Методическая статья

Изолировать миофибрили от биопсии скелетных мышц и определения контрактильной функции с помощью нано-ньютоновского разрешения силы трансдуцера

6.7K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/61002

⸱

7 мая 2020 г.

 ,  ,  ,  , 
1Department of Physiology, Amsterdam UMC, 2Department of Kinesiology and Physical Education, Faculty of Education, McGill University, 3IONOptix BV

В этой статье

Краткое содержание

Здесь представлен протокол для оценки контрактильные свойства полосатых мышечных миофибриллей с нано-ньютоновым разрешением. Протокол использует установку с интерферометрией на основе, оптический зонд силы. Эта установка генерирует данные с высоким соотношением сигнала к шуму и позволяет оценить контрактильной кинетики миофибрил.

Аннотация

Полосатые мышечные клетки незаменимы для активности человека и животных. Одиночные мышечные волокна состоят из миофибрил, которые состоят из последовательно связанных саркомеров, самых маленьких контрактильные единицы в мышцах. Саркомерная дисфункция способствует мышечной слабости у пациентов с мутациями в генах, кодирующих саркомерные белки. Изучение механики миофибриля позволяет оценить актин-миозин взаимодействия без потенциального путаницы эффекты поврежденных, смежных миофибрил при измерении контрактности одного мышечного волокна. Ультраструктурное повреждение и несогласованность миофибрил может способствовать нарушению контрактности. Если структурные повреждения присутствуют в миофибрилях, они, вероятно, ломаются во время процедуры изоляции или во время эксперимента. Кроме того, исследования в миофибрилях дают оценку актин-миозин взаимодействий в присутствии геометрических ограничений саркомеров. Например, измерения в миофибрилях могут выяснить, является ли дисфункция миофибриллярной является основным следствием мутации в саркомерных белках. Кроме того, перфузия с растворами кальция или соединений почти мгновенно из-за малого диаметра миофибриля. Это делает миофибриль в высшей степени подходящим для измерения темпов активации и релаксации во время силового производства. В протоколе, описанном в настоящем документе, используется оптический силовой зонд, основанный на принципе интерферометра Фабри-Перо, способного измерять силы в диапазоне нано-ньютона, в сочетании с двигателем длины пьезо и быстроступной системой перфузии. Эта установка позволяет изучать механику миофибриля с высоким разрешением измерения силы.

Введение

Полосатые мышечные клетки незаменимы для повседневной жизни. Движение конечностей, дыхательная функция и насосное движение сердца зависят от силы, генерируемой мышечными клетками. Скелетная мышца состоит из мышечных фасциклов, содержащих пучки одиночных мышечных волокон(рисунок 1A). Эти мышечные волокна состоят из миофибрил, которые образуются последовательно связанных саркомеров (Рисунок 1B,D). Саркомеры содержат тонкие и толстые нити. Они в основном состоят из цепей молекул актина и миозин, соответственно (Рисунок 1B). Взаимодействия Актин-миозин отвечают за силу генерирующей способности мышц. Пациенты с мутациями в генах, кодирующих саркомерные белки, такие как небулин, актин и тропонин Т, страдают мышечной слабостью из-за контрактнойдисфункции 1.

Качество мышечной контрактности можно изучать на различных уровнях организации, начиная от in vivo целые мышцы для актин-миозин взаимодействия в пробирке подвижности анализов. За последние десятилетия несколько исследовательских групп разработали установки для определения контрактности отдельныхмиофибрил 2,,3,,4,,5,,6,,7,,8,,9,,10. Эти установки основаны на обнаружении изменений в лазерном отклонении от кантилевера (т.е. оптического отклонения пучка), вызванного сокращением миофибриля (подробнее см. Labuda et al.11). Хотя определение контрактной функции миофибриля имеет некоторые ограничения (например, динамика процессов соединения возбуждения и сокращения, которые находятся вверх по течению от миофибрил, отсутствуют), есть несколько преимуществ этого подхода. К ним относятся: 1) способность оценивать актин-миозин взаимодействия в присутствии геометрических ограничений саркомеров; 2) способность оценивать актин-миозин взаимодействия без потенциального путаницы эффекты поврежденных, смежных миофибрил (при измерении контрактности одной мышцы волокон ультраструктурного повреждения и несогласованности миофибрил может способствовать нарушению контрактности) (Рисунок 1D); 3) малый диаметр миофибринов (1 мкм, рисунок 2A) и отсутствие мембран позволяют почти мгновенное распространение кальция в саркомеры. Кроме того, если структурные повреждения присутствуют в миофибрилях, они, вероятно, ломаются во время их изоляции или во время эксперимента. Таким образом, оценка миофибриль контрактности является элегантным методом для изучения основных механизмов сокращения мышц и понять, являются ли нарушенные актин-миозин взаимодействия являются основной причиной мышечных заболеваний, вызванных мутациями в саркомерных белков.

Этот протокол представляет собой недавно разработанную установку для определения контрактности миофибриллов, включающих силовой зонд кантилевера с нано-ньютоновским разрешением (т.е. Optiforce). Этот силовой зонд основан на принципе интерферометрии. Интерферометрия позволяет использовать относительно жесткие кантилеверы. Это позволяет измерить силу с небольшим отклонением кантилевера, приближаясь к изометрическим сокращениям миофибриля. Зонд позволяет оценить низкие пассивные и активные силы, которые производятся одним миофибрилем, изолированным от различных биопсий мышц, в том числе от человека, с высоким соотношением сигнала к шуму. Оптический силовой зонд кантилевера, включенный в эту установку, основан на интерферометреФабри-Перо 12. Интерферометр обнаруживает небольшие смещения между оптическим волокном и позолоченным кантилевером, установленным на ферруле(рисунок 3). Зазор между оптическим волокном и кантилевером называется полостью Фабри-Перот. Миофибрили устанавливаются между зондом и пьезо-мотором с использованием двух стеклянных волокон, покрытых клеем. Сила, производимая миофибрилем, может быть математически получена из данных интерферометра. Интерферометрия основана на суперпозиции или вмешательстве двух или более волн (в этой установке три световые волны). Лазерный свет длиной волны от 1528,77 до 1563,85 нм излучается из интерферометра и направляется через оптическое волокно. В зонде свет отражается 1) на стыке оптического волокна и среды(рисунок 3A); 2) на интерфейсе среды и кантилевера(рисунок 3B); и 3) на стыке металлического и золотого покрытия кантилевера(рисунок 3C). Отражение в интерфейсе А и В зависит от рефракционногоиндекса (n)среды, в которую погружается зонд. Свет, состоящий из трех наложенных отражений, возвращается к фотодиоду в интерферометре. Фотодиод измеряет интенсивность света, что является результатом интерференционной картины трех наложенных отражений. Когда контрактная сила генерируется путем активации или растяжения миофибриля, миофибриль тянет на кантилевер. Это движение изменяет размер полости(d) и, следовательно, количество длин волн, которые вписываются в полость. Свет, отраженный в кантилевере, будет иметь другую фазу, что приведет к другой схеме помех. Фотодиод записывает это изменение интенсивности интерференционной модели как изменение Вольтов. Впоследствии, myofibril силовой генерации рассчитывается из этого изменения, с учетом жесткости кантилевера. Силовой зонд откалиброван производителем, нажав кончик монтажной иглы, прикрепленный к свободной передаче конца кантилевера, против весовой шкалы, сохраняя при этом изгиб кантилевера, равный кратной длине волны лазерасчитывания 13. Таким образом, интерферометрия является весьма чувствительным методом обнаружения небольших изменений расстояния, позволяющим измерять силы с нано-ньютоновым разрешением. Это разрешение позволяет оценить производство миофибрилляции с высоким соотношением сигнала к шуму. В то время как традиционная интерферометрия ограничивает диапазон измерений линейной частью кривой интерференции, используя усилитель блокировки и модуляцию длины волны лазера,преодолевает это ограничение 14. Это более подробно описано в разделе обсуждения.

Для измерения миофибриля активного напряжения, быстро шаг перфузии система была включена подвергать миофибриля кальция решений(рисунок 4A). Система быстрой перфузии позволяет вносить изменения в раствор в пределах 10 мс. Из-за их малого диаметра, диффузии кальция в миофибриль почти мгновенно. Следовательно, эта система особенно подходит для измерения скорости связывания актин-миозин во время активации и высвобождения во время релаксации. Скорость активации (kACT) и релаксации (kREL) может быть определена по кривым активации релаксации. Кроме того, подвергая миофибрилляции кальция решения повышения концентрации, сила кальция отношения и чувствительность кальция может быть определена.

Кроме того, двигатель длины пьезо позволяет быстро растягиваться и сокращать миофибриль. Это дает возможность изучить вязко-вязкие свойства (т.е. пассивное напряжение) миофибриля, а также выполнение быстрого сокращения и рестайка миофибриля для определения скорости редевелопмента напряжения (kTR). Параметры, извлеченные из экспериментов с активным и пассивным напряжением, могут быть изменены генными мутациями в саркомерном белке.

Эта специально созданная установка была использована для измерения активных и пассивных контрактильные характеристики миофибрил, изолированных от здоровых человеческих, терпеливых и мышиных скелетных мышц.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Протокол для получения биопсии человека был одобрен институциональным советом по обзору в Медицинском центре Университета VU (#2014/396) и письменное информированное согласие было получено от испытуемых. Протокол для получения биопсии мышц животных был одобрен местным комитетом по этике животных университета VU (AVD114002016501)

1. Подготовка и изоляция миофибриля

ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте ранее описанные методы глицерината биопсии, подготовить различные концентрации кальция (pCa)решения 7,16,17, и изолировать миофибрили2,18.

  1. Оттепель расслабляющий (pCa 9.0, Rx) и активации (pCa 4.5, Закон) решения, а также ингибиторы (1 M E64, 1 M DTT, 1 M лейпептин, 1 M PMSF), которые хранятся при -80 градусов по Цельсию.
  2. Возьмите глицеринированный кусок полосатых биопсии мышц примерно 1мм 3 и поместите его в небольшую чашку Петри с 1:1 Rx/glycerol (v/v) раствор и поместите чашку Петри на холодную тарелку при 4 градусов по Цельсию.
  3. Рассекаете кусок мышцы с помощью микроскопа вскрытия и миппов, отделяя одиночные мышечные волокна, не изолируя их от части мышцы.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Удалите как можно больше жировой и соединительной ткани, чтобы предотвратить загрязнение подвески миофибриля.
  4. Перенесите кусок расчлененной ткани в трубку 5 мл с 1,5 мл расслабляющего раствора с ингибиторами (1 йл/мл E-64, 1 мл/мл лейпептина, 1 йл/мл ДТТ и 125 хл/мл ПМСФ). Дайте ткани закаляться при температуре около 4 градусов по Цельсию в течение 1 ч.
  5. Во время инкубации загрузим оба ПК, включите устройства и откройте связанное с ними программное обеспечение (см. таблицу материалов).
  6. Погрузите силовой зонд в ультрапурную воду в чашку Петри и откалибровайте зонд.
    1. Нажмите'Start Wizard'на интерферометре и следуйте инструкциям на экране. После нажатия Калибровка, нажмите на сцене микроскопа.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Нажатие на стадии микроскопа приведет к кантилевер отклоняться и проходить через бахрому. Это позволяет откалибровать зонд.
    2. Оставьте зонд погруженным в ультрачистую воду в чашке Петри после калибровки.
  7. Инициализируйте положение двигателя пьезо. Для этого следуйте одному из шагов, описанных ниже.
    1. Когда пьезо двигатель будет использоваться дляk TR напряженности, установить длину до 0 мкм.
      Настройки генератора сигналов можно найти в таблице 1, рисунок 5A.
    2. Когда пьезо двигатель будет использоваться для пассивного напряжения, установить длину до 50 мкм.
      Настройки генератора сигналов можно найти в таблице 1.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Разница между шагами является начальное положение двигателя длины пьезо. Чтобы растянуть миофибриль, пьезо двигатель должен тянуть, чтобы увеличить расстояние между обеими монтажных игл и удлинить миофибриль. Чтобы ослабить миофибриль, пьезо двигатель должен нажать, чтобы уменьшить расстояние между обеими монтажных игл и сократить миофибриль.
  8. Подготовьте слайд микроскопа. Pipette 150 Л раствора полигидроксиэтилметакрилата (поли-HEMA) (5% поли-HEMA в 95% этанола, ж / в) на слайде микроскопа и распространить его по слайду, чтобы все это покрыто.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если подвеска миофибриля трубят на неокрашенном слайде микроскопа, миофибрили, которые опускаются на дно будет придерживаться слайд микроскопа, и это не будет возможно, чтобы приклеить их.
  9. Заполните шприцы растворами pCa (см. рисунок 4A)и заполните систему перфузии.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В этих шагах все трубы предварительно заполнены с соответствующим решением, чтобы убедиться, что все пузырьки воздуха удаляются из труб.
    1. Заполните приток труб потока фонового потока камеры(рисунок 3, 4A)приток с Rx.
    2. При использовании, промыть многообразие с ультрачистой водой, чтобы удалить воздух. Для этого соедините шприц с ультрачистой водой к розетке и смойте в нем в обратном направлении. Заблокив неиспользованные порты многообразного.
    3. Включите каждый шприц pCa, чтобы заполнить свои соответствующие трубки с раствором pCa. Затем соедините их с многообразием и Ɵ стеклом.
    4. Откройте клапаны 1 и 6 с программным обеспечением панели получения данных(см. Таблицу материалов),проверяя кнопку ' 1'6' (рисунок6A),чтобы заполнить Ɵ-стекло с расслабляющим (pCa 9.0) и активации (4,5) решения и закрыть клапаны, когда Ɵ-стекло заполнено (Рисунок 6B).

2. Монтаж миофибриля

  1. Пальто микроскоп слайд с поли-HEMA для предотвращения миофибрильки от прилипания к стеклу.
  2. Подготовка гомогенизатора (см. таблицу материалов)для гомогенизации тканей. Очистите внутренний стержень ротора с чистой бумагой ткани, собрать гомогенизатор, и спина 1x для 15 с в спирте и трижды по 15 с каждый в ультрапурной воде. Предварительно процразить гомогенизатор в расслабляющем растворе 1 x для 15 с на льду.
  3. Поместите стержень гомогенизатора в трубку, содержащую мышечную ткань, как описано в шаге 1.4 и, сохраняя трубку на льду, спина ротора на 15 с на скорости 5, чтобы разорвать мышечную ткань и получить подвеску миофибриля.
  4. Пипетка 50 йл подвески миофибриля и 250 йл расслабляющего раствора на слайде микроскопа, покрытом поли-HEMA в тканевой ванне. Это сформирует жидкое падение. Накройте ванну крышкой, чтобы защитить от пыли и ждать 5-10 минут, чтобы миофибрили опуститься на дно.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Соотношение между подвеской и расслабляющим раствором зависит от качества изоляции, поэтому соответствующим образом корректируется. Например, если доходность миофибриля низкая и мало подходящих миофибрилляций присутствуют в подвеске, добавьте больше подвески миофибриля и разбавьте менее расслабляющим раствором (например, 75 мл подвески миофибриля и 225 йл расслабляющего раствора). Сердечную и скелетную мышечную ткань легко распознать из-за ее структуры. Используя цель 10x или 40x, эта закономерность также видна в одной миофибриле. В случае, если другие ткани присутствуют в подвеске, миофибриллы могут быть выбраны визуально. Можно пропустить 5-10 минут ожидания. Тем не менее, это увеличивает сложность склеивания миофибриля.
  5. Пальто монтажные иглы с клеем (оболочка и этанол; 120 мг шелухи в 2 мл 70% этанола). Для этого нагрейте клей при температуре 65 градусов по Цельсию в течение 30-60 с и пипетку 6 йл на новой стеклянной горке без покрытия. Опустите кончик каждой монтажной иглы в клей и повторяйте до тех пор, пока не будет виден слой клея. Перемести зонд и пьезо вверх вертикально с микроманипуляторами, чтобы освободить место для места ванны ткани на стадии микроскопа. Удалите стеклянную горку, содержащую клей.
  6. Монтаж миофибриль
    1. Поместите ванну с микроскопом слайд покрыты поли-HEMA, содержащий подвеску миофибриля на стадии микроскопа. Используйте сцену, чтобы найти подходящий миофибриль с целью 40x. При необходимости переместите и поверните тканевую ванну, чтобы переместить миофибриль в монтируемое положение.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Ищите миофибрильки с видимым рисунком полосы длиной около 30 мкм. Как подробно описано в шагах 3.1 и 3.2.1 можно проверить длину и длину саркомера до склеивания миофибриля. Не клея разорванные миофибриль, потому что они могут сломаться во время сокращения.
    2. Сдвиньте камеру потока на место прямо над каплей жидкости, содержащей миофибриль в тканевой ванне (начатой на слайд в шаге 2.4) и опустите ее. Остановитесь, прежде чем он попадает в жидкое падение.
    3. Опустите пьезо монтаж иглы и нажмите его на нижней оконечности миофибриля. Поднимите его немного, чтобы проверить, если миофибриль прилагается к игле.
    4. Опустите камеру потока достаточно далеко для монтажной иглы зонда, чтобы достичь дна без зонда касаясь камеры потока.
    5. Нажмите монтажную иглу зонда на верхнюю оконечность миофибриля. Поднимите его немного, чтобы проверить, если миофибриль прилагается к игле.
    6. Поднимите миофибриль со дна ванны, насколько это возможно, не теряя способности фокусироваться без объективного прикосновения к нижней части стекла.

3. Первоначальный эксперимент

  1. Используйте микроманипуляторы, камеру и программное обеспечение системного контроллера(рисунок 7A, см. Таблицу материалов) для измерения длины саркомера. Перемести пьезо и/или силовой зонд, чтобы установить начальную длину саркомера миофибриля до 2,5 мкм.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Саркомерная длина 2,5 мкм обеспечивает оптимальное перекрытие между головками миозин и актином.
  2. Используя функцию сосуда программного обеспечения системного контроллера, измеряйте длину и ширину миофибриля(рисунок 7B,C).
    ПРИМЕЧАНИЕ: При повороте камеры, он может наклоняться горизонтально и / или вертикально. Чтобы проверить выравнивание камеры, уровень духа может быть использован для проверки того, что камера вращается и не наклонена.
    1. Распоить миофибриль в центре видео изображения с помощью микроскопа.
    2. Нарисуйте квадрат с одной стороны миофибриля на другую. Для длины, убедитесь, что включить темный край клея капель(рисунок 2A) в квадрате, потому что обработка изображения основана на контрасте.
    3. Начните записывать данные в программное обеспечение контроллера системы (см.Таблицу материалов), нажав 'Start' и после 5 с паузы системного контроллера записи программных данных, нажав кнопку 'Пауза' . Длина теперь записана в данных.
    4. Для ширины сначала поверните камеру на 90 градусов (см. таблицу материалов),а затем используйте контраст края самого миофибриля.
    5. Начните записывать данные в программное обеспечение контроллера системы (см. Таблицу материалов),нажав 'Start' и после 5 с паузы системного контроллера записи программных данных, нажавкнопку 'Пауза'. Ширина теперь записана в данных.
  3. Если необходимо определить активное напряжение миофибриля, необходимо использовать установку перфузии. Если это так, продолжайте шаг 3.4. Если будет определено только пассивное напряжение, пропустите шаги 3.4-4.1.3.7 и продолжайте на шаге 4.2.
  4. Позиция и инициализировать установку перфузии.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Это необходимо только для генерации активной силы. Продолжайте шаг 4.2 при выполнении экспериментов пассивного напряжения.
    1. Установите быстро шаговую моторную позицию на 4 V(рисунок 5B).
    2. Сдвиньте перфузию стоять на столе, чтобы выровнять левый нижний угол стенда с лентой на столе.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Будьте осторожны, чтобы не попасть в силу зонда или пьезо двигателя.
    3. Используйте манипулятор, чтобы примерно Ɵ стекло на глаз.
    4. Посмотрите через окуляр и осторожно переместите Ɵ к миофибрилю с помощью манипулятора.
    5. Выровнять верхний канал Ɵ-стекло с миофибрилем с помощью манипулятора и проверить положение, выполняя быстрый шаг (настройки генератора сигнала можно найти в таблице 1) с программным обеспечением контроллера системы(рисунок 2B-C, см. Таблицу материалов).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что нижний канал будет выровнен с миофибрилем во время фазы активации быстрого шага(рисунок 2B-C).
  5. Включите фоновый поток Rx(рисунок 4A), чтобы создать поток ламинарного фона в камере потока.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Фоновый поток необходим для предотвращения турбулентного потока в результате потока раствора pCa из Ɵ-стекла.
    1. Включите приток камеры потока с рычагом клапана Luer.
      1. Отправить следующие параметры на отток насоса, чтобы начать осушеть камеру потока и предотвратить переполнение камеры потока (Рисунок 9): Клапан и клапан ванны (2); Режим микростепа - Micro; Целевой показатель Плункера - 48 000 евро; Скорость погружения 38-40 (произвольный).
        ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что уровень жидкости стабилен во все времена. Миофибриль не должен иссякнуть, как и кантилевер. Лучше иметь небольшой перелив, чем слишком мало потока.
  6. Чтобы установить температуру до нужного значения с термоэлектрическим контроллером температуры(рисунок 8, см. Таблицу материалов), введите нужную температуру и нажмите'Старт'. Подождите, пока желаемая температура не будет достигнута, проверив график в программном обеспечении термоэлектрического контроллера температуры и продолжайте.
    ПРИМЕЧАНИЕ: При проведении экспериментов при комнатной температуре термоэлектрический контроллер температуры не должен использоваться.

4. Экспериментальный протокол (ы)

  1. Решите, какие протоколы активной силы должны быть выполнены.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В зависимости от данных, необходимых для исследования, может быть проведено несколько типов активных силовых экспериментов: шаг 4.1.1, измерение максимальной силы при насыщенииот 2 до 2 евро]; шаг 4.1.2, получение кривой Force-pCa для определения чувствительности кальция в дополнение к шагу 4.1.1; шаг 4.1.3, определяющий скорость перестройки напряжения путем составления протокола сокращения рестайка в дополнение к шагу 4.1.1 или 4.1.2.
    1. Измерьте максимальную активную силу.
      1. Начните записывать данные в программное обеспечение контроллера системы (см. Таблицуматериалов), нажав' Начало'.
      2. Откройте клапаны 1 и 6 с помощью панели сбора данных (см. таблицуматериалов),проверяя кнопку '1'6', чтобы начать Ɵ-стеклянный поток расслабляющего решения и активации решения через Ɵ-стекло(рисунок 6A).
      3. Сбросить диапазон интерферометра так, чтобы базовая сила 0 V, выбрав и нажав 'Диапазон сброса' на интерферометре (см. таблицу материалов).
      4. Когда след силы стабилен, выполните Ɵ быстро шаг (размер шага 100 мкм).
        Настройки генератора сигналов можно найти в таблице 1 (рисунок 5C). След активации-расслабления, похожий на рисунок 4D, будет записан и виден в программном обеспечении системного контроллера.
      5. Приостановить запись программного обеспечения контроллера системы, нажавкнопку«Пауза».
      6. Если больше не будут выполняться активации, закройте клапаны 1 и 6, чтобы остановить поток Ɵ-стекла, контролируя кнопку '1'6'(рисунок 6B), остановите шприц насос(рисунок 9, см. Таблица материалов), нажав 'Прекратить', и остановить фоновый поток, закрыв клапан Luer.
    2. Кривая силы-pCa
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это похоже на шаг 4.1.1 для получения максимальной активной силы, но с несколькими активациями с использованием различных решений pCa.
      1. Начните записывать данные в программное обеспечение контроллера системы, нажавкнопку "Старт".
      2. Откройте клапаны 1 и 2 с программным обеспечением панели сбора данных, чтобы начать поток расслабляющего решения и pCa 6.2 Ɵ стекло.
      3. Диапазон сброса интерферометра таким образом, чтобы базовая сила была 0 В, выбравинажав на диапазон сброса на интерферометре.
      4. Когда след силы стабилен, выполните Ɵ быстро шаг (размер шага 100 мкм).
        Настройки генератора сигналов можно найти в таблице 1.
      5. Приостановить программное обеспечение системного контроллера, нажавкнопку 'Пауза'.
      6. Повторите шаги 4.1.2.1-4.1.2.4 для клапанов 1 и 3 (pCa 5.8), клапанов 1 и 4 (pCa 5.6), клапанов 1 и 5 (pCa 5.4), и клапанов 1 и 6 (pCa 4.5).
      7. Если больше не будут выполняться активации, закройте клапаны 1 и 6, чтобы остановить поток Ɵ-стекла, контролируя кнопку '1'6'(рисунок 6A),остановите шприц-насос(рисунок 9), нажав 'Прекратить', и остановить фоновый поток, закрыв клапан Luer.
    3. Измерить скорость редевелопмента напряжения (kTR).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это похоже на шаг 4.1.1 для максимальной активной силы, но с некоторыми изменениями и дополнительными шагами.
      1. Рассчитайте движение пьезо, необходимое для ослабления миофибриля на 15% и введите это значение вгенераторе сигналов (рисунок 5D, Таблица 1).
      2. Начните записывать данные в программное обеспечение контроллера системы, нажав'Start'.
      3. Откройте клапаны 1 и 6 с программного обеспечения длясбора данных (рисунок 6A),чтобы начать поток расслабляющего решения и pCa 4.5 Ɵ стекло.
      4. Диапазон сброса интерферометра таким образом, чтобы базовая сила была 0 В, выбравинажав на диапазон сброса на интерферометре.
      5. Когда след силы стабилен, выполните Ɵ быстро шаг (размер шага 100 мкм).
        Настройки генератора сигналов можно найти в таблице 1.
      6. Когда сила плато будет достигнута, выполнить сокращение-restretch с пьезо.
        Настройки генератора сигналов можно найти в(рисунок 5D, таблица 1). След активации-расслабления, похожий на рисунок 4E, будет записан и виден в программном обеспечении системного контроллера.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Пользовательский протокол может быть сделан для автоматизации шагов выше.
      7. Приостановить программное обеспечение системного контроллера, нажавкнопку 'Пауза'.
      8. Если больше не будут выполняться активации, закройте клапаны 1 и 6, чтобы остановить поток Ɵ-стекла, контролируя кнопку '1'6'(рисунок 6B), остановите шприц насос (Рисунок 9), нажав 'Прекратить', и остановить фоновый поток, закрыв клапан Luer.
  2. Выполняем пассивные измерения силы.
    1. Выполните непрерывный стрейч.
      1. Рассчитайте движение пьезо, необходимое для растяжения миофибриля и введите это значение в генераторе сигналов(таблица 1).
        ПРИМЕЧАНИЕ: Это пример параметров. Рассчитайте количество растяжения и время растяжения относительно длины саркомера. Эти настройки необходимы для обеспечения того, чтобы скорость растяжения на саркомер остается равной по миофибрилям.
      2. Начните записывать данные в программное обеспечение контроллера системы, нажав'Start'.
      3. Диапазон сброса интерферометра таким образом, чтобы базовая сила была 0 В, выбравинажав на диапазон сброса на интерферометре.
      4. Выполните непрерывный стрейч с генератором сигнала в программном обеспечении контроллера системы для работы пьезо. Пример параметров генератора сигналов можно найти в таблице 1.
      5. Сократите миофибриль, чтобы ослабить длину с пьезо после завершения растяжения(таблица 1).
    2. Выполните шаг за шагом стрейч.
      1. Начните записывать данные в программное обеспечение контроллера системы, нажав'Start'.
      2. Диапазон сброса интерферометра таким образом, чтобы базовая сила была 0 В, выбравинажав на диапазон сброса на интерферометре.
      3. Выполните шаг за шагом стрейч с генератором сигнала в программном обеспечении контроллера системы для работы пьезо. Пример параметров генератора сигналов можно найти в таблице 1 (рисунок 5E).
    3. Сократите миофибриль, чтобы ослабить длину с пьезо после растяжения закончена. Пример параметров генератора сигналов можно найти в таблице 1.
  3. Приостановить программное обеспечение системного контроллера, нажавкнопку 'Пауза'.
  4. Остановите запись данных, нажав кнопку'Stop'в программном обеспечении системного контроллера.
  5. Сохраните данные, нажав 'Файл' и ' Сохранитьданные ' впрограммном обеспечении контроллера системы.

5. Очистка

  1. Удалите измеренную миофибриль и приготовьтесь к следующему миофибрилю.
    1. Чтобы сделать это, осторожно оторвать миофибриль, глядя через глаз с 40x цели.
    2. Перемести вверх силовой зонд и пьезо. Двигайтесь вверх Ɵ стеклом вверх, вправо и в спину. Затем двигайтесь вверх и сползай от камеры потока. Удалите тканевую ванну.
    3. Чтобы очистить монтажную иглу, привести его в фокус с помощью 10x и глаз. Опустите щетку в этанол и тщательно отмахнуться и удалить клей с иглы.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Имейте в виду, что это может занять некоторое время, прежде чем клей отключается.
    4. Промыть поток камеры и ткани ванны с ультрачистой водой.
    5. Поместите зонд в небольшую чашку Петри, наполненную ультрачистой водой. Убедитесь, что зонд полностью подводной.
  2. Когда эксперименты будут закончены, очистите настройку как выше и выполните следующие дополнительные шаги.
    1. Освободите трубки от ванны потока. Отправить параметры для оттока шприц насоса (см. Таблицу материалов, рисунок 9). Клапан и клапан ванны (2); Режим микростепа - Нормальный; Целевой показатель Плункера No 0; Скорость погружения 30.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Прекратите команду, когда трубка пуста.
    2. Инициализировать насос несколько раз(рисунок 9B).
    3. Слейте шприцы. Для этого закройте все клапаны Luer, откройте все клапаны, снимите трубки с иглы шприца, удерживайте трубку конкретного pCa под иглой и откройте клапан Luer. Используйте вилки давления, чтобы ускорить процесс.
    4. Прикрепите трубку к игле шприца. Заполните шприцы 5 мл ультрачистой воды. Поместите чашку под Ɵ стекло. Откройте все клапаны и откройте клапан давления, чтобы промыть систему.
    5. Выключите систему. Выключите блок питания ПК, интерферометра и контроллера пьезо.

6. Анализ данных

  1. Экспортные следы данных от программного обеспечения контроллера системы (см.Таблицу материалов) до программы программного обеспечения электронной таблицы или буфера обмена, открыв файл данных и выбрав нужный сегмент. Показанные следы будут экспортироваться (например, сырая сила, длина саркомера и положение пьезо).
  2. Выполняем анализ с помощью программного обеспечения по выбору (например, MATLAB).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Следы данных были записаны и открыты с помощью программного обеспечения контроллера системы (см. таблицу материалов). Полные следы или выбранные сегменты были экспортированы в буфер обмена или текстовый файл для дальнейшего анализа с желаемым программным обеспечением. Клапаны для управления потоком различных решений были переключены с помощью пользовательского программного обеспечения или вручную. Пользовательский скрипт MATLAB был использован для анализа темпов активации, реконструкции напряжения и рела...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Описан протокол для оценки контрактильной функции миофибрил, изолированных от человеческих или животных скелетных мышечных тканей. Силовое разрешение этой установки было описано ранее Chavan et al.12. Короче говоря, это определяется случайными колебаниями длины полости Фабри-Перо, образовавав место между обнаружением волокна и кантилевером, которые производят доминирующую часть шума на выходе считывания (выраженного в V), который, помноженные на чувствительность отклонения (выраженную в м/в) и пру...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Михель Хельмес является акционером и совладельцем IONOptix Inc.

Благодарности

Этот проект финансировался AFM-Telethon и Фондом «Строительная сила для Немалин Миопати». Авторы хотели бы отметить создателя продуктов, упомянутых в этой статье, IONOptix Inc.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Био Спек Продактс, Инк.985370-XLДля изоляции миофибрилл
Изготовлен по индивидуальному заказуMatlab
Изготовлен по индивидуальному заказуВключает программу Labview для управления последовательным соединением; Для управления клапанами
ИзготовленоДля охлаждения модуля
Изготовлено
заказ ИзготовленоКамера из алюминиевой ткани
ИзготовленоДля управления клапанами; Включает в себя программное обеспечение для ПК для управления через USB
IonOptix: программное обеспечение для записи данных с усовершенствованным генератором сигналов для пьезо и быстродействием
IonOptixMCS100Для записи длины
IonOptixВключает в себя: Optiforce (интерферометр), микроманипуляторы, сигнальный интерфейс, пьезомотор и контроллер. На базе мышечного растяжителя
IonOptixСиловой зонд
KoolanceADT-EX004S
KoolanceEX2-755Для охлаждения модуля Пельтье Microsoft
Регистрация
OlympusIX71
OlympusTH4-200
Sigma-Aldrich529265поли(2-гидроксиэтилметакрилат); Покрытие для предметных стекол микроскопа для предотвращения слипания тканей
Sigma-Aldrich78471Кристаллы растворяются в этаноле с последующим образованием
TE Technology, Inc.TE-63-1.0-1.3Для охлаждения проточной камеры
тканей TE Technology, Inc.TC-720включает в себя программное обеспечение для ПК для управления USB
Tecan Trading AG20736652
Tecan Trading AG20739263Шприцевой насос для индуцирования фонового потока вместе с системой быстрой перфузии; Отток из тканевой проточной камеры
Thermo scientific2441081
Warner Instruments (Harvard Bioscience, Inc.)Снятая с производстваальтернатива: SF-77CST/VCS-77CSP
Warner Instruments (Harvard Bioscience, Inc.)TG150-4Для перфузии тканей
1 ПК для IonWizard и 1 ПК для другого программного обеспечения
на заказ Пельтьена на заказ на заказ Программное обеспечение контроллера системысаркомераданныхклея

Ссылки

  1. Winter, J. M., Ottenheijm, C. A. C. Sarcomere Dysfunction in Nemaline Myopathy. J. Neuromuscular. Disease. 4, 99-113 (2017).
  2. Colomo, F., Piroddi, N., Poggesi, C., te Kronnie, G., Tesi, C. Active and passive forces of isolated myofibrils from cardiac and fast skeletal muscle of the frog. Journal of Physiology. 500, Pt 2 535-548 (1997).
  3. Kulke, M., et al. a major source of myofibrillar stiffness in Drosophila indirect flight muscle. Journal of Cell Biology. 154, 1045-1057 (2001).
  4. Stehle, R., et al. Isometric force kinetics upon rapid activation and relaxation of mouse, guinea pig and human heart muscle studied on the subcellular myofibrillar level. Basic Research in Cardiology. 97, Suppl 1 127-135 (2002).
  5. Iorga, B., et al. Micromechanical function of myofibrils isolated from skeletal and cardiac muscles of the zebrafish. Journal of General Physiology. 137, 255-270 (2011).
  6. Ribeiro, P. A. B., et al. Contractility of myofibrils from the heart and diaphragm muscles measured with atomic force cantilevers: Effects of heart-specific deletion of arginyl-tRNA-protein transferase. International Journal of Cardiology. 168, 3564-3571 (2013).
  7. Joureau, B., et al. Dysfunctional sarcomere contractility contributes to muscle weakness in ACTA1-related nemaline myopathy (NEM3). Annals of Neurology. 83, 269-282 (2018).
  8. de Souza Leite, F., Minozzo, F. C., Altman, D., Rassier, D. E. Microfluidic perfusion shows intersarcomere dynamics within single skeletal muscle myofibrils. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114, 8794-8799 (2017).
  9. Shalabi, N., Cornachione, A., de Souza Leite, F., Vengallatore, S., Rassier, D. E. Residual force enhancement is regulated by titin in skeletal and cardiac myofibrils. Journal of Physiology. 595, 2085-2098 (2017).
  10. Cornachione, A. S., Leite, F., Bagni, M. A., Rassier, D. E. The increase in non-cross-bridge forces after stretch of activated striated muscle is related to titin isoforms. American Journal of Physiology - Cell Physiology. 310, 19-26 (2016).
  11. Labuda, A., Brastaviceanu, T., Pavlov, I., Paul, W., Rassier, D. E. Optical detection system for probing cantilever deflections parallel to a sample surface. Review of Scientific Instruments. 82, 013701(2011).
  12. Chavan, D., et al. Ferrule-top nanoindenter: an optomechanical fiber sensor for nanoindentation. Review of Scientific Instruments. 83, 115110(2012).
  13. Beekmans, S. V., Iannuzzi, D. A metrological approach for the calibration of force transducers with interferometric readout. Surface Topography: Metrology and Properties. 3, (2015).
  14. van Hoorn, H., Kurniawan, N. A., Koenderink, G. H., Iannuzzi, D. Local dynamic mechanical analysis for heterogeneous soft matter using ferrule-top indentation. Soft Matter. 12, 3066-3073 (2016).
  15. Winter, J. M., et al. KBTBD13 is an actin-binding protein that modulates muscle kinetics. Journal of Clinical Investigation. , (2019).
  16. Winter, J. M., et al. Mutation-specific effects on thin filament length in thin filament myopathy. Annals of Neurology. 79, 959-969 (2016).
  17. Ottenheijm, C. A. C., et al. Deleting exon 55 from the nebulin gene induces severe muscle weakness in a mouse model for nemaline myopathy. Brain. 136, 1718-1731 (2013).
  18. Ribeiro, P. A., et al. Contractility of myofibrils from the heart and diaphragm muscles measured with atomic force cantilevers: effects of heart-specific deletion of arginyl-tRNA-protein transferase. International Journal of Cardiology. 168, 3564-3571 (2013).
  19. Pinniger, G. J., Bruton, J. D., Westerblad, H., Ranatunga, K. W. Effects of a Myosin-II Inhibitor (N-benzyl-p-toluene Sulphonamide, BTS) on Contractile Characteristics of Intact Fast-twitch Mammalian Muscle Fibres. Journal of Muscle Research and Cell Motililty. 26, 135-141 (2005).
  20. Stehle, R., Krüger, M., Pfitzer, G. Force kinetics and individual sarcomere dynamics in cardiac myofibrils after rapid Ca(2+) changes. Biophysics Journal. 83, 2152-2161 (2002).
  21. Najafi, A., et al. End-diastolic force pre-activates cardiomyocytes and determines contractile force: role of titin and calcium. Journal of Physiology. 597, 4521-4531 (2019).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи