Het doel van dit protocol is om intacte pacemakergebieden van het nierbekken van de muis te isoleren met behulp van vibratoomsecties. Deze secties kunnen vervolgens worden gebruikt voor in situ Ca2+ beeldvorming om Ca2+ transiënte eigenschappen van pacemakercellen en andere interstitiële cellen in vibratoomsegmenten te verduidelijken.
Het nierbekken (RP) is een trechtervormige, gladde spierstructuur die normaal urinetransport van de nier naar de baarmoeder vergemakkelijkt door regelmatige, stuwende samentrekkingen. Regelmatige RP-contracties zijn afhankelijk van pacemakeractiviteit, die afkomstig is uit het meest proximale gebied van de RP bij de bekken-nierverbinding (PKJ). Vanwege de moeilijkheid om toegang te krijgen tot en het behoud van intacte preparaten van de PKJ, hebben de meeste onderzoeken naar RP-pacemaking zich gericht op eencellige elektrofysiologie en Ca2+ beeldvormingsexperimenten. Hoewel uit dergelijk werk belangrijke onthullingen over RP-pacemaking zijn voortgekomen, hebben deze experimenten verschillende intrinsieke beperkingen, waaronder het onvermogen om de cellulaire identiteit nauwkeurig te bepalen in gemengde suspensussingen en het ontbreken van in situ beeldvorming van RP-pacemakeractiviteit. Deze factoren hebben geresulteerd in een beperkt begrip van de mechanismen die ten grondslag liggen aan normale ritmische RP-contracties. In dit artikel wordt een protocol beschreven om intacte segmenten van muis PKJ voor te bereiden met behulp van een vibratome-doorsnedetechniek. Door deze aanpak te combineren met muizen die celspecifieke verslaggevers uitdrukken en genetisch gecodeerde Ca2+ indicatoren, kunnen onderzoekers mogelijk de specifieke celtypen en mechanismen die verantwoordelijk zijn voor peristaltische RP-contracties die essentieel zijn voor normaal urinetransport nauwkeuriger bestuderen.
Het nierbekken (RP) is een trechtervormige, gladde spierstructuur die urine van de nier naar de urine baarmoeder transporteert. De RP transporteert urine door regelmatige ritmische samentrekkingen (peristaltiek)1,2,3,4,5te genereren , die een bolus urine van de nier distaal naar de urine baarmoeder en uiteindelijk naar de blaas stuwt, waar het wordt opgeslagen totdat mictie optreedt6,7. Verlies van deze regelmatige activiteit heeft ernstige gevolgen, waaronder hydronefrose en nierfalen1,3,8; daarom is het van cruciaal belang om de mechanismen te bestuderen die ten grondslag liggen aan regelmatige, ritmische RP-contracties. Peristaltische contracties komen voort uit het meest proximale gebied van de RP-in de bekken-nierverbinding (PKJ)9,10,11,12,13,14,15 ( Figuur1A–C) en verspreiden zich distaal om urine van de papillen in de RP te duwen ( Figuur1B). Elektrische pacemakeractiviteit wordt in de PKJ geregistreerd als spontane voorbijgaande depolarisaties10,11,12,13,15,16,17, waarvan wordt aangenomen dat ze afkomstig zijn van gespecialiseerde pacemakercellen. Deze pacemakercellen, voorheen atypische gladde spiercellen (ASMC’s) genoemd, worden verondersteld pacemakeractiviteit te genereren of te coördineren en de samentrekkingen van “typische” gladde spiercellen (SMCs)9,10,11,18,19,20,21,22,23aante drijven.
ASMC’s komen het meest voor in de proximale RP, bij de PKJ(figuur 1A–C),waar peristaltische samentrekkingen en elektrische pacemakeractiviteit ontstaan5,7,8,9,12,13,14,16,17,18,19,20,21 ,22. Een onlangs gepubliceerde studie van deze groep identificeerde bloedplaatjes-afgeleide groeifactor receptor-alfa (PDGFRα), in combinatie met gladde spier myosine zware keten (smMHC), als een unieke biomarker voor deze interstitiële cellen (IC’s)24, een bevinding die is bevestigd door andere groepen25. Op basis van hun morfologie en eiwitexpressiepatroon werden deze cellen PDGFRα+ IC type 1 (PIC1)24,26genoemd . PIC1’s bevinden zich in de spierlaag van de PKJ, waar ze hoogfrequente, kortdure Ca2+ transiënten vertonen, waarvan wordt gedacht dat ze ten grondslag liggen aan de generatie van pacemakerpotentiaal24. Er bestaan echter andere celtypen in de PKJ, waaronder niet-smMHC-expresserende PDGFRα+ IC’s (PIC2’s) in de adventitiale laag. Eerdere rapporten hebben gesuggereerd dat niet-smMHC-IC ‘s kunnen deelnemen aan de regulering van pacemakeractiviteit19. Verdere studie van niet-smMHC-IC’s wordt echter belemmerd door een slecht onderscheid tijdens Ca2+ beeldvormingsstudies. Meestal worden heterogene celtypen binnen de RP-preparaten willekeurig geladen met Ca2+gevoelige kleurstoffen (bijv. Fluo-4). Om deze uitdagingen te overwinnen en een verscheidenheid aan celtypen in de RP te bestuderen, kunnen genetisch gecodeerde Ca2+ indicatoren (GECI’s) worden gebruikt om selectief Ca2+gevoelige fluoroforen uit te drukken in celtypen van belang.
De meeste studies die ca2+ transiënte eigenschappen in PIC1s/ASMC ‘s verduidelijken , werden bereikt door beeldvorming van flat-sheet RP weefselpreparaten19,21,27. Aangezien PIC1’s het enige celtype in de PKJ zijn dat smMHC uitdrukt, is voorwaardelijke expressie van de GECI, GCaMP, in smMHC+ cellen geschikt om PIC1’s in deze configuratie te bestuderen. Aangezien PIC1’s en PIC2’s echter beide PDGFRα uitdrukken, verbieden voorwaardelijke expressie van GCaMP-varianten in PDGFRα+ cellen celonderscheid in vlakbladpreparaten. Om dit probleem te omzeilen, werd een vibratome-doorsnedebenadering gebruikt om PIC1’s en PIC2’s over de PKJ-weefselwand te onderscheiden24. Om deze discrete cellulaire populaties te onthullen, werd de RP coronally gesectied, waardoor het mogelijk was om PIC2’s in de adventitia en PIC1’s in de spierwand te identificeren op basis van bekende immunohistochemische etiketterings- en GECI-expressiepatronen. Als gevolg van deze nieuwe PKJ-beeldvormingsbenadering bleken PIC1’s en PIC2’s verschillende Ca2+ signaleringseigenschappen weer te geven24. Bovendien werd door het isoleren van de meest proximale delen van het PKJ-gebied (figuur 2) het pacemakergebied van de RP bewaard op een manier die nog niet eerder was bereikt. Hier wordt een protocol beschreven om te laten zien hoe PKJ-preparaten van de muisnier kunnen worden geïsoleerd met behulp van vibratoomsecties, hoe deze preparaten kunnen worden ingesteld voor Ca2+ beeldvormingsexperimenten en hoe de verschillende celtypen over de PKJ-wand kunnen worden onderscheiden.
De RP bestaat uit een heterogene populatie van cellen met differentiële celdichtheden waargenomen in verschillende RP-regio’s. PIC1’s (voorheen ASMC’s genoemd) komen het meest voor in de PKJ, waar de activiteit van de pacemaker ontstaat24. Het protocol, dat hier wordt beschreven, stelt onderzoekers in staat om het pacemakergebied te isoleren van de rest van de muisnier. Door delen van PKJ te snijden met behulp van een vibratoom, worden de pacemakergebieden van de RP (geïdentificeerd als spierbanden die aan parenchym zijn bevestigd) intact gehouden, waardoor het gebruik van in situ beeldvorming mogelijk is om RP-pacemakercellen nauwkeurig te bestuderen in combinatie met celspecifieke fluorescentiereporters.
Hoewel deze aanpak nieuwe inzichten kan bieden in RP-tempovorming, zijn er enkele overwegingen die experimenteerders moeten kennen om beeldresultaten en sectioning-efficiëntie te verbeteren. Voor een ongetrainde gebruiker is deze methode van PKJ-isolatie en beeldvorming gemakkelijker te leren dan typische scherpe dissectie van flat-sheet RP-preparaten. Scherpe dissectie van RP uit hele nieren vereist weken van consistente oefening om met succes levensvatbare weefsels te isoleren voor fysiologie-experimenten. Omdat dit vibratome sectioning protocol weinig scherpe dissectiekennis vereist, is het toegankelijk voor gebruikers die geen ervaring hebben met het ontleden van andere gladde spierstructuren.
Er zijn echter enkele kritieke punten om op te merken voor dit protocol. Het succesvol vasthouden van nieren aan de vibratome specimen plaat vereist behendigheid en geduld. Als de nier verkeerd is georiënteerd en naar één kant leunt, worden schuine in plaats van rechte delen gesneden. Vanwege de delicate aard van de PKJ kan de schuine hoek vaak de spierbanden van het pacemakergebied vernietigen. Bovendien resulteert beeldvorming van schuine secties in een slechte acquisitie van beeldvorming, omdat celnetwerken zich meestal niet in hetzelfde brandpuntsvlak bevinden. De procedure is ook tijdrovend, waarbij het doorsnijden van een enkele nier vaak tot een uur duurt, gedurende welke tijd de installatie monitoring vereist.
Terwijl de beweging van het vibratoom kan worden versneld, als de snelheid te veel wordt verhoogd (>20% dan wat in het protocol wordt aanbevolen), zal het mes de nier versnipperen in plaats van netjes snijden, wat resulteert in verlies van delicate PKJ-structuren. Evenzo kan een te lage snijsnelheid ervoor zorgen dat de sectie gekarteld wordt. Optimalisatie van snijsnelheid en bladamplitude is essentieel. Bij het hanteren van vibratoomsecties moet ook voorzichtig worden omgegaan. Door hun delicate aard worden PKJ-spieren gemakkelijk verstoord tijdens het hanteren en kunnen ze scheuren. Een goed opgeleide gebruiker kan ongeveer 1-2 PKJ-regio’s oogsten per 4 nierschijfjes die geschikt zijn voor Ca2+ beeldvormingsexperimenten. Meestal hebben PKJ-secties die niet voldoen aan Ca2+ beeldvormingscriteria: 1) slechte GCaMP-expressie, 2) een verwrongen PKJ-muur of 3) een gebroken PKJ-muur. Voor gegevensanalyse kunnen ongeveer 3-4 cellen per gezichtsveld (FOV) worden bemonsterd.
Hoewel er veel cellen in de FOV van PDGFRα-GCaMP6f en SMC-GCaMP3 PKJ secties zijn, sluiten kleine weefselbewegingen cellen vaak uit van analyse. Dit kan meestal worden opgelost door een stabilisatieprotocol toe te passen op beelden. Onder omstandigheden waarin preparaten niet bewegen, kunnen ten minste 3-5 cellen worden bemonsterd uit PDGFRα-GCaMP6f-secties en 5-6 cellen uit SMC-GCaMP3-secties. Meestal is de tijd die nodig is om dieren te offeren (optimale leeftijd voor muizen is 8-16 weken) tot het uitvoeren van Ca2+ beeldvormingsexperimenten 2-3 uur, wat voldoende is om weefselintegriteit te garanderen, als weefsels tijdens de procedure worden geïncubeerd in ijskoude oplossingen wanneer dat nodig is. Samengevat is hier een vibratoomsnijprotocol beschreven om intacte preparaten van RP PKJ-gebieden uit de muisnier te genereren. Deze techniek maakt het mogelijk om RP pacemaker regio’s te behouden voor in situ Ca2+ imaging studies om RP pacemaker mechanismen te onderzoeken.
The authors have nothing to disclose.
Dit project werd gefinancierd door R01 DK124509 van NIDDK.
24-well culture plate | ThermoFisher Scientific | 142485 | To store kidney slices in |
35 mm x 10 mm Petri dishes | Sigma Aldrich | CLS430165 | Kidney slice calcium imaging dish |
48-well culture plate | ThermoFisher Scientific | 152640 | To store kidney slices in |
60 mm x 15 mm Petri dish | Sigma Aldrich | P5481 | Kidney sharp dissection dish |
Absorbent paper | Fisher Scientific | 06-666A | To dry the kidney before applying glue |
B6;129S-Gt(ROSA)26Sor/J | The Jackson Laboratory | 13148 | GCaMP3 Mice |
B6;129S-Gt(ROSA)26Sor/J | The Jackson Laboratory | 24105 | GCaMP6f Mice |
B6.FVB-Tg(Myh11-cre/ERT2)1Soff/J | The Jackson Laboratory | 19079 | smMHC-CRE Mice |
C57BL/6-Tg(Pdgfra-cre)1Clc/J | The Jackson Laboratory | 13148 | PDGFRa-CRE Mice |
Cyanoacrylate glue | Amazon | B001PILFVY | For adhering the kidney to the specimen plate |
Ethanol | Phamco-Aaper | SDA 2B-6 | For dissection |
Extra-Fine Bonn Scissors | Fine Science Tools | 14083-08 | Used for internal dissecting scissors |
Fine scissors | Fine Science Tools | 14060-09 | Used for external dissecting scissors |
Fine-tip forceps | Fine Science Tools | 11254-20 | Used for fine dissection of kidney |
Gillette Silver Blue double-edge blades | Amazon | B009XHQGYO | For insertion into blade holder of vibratome |
ImageJ | NIH | For calcium imaging analysis | |
Isoflurane | Baxter | NDC 1001936060 | For anesthesia |
Minutien pins | Fisher Scientific | NC9677548 | Pins were cut in half to reduce their length |
Silicon elastomer | Fisher Scientific | NC9285739 | Sylgard 184 |
Student Adson Forceps | Fine Science Tools | 91106-12 | For gently holding and moving the kidney |
Student Dumont Forceps | Fine Science Tools | 91150-20 | Used for internal dissecting forceps |
Vannas spring scissors | Fine Science Tools | 15000-03 | For sharp dissection and cleanup of isolated kidney |
Vibrocheck | Leica | 14048142075 | Optional component for calibrating blade movement during cutting |
VT1200 S Vibrating Blade Microtome | Leica | 14912000001 | Configuration 1 is used in our protocol |