scharakteryzowania rozwoju zależnego od śródbłonka rozszerzenia płuc po urodzeniu29 , a PCLS przygotowane ze świnek morskich wystawionych na dym lub powietrze codziennie przez 2 tygodnie wykorzystano do wykazania wpływu dymu papierosowego na aktywność naczyniową poprzez indukcję dysfunkcji śródbłonka30.
Krytyczne kroki w ramach protokołu
W naszych doświadczeniach sklasyfikowaliśmy tętnice jako przedziarniaste (średnice wewnętrzne 40-100 μm) i wewnątrzziarniaste (średnice wewnętrzne 20-40 μm). Szczególnie w przypadku przygotowania wycinków płuc, które powinny być używane do analizy większych naczyń, ważne jest dodanie nitroprusydku sodu do buforu perfuzyjnego. Lek ten zapobiega kurczeniu się naczyń podczas przygotowywania próbki, a tym samym ich oderwaniu od otaczającej tkanki, co prowadzi do niepełnego rozszerzenia naczyń krwionośnych. Nitroprusydek sodu w buforze perfuzyjnym nie jest tak istotny dla przygotowania wycinka płuc, który powinien być wykorzystany do analizy małych tętnic, ponieważ są one silnie zakotwiczone w przegrodach pęcherzykowych.
Wszystkie eksperymenty należy rozpocząć od inkubacji, w których badana jest reaktywność tętnic. Rzadko otrzymywaliśmy preparaty płucne, w których nie wykrywano reakcji naczyń krwionośnych na naciągi lub rozszerzacze. Nie znamy przyczyny takiego stanu rzeczy: być może objętość agarozy wypełnionej w płucach była zbyt duża lub zbyt mała, tak że przecięcie narządu na PCLS nie było optymalne. Alternatywnie można sobie wyobrazić, że agaroza ochładzała się zbyt szybko podczas procedury wkraplania, co powodowało szkodliwe naprężenia ścinające. W przypadku, gdy w pojedynczym PCLS nie jest wykrywalna żywa tętnica, odcinek należy odrzucić i zastąpić innym.
Decyzja o żywotności tętnicy została podjęta na podstawie odpowiedzi na U46619. Zastosowanie U46619 w stężeniu 0,1 μM wywołuje zwężenie naczyń krwionośnych, które - po pewnym wysiłku fizycznym - jest widoczne bezpośrednio w sekwencji obrazu na ekranie. Ponieważ istnieją pewne różnice w aktywności naczyniowej, badamy wpływ leku na HPV, mierząc odpowiedź naczyniową w odcinkach płuc narażonych na działanie leku lub na samą pożywkę.
HPV pojedynczej tętnicy jest często ledwo wykrywalny pod mikroskopem, a średnio powoduje zmniejszenie powierzchni światła o około 20-30%. Jednak niewielkie zmiany średnicy tętnicy mają wyraźny wpływ na opór przepływu. Zgodnie z równaniem "R = 1/r4" przy R = rezystancji i r = promieniu, opór przepływu jest odwrotnie proporcjonalny do czwartej potęgi promienia. Podam przykład: "Tętnica idealna" o przekroju kołowym o średnicy 40 μm (r=20 μm) ma pole świetlne około 1 260μm2. Gdy powierzchnia światła zmniejszy się o 20%, możemy obliczyć, że średnica naczynia zmniejsza się o 10,5% do 35,8 μm (r=17,9 μm). Zgodnie z powyższym równaniem, opory przepływu tego naczynia wzrosłyby z 6,25 x 10-6 do 9,71 x 10-6 , czyli o około 55%. W przypadku zmniejszenia powierzchni świetlnej o 30% promień zmniejszyłby się o około 16%, ale opory przepływu wzrosłyby o około 100%. Jakkolwiek obliczenia te są nadmiernym uproszczeniem, w którym zakłada się laminarny przepływ krwi i formę naczynia w postaci sztywnej rury, sugeruje to wpływ już niewielkich zmian średnicy na opory przepływu.