The ability to isolate heart valve endothelial cells (VECs) is critical for understanding mechanisms of valve development, maintenance, and disease. Here we describe the isolation of VECs from embryonic and adult Tie2-GFP mice using FACS that will allow for studies determining the contribution of VECs in developmental and disease processes.
Normal valve structures consist of stratified layers of specialized extracellular matrix (ECM) interspersed with valve interstitial cells (VICs) and surrounded by a monolayer of valve endothelial cells (VECs). VECs play essential roles in establishing the valve structures during embryonic development, and are important for maintaining life-long valve integrity and function. In contrast to a continuous endothelium over the surface of healthy valve leaflets, VEC disruption is commonly observed in malfunctioning valves and is associated with pathological processes that promote valve disease and dysfunction. Despite the clinical relevance, focused studies determining the contribution of VECs to development and disease processes are limited. The isolation of VECs from animal models would allow for cell-specific experimentation. VECs have been isolated from large animal adult models but due to their small population size, fragileness, and lack of specific markers, no reports of VEC isolations in embryos or adult small animal models have been reported. Here we describe a novel method that allows for the direct isolation of VECs from mice at embryonic and adult stages. Utilizing the Tie2-GFP reporter model that labels all endothelial cells with Green Fluorescent Protein (GFP), we have been successful in isolating GFP-positive (and negative) cells from the semilunar and atrioventricular valve regions using fluorescence activated cell sorting (FACS). Isolated GFP-positive VECs are enriched for endothelial markers, including CD31 and von Willebrand Factor (vWF), and retain endothelial cell expression when cultured; while, GFP-negative cells exhibit molecular profiles and cell shapes consistent with VIC phenotypes. The ability to isolate embryonic and adult murine VECs allows for previously unattainable molecular and functional studies to be carried out on a specific valve cell population, which will greatly improve our understanding of valve development and disease mechanisms.
A válvula maduro é composto por três camadas estratificadas de matriz extracelular especializada (ECM) intercaladas com células intersticiais de válvula (VICs) e encapsulada por uma única camada de células endoteliais da válvula cardíaca (VECs) 1. O papel do MEC é oferecer todas as propriedades biomecânicas necessárias para resistir a mudanças constantes em vigor hemodinâmica durante o ciclo cardíaco. Volume de negócios da ECM válvula na válvula de adultos é fortemente regulada por VICs que são em grande parte de repouso e de fibroblastos-like, na ausência de doença. Além da população VIC, células endoteliais do coração de válvula (VECs) formar um endotélio ininterrupta sobre a superfície das cúspides da válvula 2. Embora a importância de ECM e VICs para a estrutura e função da válvula ter sido descrito por nós e outros, o papel de VECs é menos bem conhecido. No entanto, esta população de células relativamente pequeno é crítico para a formação da válvula e em que o embrião é descrita como disfuncional na válvuladoença.
Formação da válvula do coração no embrião começa quando um subconjunto de células endoteliais nas regiões do canal e do fluxo de saída atrioventricular sofrer endotelial à transformação mesenquimal (EMT) e inchaços forma conhecida como almofadas endocárdio 1,3. As células mesenquimais recém-transformadas dentro destas estruturas depois diferenciar em VICs e formar as válvulas maduros. Uma vez EMT é completa, as células endoteliais que rodeiam as almofadas, denominado VECs, formar uma camada contínua de células endoteliais, que protege a válvula madura contra lesões. Além disso, VECs sentir o ambiente hemodinâmico e demonstraram molecularmente comunicar com VICs subjacentes para regular homeostase 1,3 ECM. Em válvulas doentes, a monocamada VEC é interrompido em associação com alterações anormais na organização ECM e biomecânica alterados 4,5. Além disso, estudos em modelos de ratos sugerem que a disfunção VEC é a causa subjacente da válvula disease 1,6-9. Como VECs desempenhar um papel importante no desenvolvimento da válvula, manutenção e doença, é importante que se defina totalmente seus fenótipos temporais, a fim de avançar no campo e compreender os mecanismos da doença.
Os trabalhos anteriores por vários laboratórios isolou com sucesso VECs de suínos e ovinos modelos 10-12. Devido ao grande tamanho destas válvulas, isolamentos através raspagem e / ou digestão enzimática, seguido de um número de diferentes métodos de isolamento, incluindo a separação de células do grânulo magnético e a expansão clonal de uma única célula tem sido eficaz para gerar populações puras 11-13. No entanto, estes modelos podem ser restritivas devido à anotação incompleta dos suínos e ovinos genomas limitam a disponibilidade de ferramentas moleculares para além dos elevados custos. Portanto experimentação de suínos e ovinos VECs após o isolamento pode ser restritiva. Modelos de mouse são preferíveis devido às muitas possibilidades de manipulações genéticasção e ferramentas moleculares no embrião e no adulto, mas até à data, não houve isolamentos VEC em pequenos modelos animais têm sido relatados. Isto é provavelmente devido à dificuldade de trabalhar com pequenas amostras de tecido que inclui uma população de células que carecem actualmente minoria identidade única de marcadores específicos VEC-, impedindo assim a métodos de isolamento à base de anticorpos.
Neste artigo, apresentamos um novo método para o isolamento direto do VECs murino em fases embrionárias e adultas. Este protocolo aproveita camundongos Tie2-GFP, que expressam GFP em todos os tipos de células endoteliais e têm sido amplamente utilizados para estudar as populações de células endoteliais 14. No entanto, a novidade do presente estudo é o de que estes ratinhos, pela primeira vez, foram utilizados para isolar as células endoteliais a partir das válvulas. Por dissecção cuidadosa do tecido da válvula e um conjunto de nove digestões enzimáticas, seguida pela separação por FACS, VECs podem ser isolados e utilizados para várias técnicas experimentaiscluindo extração de RNA e da cultura, diretamente após a classificação.
Descrevemos aqui pela primeira vez, um novo método para o isolamento de VECs murino embrionários e adultos de ratinhos Tie2-GFP. Embora esta linha de rato tem sido amplamente utilizada para o isolamento de populações de células endoteliais, este é o primeiro relatório mostrando o isolamento selectivo de VECs. Devido à fragilidade da população VEC, temos desenvolvido um protocolo rigoroso, que permite o isolamento de células isoladas de GFP positivo (GFP e negativa) a partir de células de válvulas do coração de ratos embrionários e adultos. Em comparação com a publicação original da utilização de embriões inteiros ou órgãos de Tie2-GFP camundongos 14, temos aperfeiçoado passos colagenase e dissecação com base na baixa abundância desta população de células endoteliais frágil para isolar uma população seleta de células.
Isolamentos VEC têm apenas sido previamente relatada em grandes modelos animais com ferramentas genéticas e biomoleculares limitadas. Estas ferramentas são bem estabelecidos em ratos e, portanto, o abilidade para isolar VECs murina permite um conjunto expandido de projetos experimentais para serem utilizadas para a investigação da válvula do coração. Portanto, uma vantagem significativa desta abordagem é que VECs pode ser isolado a partir temporalmente ratinhos de tipo selvagem, e os modelos de doença e lesão da válvula. Uma segunda vantagem é que VECs pode ser isolado e analisado quase imediatamente após a dissecação, preservando padrões de expressão que reflectem a situação in vivo, de forma mais precisa. Além disso, este protocolo de isolamento é suficiente para eliminar a cultura de células para a expansão e, portanto, o número potencial de mudanças fenotípicas induzidas pelo meio ambiente in vitro são impedidos.
Apesar das novidades e benefícios experimentais deste protocolo, reconhecemos que ainda existem limitações. Em primeiro lugar, o tamanho da população VEC dentro válvulas de murino é muito pequena e, por conseguinte, várias ninhadas embrionárias temporizados são necessários a fim de gerar ARN suficiente para análise da expressão do gene. Enquanto this pode ser superado usando vários criadores, poderia ter um impacto sobre a aplicação de algumas ferramentas de análise pós-isolamento. Esta limitação tem sido um desafio particular para o estabelecimento de culturas confluentes de VECs GFP positivas, a fim de realizar análises mais aprofundadas dos fenótipos VEC incluindo perfis moleculares e testes funcionais. Portanto, reconhecemos que nem todas as dificuldades foram superadas pela nossa abordagem, mas esta é uma área de interesse que nós estamos nos esforçando para superar.
Esta abordagem de isolar VECs de regiões valvulares introduz a possibilidade de contaminação de Tie-GFP células endoteliais -positivas, não-valvular do endocárdio, ou estruturas vasculares dentro do miocárdio ventricular. Até à data, a distinção molecular de VECs de outras populações de células endoteliais cardíacas não foram identificados. No entanto, uma região enhancer do gene NFATc1 foi identificado e mostrado para marcar especificamente VECs que não fazemsubmeter EMT, e nenhuma outra população de células endoteliais dentro do coração 18. Como um modelo de Cre (NFATc1 Encre) está disponível, estudos futuros poderiam utilizar a especificidade desta linha para minimizar os riscos de contaminação. Além de células positivas Tie2-GFP não-valvulares, há sempre a possibilidade de contaminação a partir de miócitos no ponto em que os folhetos da válvula se ligam à região anular do septo e paredes do miocárdio murais. Em dados não mostrados aqui, que inicialmente começou estudos para isolar VECs de regiões valvulares dissecadas usando pérolas de anticorpos conjugados revestidas com anti-GFP e anti-CD31. Embora esta abordagem foi bem sucedida para isolar as células endoteliais, tivemos aglutinação celular significativa de tipos de células adjacentes, não endoteliais e, portanto, VICs e células miocárdicas contaminada nossa amostra experimental. Este tem sido evitada por meio de análise FACS como parâmetros foram estabelecidos para isolar apenas suspensão única células e análise de PCR para detectar a expressão de genes específicos de miócitos foi controlada para esta limitação (Figura 3). Enquanto a nossa contaminação pode ser considerada como o mínimo, ele continua a ser uma complexidade experimental potencial que poderia ser evitado no futuro, com o duplo seleção de GFP e marcadores endoteliais de superfície específica de células.
Usando este protocolo, que tem êxito VECs isoladas a partir de ratinhos adultos e embrionários e deram exemplos de como esta abordagem pode ser utilizada para o isolamento de RNA e de cultura de células de populações de células positivas e negativas para GFP GFP. No entanto, esta abordagem não é limitado a estas aplicações e pode ser usado para uma variedade de abordagens moleculares, celulares e funcionais. Além disso, o fundo Tie2-GFP podem ser criados com modelos genéticos do rato que permitam estudos comparativos das populações VEC na saúde e na doença. O desenvolvimento desta nova metodologia irá, pela primeira vez, permitir estudos focalizadosexaminar a contribuição de VECs no desenvolvimento de válvulas e manutenção e pode revelar mecanismos anteriormente desvalorizado doença valvar endotélio-dependente.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos A facilidade de Citometria Comprehensive Cancer Center analíticas centrais Ohio State University, especificamente Katrina Moore, de assistência técnica com a análise FACS. Além disso, reconhecemos Dr. William Pu e seu grupo por suas descobertas científicas. Este trabalho foi financiado pelo NIH HL091878 (JL) e do Centro do Coração do Hospital Nacional Infantil.
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Alexa Fluor 568 Goat Anti-Rat IgG (H+L) | Life Technologies | A-11077 | |
70 μm nylon cell strainer | BD Falcon | 352350 | |
2.5% Trypsin | Invitrogen LT | 15090-046 | |
Bovine Serum Albumin (BSA), Fraction V, Heat Shock Treated | Fisher Scientific | BP1600-100 | |
CD31 rat anti-mouse antibody | BD Pharmingen | 553370 | |
Chick Serum | Invitrogen LT | 16110-082 | |
Collagenase IV | Invitrogen LT | 17104-019 | Prepared according to manufactuer's instructions |
DNase I, RNase free (10,000 Units) | Roche | 4716728001 | |
EBM-2 | Lonza | CC3156 | For VEC media |
EDTA, 0.5M Solution | Hoefer | 03-500-506 | |
EGM2 SingleQuot, Bulletkit | Lonza | CC-4176 | For VEC media |
Fetal Bovine Serum (FBS), Heat Inactivated | Hyclone | SH3007103IH | |
Hanks Balanced Salt Solution (HBSS) | Life Technologies | 14025-092 | |
Horse Serum | Invitrogen LT | 16050-130 | |
Hybridization Oven | VWR | 230301V | |
Medium 199 1X | Corning Cell gro | 10-060-CV | |
Paraformaldehyde 16% Solution EM grade | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
Pen/Strep | MP-Biomed | ICN1670049 | |
Permanox sterile chamber slide with cover | Thermo-Scientific | 177429 | |
Phosphate-Buffered Saline, 1X | Corning Cell gro | 21-040-CV | |
PrimeTime Mini qPCR Assay | Integrated DNA Technologies | Acta2 (αSMA), GAPDH, Myh6, Myh7, POSTN, CD31, vWF | |
StepOnePlus Real-Time PCR System | Applied Biosystems | 4376600 | |
SuperScript VILO Mastermix | Invitrogen LT | 11755050 | |
Tie2-GFP mice | Jackson Laboratories | 3658 | |
Tissue forceps #5 11cm | Dumont | 14096 | |
Trizol | Ambion | 15596018 | |
α-SMA anti-mouse antibody | Sigma-Aldrich | A2547 | |
VECTASHIELD HardSet Mounting Medium with DAPI | Vector Laboratories | H-1500 |