Кардиомиоциты обеспечивают сократительную силу для сердца. Каждый миоцит содержит организованные цитоскелетные и сократительные элементы, необходимые для сокращения. Сердце содержит не только кардиомиоциты, но и фибробласты, соединительную ткань и модифицированные миоциты, такие как волокна Пуркинье. Изменения в любом или во всех этих типах клеток могут наблюдаться при сердечной недостаточности, что затрудняет определение конечной причины сердечной дисфункции. Снижению сократимости желудочков у отказавшего сердца предшествует различная степень наращивания фиброзной ткани и гипертрофия и дисфункция кардиомиоцитов1. Аритмии могут быть вызваны дисфункцией в проводящих клетках2, фиброзом, прерывающим сердечную проводимость3, или изменениями экспрессии ионных каналов в кардиомиоцитах1,4. Действительно, эти проблемы часто сосуществуют сложным образом.
Выделение и изучение кардиомиоцитов позволяет исследовать сократительную и электрическую дисфункцию отдельных миоцитов в контексте общей функции сердца. Методы выделения отдельных сердечных миоцитов были разработаны более 40 лет назад с целью лучшего изучения физиологии этой «рабочей лошадки» клетки сердца. Методы выделения были усовершенствованы для увеличения выхода и качества клеток, при этом жизненно важно разработать коронарную перфузию путем канюляции аорты, впервые проведенную в 1970году5. В этой статье описывается выделение кардиомиоцитов с последующим измерением сократительной способности и переходных процессов кальция с помощью ратиометрической флуоресценции и программного обеспечения для сбора данных для определения размеров клеток. Как в генетических, так и в экологических моделях сердечных заболеваний использование этого протокола дает ключевую информацию о сократимости клеток, саркомерной сократимости и расслаблении, переходных процессах кальция и нарушении цитоскелета. Эта система часто используется для проверки влияния лекарственных препаратов на изолированные кардиомиоциты6,7. Мы используем эту систему для сравнения сократительной способности и переходных процессов кальция кардиомиоцитов у мышей дикого типа и мышей с мутацией, приводящей к дилатационной кардиомиопатии.
Изучение отдельных сердечных миоцитов имеет множество преимуществ по сравнению с другими широко используемыми методами изучения анатомии и физиологии сердца. Эхокардиография и электрокардиография дают информацию о сократительной функции и электрической проводимости сердца в целом. Ни один из этих методов не объясняет причину или характер дисфункции ниже уровня всего органа. Измерение сократимости отдельных кардиомиоцитов с использованием алгоритмов обнаружения краев и длины саркомеров может продемонстрировать, что изменения в сократительных клетках сердца присутствуют в рамках глобальной дисфункции сердца. Измерение переходных процессов кальция демонстрирует влияние изменений потока ионов на клеточном уровне на сократительную дисфункцию или аритмии.
В дополнение к дополнению исследований всего органа, этот протокол предоставляет клетки, легко окрашиваемые для субклеточных компонентов. Увидеть изменения цитоскелета можно путем окрашивания участков тканей всего сердца; Тем не менее, можно визуализировать только поперечное сечение клеток. Целый кардиомиоцит толще, чем типичный участок ткани, и, учитывая расположение и длину кардиомиоцитов, трудно увидеть целые клетки в одном срезе. Изолированные кардиомиоциты могут быть немедленно зафиксированы и окрашены на различные цитоскелетные элементы и ионные каналы. Конфокальные изображения могут быть скомпонованы в z-стеки ячейки по всей толщине. Кроме того, окрашивание изолированных сердечных миоцитов позволяет окрашивать компоненты, которые невозможно визуализировать в срезах, таких как мембранные инвагинации, известные как Т-канальцы.
Существуют культивируемые клеточные линии сердечных миоцитов, некоторые из которых имеют схожие транскрипционные профили и фенотипические особенности с сердечными миоцитами. Некоторые из них, такие как клеточная линия HL-1, даже сохраняют некоторую саркомерную организацию и рудиментарную сократительную способность. Несмотря на эти качества, культивируемые клетки лишены формы «товарного вагона» и структуры Т-канальцев кардиомиоцитов, а также имеют меньшую саркомерную организацию. Эти компоненты необходимы для функционирования кардиомиоцитов in vivo. Кроме того, использование культивируемых клеток позволяет проводить генетические манипуляции, но не физиологические манипуляции in vivo. Изолированные кардиомиоциты сохраняют свою клеточную организацию достаточно долго для изучения, но все еще легко визуализируются и даже трансдуцируются9.
Изолированные кардиомиоциты чрезвычайно универсальны, обеспечивая субстрат для идентичного анализа клеток из различных экспериментальных условий. Выделение и физиологический анализ миоцитов использовались бесчисленными лабораториями для проведения различных экспериментов, включая изучение влияния лекарств6,7 или малых молекул10, стрессоров окружающей среды11, инфекции12, болезни13 или генетической мутации14,15 на сократительную способность и/или переходные процессы кальция, а также изучение регуляции сократительной способности и высвобождения кальция в кардиомиоцитах15-17. При применении любого из этих стрессоров изменения в функции сердца могут быть вызваны любой комбинацией изменений в самих кардиомиоцитах и изменений в окружающей среде сердца, таких как рубцевание, изменения проводимости или изменения внеклеточного матрикса. Это идеальный протокол для ответа на исследовательские вопросы, касающиеся структуры и функции отдельных миоцитов в контексте сердечной недостаточности по любой причине.
Несмотря на то, что он имеет бесчисленные преимущества перед другими методами, физиологический анализ изолированных кардиомиоцитов не идеален для каждого исследовательского вопроса. Изоляция является терминальной процедурой, поэтому кардиомиоциты могут быть оценены только в один момент жизни мыши. Это можно частично преодолеть с помощью когорт и жертвования отдельными мышами по ходу развития болезни или путем наблюдения за мышью для определения наличия у нее клинически значимой сердечной недостаточности до изоляции. Хотя этот протокол позволяет определить, произошла ли дисфункция кардиомиоцитов, без дополнительной экспериментальной информации нельзя сделать вывод о том, что эта дисфункция является первопричиной сердечной недостаточности. Не исключено, что дисфункция кардиомиоцитов сама по себе является вторичной по отношению к другим изменениям в сердце. Несмотря на эти проблемы, изучение кардиомиоцитов дает ценную информацию для определения природы дисфункции в сердце, особенно в сочетании с другими экспериментами.
Следующий протокол адаптирован из протокола, предоставленного доктором Чи Лимом из Университета Вандербильта. Несмотря на то, что данные о сократительной способности и потоке кальция хорошо воспроизводимы и полезны при сравнении сердца с генетическими манипуляциями или манипуляциями с окружающей средой, изоляция сама по себе остается технологически зависимым протоколом, требующим оптимизации. Сведение к минимуму времени между удалением сердца у мыши и перфузией сердца с помощью канюляции аорты имеет важное значение для качественного пищеварения. Кроме того, время разложения и концентрация ферментов могут быть оптимизированы для получения миоцитов самого высокого качества. Шаги, которые могут потребовать оптимизации, а также предложения по оптимизации указаны ниже.