このプロトコルは、成体マウスからの心房および心室筋細胞の同時分離のための大歯カンヌレーションの深さを含むランゲンドルフ法の修飾を記述する。
単一の心筋細胞は、収縮および電気活動の基礎単位としての心臓生物学および疾患の細胞および細胞内レベルの研究において重要なツールである。したがって、生存可能で高品質な心筋細胞を心臓から隔離することは、最初で最も重要な実験ステップである。成体マウスの心筋細胞を単離するための様々なプロトコルを比較すると、ランゲンドルフ逆行灌流は、特に心室筋細胞を単離するために、文献で報告された最も成功し、再現可能な方法である。しかし、穿フュード心臓から質の高い心房筋細胞を隔離することは依然として困難であり、成功した孤立報告はほとんど得られなかった。心室疾患とは別に、心房疾患は心臓病の大部分を占めているため、この複雑な問題を解決することは非常に重要です。したがって、そのメカニズムを明らかにするための細胞レベルのさらなる調査が保証される。本論文では、ランゲンドルフ逆行灌流法に基づくプロトコルを導入し、大大腸カヌル化の深さと、心房および心室筋細胞を分離する消化プロセスに影響を与える可能性のあるステップにいくつかの変更を同時に行った。さらに、分離された心筋細胞は、パッチクランプ調査に適していることを確認した。
心臓病は、死亡率の主要な世界的な原因の一つです1。医療システムの負担に対処するためには、心臓の生理学と病理を深く理解することが不可欠です。動物全体と無傷の心臓製剤に加えて、細胞製剤は、機能および疾患研究のためのもう一つの不可欠なツールです2。パッチクランプ、カルシウムイメージング、分子生物学、およびその他の高度な技術を適用することにより、研究者は、単一の心筋細胞(CM)における電気生理学的特性、カルシウムホメオスタシス、シグナル伝達経路、代謝状態、および遺伝子転写に関するより多くの情報を得ることができます。これは、心臓病プロセス3,4,5,6,7の生理学的および病理学的メカニズムを明らかにする上で非常に有用である。動物研究のために、小さな(例えば、マウス、ラット、モルモット)から大きい(例えば、ウサギおよびイヌ)動物に及ぶ種が使用され得る。小動物は、通常、特にマウスが好ましく、遺伝的および疾患モデルの操作に適しているため8,9,10である。
急性に隔離されたCMの技術は、開発期間が長く、まだ進化しています11。ランゲンドルフ逆行灌流は、ラットおよびマウス、特に心室筋細胞(VM)12,13,14,15の単離に適用される最も成功し、再現性のあるCMの分離方法である。しかし、正常に分離された心筋細胞(AM)の報告は16,17,18に不足しています。臓器/系全体と細胞/細胞/細胞部の両方のレベルに関するさらなる調査は、最も一般的なタイプの不整脈である心房細動(AF)が世界的に普及し、現在の治療様式が約40%-50%のAF患者の約40%-50%で効果を発揮しないため、メカニズムを明らかにし、新しい治療アプローチを探求することが保証されています。.成人マウス CM の分離が成功することは、細胞研究の第一歩です。2 つの主な分離方法を使用できます: チャンク メソッドとランゲンドルフ メソッド。ランゲンドルフ灌流法では、組織消化は冠状動脈と毛細血管床に分岐する酵素溶液に依存する。大動脈弁を貫通し、冠状動脈オスティアを遮断することを避けることができる適切な大動脈カヌリンの深さは、効率的な消化および理想的なVM収量のための不可欠なステップでもあるこのような灌流パターンを達成する前提条件である。したがって、大オータカヌレーションの深さは、同様に心房の灌流に影響を与え、最終的にAM収量に影響を与える可能性があると仮定するのが妥当です。この仮説を検定するために、異なる深さで大オータカヌレーションを行い、対応するAM収率を比較した。データは、大オータのカヌレーション深さがAM収率に直接関連していることを示した。ここでは、AM と VM を同時に分離するプロトコルを導入する。
シングルCMは、心機能および疾患20の細胞レベルの研究において貴重かつ不可欠なツールである。したがって、実行可能な CM を心臓から分離することが、最初で最も重要なステップです。細胞の品質は、特に光学および電気生理学的実験において、実験を成功させるための重要な決定要因の1つです。他の動物のCMと比較して、げっ歯類のCMは、Na+/Ca2+ 交換器21を介してカルシウム流入を支持する細胞内ナトリウムイオンの濃度が高いため、虚血および低酸素症に対してより脆弱である。さらに、AM の数は VM の数よりはるかに少ないです。したがって、分離の成功は非常に困難です。ランゲンドルフ法はマウス VM22 の分離に優れていますが、AM の単離の成功率は低く、利用可能なレポートはほとんどありません。大オータカヌル化の適切な深さは、バッファー調製に使用される温度、酵素活性、PH、水質以外の理想的なVMを得る上でも不可欠な要素です。ランゲンドルフ法の原理は、心臓の逆行灌流に依存しています。灌流の際、大動脈弁は閉じられます。それにより、パーフューザ剤は冠状動脈に押し込まれ、血管の枝を通して酵素溶液を送達し、心筋組織が均等に消化される。この種の循環パターンを達成するために、大動脈はカニュール化および結紮のために十分な長さを予約しなければならず、またカニューレ先端が大動脈弁を貫通したり、CAオチウムをブロックしたりしてはならない。したがって、大腸カヌル化の深さは、アトリア灌流にも関連しており、これは同様の方法で心房の消化効果とAMの収量に影響を与えると推測するのが妥当である。ここで提示されたプロトコルは仮説を確認し、提案と共に細胞収量を最適化するための重要なステップは以下に記されている。
ステップ1.9では、大動脈をより良く確保するために、先端までの距離が1mmであるところからノッチ(または周溝)を有する鈍い20Gカニューレが推奨される。私たちの経験に基づいて、大動脈の直径よりも少し大きいカニューレサイズは、その本質的な弾力性に依存する大動脈がカニューレにぴったり収まり、深さを調節する際に保護因子として機能する大動脈先端が大動脈弁を穿刺するのを防ぐことが判明した。ノッチの位置に関しては、カニューレ先端の近くにある場合、心臓は重力のためにカニュールの間に簡単に滑り落ちる。逆に、カヌレーション深度とライゲーション位置を調整する空間は、遠すぎると非常に限りになります。このような状況を考えると、左共通頸動脈間の大動脈を( 図2の緑色の線として)トランセクトして、大動脈が十分に長く、上昇大動脈でカニューレ化および結紮が可能であることを確認することが、ステップ3.3で優れている。上昇大動脈でのトランセクトに対して、カニューレ化のための予約長は少なくとも大動脈根に近いカニューレ先端を確保することができ、結紮後に大動脈弁を貫通しない。大動脈の解剖学とカニューレ先端からCAオシウムまでの距離の測定は、左の共通頸動脈間の大動脈をトランセクトすることが適切な大動脈カニュール化深度を達成するのに理想的な位置であることを示している。
カヌレーション深度は、心房の灌流に関連していることが判明し、これは深さの指標として機能する。 図4 は、深さが昇天大陸にあり、両方の心房付属物が膨張する場合に、心房灌流が良好であることを示す。しかし、深さが大動脈根にあり(または接近する)場合には、心房灌流は不十分であり、両方の心房付属物が拭き取られた。膨張した心房の付属物から得られたAMの合計および実行可能な数は、より高かった(図8)。これらの知見は、大大腸のカヌレーション深度が、心房および心房付属物の灌流および消化に一定の方法で影響を及ぼし、最終的にAMの収量および品質に影響を与える可能性があることを示している。AMの収率と品質は、アトリアを供給する船舶の分布に関連すると推測された。フェルナンデスらの研究は、マウスCAの起源と経過における様々な異常を実証した。 その結果、CAオスティアは非常に可変的であり、すべて大動脈の大動脈に位置しているわけではないことがわかった。一部のCAは、高離陸オスチウムと名付けられた大動脈洞の上から異常に発生する可能性があります。一部のCAは同じ大動脈大動脈に由来し、心房容器のオシウムがすぐ近くにあります。本研究における大オルタの解剖学(図10)もフェルナンデスの発見と一致している。これは、Cannulationの深さが適切でない場合、ランゲンドルフ法によってAMを分離しようとする試みがほとんど失敗した原因である可能性があります。したがって、カニューレ先端は、カニューレ先端とCAオシウムの間に十分なスペースがない場合、CAオシウムに隣接するアトリウム容器オシウムを遮断する可能性が高くなります。対照的に、大動脈弁がカニューレ先端によって貫通しない限り、心室の灌流および細胞収量はほとんど影響を受けなかった。これは、心室に血液を供給するCAがより大きなオスティアとより多くの起源を有するためと考えられます。1つのオスチウムがカニューレによって閉塞された場合、心室灌流は別のCAまたは副循環によって補償され、心房を供給する血管はかなり小さく、代用品を持たない。したがって、大オータカヌル化における深さの影響が重要である。
消化および細胞保存プロセスにおけるその他の注目すべき要因とトラブルの撮影は、以下の通りです。まず、ステップ4.1で酸素化されたタイロードの溶液を浸透させて筋肉の収縮を行い、大腸結紮後にアトリアの血液が急いで出ていない場合は残留血液を送り出すことを検討する。これは、損傷した赤血球から放出されるca2+および他の材料の悪影響を避けるのに役立ちます。第二に、CA2+フリー溶液を事前に浸透させることで、細胞間の接続を解離し、細胞間の空間を広げて、CM間のインターカロ化されたディスクがカルシウム依存性の細胞間接合部であるため、酵素消化の有効性を向上させることができます。しかし、カルシウムパラドックス現象24を避けるために、時間は3〜5分に制限されるべきです。混合酵素溶液をお勧めします。コラゲラーゼII型は細胞外マトリックスネットワークを破壊し、コラゲラーゼIIの消化が不完全な場合、トリプシンは細胞表面に残る粒状物質をクリアするのに役立ちます。これにより、パッチクランプ記録でGΩシールを形成する上で重要な滑らかなセル表面が保証されます。それにもかかわらず、トリプシン濃度は、膜タンパク質を分解することができるので、過剰な消化および細胞損傷を避けるために適切な範囲で制御されるべきである。細胞収量を改善するためにコラゲターゼII型を単独で使用すると、しばしば消化を超える組織につながり、分離されたCMは、コラゲナーゼ暴露の後にカルシウム不耐症になる25。ミオシンATPaseを阻害し、架橋形成を防止することによって自発的な収縮を防ぐ物質である2,3-ブタネジオン単一体(BDM)の使用は、まだ議論の余地がある26,27,28,29。以前の経験によると、BDMを追加することは、このプロトコルのために必要です。酵素溶液は溶液1で調製したが、溶液1はカルシウムを含まないが、カルシウムを添加して酵素を活性化させる。灌流液にBDMを添加する利点は、(1)筋細胞の収縮を阻害し、酵素溶液灌流中の酸素消費量を減少させ、(2)低酸素から筋細胞を予防し、単離された筋細胞の品質を改善することである。いくつかの研究は、BDM が細胞の電気的特性に潜在的な悪影響を持っている可能性があることを報告.しかし、ナトリウム電流の全細胞パッチクランプ記録の結果は望ましくない効果を示さなかった。細胞貯蔵工程(ステップ6)では、多くの研究がKB緩衝液、カルシウムを含まないが高カリウム濃度溶液を選択しており、細胞は二極化し、代謝状態が低いため、より良い状態を維持することができる。しかし、細胞膜のグリコカリックスは、一定の時間外生性カルシウムが存在しない場合に脂質二重層から分離し、膜透過性が増加し、その後の機能解析に影響を及ぼす30,31,32。
すべての筋細胞の分離技術は、本質的に酵素溶液中の チャンク (組織の小片)消化または酵素溶液(ランゲンドルフ灌流)22のCA灌流のいずれかに本質的に分類することができる。ランゲンドルフ法と比較すると、 チャンク 消化法は実行が容易であり、多くの研究室でCMを分離するために日常的に使用されています。しかし、この方法は通常、成体組織22から低品質のCMの低収率を生成する。また、この方法により単離された細胞は、比較実験を行うには適さない場合がある。たとえば、AM と VM の間で細胞タイプ固有の薬物効果をテストする場合、異なる分離条件の影響を無視または除外することはできません。心筋と心室の組織密度は心房のそれよりもはるかに厚く、密度が高く、消化時間と酵素濃度が異なるためです。さらに、消化中の組織の過度の攪拌およびピペッティングは、細胞を損傷し、機能的研究に大きな影響を与える。さらに、多くの以前の研究では、AMがカルシウムに対してより脆弱であることを示しています。しかし、現在のプロトコルによって単離されたAMは、おそらく消化プロセスの終わりに組織が破裂しやすいため、勾配カルシウム再導入に耐性を持つことができます。したがって、機械的損傷は少なく、チャンク法のステップは破裂と遠心を繰り返す必要があるため、細胞はより機械的な損傷を受けるであろう。最近では、Ackersら.33 は、実行可能な心臓筋細胞および非筋細胞の単離のための簡便なランゲンドルフフリーの方法を報告した。VMと線維芽細胞は効果的に単離することができますが、AMの量は言及されていませんでした。ただし、このプロトコルには、いくつかの制限があります。第一に、心臓血管の分布は、個々の違いとマウス株のバリエーションを有し、推奨されるカヌレーション深さは、各時間の成功したAMの分離を保証することはできません。第二に、この手順に新しい人のために大動脈トランセクションと逆行大動脈カニューレ化を練習するために一定の時間を要するかもしれません。最後に、この方法は、健康および高齢のマウスを除く他の心臓病モデルでは試験されなかった。したがって、それは、心臓の線維症の程度のために酵素濃度と消化時間の調整を必要とします。チャンク法で遭遇する異なる消化条件の欠点は、酵素溶液が容器床によって組織に均等に分布するランゲンドルフ法では問題ではない。
要約すると、ここで説明する単一AMとVMの同時分離のためのプロトコルは、適切な大オータカヌレーション深さがアトリウム灌流およびAM収量を効果的に改善できることを実証した。この方法で分離されたCMは高品質で、良好なカルシウム耐性を有し、team34のパッチクランプ記録およびカルシウム処理(IonOptixシステムによるCa2+リリースおよびCa2+波測定)に正常に適用されています。隔離プロトコルは、一連の細胞および細胞内調査において細胞の調製に使用できることが期待され、心臓生理学と病理の理解を深めるのに役立ちます。重要なことに、それはより臨床的に関連する心臓病のメカニズムおよび介入方法の発見を可能にする。
The authors have nothing to disclose.
この研究は、中国国立自然科学財団(81770322、81870244、81500254、81870243、81470465)と北京自然科学財団(no. 7192051)の助成金によって支えられました。著者の貢献:バイと劉は、プロジェクトを設計し、考案しました。ウェンとルアンは実験に貴重なアドバイスを提供した。呉とリンリーは実験作業を行い、データ取得、分析、解釈において重要な役割を果たしました。李はランゲンドルフ装置の組み立てに参加した。実験前に、Peng、Zhang、Wang、Yangが試薬と溶液の調製に参加しました。呉は記事を書いた。
2,3-butanedione monoxime (BDM) | Sigma-Aldrich | 31550 | |
Bull Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A2153 | |
CaCl2 | Sigma-Aldrich | C4901 | |
Collagenase type II | Worthington | 43D14160 | |
Excel | data acquisition and analysis | ||
Fetal Bovine Serum (FBS) | Zhejiang Tianhang Biotechnology | 150207 | |
Glucose | Sigma-Aldrich | G7528 | |
HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
KCl | Sigma-Aldrich | P9333 | |
KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P5655 | |
KHCO3 | Sigma-Aldrich | 237205 | |
MgCl2 | Sigma-Aldrich | M8266 | |
MgSO4 | Sigma-Aldrich | M7506 | |
Na2HPO4 | Sigma-Aldrich | S7907 | |
NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | |
NaHCO3 | Sigma-Aldrich | S5761 | |
Origin 8.5 | OriginLab, Northampton, MA,US | data acquisition and analysis | |
Peristaltic pump | Longerpump | BT100-2J | |
Sodium pentobarbital | Shanghai Reagent Factory | 810923 | |
Taurine | Sigma-Aldrich | T0625 | |
Trypan blue | Solarbio | C0040 | |
Trypsin | Invitrogen | 15090046 | |
Water bath | JULABO | ED (v.2) |