This protocol describes the measurement of isometric contraction in an isolated smooth muscle preparation, using an isolated tissue bath system and computer-based data acquisition.
Isolated tissue bath assays are a classical pharmacological tool for evaluating concentration-response relationships in a myriad of contractile tissues. While this technique has been implemented for over 100 years, the versatility, simplicity and reproducibility of this assay helps it to remain an indispensable tool for pharmacologists and physiologists alike. Tissue bath systems are available in a wide array of shapes and sizes, allowing a scientist to evaluate samples as small as murine mesenteric arteries and as large as porcine ileum – if not larger. Central to the isolated tissue bath assay is the ability to measure concentration-dependent changes to isometric contraction, and how the efficacy and potency of contractile agonists can be manipulated by increasing concentrations of antagonists or inhibitors. Even though the general principles remain relatively similar, recent technological advances allow even more versatility to the tissue bath assay by incorporating computer-based data recording and analysis software. This video will demonstrate the function of the isolated tissue bath to measure the isometric contraction of an isolated smooth muscle (in this case rat thoracic aorta rings), and share the types of knowledge that can be created with this technique. Included are detailed descriptions of aortic tissue dissection and preparation, placement of aortic rings in the tissue bath and proper tissue equilibration prior to experimentation, tests of tissue viability, experimental design and implementation, and data quantitation. Aorta will be connected to isometric force transducers, the data from which will be captured using a commercially available analog-to-digital converter and bridge amplifier specifically designed for use in these experiments. The accompanying software to this system will be used to visualize the experiment and analyze captured data.
薬理学の規律は、150年以上にわたって孤立した組織浴システムを使用しています。このシステムの汎用性は、高血圧、心不全、糖尿病、胃腸疾患、膀胱のような疾患または障害を有する個体の数百万を扱った治療法の基礎を形成し、この知識を、受容体および受容体シグナル伝達を特徴づけるために、世界中の科学者を可能にした機能障害、喘息、および嚥下障害、わずか数名に。それは組織が組織として機能することを可能にするようにこの日に、孤立した組織浴は、医薬品開発や基礎研究の重要な側面のまま。このJoveのレッスンでは、正式なプロトコルは、受容体の特徴付けを可能とする等尺性収縮を測定孤立した組織浴実験からのデータを利用して視覚と仮想実験を実証するために共有されている。
この技術の主な利点は、組織が生きていることである身体に関連する生理的な結果(収縮または弛緩)との全組織としてND機能し、。なお、ステップ(薬物 – 受容体相互作用、シグナル伝達、セカンドメッセンジャーの生成、平滑筋の興奮性の変化、および組織機能の変化)の合成である。他の技術は、これらの各手順の検討(薬物親和性のバインディング例えば放射性リガンド、セカンドメッセンジャーの測定)を可能にしているが、孤立した組織浴技術は、すべてのこれらのステップ1の統合が可能になります。もう一つの利点は、組織機能を保持する細胞の設定VS組織において、より意味のある重要な薬理学的変数の計算を可能にするということです。それは、検査薬は全体として体内でどのように動作するかに近づく。
研究ツールとしてアイソメトリック力の測定は、150年以上の歴史ですが、それは収縮組織2における受容体の特徴付けのためのプロトタイプ的な技術であり続けている。この技術のパワーは、その単純さと汎用性である:アンタゴニストの存在下または非存在下でのアゴニストの濃度を増加させることにより誘発応答を記録することによって、情報の無数の各薬剤の薬理学的特徴との受容体について導出することができるそれは3-5にバインドします。このタイプの実験を使用してもアンタゴニストの非競合的性質に対する競争力、ならびに受容体の不均一性および非特異的薬剤効果6-8についての情報を集める。したがって、この単離された組織浴実験の簡単な順列で、アゴニスト誘導性の筋収縮を媒介する受容体の比較的完全な薬理学的プロフィールを生成することができる。
作動作用の面では、目所定の組織におけるアゴニストの電子相対効力(E MAX)及び効力(EC 50)を計算し、同じ組織1内の他のアゴニストの応答と比較することができる。我々の実験では、ラット胸部大動脈は、車両または組織浴にα1アドレナリン作動薬のフェニレフリンを添加し、収縮を生成する前に、1時間のためのα1アドレナリン受容体アンタゴニストプラゾシン(5 nM)のいずれかと共にインキュベートした。2プレゼント修正された結果を図図1の。緑の応答は、PEによって達成される最大収縮にマークされている最大、などして、その応答を引き起こしたPE濃度に関連したとしてマーク½最大収縮としてマーク。これらの値を特定する半最大(50%)応答またはEC 50値を達成するアゴニストの有効濃度を識別している。
残念ながら、アゴニスト依存パラメータを使用して、受容体結合特性が9を複雑になることが決定するために、一人でね。アンタゴニスト解離定数(pK aはB)の-log 10モルアンタゴニストの-log 10:理想的には、レセプターアンタゴニストを使用する追加の実験は、薬物と受容体との間の相互作用を定義するための鍵である2つの重要なパラメータの計算を可能にする濃度-応答曲線(pAの2)10の2倍の右方向シフトを誘発するのに必要な濃度。 K BとのpA 2ゲインそれらはアゴニスト独立した値であり、さらに異なる組織11との間で一定のままであることから、その有用性の両方。 図2のデータから、pK aはBは以下の式を用いて計算することができ、他の場所で計算されたEC 50値に基づく。
プラゾシン= 2×10 -8 Mの非存在下でのEC 50
前でのEC 50プラゾシンのSENCE = 7×10 -6 M
次式でK Bについて解く:
ログイン(DR-1)= [B]ログ- K Bを記録
ここで:
[B] =アンタゴニストの濃度は、5×10 -9 M.ログ(5×10 -9 M)= -8.3
DR =非存在下での拮抗薬/ EC 50の存在下でのEC 50値の用量比。右方向へのシフトがある場合、この値は1よりも大きくなる。このように:
ドクター= 7×10 -6 M / 2×10 -8 Mまたは700×10 -8 M / 2×10 -8 M = 2分の700 = 350
[B]とDRのために代入すると:
(350-1)のログ= -8 -ログK B
2.54 = -8 – KBを記録
のpK B = 10.54
プラゾシンのこの値は、プラゾシンは、α1アドレナリンRECEPTと対話するときに得られた値と一致しているフェニレフリンに収縮を仲介するアドレナリン受容体は、α1アドレナリン受容体であることを示唆または12,13、。
いくつかのステップは、これらの実験の成功に不可欠である。組織は、組織の生存率の低下を防ぐために、解剖後にPSSに残る必要があります。任意の等角筋標本は、受動張力14,15に対して最大の力を発生させる最適な長さ-張力の関係を有する。このプロトコルに記載した実験のために、最適な受動的張力が以前に簡単に組織への受動的張力を0.5gずつを加算することによって決定した。組織は、トーンなしで始まるべきであり、その後、平衡の30分後、組織を活性のトーンを生成したKClを最大濃度(80 mM)を、でチャレンジした。次に、組織を洗浄し、ベースライントーンに戻した。ベースラインで15分後、受動的張力の別の0.5gを入れ、このプロセスのプラトーまで繰り返すアクティブテンションが追加の受動的なテンションで達成された。予備実験では、受動的な張力の4gの合計は、大動脈環に最大活動張力の発生を達成するために決定されたので、テンションのこの総量は、前平衡にリング上に配置される。手続き的に、それは前に受動張力付与をゼロにするのがベストですが、実験前にいつでも行うことができます。過ストレッチ組織、実験や解剖の任意の時点で、否定的に組織の生存と実験の成果に影響を与えます。このステップは、過剰なストレッチの最も尤度を持つように、浴中に組織を配置する際にこれが最も肝要である。数と期間における適切な洗浄は、再現性の効果のために必要とされる。第二の課題は、あまりにも早く組織がベースラインテンションに戻ってきた最初のチャレンジの後、または前に、異常な応答になります。可逆拮抗薬/阻害剤を研究した場合、組織はinhibiとして、さらに、アゴニストの前に洗浄されるべきではないター濃度が低下する。
孤立した組織浴アッセイに注目すべき長所と短所があります。
短所:組織は、フック上のリングの外科的除去または配置時の損傷の程度が異なることがあります。内皮細胞は、大動脈リングの内側のライニングであるため、この細胞層を損傷しないように、注意がフック上のリングの配置に注意する必要があります。組織はまた、組織浴中で生存可能である、時間の明らかに異なる長さを有していてもよく、これは、決定されなければならない。ていないすべての組織が同じである。この線に沿って、組織がタイムコントロールは、すべての実験のために必要な制御になるように一日を通して彼らの応答性に変更されることがあります。この良い例が、一般的な8時間の実験中に100パーセントによって収縮最大に向上させたモルモット気管です。水に難溶性である薬物は、PSSに析出することができる。最後に、累積ANDアゴニストに対する受容体脱感作が発生した場合、アゴニストは異なる結果になる可能性がある薬剤の非累積加算。アンジオテンシンIIは、迅速なタキフィラキシーを示しているそのような薬剤である。
利点:組織浴実験の主な利点の1つは、リアルタイムであることである。一つは、それが繰り広げられると急速に結論と計画の次のステップを作ることができるように実験を参照してくださいだけでなく、実験中にトラブルシューティングを行うことができます。実験を行うのは一日かかります。複数の組織は、典型的には、動物自身の対照としての役割を果たすことができるように、1つの動物から調製することができ、それは、実験に強度を付加する。薬剤に対する組織の比較的純粋な応答を試験するように、一つは、他の要因から組織を単離することができる。そのような組織浴システムのようなインビトロ実験はまた、 インビボでの実験と比較して、少量の薬物の使用を可能にする。
ここに説明した基本的な実験計画をすることができます広範囲に追加のパラメータの記録または他の外部刺激の導入を可能にするように変更。例えば、電極の添加は、神経支配する神経16,17の電場刺激を可能にする。熱またはpHプローブを添加して、収縮反応に対する温度及びpHの効果も18,19を計測することができる。同様に、酸素は、低酸素症誘発性効果を評価するためにN 2で部分的にまたは完全に置換することができる。また、このビデオで使用される等尺収縮性測定の同じ基本的な原理は、等尺性張力の発生および細胞内カルシウム20の変化の同時測定を可能にするシステムを開発するために使用することができる。システムは、それが迅速に応答中に組織試料を凍結すること存在するため、シグナル伝達はまた、容易に、研究され、シグナル伝達経路系の活性を生化学的に検証することができるようになっている。
EQUのバリエーションこれを行うために使用することができipmentは膨大である。このシステム全体を構築または自動のどちらか一方は、複数の異なる企業から購入することができる。このプロトコルで使用される組織浴および組織ホルダーは、社内のミシガン州立大学の機械工場によって手吹き(組織浴)と手を構築(保有者)であった。
The authors have nothing to disclose.
The Watts Laboratory through the years, and Dr. Marlene Cohen and Kathy Schenck for teaching us this assay over two decades ago. NIGMS R25GM074119 supported development of this teaching module for a Short Course in Integrative and Systems Pharmacology held on the campus of MSU from 2005 to 2013.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
LabChart Software | ADInstruments | 7.2 | |
PowerLab (4 channel) | ADInstruments | ML760 | |
QuadBridge (4 channel) | ADInstruments | ML112 | ML112 |
Grass Adapter Cable | ADInstruments | MLAC11 | MLAC11 |
Grass Force-Displacement Transducer | Grass Instrument Co | FT03 | FT03 |
Grass Transducer Cable | Grass Instrument Co | TAC-7 REV-1 | |
BNC to BNC Cable | ADInstruments | MLAC01 | |
IsoTemp 2100 | Fisher Scientific | IC-2100 | |
Tissue Bath | Multiple Sources | ||
Physiological Salt Solution | PSS | ||
Braided Silk Suture | Harvard Apparatus | 51-7615 | SP104 |
Ring Stand | Humboldt MFG Co | H-2122 7 | |
Dissecting Dishes | Handmade with Silicone | ||
Tygon Tubing | VWR Scientific | 63010-100 | R-3603 |
Hose Clamps | Cole-Parmer Instrument Co | 06832-08 | SNP-8 |
50ml Muscle Bath | Eberhartglass Blowing | Custom | |
250ml Warming Chambers | Eberhartglass Blowing | Custom | |
Gas Dispersion Tube | Ace Glass | 7202-06 | 7202-02 |
Micrometer | |||
Custom Stands | |||
Three-Prong Clamps | VWR International | Talon | |
S-Connector | VWR International | Talon | |
Tissue Hooks | Hand Made in House | Custom | |
Tissue Dissection | |||
Leica Stereomicroscope MZ6 | Leica | 10447254 | |
Stereomaster Microscope Fiber-Optic Light Source | Fisher Scientific | 12562-36 | 12562-36 |
Culture Petri Dish | Pyrex | 7740 Glass | |
Sylgard Silicone Elastomer | Dow Corning | Sylgard 170 Kit | |
Vannas Scissors | George Tiemann & Co | 160-150 | 160-150 |
Splinter & Fixation Forceps | George Tiemann & Co | 160-55 | 160-55 |