Функция скелетных мышц может быть оценена путем количественной оценки сократительной способности изолированных мышечных волокон, традиционно используя трудоемкие подходы с низкой пропускной способностью. Здесь мы описываем основанный на оптике высокопроизводительный метод количественной оценки сократительной способности мышечных волокон, встроенных в гидрогель. Этот подход находит применение для скрининга лекарств и терапевтических разработок.
Культура клеток in vitro является мощным инструментом для оценки клеточных процессов и тестирования терапевтических стратегий. Для скелетных мышц наиболее распространенные подходы включают либо дифференцировку миогенных клеток-предшественников в незрелые миотубы, либо кратковременную культуру ex vivo изолированных отдельных мышечных волокон. Ключевым преимуществом культуры ex vivo по сравнению с in vitro является сохранение сложной клеточной архитектуры и сократительных характеристик. Здесь мы подробно описываем экспериментальный протокол выделения интактных мышечных волокон flexor digitorum brevis у мышей и их последующей культуры ex vivo . В этом протоколе мышечные волокна встроены в гидрогель на основе фибрина и матричного матричного слоя базальной мембраны для иммобилизации волокон и поддержания их сократительной функции. Затем мы описываем методы оценки сократительной функции мышечных волокон с использованием высокопроизводительной системы сократимости на основе оптики. Встроенные мышечные волокна электрически стимулируются, чтобы вызвать сокращения, после чего их функциональные свойства, такие как укорочение саркомера и скорость сокращения, оцениваются с использованием количественного определения на основе оптики. Объединение культуры мышечных волокон с этой системой позволяет проводить высокопроизводительные испытания влияния фармакологических агентов на сократительную функцию и исследования генетических мышечных нарушений ex vivo . Наконец, этот протокол также может быть адаптирован для изучения динамических клеточных процессов в мышечных волокнах с использованием микроскопии живых клеток.
Достижения в методах культивирования клеток in vitro открыли новые возможности для изучения регенеративных возможностей тканей, патофизиологических клеточных механизмов и последующих терапевтических стратегий, и все это при использовании тканей млекопитающих в хорошо контролируемых условиях 1,2,3. Использование систем культивирования in vitro хорошо зарекомендовало себя в области исследований мышц 4,5. В целом, in vitro дифференцированные незрелые миотубы из миогенных клеток-предшественников используются 2,6,7,8. Несмотря на то, что был достигнут прогресс в протоколе дифференцировки для получения более зрелых мышечных волокон9, их незрелость по-прежнему ограничивает перевод результатов в условия in vivo 1,10. Одной из центральных проблем в области мышечной биологии является неспособность дифференцированных миотуб in vitro полностью олицетворять сложные внутриклеточные структуры, клеточные сигнальные процессы и внеклеточные взаимодействия, наблюдаемые в нативной мышечной ткани, и, что важно, повторять сократительные силы, создаваемые мышечными волокнами 1,2,10,11,12 . Кроме того, нескоординированное сокращение миотуб в процессе дифференцировки часто приводит к спонтанному отрыву от чашки культуры, что затрудняет сократительную оценку дифференцированных миотуб in vitro и ограничивает ее качественной или полуколичественной оценкой 8,11,12,13. Эти ограничения часто требуют регулярных экспериментов in vivo с животными, особенно если сократительная способность мышц является первичным экспериментальным результатом1.
Альтернативой культивированию дифференцированных миотуб in vitro является культура ex vivo изолированных зрелых мышечных волокон 1,14. Во время культивирования ex vivo зрелая мышечная ткань удаляется из организма с последующей изоляцией одной клетки для культивирования в лабораторных условиях 1,14. Изолированные зрелые мышечные волокна сохраняют свои сложные клеточные структуры, наблюдаемые в нативной ткани14,15, и этот метод открывает возможность для прямых вмешательств, таких как генетические манипуляции и скрининг лекарств, в четко определенной и контролируемой среде культуры. Одно из первых сообщений о выделении волокон скелетных мышц и культуре ex vivo датируется 1930-ми годами; Однако выход жизнеспособных волокон из этого протокола был низким16. При постоянной оптимизации процедуры выделения и условий культивирования теперь возможно значительное улучшение количества жизнеспособных и функциональных мышечных волокон 14,15,17,18,19. Одним из таких улучшений условий культивирования является покрытие культуральных чашек белками внеклеточного матрикса для содействия адгезии изолированных мышечных волокон к чашке для культивирования15,18,20. Обычно используется ламининовое покрытие, так как ламинин является одним из наиболее распространенных элементов во внеклеточном матриксе мышц20,21. Оптимизация процедуры выделения в сочетании с покрытием культуральных чашек позволила области исследований мышц сохранить изолированные жизнеспособные мышечные волокна с неповрежденной клеточной архитектурой и сократительной функциональностью в культуре в течение коротких периодов времени 1,15,18,22.
Наиболее традиционный подход, используемый в мышечном поле для измерения силы и сократительных способностей, заключается в установке отдельных мышечных волокон между двигателем драйвера длины и преобразователемсилы 23,24. Как правило, мышечные волокна, используемые для этих установок с моторным приводом, рассекаются либо из замороженной, либо из свежей ткани с последующей пермеабилизацией или «снятием кожи», что обеспечивает внешнюю активацию кальция, где различные концентрации кальция используются для индуцирования сокращениямышечных волокон 24. Хотя этот метод является золотым стандартом для измерения сократительности мышечных волокон, за один раз можно измерить только одно мышечное волокно, что делает этот метод трудоемкой и трудоемкой процедурой25. Кроме того, процедура изоляции и снятия шкуры мышечных волокон нарушает различные структуры, участвующие в связывании возбуждения-сокращения (т. е. высвобождении кальция и последующем обратном захвате в саркоплазматический ретикулум), тем самым не позволяя изучать кинетику релаксации и любые заболевания, которые могут повлиять на этот процесс26,27. Альтернативой препарату очищенных волокон является использование механического рассечения для выделения интактных мышечных волокон, где сократительные силы могут быть измерены в ответ на электрическую активацию28; Однако этот подход является технически сложным и очень трудоемким, что приводит к низкой пропускной способности измерений. Наконец, как в кожевенных, так и в интактных препаратах мышечные клетки полностью удаляются из внеклеточной среды во время сократительных измерений 24, что делает невозможным исследование влияния состава/жесткости внеклеточного матрикса на сокращениемышечных волокон24. В результате необходима разработка альтернативных методов, позволяющих измерять сократимость мышечных волокон изолированных интактных мышечных волокон с высокой пропускной способностью, воссоздавая связь между мышечными волокнами и внеклеточным матриксом.
Недавно был разработан новый оптический подход к высокопроизводительным измерениям сократительной способности мышечных волокон29. Эта система, основанная на оптике, измеряет периодичность саркомеров для оценки длины саркомера во время сокращения с использованием высокоскоростной визуализации. В этой системе клетки остаются на месте в чашке для культивирования, в то время как оптика перемещается, тем самым сводя к минимуму время, необходимое между измерениями нескольких клеток29. Основным преимуществом использования этого высокопроизводительного подхода, основанного на оптике, является то, что он позволяет создавать условия культивирования, аналогичные условиям нативной ткани. Подход, используемый для имитации нативных условий in vivo, заключается во встраивании клеток в гидрогели30. Как правило, гидрогель представляет собой вязкоупругий материал, способный сохранять свой объем и форму, а гидрогели обладают свойствами как твердых, так и жидких материалов31. Твердая часть состоит из полимерных цепей, сшитых друг с другом, создавая структуру, похожую на сетку30,31. Свойства материала гидрогелей могут быть настроены таким образом, чтобы имитировать матричное осаждение мышц30,31. Таким образом, сочетание высокопроизводительной системы на основе оптики с клетками, встроенными в гидрогели, открывает новые возможности для оценки влияния состава внеклеточного матрикса и механических свойств на функциональность мышечных волокон.
Общая цель данной работы состоит в том, чтобы: 1) описать методологию ферментативной изоляции и культивирования мышечных волокон ex vivo в условиях, имитирующих нативную тканевую среду, и 2) оценить сократимость мышечных волокон с использованием высокопроизводительного подхода. Мы описываем подробную методологию, позволяющую легко выделить большое количество одиночных мышечных волокон из мышцы-сгибателя пальцев (FDB) с помощью ферментативного пищеварения. Кроме того, мы описываем технику встраивания изолированных мышечных волокон в гидрогель на основе фибрина с целью имитации нативной среды мышц и улучшения жизнеспособности и сократимости мышечных волокон. Затем мы описываем высокопроизводительный метод измерения сокращений живых мышечных волокон in vitro с использованием этой недавно разработанной системы. Дополнительным преимуществом этой процедуры встраивания является иммобилизация волокон во время сокращения, что может улучшить отношение сигнал/шум этих измерений. Этот метод встраивания геля применим как для процедур инкапсуляции однополимерного, так и для композитного геля, облегчая оценку влияния состава внеклеточного матрикса на сократимость мышечных волокон.
Здесь мы подробно описываем протокол для выполнения ферментативной изоляции и культивирования мышечных волокон FDB в формате 3D-культуры с последующими сократительными измерениями с использованием системы измерения сократительности на основе оптики. Этот протокол имеет ряд преимуществ, среди которых: 1) прямая и своевременная изоляция многих интактных мышечных волокон из одной мышцы; 2) встраивание мышечных волокон в перестраиваемую гидрогелевую матрицу; 3) проведение высокопроизводительных измерений сократительной способности с использованием системы на основе оптики; и 4) возможность проводить повторные измерения одних и тех же мышечных волокон после вмешательства. Выделение единичных живых мышечных волокон обеспечивает зрелые мышечные клетки, которые сохраняют свою сократительную функцию. Поскольку мышечные волокна, полученные из FDB мыши, относительно невелики, ими легко манипулировать во время изоляции и они сохраняют свою прямую форму, что позволяет проводить последующие сократительные измерения. Хотя система была в первую очередь разработана для изучения сокращения кардиомиоцитов, волокна скелетных мышц содержат тот же сократительный механизм с легко различимым рисунком саркомера и, таким образом, также могут быть измерены с помощью этой системы29. Сочетание одноклеточных сократительных измерений с живой культурой мышечных волокон ex vivo является мощным инструментом для оценки здоровья и функционирования зрелых мышечных волокон в ответ на электрическую активацию.
Ограничением использования диссоциированных мышечных волокон является отсутствие внешних сил (т.е. пассивного растяжения), приложенных к волокнам, что приводит к более низкой длине саркомера в состоянии покоя по сравнению с теми, которые обнаруживаются in vivo. Хотя длина саркомера 2,4-2,5 мкм обеспечивает оптимальное производство силы, длина саркомера в состоянии покоя может сильно варьироваться33. В то время как длина саркомера в покое in vivo FDB еще не описана, наши собственные неопубликованные данные предполагают среднюю длину 2,2 мкм. Текущие результаты показывают среднюю длину саркомера в состоянии покоя ~ 1,95 мкм в ненагруженных волокнах FDB после 24 ч в культуре (рис. 3). Хотя эта меньшая длина саркомера в покое приведет к снижению выработки силы, длина ~ 1,95 мкм все равно должна производить >90% от максимальной силы34. Таким образом, этих длин саркомеров должно быть достаточно для определения различий в функции волокон между различными генетическими моделями или после медикаментозного лечения. Кроме того, встраивание волокон в гидрогель обеспечивает много дополнительных точек адгезии по сравнению со свободно плавающими 2D-культивируемыми волокнами, что ограничивает дальнейшее укорочение саркомера с течением времени.
Одним из преимуществ этого протокола изоляции мышечных волокон является использование легко рассекаемой быстро сокращающейся мышцы, состоящей из относительно небольших мышечных волокон по сравнению с другими мышцами, такими как длинный разгибатель пальцев (EDL). Их меньший размер делает мышечную изоляцию более подходящей для разделения на основе растирания, тем самым снижая вероятность повреждения мышечных волокон, вызванного пипеткой или клубком. Внеклеточный матрикс мышц FDB может быть легко ферментативно переварен с помощью коллагеназы, что позволяет изолировать сотни мышечных волокон за короткий промежуток времени. Однако чрезмерное переваривание может привести к повреждению мышечных волокон. Чрезмерное переваривание мышечных волокон можно распознать, когда мышца разваливается почти мгновенно при растирании мышцы или когда большая часть объема клеток гиперсокращается во время процедуры посева клеток. Чтобы предотвратить чрезмерное переваривание мышц, время переваривания должно быть оптимизировано для каждой партии коллагеназы. Чтобы проверить это, две мышцы FDB следует переваривать параллельно с поэтапным временем переваривания 5 минут между ними. Следует выбирать время переваривания с наибольшим выходом жизнеспособных мышечных волокон. Затем эту оптимизацию следует выполнить во второй раз, снова с 5-минутным разделением во время переваривания. Время переваривания, дающее самые жизнеспособные мышечные волокна, следует использовать в качестве оптимального времени переваривания для текущей партии коллагеназы. Другой способ ограничить вариабельность коллагеназы от партии к партии – это напрямую рассчитать единицы активности на миллилитр исходного раствора, а затем восстановить последующие партии коллагеназы до того же количества. Наконец, время пищеварения, возможно, потребуется оптимизировать для разных штаммов мышей, например, при изучении старых или больных животных, у которых наблюдается повышенное отложение внеклеточного матрикса35,36.
Возможность пипетки жизнеспособных изолированных мышечных волокон открывает возможности для культивирования мышечных волокон FDB в различных условиях культивирования. Одним из таких вариантов является культивирование этих волокон в гидрогелях для имитации нативной среды культивирования тканей. Этот протокол встраивания гарантирует, что волокна остаются на месте во время сократительных измерений, и был оптимизирован для того, чтобы волокна оседали на дно пластины до того, как гель застынет. Тем не менее, этот протокол, возможно, должен быть скорректирован с учетом различий в запасах тромбина и фибриногена. Если активность тромбина слишком высока, гель преждевременно застынет, и волокна могут оставаться во взвешенном состоянии в более высоких местах за пределами фокальной плоскости микроскопа. Если это произойдет, соотношение тромбин:фибриноген необходимо скорректировать. Это можно проверить, наложив волокна на все более низкие концентрации тромбина и обратив внимание на то, сколько времени занимает полимеризация. Как правило, это не должно происходить быстрее, чем через 30 минут. Однако слишком низкая концентрация тромбина также может ухудшить процесс полимеризации. Другой способ убедиться, что волокна находятся в правильной фокальной плоскости, заключается в том, чтобы сначала засеять их с использованием 2D-протокола, а затем добавить слой гидрогеля поверх волокон после того, как они прилипнут к культуральной пластине. Однако следует знать, что удаление среды из волокон может вызвать гиперсокращение, поскольку они чувствительны к высыханию. Также неясно, будет ли гидрогель полностью прикрепляться к культуральной пластине, и он может легче отсоединиться. Следовательно, эта процедура встраивания предпочтительна для поддержания жизнеспособности волокон и на месте для измерений сокращения.
Использование этого протокола позволяет изучать сократительную динамику зрелых мышечных волокон ex vivo и может быть применено как к здоровым мышам, так и к мышам, несущим генетические мутации мышечных заболеваний. Кроме того, он позволяет проверить, как условия культивирования или добавление соединений влияют на функцию мышечных волокон. Сократительные данные, полученные с помощью системы на основе оптики, дают представление о сократительной способности живых отдельных мышечных волокон, и изменения этой способности могут быть коррелированы со здоровьем волокон. Однако одних этих данных недостаточно, чтобы определить, происходят ли эти изменения на стадиях актин-миозинового перекрестного мостика или высвобождения кальция при мышечном сокращении. Хотя мы не описываем методы измерения кальциевой сигнализации в этом протоколе, эта установка также способна измерять кальциевые переходные процессы на основе фуры в сокращающихся мышечных клетках29. Недостатком этой системы является то, что мышца FDB содержит только быстро сокращающиеся мышечные волокна типа IIa/IIx, а мышцы, содержащие медленно сокращающиеся волокна типа I такого размера, еще не описаны37. Это исключает возможность изучения специфического функционирования оптоволокна с помощью этого метода. Протокол, который мы предлагаем здесь, потенциально может быть адаптирован для других мышц, таких как EDL или камбаловидная мышца, для изучения различий в типах волокон. Из-за их большего размера этот протокол необходимо будет дополнительно оптимизировать для этих мышц. Более длинные волокна имеют тенденцию запутываться на этапе гравитационного осаждения и разрываются при манипулировании пипеткой, что приведет к снижению выхода. Поэтому из-за их несовместимости с пипетированием более длинные волокна также менее совместимы с техникой заделки геля. Измерения этих волокон все еще могут быть выполнены в формате 2D-культуры, но волокна могут больше перемещаться во время сокращения из-за их размера, что влияет на отношение сигнал/шум. Другим ограничением этой системы является невозможность выполнять измерения силы наряду с сокращенными измерениями, такими как те измерения силы, которые могут быть получены с использованием других препаратов28 интактных мышечных волокон. Однако это ограничение можно обойти, оценив силу, создаваемую мышечным волокном. Генерируемую силу мышечных волокон можно оценить, если известны форма мышечных волокон в сокращенном и расслабленном состояниях, а также модуль Юнга матрицы25. Тем не менее, эта оптическая система обеспечивает простой в использовании и высокопроизводительный подход к изучению сократительной функции мышц и открывает ряд новых возможностей для изучения генетических заболеваний мышц и терапевтических вмешательств.
The authors have nothing to disclose.
Авторы выражают благодарность Сильвии Богаардс, Санне Луйкс, Валентину Янсену, Михелю Хелмсу и Эмми Мандерс за их техническую помощь в разработке этого протокола. Эта работа была поддержана наградами Ассоциации мышечной дистрофии (Премия за развитие MDA603238 T.J.K.), Голландского сердечно-сосудистого альянса (грант талантов для T.J.K) и Национального совета по здравоохранению и медицинским исследованиям (NHMRC, Австралия; Стипендия APP1121651 М.Я.).
Aprotinin, from Bovine Lung | Thermo Scientific | AAJ63039MC | 100 mM stock solution in PBS can be stored at -20 °C. Sterilize stock solution using a 0.22 µm filter. |
Collagenase type 2 | Worthington | 77336 | 10% (w/v) stock solution can be stored at -20 °C. Weighing collagenase should be done in a safety cabinet as inhalation is dangerous. |
Fetal Bovine Serum | Thermo Fisher | 10500064 | |
Fibrinogen from Bovine Plasma | Sigma Aldrich | 50-176-5054 | 20 mg/mL stock solution in PBS can be stored at -80 °C. Sterilize stock solution using a 0.22 µm filter. |
Geltrex LDEV-Free Reduced Growth Factor Basement Membrane Matrix | Thermo Fisher | A1413201 | 4 mg/mL stock solution is prepared in MEM and stored at -20 °C. |
Gibco MEM High glucose + pyruvate | Thermo Fisher | 11095080 | |
Horse serum | Thermo Fisher | H1270 | |
Matrigel GFR Membrane Matrix | Corning | CB-40230 | 4 mg/mL stock solution is prepared in MEM and stored at -20 °C. |
Penicillin/Streptomycin | Sigma Aldrich | P4333 | |
Serum Replacement 2 (50x) | Sigma Aldrich | S9388 | |
Thrombin, Bovine Plasma | Thermo Scientific | AAJ63383EXP | 125 U/mL stock in PBS can be stored at -20 °C. Sterilize stock solution using a 0.22 µm filter. |
Tranexamic Acid | Thermo Scientific | AC228042500 | 80 mM stock solution in PBS can be stored at -20 °C. Sterilize stock solution using a 0.22 µm filter. |
Equipment | |||
24-well electrical stimulator | IonOptix | N/a | |
Dumont #55 Forceps | Fine Science Tools | 11295-51 | |
Extra Fine Bonn Scissors | Fine Science Tools | 14084-08 | |
MultiCell Cytocypher | IonOptix | N/a | |
MyoCam-S3 | IonOptix | N/a | |
MyoPacer | IonOptix | N/a | |
SYLGARD 184 silicone elastomer, Base & Curing Agent | Dow corning | N/a | |
Vannas Spring Scissor – 25 mm Cutting Edge | Fine Science Tools | 15002-08 | |
Software | |||
CytoSolver | IonOptix | N/a | |
IonWizard | IonOptix | N/a |