Komórki śródbłonka naczyń krwionośnych tworzą wewnętrzną wyściółkę naczyń krwionośnych w zamkniętym układzie sercowo-naczyniowym wyższych gatunków. Tworzą one granicę między krwią a tkankami i charakteryzują się powierzchniami świetlnymi i abluminalnymi. Śródbłonek jest zróżnicowanym, aktywnym i adaptacyjnym systemem, który reguluje przepływ krwi, transport składników odżywczych, odporność i wzrost nowych naczyń krwionośnych1. W organizmie komórki śródbłonka normalnie istnieją w środowisku, w którym są narażone na siłę tarcia krążenia, naprężenie ścinające2. Naprężenie ścinające jest ważnym regulatorem ekspresji genów komórek śródbłonka3, a komórki śródbłonka próbują utrzymać naprężenie ścinające w danym zakresie2,4. Komórki śródbłonka wykazują wzorce angiogenne przy braku naprężeń ścinających5, które mogą poprawić perfuzję tkanek. Regionalne wzorce zaburzonego przepływu i zmienionego stresu ścinającego są związane z ekspresją genów zapalnych6 i rozwojem miażdżycy7,8. Tak więc modele, które obejmują naprężenie ścinające, są głównym elementem zrozumienia regulacji genów śródbłonka.
Opisujemy metodę badania regulacji genów w komórkach śródbłonka naczyń krwionośnych pod wpływem stresu ścinającego. System ten wykorzystuje przepływ niepulsacyjny i naśladuje poziomy naprężeń ścinających płynu oraz stężenie tlenu, które modelują warunki dla komórek śródbłonka tętnic. Protokół ten zawiera szczegółowe informacje na temat metod knockdownu genu za pomocą interferencji RNA (RNAi), ustawień do zastosowania naprężeń ścinających przy użyciu aparatu przepływu z równoległą płytką oraz metod zwiększania egzogennego referencyjnego RNA przed analizą za pomocą ilościowej reakcji łańcuchowej polimerazy z odwrotną transkryptazą (RT-qPCR). Rurociąg ten służy do badania regulacji genów w komórkach śródbłonka w obecności i bez laminarnego naprężenia ścinającego i obejmuje adaptację aparatu przepływu z równoległą płytką opisaną przez Lane'a i wsp.9. Ten konkretny układ został zaprojektowany, aby ułatwić jednoczesną ocenę wielu warunków eksperymentalnych, co pozwala na bezpośrednie porównanie warunków naprężeń ścinających, jak również normalizację analizy RNA. Duża jednostka grzewcza o kontrolowanej wilgotności jest wykorzystywana, aby umożliwić jednoczesną pracę wielu oddzielnych komór przepływowych i pomp z natężeniem przepływu monitorowanym dla każdego zespołu komory przepływowej w czasie rzeczywistym. Zastosowanie tej konfiguracji jest wykorzystywane do knockdownu genów przy użyciu RNAi w ustawieniu przepływu laminarnego/naprężenia ścinającego, ale aspekty tego protokołu można zastosować do dowolnej oceny ekspresji RNA.
Typowe podejścia do stosowania naprężeń ścinających dla komórek śródbłonka obejmują systemy mikroprzepływowe10, lepkościomierz stożkowo-płytkowy11, oraz komorę przepływu z płytką równoległą12. Systemy mikroprzepływowe różnych producentów okazały się przydatne w badaniu mechanobiologii i mechanotransdukcji w wielu typach komórek i tkanek oraz różnych bodźcach biofizycznych. W przypadku komórek śródbłonka zostały one wykorzystane do badania komórek śródbłonka w izolacji, a także interakcji komórek śródbłonka i transportu komórek immunologicznych lub nowotworowych10. Jednak systemy te są mniej odpowiednie do odzyskiwania dużej liczby komórek9. Zarówno lepkościomierz stożkowo-płytkowy, jak i komory przepływowe z płytką równoległą umożliwiają odzyskiwanie dużej liczby komórek w konfluentnych monowarstwach12. Systemy te mogą generować szereg sił tnących i wzorców12. Komora przepływu równoległego z płytą assembly9 ma tę zaletę, że obrazowanie w czasie rzeczywistym może być wykonywane przez szklane okno w celu oceny morfologii komórki w dowolnym punkcie czasowym. Ponadto perfuzat może być zbierany w sterylnych warunkach. W przypadku prezentowanego tutaj systemu przepływ może być również monitorowany w czasie rzeczywistym i w konfiguracji wielokomorowej, co ułatwia utrzymanie warunków ścinania między komorami.
Dla reprezentatywnych eksperymentów, używane są ludzkie komórki śródbłonka żyły pępowinowej (HUVEC), które reprezentują typ komórek śródbłonka makronaczyniowego, a warunki naprężenia ścinającego, których używamy (1 Pa), odzwierciedlają warunki tętnicze (0,1 - 0,7 Pa). Jednak protokół ten może być stosowany z innymi typami komórek śródbłonka, a warunki naprężeń ścinających można dostosować zgodnie z pytaniem eksperymentalnym. Na przykład ocena ludzkich komórek śródbłonka w warunkach, które modelują krążenie żylne, wymagałaby niższych poziomów naprężeń ścinających (1 - 6 Pa), a badania modelujące krążenie mikronaczyniowe wykorzystały poziomy naprężeń ścinających 0,4 - 1,2 Pa13,14. Ponadto naprężenie ścinające może się różnić nawet między komórkami śródbłonka w tym samym naczyniu krwionośnym6. W obecnej konfiguracji stosowany jest pojedynczy system monitorowania, który może jednocześnie monitorować cztery oddzielne pętle przepływu. W przypadku laboratoriów, które potrzebują więcej pętli przepływu, w dedykowanym środowisku jest miejsce na dodatkowy system monitorowania.
RT-qPCR służy do bezwzględnego oznaczania ilościowego ekspresji genów w warunkach naprężenia ścinającego. Względna ekspresja genów docelowych jest często wykorzystywana do porównywania ekspresji RNA w różnych warunkach. Niektóre gatunki RNA mogą występować w bardzo małych ilościach lub być nieobecne, co komplikuje względne pomiary. Na przykład, długie niekodujące RNA w komórkach śródbłonka mogą wywierać silne efekty przy stosunkowo niskiej liczbie kopii na komórkę5. Ponadto różnice w wydajności startera mogą prowadzić do niedokładnej interpretacji wynikającej z zastosowania metody progu cyklu delta-delta (Ct) do analizy danych. Aby rozwiązać ten problem, przeprowadzamy bezwzględną ocenę ilościową, generując krzywą wzorcową przy użyciu znanej ilości plazmidowego DNA. Co więcej, komplementarna synteza DNA (cDNA) jest procesem nieefektywnym, a różnice w wydajności cDNA mogą odpowiadać za różnice w ekspresji RNA między warunkami i między próbkami15. Zastosowanie odczynników do naprężeń ścinających i/lub transfekcji może wpływać na proliferację, apoptozę i żywotność komórek lub dodawać składniki, które mogą zakłócać izolację RNA i/lub syntezę cDNA. Aby uwzględnić możliwość błędu systematycznego wynikającego z izolacji RNA i syntezy cDNA, używamy kontroli impulsowego RNA zsyntetyzowanego w laboratorium, dodanego w czasie ekstrakcji RNA i mierzonego przy każdej syntezie cDNA za pomocą RT-qPCR. Pozwala to nie tylko na dostosowanie się do różnic technicznych w ekstrakcji RNA i syntezie cDNA, ale także na obliczenie bezwzględnych ilości na komórkę, gdy znana jest liczba komórek.
Ten system wykorzystuje dodatkowe kroki, aby zachować podobieństwo lub uwzględnić techniczne różnice między warunkami. Kładziemy szczególny nacisk na te etapy ze względu na złożony charakter tych eksperymentów, które obejmują wiele układów fizycznych i warunków eksperymentalnych, które mogą prowadzić do zmienności eksperymentalnej.