Kardiyomiyositler kalp için kasılma kuvveti sağlar. Her miyosit, kasılma için gerekli olan organize hücre iskeleti ve kasılma elemanlarını içerir. Kalp sadece kardiyomiyositleri değil, aynı zamanda fibroblastları, bağ dokusunu ve Purkinje lifleri gibi modifiye miyositleri de içerir. Bu hücre tiplerinin herhangi birinde veya tümünde meydana gelen değişiklikler kalp yetmezliğinde görülebilir ve bu da kalp fonksiyon bozukluğunun nihai nedeninin belirlenmesini zorlaştırır. Başarısız bir kalbin azalmış ventriküler kontraktilitesinden önce, değişen derecelerde fibröz doku birikimi ve kardiyomiyositlerin hipertrofisi ve disfonksiyonu görülür1. Aritmiler, iletken hücrelerdeki(2) işlev bozukluğundan, kardiyak iletimi kesintiye uğratan fibrozdan3 veya kardiyomiyositlerdeki(1,4) iyon kanallarının ekspresyonundaki değişikliklerden kaynaklanabilir. Aslında, bu sorunlar genellikle karmaşık bir şekilde bir arada var olur.
Kardiyomiyositlerin izole edilmesi ve incelenmesi, genel kalp fonksiyonu bağlamında tek tek miyositlerin kasılma ve elektriksel işlev bozukluğunun incelenmesine olanak tanır. Bireysel kardiyak miyositleri izole etmek için teknikler, kalbin bu 'beygir' hücresinin fizyolojisini daha iyi incelemek amacıyla 40 yıldan fazla bir süre önce geliştirildi. İlk olarak 1970 yılında gerçekleştirilen aort kanülasyonu yoluyla koroner perfüzyonun hayati gelişimi ile hücrelerin verimini ve kalitesini artırmak için izolasyon teknikleri geliştirilmiştir5. Bu makale, kardiyomiyosit izolasyonunu ve ardından oransal floresan ve hücre boyutlandırma veri toplama yazılımı kullanılarak kasılma ve kalsiyum geçişlerinin ölçümünü açıklamaktadır. Kalp hastalığının hem genetik hem de çevresel modellerinde, bu protokolün kullanılması hücre kontraktilitesi, sarkomerik kontraktilitesi ve gevşemesi, kalsiyum geçişleri ve hücre iskeleti bozulması hakkında önemli bilgiler sağlar. Bu sistem genellikle ilaçların izole edilmiş kardiyomiyositler6,7 üzerindeki etkisini test etmek için kullanılır. Sistemi, yabani tip fareler ve dilate kardiyomiyopatiye yol açan bir mutasyona sahip fareler arasındaki kardiyomiyositlerin kontraktilitesini ve kalsiyum geçişlerini karşılaştırmak için kullanıyoruz.
Tek tek kardiyak miyositleri incelemenin, kardiyak anatomi ve fizyolojiyi incelemek için yaygın olarak kullanılan diğer yöntemlere göre sayısız avantajı vardır. Ekokardiyografi ve elektrokardiyografi, genel olarak kalbin kasılma fonksiyonu ve elektriksel iletimi hakkında bilgi sağlar. Bu yöntemlerin hiçbiri, tüm organın seviyesinin altındaki işlev bozukluğunun nedenini veya doğasını açıklamaz. Kenar algılama ve sarkomer uzunluk algoritmaları kullanılarak bireysel kardiyomiyositlerin kontraktilitesinin ölçülmesi, kalbin kasılma hücresindeki değişikliklerin küresel kalp disfonksiyonu içinde mevcut olduğunu gösterebilir. Kalsiyum geçişlerinin ölçülmesi, hücresel düzeyde iyon akışındaki değişikliklerin kasılma disfonksiyonu veya aritmilere etkisini gösterir.
Tüm organ çalışmalarını tamamlamanın yanı sıra, bu protokol hücre altı bileşenler için kolayca boyanabilen hücreler sağlar. Tüm kalbin doku bölümlerini boyayarak hücre iskeleti değişikliklerini görmek mümkündür; Bununla birlikte, hücrelerin yalnızca bir kesiti görselleştirilebilir. Bütün bir kardiyomiyosit, tipik doku bölümünden daha kalındır ve kardiyomiyositlerin düzeni ve uzunluğu göz önüne alındığında, tüm hücreleri tek bir bölümde görmek zordur. İzole edilmiş kardiyomiyositler hemen tespit edilebilir ve çeşitli hücre iskeleti elemanları ve iyon kanalları için boyanabilir. Konfokal görüntüler, hücrenin tam kalınlıkta z-yığınları halinde derlenebilir. Ek olarak, izole edilmiş kardiyak miyositlerin boyanması, t-tübüller olarak bilinen zar istilaları gibi bölümlerde görselleştirilmesi imkansız olan bileşenlerin boyanmasına izin verir.
Kardiyak miyositlerin kültürlenmiş hücre hatları mevcuttur, bunların bazıları kardiyak miyositlere benzer transkripsiyonel profillere ve fenotipik özelliklere sahiptir. HL-1 hücre hattı gibi bazıları, bazı sarkomerik organizasyonları ve ilkel kasılma yeteneklerini bile korur8. Bu niteliklere rağmen, kültürlenmiş hücreler kardiyomiyositlerin "kutu araba" şeklinden ve t-tübül yapısından yoksundur ve daha az sarkomerik organizasyona sahiptir. Bu bileşenler, in vivo kardiyomiyositlerin işlevi için gereklidir. Ek olarak, kültürlenmiş hücrelerin kullanılması genetik manipülasyona izin verir, ancak in vivo fizyolojik manipülasyona izin vermez. İzole edilmiş kardiyomiyositler, hücresel organizasyonlarını çalışmak için yeterince uzun süre korurlar, ancak yine de kolayca görüntülenir ve hatta transdüksiyonyaparlar 9.
İzole kardiyomiyositler son derece çok yönlüdür ve çeşitli deneysel koşullardan hücreleri aynı şekilde analiz etmek için bir substrat sağlar. Miyositlerin izolasyonu ve fizyolojik analizi, ilaçların6,7 veya küçük moleküllerin10, çevresel stres faktörlerinin11, enfeksiyon12, hastalık13 veya genetik mutasyonun14,15 kasılma ve/veya kalsiyum geçişleri üzerindeki etkisinin incelenmesi ve bir kardiyomiyosit15-17 içinde kasılma ve kalsiyum salınımının düzenlenmesinin incelenmesi dahil olmak üzere çeşitli deneyler için sayısız laboratuvar tarafından kullanılmıştır. Bu stres faktörlerinden herhangi birinin uygulanmasıyla, kalp fonksiyonundaki değişiklikler, kardiyomiyositlerin kendisindeki değişikliklerin ve yara izi, iletkenlikteki değişiklikler veya hücre dışı matristeki değişiklikler gibi kalbin çevresindeki değişikliklerin herhangi bir kombinasyonuna bağlı olabilir. Bu, herhangi bir nedenden kaynaklanan kalp yetmezliği bağlamında bireysel miyosit yapısı ve işlevi ile ilgili araştırma sorularını yanıtlamak için ideal bir protokoldür.
Diğer tekniklere göre sayısız avantajı olmasına rağmen, izole kardiyomiyositlerin fizyolojik analizi her araştırma sorusu için ideal değildir. İzolasyon terminal bir prosedürdür, bu nedenle kardiyomiyositler farenin yaşamında yalnızca bir kez değerlendirilebilir. Bu, kohortlar kullanılarak ve hastalık gelişimi boyunca tek tek fareleri feda ederek veya izolasyondan önce klinik olarak önemli kalp yetmezliği olup olmadığını belirlemek için fareyi izleyerek kısmen üstesinden gelinebilir. Bu protokol kardiyomiyosit disfonksiyonunun meydana gelip gelmediğini belirleyebilse de, ek deneysel bilgi olmadan bu disfonksiyonun kalp yetmezliğinin temel nedeni olduğu sonucuna varılamaz. Kardiyomiyosit disfonksiyonunun kendisinin kalpteki diğer değişikliklere ikincil olması mümkündür. Bu zorluklara rağmen, kardiyomiyositleri incelemek, özellikle diğer deneylerle birleştirildiğinde, kalpteki işlev bozukluğunun doğasını belirlemede değerli bilgiler sunar.
Aşağıdaki protokol, Vanderbilt Üniversitesi'nden Dr. Chee Lim tarafından sağlanan bir protokolden uyarlanmıştır. Kontraktilite ve kalsiyum akışı verileri, kalpleri genetik veya çevresel manipülasyonla karşılaştırmada yüksek oranda tekrarlanabilir ve yararlı olmasına rağmen, izolasyonun kendisi optimizasyon gerektiren tekniğe bağlı bir protokol olmaya devam etmektedir. Kalbin fareden çıkarılması ile kalbin aort kanülasyonu yoluyla perfüze edilmesi arasındaki süreyi en aza indirmek, kaliteli bir sindirim için çok önemlidir. Ek olarak, sindirim süresi ve enzim konsantrasyonu en yüksek kalitedeki miyositler için optimize edilebilir. Optimizasyon gerektirebilecek adımlar, optimizasyon önerileriyle birlikte aşağıda belirtilmiştir.