Dit protocol beschrijft een methode om tegelijkertijd cytosolisch, vrij calcium [Ca2+]i en vaatdiameter in samentrekkende lymfevaten in realtime te meten en vervolgens absolute Ca2+- concentraties te berekenen, evenals contractiliteits-/ritmiekparameters. Dit protocol kan worden gebruikt om Ca2+ en contractiele dynamiek te bestuderen in verschillende experimentele omstandigheden.
Het lymfevatuur, nu vaak ‘de derde circulatie’ genoemd, bevindt zich in veel vitale orgaansystemen. Een belangrijke mechanische functie van het lymfevaculatuur is het terugvoeren van vloeistof uit extracellulaire ruimtes terug naar de centrale veneuze kanalen. Lymfetransport wordt gemedieerd door spontane ritmische samentrekkingen van lymfevaten (LV’s). LV-contracties worden grotendeels gereguleerd door de cyclische stijging en ondergang van cytosolisch, vrij calcium ([Ca2+]i).
Dit artikel presenteert een methode om gelijktijdig veranderingen in absolute concentraties van [Ca2+]i en vatcontractiliteit/ritmiek in realtime te berekenen in geïsoleerde, onder druk staande LV’s. Met behulp van geïsoleerde mesenteriale LV’s van ratten hebben we veranderingen in [Ca2+]i en contractiliteit/ritmiek bestudeerd als reactie op toevoeging van geneesmiddelen. Geïsoleerde LV’s werden geladen met de ratiometrische Ca2+-detectie-indicator Fura-2AM, en videomicroscopie in combinatie met randdetectiesoftware werd gebruikt om [Ca2+]i en diametermetingen continu in realtime vast te leggen.
Het Fura-2AM-signaal van elke LV werd gekalibreerd op het minimum- en maximumsignaal voor elk schip en gebruikt om de absolute [Ca2+]i te berekenen. Diametermetingen werden gebruikt om contractiele parameters (amplitude, einddiastolische diameter, einde systolische diameter, berekende stroom) en ritmiek (frequentie, contractietijd, relaxatietijd) te berekenen en gecorreleerd met absolute [Ca2+]i metingen.
Het lymfevasstelsel wordt aangetroffen in veel orgaansystemen, waaronder de hersenen, het hart, de longen, de nieren en het mesenterium 1,2,3,4,5,6, en werkt door vloeistof (lymfe) van de interstitiële ruimtes naar de centrale veneuze kanalen te stuwen om de vloeistofhomeostase te behouden 7,8,9,10. Het begint met blinde lymfatische capillairen in de vasculaire capillaire bedden die uitmonden in verzamelende lymfevaten (LV’s). Verzamelende LV’s zijn gemaakt van twee lagen cellen: een laag endotheelcellen omgeven door een laag lymfespiercellen (LMC’s)10,11. Het transport van lymfevocht wordt bereikt door zowel extrinsieke krachten (bijv. nieuwe lymfevorming, arteriële pulsaties, centraal veneuze drukschommelingen) als intrinsieke krachten12.
De intrinsieke kracht voor lymfetransport is de spontane ritmische samentrekking van verzamelende LV’s, wat de focus is van de meeste onderzoeken naar de lymfefunctie. Deze intrinsieke lymfepomp wordt voornamelijk gereguleerd door de cyclische stijging en daling van cytosolische, vrije Ca2+ ([Ca2+]i). Spontane depolarisatie van het plasmamembraan in LMC’s activeert spanningsafhankelijke “L-type” Ca2+ (Cav1.x) kanalen, waardoor Ca2+ instroom en daaropvolgende LV ritmischecontractie 8,9,10 wordt geactiveerd. Deze rol werd aangetoond door Cav 1.xte blokkeren met specifieke middelen, zoals nifedipine, die LV-contracties remden en vaatverwijding veroorzaakten13,14. De voorbijgaande stijging van [Ca2+]i of “Ca2+ spike” in de LMC’s gemedieerd door Cav1.x-kanalen kan ook intracellulaire Ca2+-voorraden mobiliseren door inositoltrifosfaat (IP3)-receptoren en ryanodinereceptoren (RyR’s) op het sarcoplasmatisch reticulum (SR) te activeren15,16,17,18. Huidig bewijs suggereert dat IP 3-receptoren meer bijdragen aan Ca2+ die nodig is voor normale LV-contracties in vergelijking met RyRs 15,16,19,20,21; RyRs kunnen echter een rol spelen tijdens pathologie of als reactie op farmaceutische interventie17,18. Bovendien kan de activering van Ca2+-geactiveerde K+-kanalen22 en ATP-gevoelige kalium (KATP) kanalen23,24 het LMC-membraan hyperpolariseren en spontane contractiele activiteit remmen.
Er zijn veel andere ionenkanalen en eiwitten die de dynamiek van Ca2+ kunnen reguleren bij het verzamelen van LV’s. Het gebruik van methoden om veranderingen in Ca2+ en vatcontractiliteit als reactie op farmacologische middelen in realtime te bestuderen, is belangrijk om deze potentiële regulatoren te begrijpen. Een eerdere methode waarbij Fura-2 werd gebruikt om relatieve veranderingen in LV [Ca2+]i te meten, is beschreven25. Omdat de dissociatieconstante voor Fura-2 en Ca2+ bekend is26, is het mogelijk om de werkelijke concentraties van Ca2+ te berekenen, wat de toepassing van deze methode verbreedt en extra inzicht geeft in Ca2+ -signalering, membraanprikkelbaarheid en contractiliteitsmechanismen27, en die basislijnvergelijkingen tussen experimentele groepen mogelijk maakt. Deze laatste benadering is gebruikt bij cardiomyocyten28 en kan daarom worden aangepast aan LV’s. Dit artikel presenteert een verbeterde methode die deze twee benaderingen combineert om veranderingen in absolute [Ca2+]i en vatcontractiliteit/ritmiek continu in realtime te meten en te berekenen in geïsoleerde, onder druk staande LV’s. We bieden ook representatieve resultaten voor LV’s die met nifedipine zijn behandeld.
Vanwege de fragiele en kleine aard van LV’s, is het absoluut noodzakelijk om de grootste zorg te betrachten tijdens zowel dissectie- als canulatieprocessen. Zelfs kleine schade aan het vat kan leiden tot de ontwikkeling van een niet-levensvatbare LV of aanleiding geven tot afwijkingen in [Ca2+]i transiënten. Consistentie in excitatie-instellingen is even cruciaal gedurende de gehele experimentele reeks om vergelijkbaarheid in [Ca2+]i metingen tussen controle- en behandelde groepen te garanderen. Het niet handhaven van uniforme instellingen brengt een aanzienlijk risico met zich mee van over- of onderschatting van [Ca2+]i voor schepen binnen een experimentele serie. Evenzo is het net zo belangrijk om tijdens elk experiment hetzelfde vaatgebied nauwkeurig te identificeren en te controleren.
Het gebruik van de ratiometrische indicator Fura-2AM normaliseert fluorescentievariaties die worden veroorzaakt door ongelijke weefseldikte, fluorofoorverdeling/lekkage of fotobleken, problemen die vaak voorkomen bij kleurstoffen met één golflengte. 31 Dit maakt de in dit protocol beschreven continue monitoring mogelijk. Aangezien Fura-2 echter werkt door Ca2+ te cheleren, is het mogelijk om de LV’s te overbelasten en de [Ca2+]i die beschikbaar is voor contractie of geneesmiddelrespons te verminderen. In deze gevallen kunnen Ca2+ pieken nog steeds worden waargenomen terwijl ritmische contracties afwezig zijn. Variërende LV-lengte kan ook bijdragen aan dit fenomeen. Hoewel deze Ca2+-metingen waarschijnlijk nog steeds geldig zijn, kan het nodig zijn om de concentratie van Fura-2AM in gerepliceerde opstellingen te verminderen om zowel Ca2+– als diametermetingen met succes te bereiken. Onze resultaten omvatten alleen LV’s waarvoor zowel Ca2+ pieken als ritmische contracties aanwezig waren bij baseline.
Het meten van Rmin en Rmax zijn cruciale stappen bij het berekenen van absolute [Ca2+]i. Omdat Rmin de Fura-2 verhouding zou moeten zijn bij afwezigheid van Ca2+, is een hoge concentratie EGTA toegevoegd aan de Ca2+-vrije PSS om de chelatie van eventueel achtergebleven Ca2+ te garanderen. De eerste studies werden uitgevoerd met EDTA in de Ca2+-vrije PSS, en dit resulteerde in sporadische vaatcontracties met overeenkomstige Ca2+ pieken. Voor Rmax is een hoge concentratie Ca2+ toegevoegd aan de PSS samen met een ionofoor, ionomycine, om het [Ca2+]i-signaal te maximaliseren. De oplossing met een hoogCa-2+-gehalte kan neerslaan, waardoor de EDTA uit de PSS moet worden verwijderd. Belangrijk is dat deze aanvullende metingen van Rmin en Rmax de mogelijkheid bieden om fysiologisch relevante veranderingen in [Ca2+]i te evalueren, wat informatie kan opleveren over membraanprikkelbaarheids- en contractiliteitsmechanismen27 en ook basislijnvergelijkingen tussen experimentele groepen mogelijk kan maken in vergelijking met protocollen die alleen een 340/380-verhouding voor Fura-2 rapporteren. Het niet bereiken van adequate Rmin– en Rmax-waarden sluit de mogelijkheid uit om absolute [Ca2+]i te berekenen.
Vanwege de contractiele aard van de LV’s kan deze methode alleen een maat bieden voor globale Ca2+-niveaus in plaats van lokale Ca2+-afgiftegebeurtenissen die kunnen worden gemeten in verlamde vaten32. Deze methode is echter voordelig om veranderingen in de absolute [Ca2+]i dynamiek te correleren met contractiliteit in vergelijking met methoden die gebruik maken van verlamde vaten of individuele cellen28,32. Voor deze benadering wordt aangenomen dat het merendeel van de gemeten Ca2+ afkomstig is van de lymfespiercellen. Endotheelcellen, die ook aanwezig zijn in deze geïsoleerde LV’s, kunnen echter bijdragen aan het totale Ca2+-signaal dat is waargenomen33. Deze bijdrage kan worden geschat met behulp van LV’s die zijn ontdaan van endotheel34. LV-contracties kunnen er ook toe leiden dat de vaatwand tijdens de contractiecyclus iets in en uit focus verschuift. Daarom is het belangrijk om korte vaatsegmenten te gebruiken die strak kunnen worden getrokken, maar zonder het vat uit te rekken.
Naast de toepassing in LV’s, kan deze methode worden gebruikt om geïsoleerde vaten van andere vasculaire bedden, waaronder arteriolen en aders, te bestuderen en is veelbelovend voor mogelijk gebruik in de neurobiologie en andere takken van de vasculaire biologie. Het onderzoeken van de effecten van verschillende agonisten of antagonisten die zich richten op verschillende signaaltransductieroutes is een andere manier om de onderliggende Ca2+- dynamiek te onderzoeken. Bovendien kan deze techniek ook worden gebruikt voor vergelijkend onderzoek met controle- en behandelde monsters van de respectievelijke dieren. Bovendien is deze aanpak aanpasbaar voor implementatie op cellulair niveau, zoals in geïsoleerde lymfespiercellen, waarvoor minimale aanpassingen aan de perfusiekamer en microscoopobjectieven nodig zijn. Samenvattend biedt deze methode fysiologisch relevant inzicht in de globaleCa 2+- dynamiek, aangezien deze correleert met contractiliteit en ritmiek in LV’s en biedt het een robuuste beoordeling van potentiële regulatoren van Ca2+- dynamiek bij het verzamelen van LV’s.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door de National Institutes of Health, waaronder het National Institute of General Medical Sciences, de Centers of Biomedical Research Excellence (COBRE), het Center for Studies of Host Response to Cancer Therapy [P20-GM109005], het National Cancer Institute [1R37CA282349-01] en de American Heart Association Predoctoral Fellowship [Awardnummer: 23PRE1020738; https://doi.org/10.58275/AHA.23PRE1020738.pc.gr.161089]. De inhoud valt uitsluitend onder de verantwoordelijkheid van de auteurs en vertegenwoordigt niet noodzakelijkerwijs de officiële standpunten van de NIH of AHA. Figuur 1 tr Figuur 3 zijn gemaakt met BioRender.com.
20x S Fluor objective | Olympus Corporation of the Americas (Center Valley, PA, United States) | UPlanSApo | |
Borosilicate glass micropipettes | Living Systems Instrumentation (Burlington, VT, United States) | GCP-75-100 | |
Calcium chloride (CaCl2) | Fisher Bioreagents (Waltham, MA, United States) | BP510-500 | |
Carbon dioxide (CO2) | nexAir (Memphis, TN, United States) | UN3156 | |
Dissection forceps | Fine Science Tools (Foster City, CA, United States) | 11254-20 | |
EDTA (C10H16N2O8) | Fisher Bioreagents (Waltham, MA, United States) | BP118-500 | |
EGTA (C14H24N2O10) | Fisher Bioreagents (Waltham, MA, United States) | O2783-100 | |
Fura-2AM | Invitrogen (Waltham, MA, United States) | F1221 | |
Glucose (C6H12O6) | Fisher Bioreagents (Waltham, MA, United States) | D16-500 | |
Gravity-Fed Pressure regulator | custom-made in the lab | ||
Heating unit | Living Systems Instrumentation (Burlington, VT, United States) | TC-09S | |
Imaging software | IonOptix (Westwood, MA, United States) | ||
Inverted fluorescent microscope | Olympus Corporation of the Americas (Center Valley, PA, United States) | IX73 | |
Ionomycin | Invitrogen (Waltham, MA, United States) | I24222 | |
IonOptix Cell Framing Adaptor | IonOptix (Westwood, MA, United States) | 665 DXR | |
Isoflurane | Piramal Critical Care (Telangana, India) | NDC 66794-017-10 | |
Isolated vessel perfusion chamber | Living Systems Instrumentation (Burlington, VT, United States) | CH-1 | |
Knot preparation forceps | Fine Science Tools (Foster City, CA, United States) | 11253-20 | |
LED light source | Olympus Corporation of the Americas (Center Valley, PA, United States) | TL4 | |
Magnesium sulfate (MgSO4) | Acros Organics (New Jersey, NJ, Unites States) | 213115000 | |
MyoCam-S3 Fast CMOS video system | IonOptix (Westwood, MA, United States) | MCS300 | |
Nifedipine | Sigma (St. Louis, MO, United States) | N7634 | |
Ophthalmic sutures | |||
Oxygen (O2) | nexAir (Memphis, TN, United States) | UN1072 | |
Pluronic acid | Sigma (St. Louis, MO, United States) | P2443 | |
Potassium chloride (KCl) | Fisher Bioreagents (Waltham, MA, United States | BP366-500 | |
Pressure monitor system | Living Systems Instrumentation (Burlington, VT, United States) | PM-4 | |
Pressure Transducer | Living Systems Instrumentation (Burlington, VT, United States) | PT-F | |
Silicone-lined petri-dish | custom-made in the lab | ||
Sodium bicarbonate (NaHCO3) | Fisher Bioreagents (Waltham, MA, United States | BP328-500 | |
Sodium chloride (NaCl) | Fisher Bioreagents (Waltham, MA, United States | BP358-212 | |
Sodium phosphate (NaH2PO4) | Fisher Bioreagents (Waltham, MA, United States | BP329-500 | |
Sprague-Dawley rats | Envigo RMS (Indianapolis, IN, USA) | Male | 9-13 weeks old |
Stereomicroscope | Leica Microsystems (Wetzlar, Germany) | S9D | |
Vannas spring scissors | Fine Science Tools (Foster City, CA, United States) | 15000-03 |