该协议描述了一种同时实时测量收缩淋巴管中的细胞溶质,游离钙[Ca2 + ]i 和血管直径的方法,然后计算绝对Ca2 + 浓度以及收缩性/节律性参数。该协议可用于在各种实验条件下研究Ca2+ 和收缩动力学。
淋巴管系统,现在通常被称为“第三循环”,位于许多重要器官系统中。淋巴管系统的主要机械功能是将液体从细胞外空间返回中央静脉导管。淋巴转运是由淋巴管 (LV) 的自发节律性收缩介导的。左心室收缩很大程度上受胞质游离钙 ([Ca2+]i) 的周期性上升和下降调节。
本文提出了一种在分离的加压左心室中同时计算[Ca2+]i 绝对浓度变化和血管收缩力/节律性的方法。 使用分离的大鼠肠系膜左心室,我们研究了[Ca2+]i 和收缩力/节律性响应药物添加的变化。隔离的 LV 加载比例 Ca2+ 传感指示器 Fura-2AM,并使用视频显微镜与边缘检测软件相结合,实时连续捕获 [Ca2+]i 和直径测量值。
将每个 LV 的 Fura-2AM 信号校准为每个容器的最小和最大信号,并用于计算绝对值 [Ca2+]i。直径测量用于计算收缩参数(振幅、舒张末期直径、收缩末期直径、计算流量)和节律性(频率、收缩时间、弛豫时间),并与绝对 [Ca2+]i 测量值相关。
淋巴管系统存在于许多器官系统中,包括脑、心脏、肺、肾脏和肠系膜 1,2,3,4,5,6,并通过将液体(淋巴)从间质空间推进到中央静脉管来维持液体稳态 7,8,9,10 .它始于血管毛细血管床内的盲端淋巴毛细血管,这些毛细血管排入集合淋巴管 (LV)。收集左心室由两层细胞组成:一层内皮细胞被一层淋巴肌细胞 (LMC) 包围10,11。淋巴液运输是通过外在力(例如新淋巴形成、动脉搏动、中心静脉压波动)和内力来实现的12.
淋巴转运的内在力是收集左心室的自发节律性收缩,这是大多数研究淋巴功能研究的重点。这种内在淋巴泵主要受细胞质游离 Ca2+ ([Ca2+]i) 的循环上升和下降调节。LMCs中质膜的自发去极化激活电压门控的“L型”Ca2+(Cav1.x)通道,触发Ca2+内流和随后的左心室节律性收缩8,9,10。用特定药物(如硝苯地平)阻断 Cav1.x 证实了这种作用,该药物可抑制左心室收缩并引起血管扩张13,14。由 Cav1.x 通道介导的 LMC 中 [Ca2+]i 或“Ca2+ 尖峰”的瞬时升高也可能通过激活肌醇三磷酸 (IP3) 受体和肌浆网 (SR) 上的兰尼定受体 (RyRs) 来动员细胞内 Ca2+ 储存15,16,17,18。目前的证据表明,与 RyRs15、16、19、20、21 相比,IP3 受体贡献了更多 Ca2+ 用于正常左心室收缩;然而,RyR 可能在病理学期间或对药物干预的反应中发挥作用17,18。此外,Ca2+ 激活的 K+ 通道22 和 ATP 敏感钾 (KATP) 通道23,24 的激活可以使 LMC 膜超极化并抑制自发收缩活动。
利用方法实时研究Ca2+的变化和血管收缩对药理学试剂的反应对于理解这些潜在的调节因子非常重要。使用 Fura-2 测量 LV [Ca2+]i 相对变化的早期方法已被描述过 25。由于 Fura-2 和 Ca2+ 的解离常数已知为26,因此可以计算 Ca2+ 的实际浓度,这扩大了该方法的应用范围,并为 Ca2+ 信号传导、膜兴奋性和收缩机制提供了额外的见解27,并允许在实验组之间进行基线比较。后一种方法已用于心肌细胞28,因此可以适应左心室。本文提出了一种改进的方法,该方法将这两种方法相结合,以实时测量和计算绝对 [Ca2+]i 的变化以及在隔离的加压左心室中连续连续的血管收缩力/节律性。我们还为接受硝苯地平治疗的左心室患者提供具有代表性的结果。
9至13周龄的雄性Sprague-Dawley大鼠是从商业供应商处购买的。到达后,所有大鼠都以标准实验室饮食在阿肯色大学医学部(UAMS)实验室动物医学(DLAM)设施中饲养和维护,并暴露于25 °C的12小时光照:黑暗循环中。所有程序均按照UAMS机构动物护理和使用委员会(IACUC)批准的动物使用协议#4127执行。
1.肠系膜左心室的解剖和插管
注意:在分离肠系膜左心室之前设置灌注室非常重要,以确保没有会干扰实验的流动或泄漏中断。
2. 左心室中 [Ca2+]i 绝对浓度的测量
3. 左心室收缩力和节律性的测量
在暴露于不同浓度的硝苯地平(NIF; 0.1-100 nM)时,在分离的大鼠肠系膜左心室中评估了 LVs 的收缩力和胞质游离 Ca2+ ([Ca2+]i) 的相应改变(图 6)。参数,包括 Ca2+ 尖峰振幅、基线 Ca2+ 和峰值 Ca2+,随着 NIF 逐渐添加到灌注室,表现出浓度依赖性降低(图 7A)。同时,收缩幅度和计算流量等收缩参数也显示出逐步下降(图7B)。NIF的EDD直径略有增加(图7B)。Ca2+ 尖峰频率和收缩频率似乎是全有或全无的响应。然而,对于一个 LV,这种效应发生在 10 nM 处,而所有 LV 都停止了 100 nM 的收缩。因此,合并的数据会生成类似于分级浓度响应的图形。这种效果与早期在其他制剂中使用 NIF 治疗 LV 的出版物一致(金属丝和压肌摄影13,14)。曼哈顿图显示了节律性测量的个体左心室反应,包括间歇、收缩时间和放松时间(图 7C)。这种类型的数据表示使研究人员能够梳理出这些全有或全无的反应或收缩节律的可变性,以提供对潜在机制的更多见解。最终,收缩幅度和频率的降低导致通过这些分离的左心室的计算流量减少,这可作为体内功能的替代指标。总体而言,左心室收缩力的下降与[Ca2+]i的降低相关。我们的研究结果提供了直接证据,表明在 100 nM 范围内,NIF 通过拮抗淋巴肌细胞 (LMC) 中存在的 Cav1.x 通道,有效地停止了左心室的收缩和 [Ca2+]i 振荡。
图 1:隔离容器室设置的图像。 血管灌注研究使用配备温度调节剂的隔离血管室。重力用于通过 PSS 储罐控制压力。压力通过连接到流入 (P1) 和流出 (P2) 套管的传感器进行监测。缩写:PSS=生理盐溶液。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 2:打结的准备工作一目了然。(A) 在解剖显微镜下使用单丝 3 层丝缝合线进行双环准备, (B) 抓住松散的一端并将其拉过两个环, (C) 从两端拉结以保持一个小开口, 以及 (D) 从两侧切开多余的细丝和蓝色盒子,显示一个即用型完整的双反手结。比例尺 = 1.5 mm. 请点击这里查看此图的较大版本.
图 3:数据采集的实验工作流程示意图。 用5%异氟烷诱导麻醉健康大鼠,并进行斩首以去除躯干血。进行中线切口以暴露和分离肠系膜。将分离的肠系膜在冰冷的 PSS 溶液中展开,并解剖出不含脂肪的左心室,以便在隔离的血管灌注室中插管。使用20倍物镜将浴液放置在倒置显微镜的载物台上。用 340 nm 和 380 nm 波长的光交替激发容器,并使用 510 nm 的 CCD 相机收集发射荧光光谱。连接到显微镜的计算机使用荧光捕获和边缘检测成像软件生成收缩线和Ca2+ 迹线。比例尺 = 1 毫米。缩写:PSS=生理盐溶液;LV = 淋巴管;CCD = 电荷耦合器件。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 4:代表性左心室收缩痕迹。 (A) 在 PSS 中加载 Ca2+ 成像指示剂 Fura 2 AM 的空心左室直径变化记录示例和 (B) 放大轨迹,以显示与血管收缩力相关的所有参数:EDD、ESD、AMP 和频率。这些值用于计算节奏和流量。缩写:PSS=生理盐溶液;LV = 淋巴管;EDD = 舒张末期直径;ESD = 收缩末期直径;AMP = 振幅。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 5:代表性的 LV Ca2+ 成像轨迹。 (A) 在 PSS 中加载有 Fura-2 的空心左心室中绝对 [Ca2+]i 变化的记录示例,以及 (B) 放大轨迹,以显示与 [Ca2+]i 相关的所有参数(峰值、幅度和基线)(未进行背景校正)。缩写:PSS=生理盐溶液。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 6:左心室收缩力和 Ca2+ 成像一目了然。 对应于 PSS 基线的 (A) 直径、(B) 340/380 比率和 (C) 绝对 [Ca2+]i 、硝苯地平、Cav1.x (Ca2+) 通道拮抗剂、浓度响应的代表性迹线,包括 Rmin 和 Rmax。缩写:PSS=生理盐溶液;LV = 淋巴管;NIF = 硝苯地平;Rmin = 最小 Fura-2 荧光信号;Rmax = 最大 Fura-2 荧光信号。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 7:硝苯地平阻断了左心室中 Ca2+ 振荡和相应的收缩力。 (A) Ca2+ (n = 3) 和 (B) 收缩 (n = 3) 参数随着硝苯地平(一种电压依赖性 Cav1.x (Ca2+) 通道拮抗剂的加入而以浓度依赖性方式降低。(C) 具有代表性的曼哈顿图显示了收缩与收缩和松弛时间之间的平均时间间隔 (Δt)。数据以 SEM ±平均值表示。 缩写:PSS = 生理盐溶液;LV = 淋巴管;NIF = 硝苯地平;EDD = 舒张末期直径;AMP = 振幅。 请点击这里查看此图的较大版本.
由于左心室的脆弱性和体积小,因此在解剖和插管过程中必须格外小心。即使是对血管的轻微损伤也可能导致无活性左心室的发展或引起 [Ca2+]i 瞬变异常。在整个实验系列中,激发设置的一致性同样至关重要,以确保对照组和治疗组之间 [Ca2+]i 测量的可比性。如果不能保持均匀的设置,则存在高估或低估实验系列中各血管 [Ca2+]i 的巨大风险。同样,在每次实验中准确识别和监测同一血管区域也同样重要。
使用比率指示剂 Fura-2AM 可归一化由组织厚度不均匀、荧光团分布/泄漏或光漂白引起的荧光变化,这些问题在单波长染料中很常见。31 这使得本协议中描述的连续监测成为可能。然而,由于 Fura-2 通过螯合 Ca2+ 起作用,因此可能会使 LVs 超载并减少可用于收缩或药物反应的 [Ca2+]i 。在这些情况下,在没有节律性收缩的情况下,仍可能观察到 Ca2+ 尖峰。左心室长度的变化也可能导致这种现象。虽然这些 Ca2+ 测量可能仍然有效,但可能需要在重复设置中降低 Fura-2AM 的浓度,以成功实现 Ca2+ 和直径测量。我们的结果仅包括基线时同时存在 Ca2+ 尖峰和节律性收缩的 LV。
测量 Rmin 和 Rmax 是计算绝对值 [Ca2+]i 的关键步骤。因为在没有 Ca2+ 的情况下,Rmin 应该是 Fura-2 比率,因此在不含 Ca2+ 的 PSS 中添加了高浓度的 EGTA,以确保任何残留的 Ca2+ 的螯合。初步研究是在不含 Ca2+ 的 PSS 中使用 EDTA 进行的,这导致了偶发的血管收缩和相应的 Ca2+ 尖峰。对于 Rmax,已将高浓度的 Ca2+ 与离子载体离子霉素一起添加到 PSS 中,以最大化 [Ca2+]i 信号。高 Ca2+ 溶液可能会沉淀,这可能需要从 PSS 中去除 EDTA。重要的是,这些对 Rmin 和 Rmax 的额外测量提供了评估 [Ca2+]i 生理相关变化的机会,这可以提供有关膜兴奋性和收缩力机制的信息27 并允许与仅报告 Fura-2 的 340/380 比率的方案相比,实验组之间的基线比较。如果未能达到足够的 Rmin 和 Rmax 值,则无法计算绝对值 [Ca2+]i。
由于 LV 的收缩性质,该方法只能提供全局 Ca2+ 水平的测量值,而不是可以在瘫痪血管中测量的局部 Ca2+ 释放事件32。然而,与使用麻痹血管或单个细胞的方法相比,该方法有利于将绝对 [Ca2+]i 动力学的变化与收缩力相关联28,32。对于这种方法,假设测量的大部分 Ca2+ 起源于淋巴肌细胞。然而,内皮细胞也存在于这些分离的左心室中,可能有助于观察到的总 Ca2+ 信号33。这种贡献可以使用已被内皮细胞34 剥离的 LV 来估计。左心室收缩也可能导致血管壁在收缩周期中略微移入和移出焦点。因此,使用可以拉紧但又不会拉伸血管的短血管段非常重要。
除了在左心室中的应用外,该方法还可用于研究来自其他血管床(包括小动脉和静脉)的分离血管,并有望在神经生物学和血管生物学的其他分支中应用。探索靶向不同信号转导通路的各种激动剂或拮抗剂的作用是研究潜在 Ca2+ 动力学的另一种途径。此外,该技术还可用于涉及来自相应动物的对照和处理样品的比较研究。此外,这种方法适用于细胞水平的实施,例如在分离的淋巴肌细胞中,只需对灌注室和显微镜物镜进行最小的调整。总之,该方法提供了对全局 Ca2+ 动力学的生理相关见解,因为它与 LV 中的收缩性和节律性相关,并提供了对收集 LV 中 Ca2+ 动力学的潜在调节因子的稳健评估。
作者没有要披露的利益冲突。
这项工作得到了美国国立卫生研究院的支持,包括美国国家普通医学科学研究所、生物医学研究卓越中心 (COBRE)、宿主对癌症治疗的反应研究中心 [P20-GM109005]、美国国家癌症研究所 [1R37CA282349-01] 和美国心脏协会博士前奖学金 [奖项编号:23PRE1020738; https://doi.org/10.58275/AHA.23PRE1020738.pc.gr.161089]。内容完全由作者负责,并不一定代表 NIH 或 AHA 的官方观点。图 1 和 图 3 是使用 BioRender.com 创建的。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
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