הערכה של סידן ניצוצות בסיבי שריר שלד שלמים

Biology

Your institution must subscribe to JoVE's Biology section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

שתואר כאן היא שיטה למדידה ישירה ניצוצות סידן, היחידות יסודי של Ca 2 + שחרור מreticulum sarcoplasmic בסיבי שריר שלד בשלמותה. בשיטה זו משתמשת האוסמוטי-תיווך מתח מפעילה של Ca 2 + שחרור מקולט ryanodine בסיבי שריר מבודדים. יכולים להיות מועסק הדינמיקה ויכולת homeostatic של Ca 2 + איתות תאית כדי להעריך את תפקוד שרירים בבריאות ובחוליים.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Park, K. H., Weisleder, N., Zhou, J., Gumpper, K., Zhou, X., Duann, P., Ma, J., Lin, P. H. Assessment of Calcium Sparks in Intact Skeletal Muscle Fibers. J. Vis. Exp. (84), e50898, doi:10.3791/50898 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

שמירה על האיתות + homeostatic Ca 2 היא תהליך פיסיולוגי בסיסי בתאים חיים. Ca 2 + ניצוצות הם היחידות היסודיים של Ca 2 + האיתות בסיבי השריר המפוספס שמופיעים מקומיים כמאוד 2 אירועי שחרור Ca + מתווכים על ידי קולטן ryanodine (RyR) Ca 2 + לשחרר ערוצים בreticulum sarcoplasmic (SR) בממברנה. הערכה נכונה של השרירים Ca 2 + ניצוצות יכולים לספק מידע על Ca 2 + מאפייני טיפול תאיים של שרירים משורטטים בריאים וחולים. למרות Ca 2 + ניצוצות אירועים נראים בדרך כלל בשריר לב במנוחה, הם נשמרים רק לעתים נדירות במנוחת סיבי שריר שלד, ולכן יש צורך בשיטות להפקת ולנתח ניצוצות בסיבי שריר שלד.

המפורטים כאן הוא פרוטוקול ניסוי למדידת Ca 2 + ניצוצות בdigitorm brevis סיבי שריר מכופף מבודד (FDB) באמצעות fluorescent Ca 2 + דדים ומיקרוסקופיה confocal סריקת לייזר. בגישה זו, סיבי FDB מבודדים נחשפים ללחץ hypoosmotic חולף ואחרי חזרה לפתרון פיסיולוגי איזוטוני. בתנאים אלה, Ca 2 + חזק ניצוצות התגובה מזוהה סמוכה לממברנה sarcolemmal בסיבי שריר צעירים ובריאים FDB. Ca 2 + שינה ניצוצות תגובה מזוהה בסיבי שריר שלד dystrophic או בגיל. גישה זו הוכיחה לאחרונה כי איתות מופרדת קרום מעורב דיבורים צולבים בין אינוסיטול (1,4,5)-אדנוזין קולט (IP 3 R) וRyR תורם לCa 2 + ניצוץ הפעלה שברירי שלד. לסיכום, המחקרים שלנו באמצעות לחץ האוסמוטי מושרה Ca 2 + ניצוצות הראו כי תגובה תאית זו משקפת שרירים איתות מנגנון בפיזיולוגיה והזדקנות / מדינות מחלה, כולל מודלים עכבר של ניוון שרירים (MDX עכברים) או טרשת לרוחב amyotrophic (מודל ALS).

Introduction

Ca בחינם תאית 2 + ([Ca 2 +] i) הוא שליח משני צדדי וחשוב המווסת את התפקודים תאיים רבים בתאים להתרגש כגון תאי עצב, לב, שלד ושרירים חלקים (לסקירה ראה Stutzmann ו1 Mattson). מוסדר Ca 2 + וגיוס דיבורים צולבים בין reticulum sarcoplasmic (SR) ו-T-אבובית קרומים (TT) הם רגולטורים בסיסיים של פיזיולוגיה שרירים. יתר על כן, שינויים בCa 2 + איתות שהוכחו כמנגנון בסיסי של תפקוד לקוי של התכווצות במחלות שרירים שונות.

Ca 2 + ניצוצות מקומיים אירועי Ca 2 + שחרור יסודיים שמקורם הפתיחה של הקולטן ryanodine הערוץ (RyR) על reticulum sarcoplasmic הקרום (SR) 2. בשריר לב, ניצוצות להתרחש באופן ספונטני באמצעות פתיחת ערוץ RyR2 ידי Ca 2 Ca 2 + rele +-InducedASE (CICR) 3-5 מנגנון. בשרירי שלד, RyR1 נשלט בקפידה על ידי חיישן המתח ב6,7 קרום TT. כך Ca 2 + ניצוצות מדוכאים וזוהו רק לעתים נדירות בתנאי מנוחה בסיבי שריר שלד בשלמותה. עד לאחרונה, קרום sarcolemmal הדרוש כדי להיות מופר על ידי שיטות שונות כימיות או מכאניות "הפשטה" לנתק את הדיכוי של חיישן המתח על RyR1 ואיפשר לCa 2 + להצית אירועים כדי להתגלות בשרירי שלד 8,9. שיטה אחת שתוארה קודם לכן permeabilization הנדרש של הקרום של סיבי שריר על ידי saponin חומר ניקוי 10.

ב2003, גילו שגם מתח hypoosmotic חולף או מתח hyperosmotic יכול לגרום Ca ההיקפי 2 + ניצוצות סמוכים לממברנה sarcolemmal בסיבי שריר בשלמות 11. שיטה זו מאז שונתה כדי ללמוד את המנגנון ואפנון המולקולריים של Ca 2 + 12-16. כאן אנו מתארים את הפרטים של הגישה הניסויית שלנו לזירוז, זיהוי וניתוח של Ca 2 + ניצוצות בשרירי שלד בשלמותה. אנו מציגים גם התכנית שלנו שהותקן ניצוץ הניתוח שיכול לשמש כדי לכמת את המאפיינים הבסיסיים של Ca 2 + ניצוצות בודדים בשרירי שלד, לדוגמא תדר ניצוץ ומשרעת (Δ F/F0, המשקף את ההסתברות הפתוחה של ערוצי RyR ו Ca 2 + המטען בתוך SR); זמן להגיע לשיא (זמן עלייה) ומשך (FDHM, משך מלא במשרעת חצי מקסימלי) של ניצוצות, כמו גם את ההתפלגות המרחבית של Ca 2 + ניצוצות. בנוסף, אנו מציגים ראיות המקשרת שינו Ca 2 + ניצוצות למדינות השונות pathophysiological בשרירי שלד, כגון ניוון שרירים וטרשת לרוחב amyotrophic.

היתרון של שיטה זו כרוך ביכולת למדוד Ca 2 + ביחסית undamתאי בני, במקום להפשיט את סיבי השריר, המאפשרים הקלטה של Ca 2 + ניצוצות בתנאים קרובים יותר לפיסיולוגיים. בנוסף, התכנית המותאמת במיוחד שלנו מספקת חישובים מדויקים יותר של המאפיינים של הניצוץ ביחס לסיבי שריר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הגדרת מערכת זלוף אוסמוטי מתח

איור 1 הוא פרוטוקול סכמטי של סידן ניצוצות הערכה בסיבי שריר שלד בשלמותה.

  1. הגדר את micromanipulator שלושה צירים (XYZ) מסוגל מיקום קצה היציאה של מערכת זלוף המכילה מינימום של שני ערוצים. זה יכול להיעשות עם חבית Luer-מזרק חד פעמית עם שלוש מצורפים - הדרך Luer - ברזלים לוק לעבור על ו / או לבטל את הזרימה של פתרונות זלוף. ערוצי זלוף אלה צריכים להיות מסוגלים לספק> 1 מיליליטר / דקה של פתרון באמצעות קצה זלוף יחיד עם> 0.2 בקוטר מ"מ.
  2. טען שני ערוצים של מערכת זלוף, אחד עם איזוטוניים Tyrode פתרון והשני עם hypotonic Tyrode פתרון.

2. סיבי שריר פגוע הכנה יחידה המכופפת digitorum רוויס (FDB) מעכבר

  1. הסר את הרגל מאיחוד אירופי בעכברthanized הבא הנחיות NIH וIACUC באמצעות זוג מספריים לנתח כבד על ידי חיתוך דרך הרגל מעל למפרק הקרסול.
  2. הצמד את הרגל על חדר נתיחה מלא מינימאלי Ca 2 + Tyrode פתרון עם משטח plantar פונה כלפי מעלה.
  3. לנתח FDB ידי חיתוך הגיד ומשייכתו בעדינות על הגיד להפריד את השרירים מהרקמה הסובבת.
  4. לסיים את הנתיחה על ידי חיתוך הגיד הדיסטלי שבו סניפים לספרות בודדת בשכבות עמוקות של השרירים.
  5. העבר את שריר FDB ידי להרים עם מלקחיים באמצעות הגידים שלה כדי למנוע נזק נוסף לסיבי שריר ואת המקום לתוך צינור עם aliquot מופשר של Collagenase עיכול פתרון prewarmed 37 ° C.
  6. דגירה הצינור המכיל FDB זקוף על שייקר מסלולית ב 37 מעלות צלזיוס במשך דקות 60-90 עם מהירות של 160 סל"ד. פרוטוקול דיסוציאציה חבילות שריר זה יש לבחון באופן ניסיוני לזנים שונים של בעלי חיים, במיוחד עבור אלה מחלה / סיבי מוטציה פגיעים לנזק בממברנה.
  7. העבר את FDB מתעכל לתוך צינור עם 700 μl של איזוטוניים Tyrode פתרון ועדינות triturate כדי לשחרר את הסיבים על ידי ציור של השריר מספר פעמים באמצעות סדרה של 200 טיפים מ"ל micropipette של ירידה בקוטר בהדרגה באמצעות חיתוך בסכין גילוח נקי כדי להסיר את הטיפים 200 micropipette מיליליטר. כדי להימנע מסיבי נזק בשרירים חלשים במיוחד ממחלה, לוודא את הקצה הוא פשוט גדול מספיק כדי לאפשר צרור הסיבים לעבור דרך ללא דבק. אל תכריח את החבילה דרך קטנה מדי פתיחה.
  8. פלייט את סיבי FDB בעדינות על ידי ההקשה וresuspending סיבי FDB בצינור ולאחר מכן ציור מתוך 70 מיליליטר (1/10 של סיבי סך הכל) עם micropipette מיליליטר לחתוך 200 למרכז צלחת 35 מ"מ דלתא TPG מכילה 1 מיליליטר של איזוטוניים Tyrode פתרון כדי להפחית דיפוזיה על פני הצלחת.
  9. לקבוע את מספר הסיבים בודדים ללא פגע בדish באמצעות מיקרוסקופ לנתיחה. הוספת aliquots נוספים של סיבי FDB להשיג 3-4 סיבים שלמים בצלחת.
  10. אחסן את סיבי שריר מבודדים נוספים על 4 מעלות צלזיוס ולהשתמש תוך 6 שעות.

3. טוען Fluo-4:00 דיי וCa 2 + הדמיה (ניצוצות מדידה)

  1. העברת 500 מיליליטר של איזוטוניים Tyrode פתרון מצלחת עם סיבי FDB מצופים לתוך צינור עם מיליליטר 10 מניית AM Fluo-4 (1 מ"מ), לערבב ולהוסיף חזרה לצלחת לריכוז AM Fluo-4 סופי של 10 מ"מ. לחלופין, חומצת pluronic ניתן להשתמש בם כדי להגביר את יעילות טעינת צבע.
  2. טען ל60 דקות בטמפרטורת חדר בחושך.
  3. שטוף את הסיבים על ידי ציור בזהירות 500 מיליליטר של Fluo-4 המכיל AM איזוטוניים Tyrode פתרון מהצלחת עם קצה micropipette נימול 200 מיליליטר פלסטיק ולהחליף עם נפח שווה של טרי איזוטוניים Tyrode פתרון.
  4. חזור על תהליך זה 3 פעמים נוספות.
  5. כדי להמחיש את התפקוד המיטוכונדריה, להעביר 500 מיליליטר של IsotoNIC Tyrode פתרון מצלחת עם סיבי FDB לתוך צינור עם 5 מיליליטר מניית TMRE (1 מ"מ), לערבב, ולהוסיף חזרה לצלחת לריכוז סופי של 50 ננומטר.
  6. דגירה בטמפרטורת חדר למשך 10 דקות.
  7. שטוף את הסיבים על ידי הציור בזהירות 500 מיליליטר של איזוטוניים Tyrode פתרון מהצלחת עם קצה חתוך 200 מיליליטר פלסטיק micropipette ולהחליף עם נפח שווה של טרי איזוטוניים Tyrode פתרון המכיל TMRE.
  8. חזור על תהליך זה 3 פעמים נוספות.
  9. מעביר את המנה למיקרוסקופ confocal ובחר סיבים שלמים עם פסים בהירים וקרום sarcolemmal חלק לניסויים.
  10. מקם את קצה מיקרומטר 400-500 מערכת זלוף מסיבי שריר היעד ומחוץ למרכז באמצעות פקדי micromanipulator.
  11. בגין הזרימה איזוטוניים Tyrode הפתרון כדי להבטיח את סיבי FDB נשאר במקום.
  12. רשום את אות הקרינה מFluo-4 בבוקר, עם מטרת טבילת שמן 40X ולרגש Fluo-4 בבוקר, עםאותות לייזר ארגון (ננומטר 488 גל עירור) ופליטת שיא (אורך גל 510-580 ננומטר). עוצמת אות הניאון היא פרופורציונלית לרמה היחסית של ריכוז + Ca 2 תאיים ([Ca 2 +] i).
  13. לגרום Ca 2 + ארעיים על ידי שינוי הלחץ האוסמוטי של הפתרון תאי על מנת לייצר לחץ האוסמוטי בסיבים. בתחילה תנקב סיבים עם פתרון איזוטוניים Tyrode (290 mOsM) (אוסף בסיס ל60 שניות) ולאחר מכן עם פתרון hypotonic Tyrode (170 mOsM) ל100 שניות כדי לגרום לנפיחות. Perfuse סיבי FDB חזרה עם פתרון איזוטוניים Tyrode. באופן כללי, רק אחד הלם אוסמוטי מוחל על סיב בודד בשלמות בצלחת TPG דלתא אחד ואירועי הניצוץ אחרון 10 דקות עבור רכישת נתונים.
  14. לוקליזציה המרחבית שיא של Ca 2 + ניצוצות (איור 2), תוך שימוש בזמן סדרה של XY תמונות דו ממדיות עם מהירות סריקה של 166 LPS (קו לשנייה, וeaשורת ch המורכבת מ512 פיקסלים וכתוצאה מכך 3.08 שניות / מסגרת) עבור כל תנאי של דקות (1 איזוטוני), מתח hypotonic (100 שניות) ודחק פוסט hypotonic (5 דקות). אותות חנות לניתוח במצב לא מקוון כדי להעריך את התפוצה ואת התדירות של Ca 2 + ניצוצות לאחר השלמת הניסוי.
  15. מצא את סיבים חדשים על מאכל חדש ובצע את אותו פרוטוקול הלם אוסמוטי כדי לגרום Ca 2 + ארעיים. השתמש בקו סריקה confocal מצב (XT) (512 פיקסלים באורך, קצב דגימה של סריקת msec / קו 2 להקליט Ca 2 + ארעיים למשך דקה אחת (כלומר 30,000 שורות) עם קו סריקת confocal ממוקם ישירות מתחת קרום sarcolemmal (איור 3 ). שנה את קו הסריקה למטוסי מוקד שונים לשלוש סדרות רציפים (במרווחי 1-min) של linescans לניתוח של הגודל וקינטיקה של Ca 2 + ניצוצות בודדים להקליט.

4. ניתוח נתונים

  1. לאסוף מספר רב שלקו סריקת XT עקבות להעריך את המורפולוגיה וקינטיקה של פרמטרים 2 + ניצוצות Ca נפרדים, כלומר את המשרעת (F / 0 F; בי F 0 הוא 2 + הקרינה Ca המנוחה), זמן עלייה, זמן השיא, המשך (FDHM , משך מלא במחצית גודל), ורוחב מרחבית (FWHM, רוחב מלא במחצית גודל) של הניצוצות שנרשמו. פרמטרים אלה מייצגים את המאפיינים הבסיסיים של gating RYR Ca 2 + ערוצים כגון Ca 2 + השטף (אמפליטודה), וקינטיקה gating של RYRs (משך).
  2. לנתח את נתוני תמונה דיגיטליים עם אלגוריתם שפותח במיוחד עבור, חצי אוטומטי שנוצר עם שפת עיבוד התמונה IDL (נתונים אינטראקטיביים שפה), כפי שתואר לעיל 11,16. בגלל קינטיקה הייחודית של Ca 2 + שחרור במקרה של 2 ניצוצות + Ca המושרה בסיבי FDB ידי מתח האוסמוטי, עדיף לשלב את התכונות ידניות ואוטומטיות של Ca 2 + להצית אירועיםזיהוי ועיבוד עם תוכניות ניתוח תמונה אישית לבנות האלה 11. אלגוריתם זה הוא מאוד שימושי כאשר זה הכרחי כדי לזהות באופן ידני את ההחזר על ההשקעה (אזור של עניין) בחלק מדגמי מחלת שריר. ברגע שהחזר על השקעה מוגדרת, האלגוריתם יכול באופן אוטומטי לגזור את הפרמטרים הניצוץ שהוזכרו לעיל אשר לאחר מכן ניתן לייצא לקובץ Excel. לחלופין, התוכנה הציבורית זמינה עיבוד תמונה, למשל SparkMaster בImageJ, ניתן להשתמש בם כדי להגדיר את מאפייני הקינטית של Ca 2 + ניצוצות והפריסה המרחבית שלהם בשרירי שלד 17.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

מחקרים קודמים הראו כי לחץ hypoosmotic חולף + מושרה Ca ההיקפי 2 ניצוצות בסמוך לממברנה sarcolemmal בסיבי שריר בשלמות 11. איור 1 מציג את התמונות של סיבי שריר בודדים שלמים עם קרום sarcolemmal חלק ופסים ברורים אופייניים. איור 2 מראה Ca הטיפוסי 2 + ניצוצות (כתמונות XY) היו מושרה על ידי טיפול חולף (100 שניות) עם פתרון hypoosmotic שמתנפח סיבי שריר FDB מעכברים צעירים, בריאים. כסיב השריר מתכווץ חזרה לנפח המקורי, תגובת ניצוץ + חזקה Ca 2 תהיה ישירות תחת sarcolemma של סיבי השריר. תמונות XY אלה משמשות לחישוב תדרי ניצוץ, ותתאר את פרופיל הריקבון לתגובה הזאת. איור 3 מציג סריקות טיפוסיות קו (XT) שנוצרו עם המצב של ניתוח הניצוץ הזה. קו סריקת confocal ממוקם ישירות מתחת שלקרום sarcolemmal (איור 3 א). סדרת הזמן של אירועי ניצוץ נלכדות וROIs צוינה (האזור של עניין) יכולה להיות מזוהות עם פותח במיוחד עבורו, התכנית (איור 3 ב) "Fit ספארק" שלנו חצי האוטומטי. איור 3 ג מציג ניתוח Fit ניצוץ אופייני של משרעת ו קינטיקה של ניצוץ + Ca 2 נתון. Ca 2 + עוצמת הניצוץ מחושבת כשינוי משרעת של Fluo-4 אותות AM (Δ F / 0 F, כאשר F הוא שיא ​​עוצמת Fluo-4 ו-F 0 הוא Fluo-4 עוצמת נחה לפני הניצוץ נובע). משך הניצוץ מיוצג על ידי FDHM (משך מלא של מחצית גודל) וזמן העלייה, כמו גם את הזמן כדי להגיע לשיא גם יכול להיות מחושב. ייצוג טיפוסי 3D (תלת ממדים) יכול להתבצע מROIs צוינה להראות Ca 2 + שינוי בעוצמה (איור 3D). איור 4 מדגים תמונות של Ca 2 + ניצוץlinescans מסיבי שריר שלד במדינות פיסיולוגיות ופתופיזיולוגיים שונות. קו סריקת סדרה (XT) של 2 ניצוצות + Ca נגזרו (3 חודשים) בריאים, צעירים שרירים שרירים סוג בר (איור 4 א), וגיל (22 חודשים) (איור 4). שים לב לאות המופחת המתרחשת בסיבי שריר בגיל. סיבי שריר MDX הצעירים להציג 2 + ניצוצות חזקים Ca (איור 4C). איור 5 מראה Ca 2 + ניצוצות (תמונות XY) מlongus digitorum פושטי (אדי) סיבי שריר מסוג בר (איור 5 א) וטרשת לרוחב amyotrophic (ALS) מחלה, מחלת הנוירון המוטורי עם ניוון שרירים אופייני ואת המיטוכונדריה פגומה (איור 5). Ca 2 + העוצמות הן מופע ידי Fluo-4 אותות (ירוק, פנלים משמאל) והמיטוכונדריה מדינות נשימה מוצגות על ידי אותות TMRE (אדום, לוחות מימין). שים לב לא כיהוא נפגע המיטוכונדריה (לאבד אות TMRE) מטפח Ca 2 + ניצוצות חזקים.

איור 1
איור 1. פרוטוקול סכמטי של סידן ניצוצות הערכה בסיבי שריר שלד בשלמותה. פרוטוקול סכמטי של סידן ניצוצות הערכה בסיבי שריר שלד בשלמותה. זה מראה הליך צעד חכם כדי לקבל סיבי שריר FDB שלמים לניתוח וההגדרה של מערכת טפטוף כדי לגרום ללחץ האוסמוטי בסיבים. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 2 איור 2. Ca נציג 2 + ניצוצות (תמונות XY) פרקים של סיבי שריר FDB שלד. באמצע זכר מציג את ציר הזמן ואת התמונות המתאימות XY (פנלים העליונים) לשינוי הלחץ האוסמוטי הרציף בפרוטוקולים. למעלה משמאל פנל - סיבים שטופלו בתמיסה איזוטונית Tyrode; פנל באמצע עליון - סיבים שטופלו בפתרון hypotonic Tyrode; ופנל ימני עליון - סיבים חזרו לטיפול בתמיסה איזוטונית Tyrode. היסטוגרמה נציג של פרקי הניצוץ נצפו עם ההדמיה XY מוצגת בתחתית. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 3
איור 3. ספא + נציג Ca 2 RKS (קו סורק תמונות XT) וניצוץ ניתוח Fit () קו סריקת Confocal (קו אדום מקווקו) ממוקמת ממש מתחת קרום sarcolemmal של סיבי שריר;. (ב) לחץ אוסמוטי עורר Ca הבדיד 2 + ניצוצות מוצגים כקו סריקה מצב (XT). (ג) ניתוח ספארק עם אלגוריתם ספארק Fit כדי להדגים את Ca 2 + העצימות (Δ F / F 0) שהיא פרופורציונלית לCa SR 2 + לשחרר שטף, וקינטיקה (משך, המיוצג כFDHM). (ד) עלילה תלת ממדית של תמונת קו סריקת Fluo-4 מראה ניצוצות עוררי לחץ האוסמוטי במצב מרחב ובזמן ובעוצמות שלהם. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

/ "Width =" ftp_upload/50898/50898fig4.jpg "/> 600px
איור 4. מדינות Ca 2 + ניצוצות נציג בשריר פיסיולוגיות וpathophysiological בתגובה ללחץ האוסמוטי () סריקות קו (תמונות XT) של 2 ניצוצות + Ca נגזרים מצעיר (3 חודשים) סיבי שריר FDB בריאים;. (ב) ניצוצות מבנים ( 22 חודשים) סיבי שריר FDB ו (ג) ניצוצות משריר FDB צעיר (3 חודשים) עכבר MDX dystrophic. לחצו כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 5
איור 5. Ca נציג 2 + ניצוצות (תמונות XY) משרירי FDB בתגובה ללחץ האוסמוטי. ( 2 + ניצוצות (תמונות XY) משרירי FDB סוג הבר (ב) Ca 2 + ניצוצות משרירי ALS. סיבי שריר FDB שכותרתו בו זמנית עם Fluo-4 בבוקר (Ca 2 +, אותות ירוקים, פנלים משמאל) וTMRE (המיטוכונדריה, אותות אדומים על הלוחות מימין). תמונות מראות ארעיים לפני ואחרי שינויים בלחץ האוסמוטי. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

שיטה זו של הערכת Ca 2 + ניצוצות בשרירי שלד בשלמותה היא כלי שימושי לפיזיולוגית שרירים ומחקר מחלה. הראינו כי תגובת Ca 2 + הניצוץ שונתה בתנאים שונים, כולל ניוון שרירי 11, הזדקנות 18, 19, כמו גם בטרשת לרוחב amyotrophic 20. המחקר שנערך לאחרונה שלנו חשף גם צימוד תפקודי בין IP 3 קולט וRyR מייצג מרכיב קריטי שתורם להפעלת Ca 2 + ניצוצות בסיבי שריר שלד 21. מספר קבוצות מחקר אחרות גם מותאמות בטכניקה זו כדי לחקור את הפעילות הפונקציונלית והיעילות של אסטרטגיות הצלת גן של שרירי dystrophic 12, ולקשר את Ca 2 + ניצוץ איתות ללחץ חיזור השתנה בכמה מדינות מחלה 13,22. העובדה שעיוות קרום על ידי מתח האוסמוטי כדי להקל על דיכוי DHPR על Corre RYRlates יפה עם התפקיד החיוני של אינטראקציה פיזית (צימוד) של DHPR-RYR בויסות Ca 2 + ניצוצות בהבחנת שרירי שלד 23; ולכן ממצאים אלו לסבך עוד יותר Ca 2 + ניצוצות אירועים פיסיולוגיים חשובים באותה מידה. התרחבות נוספת של טכניקה זו כדי ליישם כמה סוכנים או מעכבים פיסיולוגיים לווסת Ca 2 + ניצוצות תספק מידע תובנה על Ca 2 + איתות בתאים 24.

השלב הקריטי ביותר של assay שלנו הוא לבודד ולזהות סיבי שריר ללא פגע תחת מיקרוסקופ לפני Ca 2 + טעינת צבע. צעד מכריע אחד בפרוטוקול זה הוא זמן עיכול collagenase וטמפרטורה כשינוי תנאים אלה עלולים להפוך לנזק קרום תא בבידוד סיבים. סיבים חייבים להיות מחוברים היטב לחלקו התחתון של מנות TPG דלתא ולהציג מורפולוגיה שלמה עם מראה אופייני ישר, כמו מוט, גודל של 70-100 _6; מ '(אורך) ו8-18 מיקרומטר (קוטר צלב), דפוס striation אחיד וקרום sarcolemmal חלק להיות שימושיים למדידת 2 + ניצוצות Ca. שיפור במגבלות קודמות של איסוף הנתונים הוא לוקח מדידות בכמה מטוסי מוקד בתוך כל סיב כדי ללכוד את הקריאה מדויקת ביותר האפשרית של Ca 2 + הניצוצות. למרות שאנו משתמשים באלגוריתם הנגזר מותאם אישית "ספארק Fit" לנתח ניצוץ תדירות, דינמיקה ומאפיינים, תוכניות דומות זמינות לרשות ציבור לניתוח מאפייני פרמטרים ניצוץ כגון "SparkMaster" בImageJ 17. שינויים קלים בשיטה זו עלולות לאפשר להדמיה טובה יותר של Ca 2 + ניצוצות בסוגי רקמות אחרים המגיבים ללחץ האוסמוטי בתיווך מפעילה של Ca 2 + משחררים מקולט ryanodine.

ויזואליזציה של Ca 2 + אותות מקומיים והעולמיים בסיבי שריר שלד מבוגרים היא כלי מאוד שימושי עבורפיזיולוגיה של שריר r ומחקר לב וכלי דם. התרחבותה של שיטה זו לזיהוי של Ca 2 + ניצוצות בשרירי שלד יחד עם מודלים של בעלי חיים שונים של מחקר מחלות אנושיות ויישום הגישות רבות עוצמה ביולוגיה מולקולרית (למשל ביטוי יתר גנטי או השתקת גן) צריכה לייצר מידע עצום על הרגולציה של Ca 2 + איתות בבריאות ובמחלות בבני אדם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי RO1-AG028614 לג', RO1-AR063084to NLW, וRO1-AR057404 לJZ.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Dissecting microscope Dissect out fibers and check muscle integrity
Dissection tools -scissors and fine tip forceps Fine Science Tools
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit DOW CORNING 184 SIL ELAST KIT Make ahead of time for fiber dissection. Mix 5 ml liquid Sylgard components and pour into a 60 mm glass Petri dish and waiting 48 hr to let the Sylgard compound become a clear, colorless solid substrate. 
60 mm glass Petri dish  Pyrex 3160 Fiber dissection
Isotonic Tyrode Solution  Sigma-Aldrich
Minimal Ca2+ Tyrode Solution Sigma-Aldrich
Hypotonic Tyrode Solution  Sigma-Aldrich
Collagenase type I  Sigma-Aldrich C-5138 Fiber digestion 
Fluo-4 AM  Invitrogen F14201 Fluorescent Ca2+ imaging dyes 
TMRE Invitrogen T669 mitochondrial membrane potential fluorescent dyes
Delta TPG dishes  Bioptechs 0420041500C 35 mm glass bottom dish for imaging
Spark Fit software data analysis software
Radiance 2100 laser scanning confocal microscope or equivalent microscope Bio-Rad
3 Axis Micromanipulator Narishige International MHW-3
Temperature controllable orbital shaker New Brunswick scientific Fiber dissociation

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Stutzmann, G. E., Mattson, M. P. Endoplasmic reticulum Ca2+ handling in excitable cells in health and disease. Pharmacol. Rev. 63, (3), 700-727 (2011).
  2. Cheng, H., Lederer, W. J. Calcium sparks. Physiol. Rev. 88, (4), 1491-1545 (2008).
  3. Brochet, D. X., et al. Elementary calcium release events from the sarcoplasmic reticulum in the heart. Adv. Exp. Med. Biol. 740, 499-509 (2012).
  4. Brochet, D. X., et al. Quarky calcium release in the heart. Circ. Res. 108, (2), 210-218 (2011).
  5. Guatimosim, S., Guatimosim, C., Song, L. S. Imaging calcium sparks in cardiac myocytes. Methods Mol. Biol. 689, 205-214 (2011).
  6. Dulhunty, A. F. Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium. Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 33, (9), 763-772 (2006).
  7. Dulhunty, A. F., Casarotto, M. G., Beard, N. A. The ryanodine receptor: a pivotal Ca2+ regulatory protein and potential therapeutic drug target. Curr. Drug Targets. 12, (5), 709-723 (2011).
  8. Kirsch, W. G., Uttenweiler, D., Fink, R. H. Spark- and ember-like elementary Ca2+ release events in skinned fibres of adult mammalian skeletal muscle. J. Physiol. 537, 379-389 (2001).
  9. Zhou, J., et al. A probable role of dihydropyridine receptors in repression of Ca2+ sparks demonstrated in cultured mammalian muscle. Am. J. Physiol. Cell. Physiol. 290, (2), 539-553 (2006).
  10. Zhou, J., et al. Ca2+ sparks and embers of mammalian muscle. Properties of the sources. J. Gen. Physiol. 122, (1), 95-114 (2003).
  11. Wang, X., et al. Uncontrolled calcium sparks act as a dystrophic signal for mammalian skeletal muscle. Nat. Cell. Biol. 7, (5), 525-530 (2005).
  12. Teichmann, M. D., et al. Inhibitory control over Ca2+ sparks via mechanosensitive channels is disrupted in dystrophin deficient muscle but restored by mini-dystrophin expression. PLoS One. 3, (11), e3644 (2008).
  13. Shkryl, V. M., et al. Reciprocal amplification of ROS and Ca2+ signals in stressed mdx dystrophic skeletal muscle fibers. Pflugers. Arch. 458, (5), 915-928 (2009).
  14. Lovering, R. M., Michaelson, L., Ward, C. W., et al. Malformed mdx myofibers have normal cytoskeletal architecture yet altered EC coupling and stress-induced Ca2+ signaling. Am. J. Physiol. Cell. Physiol. 297, (3), 571-580 (2009).
  15. Weisleder, N., Ma, J. J. Ca2+ sparks as a plastic signal for skeletal muscle health, aging, and dystrophy. Acta. 27, (7), 791-798 (2006).
  16. Weisleder, N., Zhou, J., Ma, J. Detection of calcium sparks in intact and permeabilized skeletal muscle fibers. Methods Mol. Biol. 798, 395-410 (2012).
  17. Picht, E., et al. SparkMaster: automated calcium spark analysis with ImageJ. Am. J. Physiol. Cell. Physiol. 293, (3), 1073-1081 (2007).
  18. Weisleder, N., et al. Muscle aging is associated with compromised Ca2+ spark signaling and segregated intracellular Ca2+ release. J. Cell. Biol. 174, (5), 639-645 (2006).
  19. Weisleder, N., Ma, J. Altered Ca2+ sparks in aging skeletal and cardiac muscle. Ageing Res. Rev. 7, (3), 177-188 (2008).
  20. Yi, J., et al. Mitochondrial calcium uptake regulates rapid calcium transients in skeletal muscle during excitation-contraction (E-C) coupling. J. Biol. Chem. 286, (37), 32436-32443 (2011).
  21. Tjondrokoesoemo, A., et al. Type 1 inositol (1,4,5)-trisphosphate receptor activates ryanodine receptor 1 to mediate calcium spark signaling in adult Mammalian skeletal muscle. J. Biol. Chem. 288, 2103-2109 (2013).
  22. Martins, A. S., et al. Reactive oxygen species contribute to Ca2+ signals produced by osmotic stress in mouse skeletal muscle fibres. J. Physiol. 586, (1), 197-210 (2008).
  23. Apostol, S., et al. Local calcium signals induced by hyper-osmotic stress in mammalian skeletal muscle cells. J. Muscle Res. Cell Motil. 30, (3-4), 97-109 (2009).
  24. Jiang, Y. L., et al. Nicotinic acid adenine dinucleotide phosphate (NAADP) Activates Global and Heterogeneous Local Ca2+ Signals from NAADP- and Ryanodine Receptor-gated Ca2+ Stores in Pulmonary Arterial myocytes. J. Biol. Chem. 288, (15), 10381-10394 (2013).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics