Muscle cells are among the most complex eukaryotic cells. We present a protocol for the in vitro differentiation of highly mature myofibers that allows for genetic manipulation and clear imaging during all developmental stages.
Skeletspieren bestaan uit myofibers, de grootste cellen in het lichaam van een zoogdier en een van de weinige syncytia. Hoe het complex en evolutionair geconserveerde structuren die zij bestaat geassembleerd verder onderzocht. Hun grootte en fysiologische functies beperken vaak manipulatie en imaging-toepassingen. De cultuur van geïmmortaliseerde cellijnen wordt algemeen gebruikt, maar het kan alleen repliceren de vroege stappen van differentiatie.
We beschrijven een protocol dat eenvoudige genetische manipulatie van spiervezels afkomstig van primaire myoblasten muis maakt. Na een week van differentiatie, de spiervezels weer contractiliteit, uitgelijnd sarcomeren en triaden, en perifere kernen. Het gehele differentiatieproces zal door levende imaging of immunofluorescentie. Dit systeem combineert de voordelen van de bestaande ex vivo en in vitro protocollen. De mogelijkheid van eenvoudige en efficiënte transfectie ende gemakkelijke toegang tot alle differentiatiestadia verbreedt de toepassingsmogelijkheden. Spiervezels kan vervolgens worden gebruikt niet alleen relevant ontwikkelings- en celbiologie vragen te beantwoorden, maar ook spierziekte fenotypes vermenigvuldigen voor klinische toepassingen.
Skeletspier samenstelt tot 40% van het lichaamsgewicht 1. Spier-geassocieerde stoornissen vormen een immense gezondheid en de economische last 2. Hoe deze uiterst complexe en georganiseerde weefsel wordt gevormd, onderhouden, en geregenereerd vormt een uitgebreid en goed gevestigde onderzoeksgebied. Afhankelijk van de specifieke wetenschappelijke interesse, kan de meest geschikte benadering van eenvoudige myotube culturen complex in vivo modellen 3-6.
Het doel van dit protocol is om een in vitro systeem dat zorgt voor de bewaking van myogenesis via live beeldvorming en immunofluorescentie bieden. Vergeleken met traditionele methoden, biedt dit systeem een compleet en dynamisch inzicht in de muis myogene proces. Cellen kunnen worden gevolgd vanaf de myoblast etappe naar de rijpe, meerkernige myofiber weergeven van transversale triades en perifere kernen 7. Deze rijping niveau kanworden bereikt met gewone celkweek apparatuur zonder omslachtige stimulerende of mechanische inrichtingen. Hoewel enkele succesvolle in vitro systemen gerapporteerd 8,9, voor zover wij weten, is dit het enige protocol genereren van volwassen muis myovezels met T-tubuli transversaal gekoppeld sarcoplasmatisch reticulum (SR). Aldus kan dit in vitro systeem worden gebruikt om de moleculaire mechanismen van triade vormen, die nog steeds slecht begrepen 10 bestuderen.
Een verder voordeel van dit systeem is de beschikbaarheid van gevalideerde-muis specifieke middelen, zoals antilichamen, geneesmiddelen en RNAi gereedschappen. De relatief eenvoudig protocol niet moeizame stappen, hoogopgeleide manipulatie, of dure en speciale apparatuur. Gerijpt spiervezels start verschijnen na 5 d van de cultuur differentiatie 7, het weergeven van contractiliteit in combinatie met calcium vonken (ongepubliceerde gegevens). In één week, de verschillende ontwikkelingal fasen van een van de meest complexe cellen in het zoogdierlichaam kunnen worden onderzocht in combinatie met verschillende in vitro assays.
Het gebruik van dit protocol voor de kweek van primaire myoblasten ontstaat een speciale niche die sterk voedt de ontwikkeling van spiervezels. Dit is deels te wijten aan andere celtypen die ook in zeer geringe aantallen. Een evenwicht tussen myoblasten concentratie en zuiverheid cultuur moet worden bereikt. Een goede celkweek hangt ook af van de kwaliteit van de voor de mediumformulering producten. Alle producten afkomstig van dierlijke bronnen moet grondig worden getest. In onze ervaring, zou de spijsvertering voorwaarden ook worden gecontroleerd.
Zoals gebruikelijk voor primaire kweken, kunnen experimentele variabiliteit hoger dan in studies met geïsoleerde vezels of vereeuwigd myoblasten zijn. Deze variabiliteit kan worden verminderd met de standaardisatie van de medium en de spijsvertering componenten, muizen, leeftijd en grootte, en de tijdstippen voor cultuur manipulatie en resultaten collectie. Niettemin is het voordeel van loep onvertraagd ingewikkelde mechanismendie nodig zijn voor de ontwikkeling van spiervezeloriėntaties sterk overtreft de variabiliteit nadeel.
Dit protocol geeft de voordelen van in vitro benaderingen zonder dat celdifferentiatie. Myovezels rijpen totdat triaden worden gevormd en contracties worden gekoppeld met calcium vonken. Deze functionele uitgangen zijn toegankelijk in verschillende experimentele omstandigheden. Bovendien kunnen er vele technische variaties die in het protocol. Myoblasten kan worden geoogst uit neonatale muizen met mutaties van belang met betrekking tot spierontwikkeling. Cellen kunnen worden gelyseerd voor biochemische analyse op verschillende tijdstippen differentiatie. Calcium indicatoren kunnen aan de kweek worden toegevoegd om de dynamiek te volgen. Optogenetische constructen kunnen worden gebruikt om bepaalde signaalwegen dwingen of aan specifieke lokale induceren. Tenslotte kan de spiervezels worden gekweekt samen met andere celtypen hun interacties te bestuderen.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the European Research Council (ERG) and EMBO installation (ERG) and by a PhD fellowship from the Fundação para a Ciência e Tecnologia (MP).
Dispase II | Gibco | 17105041 | |
Collagenase type V | Sigma-Aldrich-Aldrich | C9263 | |
IMDM, Glutamax supplemented | Gibco | 31980022 | |
Matrigel Growth reduced factor | Corning | 354230 | protein concentration of the lot should be around 10mg/ml and endotoxin result should be <1.5 |
Chicken Embryo Extract | MP biomedical | 2850145 | it is also possible to prepare in the lab (Danoviz ME, Yablonka-Reuveni Z. Methods Mol Biol (2012)) |
Recombinant rat agrin | R&D systems | 550-AG-100 | |
Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | |
Horse Serum | GE Healthcare | 11581831 | |
Lipofectamine RNAiMAX | Invitrogen | 13778-150 | used to transfect siRNA |
Lipofectamine LTX | Invitrogen | 15338-100 | used to transfect DNA |
Lipofectamine 2000 | Invitrogen | 11668030 | used to transfect siRNA plus DNA |
DPBS | Gibco | 14190094 | |
Fetal Bovine Serum | Eurobio | CVFSVF0001 | |
Cell strainer | Corning | 21008-949 | |
Fluorodishes | World precision instruments | FD35-100 | dishes used to cultivate cells for live imaging |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T9284 | |
16% PFA (Paraformaldehyde) | Science Services GmbH | E15710 | |
Goat Serum | Sigma-Aldrich | G9023 | |
BSA (Bovine Serum Albumine) | Sigma-Aldrich | A7906 | |
Saponine | Sigma-Aldrich | 47036 | |
DAPI | Sigma-Aldrich | D9542 | use at 200ng/ul |
Fluoromount-G | SouthernBiotech | 0100-01 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Solutions and Media | |||
Digestion Mix | in DPBS 5 mg/ml collagenase 3.5 mg/ml dispase sterile filtered, can be stored in working aliquotes for 2 weeks at -20 °C |
||
Dissection Medium | in IMDM Glutamax supplemented 10% FBS 1% Penicillin-Streptomycin sterile filtered |
||
Growth Medium | in IMDM Glutamax supplemented 20% FBS 1% Chicken Embryo Extract 1% Penicillin-Streptomycin1% Penicillin-Streptomycin sterile filtered |
||
Differentiation Medium | in IMDM Glutamax supplemented 2% Horse Serum 1% Penicillin-Streptomycin sterile filtered |
||
Blocking Solution | in DPBS 10% Goat Serum 5% BSA add 0.1% saponine when incubating with primary and secondary antibodies |