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Method Article
Aktuelle Erkenntnisse über die zellulären Grundlagen von Herzerkrankungen meist stützt sich auf Studien an Tiermodellen. Hier beschreiben wir und Validierung einer neuen Methode, um einzelne lebende Herzmuskelzellen von kleinen chirurgischen Proben menschlichen Myokard zu erhalten. Menschen Kardiomyozyten können für elektrophysiologische Studien-und Drogentests verwendet werden.
Kardiomyozyten von erkrankten Herzen sind komplexe Umbauprozesse, die Änderungen in der Zellstruktur, Erregung Kontraktion Kupplung und Membranionenströme unterzogen. Diese Veränderungen sind wahrscheinlich für das erhöhte Risiko und die arrhythmogene Kontraktions Veränderungen, die zu den systolischen und diastolischen Dysfunktion bei Herzpatienten verantwortlich zu sein. Allerdings hat die meisten Informationen über die Veränderungen der Myozyten-Funktion im Herzerkrankungen aus Tiermodellen zu kommen.
Hier beschreiben wir ein Protokoll und zu validieren, um lebensfähige Muskelzellen von kleinen chirurgischen Proben von ventrikulären Myokard von Patienten, die Herzchirurgie Operationen zu isolieren. Das Protokoll wird im Detail beschrieben. Elektrophysiologischen und intrazellulären Calciummessungen berichtet, um die Durchführbarkeit einer Anzahl von Einzelzellmessungen in menschlichen Kardiomyozyten mit diesem Verfahren erhalten zu demonstrieren.
Das Protokoll berichtet erWieder kann für zukünftige Untersuchungen der zellulären und molekularen Basis der funktionellen Veränderungen des menschlichen Herzens in Gegenwart verschiedener Herzkrankheiten sein. Außerdem kann diese Methode verwendet, um neue therapeutische Targets auf zellulärer Ebene zu identifizieren und die Wirksamkeit der neuen Verbindungen auf die menschliche Herzmuskelzellen zu testen, mit direktem Translationswert werden.
Dissection der elektrophysiologischen Eigenschaften des Herzmuskels hat sich deutlich nach der Entwicklung von Techniken für die einzelnen Herzmuskelzellen Isolation vorangekommen. Die jüngsten Fortschritte im Verständnis der Herzkontraktion Anregung Kopplung (EC-Coupling) haben auch durch die Fähigkeit der Isolierung lebensfähigen Einzel Kardiomyozyten, die alle physiologischen Eigenschaften des intakten Gewebes behalten gemacht worden. Patch-Clamp-Verfahren werden routinemäßig verwendet, um die Funktion und pharmakologische Modulation von Herz sarkolemmalen Ionenströme zu untersuchen. Aufnahmen der intrazellulären Calcium-Dynamik mit Ca 2 +-sensitiven Farbstoffen werden auch regelmäßig auf einzelne Herzmuskelzellen aus einer Vielzahl von gesunden und kranken Modelle durchgeführt wird, liefert wichtige Daten über die Physiologie des EG-Kupplung als auch auf die pathologischen Veränderungen der intrazellulären Ca 2 + Homöostase, die zu mechanischen Beeinträchtigungen und erhöhte Belastung in arrhythmogene Herzkrankheiten. Information aus diesen Studien ist entscheidend für das Verständnis der elektrophysiologischen und mechanischen Auswirkungen von Drogen in der Klinik. Es gibt jedoch bestimmte Arten Unterschiede in den Transmembranströmen und in den EG-Kupplung Proteine, die für bestimmte Funktionen des Herzaktionspotentials und der Herzmechanik zu berücksichtigen. Während also Studien von Myozyten aus nicht-menschlichen Säugetieren isoliert haben die biophysikalischen Eigenschaften und physiologischen Rollen von spezifischen Transmembranionenkanäle und EC-Kopplung Proteine aufgeklärt, sie sind nicht zwangsläufig relevanten Modelle der menschlichen Herzmuskelzellen. Isolation von lebensfähigen Muskelzellen aus menschlichen Herzmuskel ist daher unerlässlich, um die Pathophysiologie von Herzerkrankungen verstehen und Validierung neuer therapeutischer Ansätze.
Menschenvorhofgewebe ist leicht verfügbar, wie Vorhof Anhänge werden oft während der chirurgischen Verfahren verworfen. Erste quantitative Untersuchungen der erwachsenen menschlichen Herzaktionspotentiale und Ionen currents beschäftigt enzymatisch isolierten Vorhofzellen 1-4. Aufnahmen von Aktionspotentialen oder Ströme aus isolierten erwachsenen Menschen ventrikuläre Zellen wurden anschließend berichtet 3,5-10. Die meisten dieser Studien wurden Zellen aus explantierten Herzen gewonnen und verwendet entweder Collagenase-Perfusion einer Koronararterie Segment oder Belichtung von relativ großen Mengen an Kollagenase Exzidate isolierte Zellen zu erhalten. Diese Studien ermöglichte eine detaillierte Charakterisierung einer Anzahl von Transmembran-Ionenströme aus humanen Kardiomyozyten aus gesunden Herzen und von Patienten mit terminaler Herzinsuffizienz. Aufnahmen von L-Typ-Ca 2 +-Strom (I CA-L) 5-7, transiente Kalium-Auswärtsstrom (I to) 8, Einwärtsgleichrichter Kaliumstrom (I κ1) 8, die verschiedenen Komponenten des verzögerten Gleichrichter-Kaliumstrom (I κ ) 9 berichtet. Vorschüsse und Raffination vondie Isolationsverfahren 10, erlaubt eine eindeutige Charakterisierung der ionischen Basis der erhöhten arrhythmogene Potential in terminaler Herzinsuffizienz, bestehend aus Aktionspotential-Verlängerung 11 nach Depolarisationen 12 verzögert und erhöhte lustig Strom 13 führt zu diastolischen Depolarisation und Extrasystolen.
Erwachsene Herzmuskelzellen werden in der Regel von kleinen Tieren durch retrograde Perfusion des ganzen Herzens mit verschiedenen Enzymmischungen, eine Technik, die hohe Ausbeuten von Ca 2 +-Zellen tolerant 14 erzeugt isoliert. Isolierung von Herzmuskelzellen, die aus Fragmenten von Gewebe von Natur aus weniger erfolgreich wahrscheinlich wegen des begrenzten Zugangs zu einzelnen Enzyme Myozyten verglichen mit der durch Perfusion der Koronararterien erreicht. Wegen der sehr begrenzten Verfügbarkeit von Spenderherzen ungenutzt ist der einzige praktische Weg, um normale menschliche ventrikuläre Zellen auf einer regelmäßigen Basis zu erhalten, die durch enzymatische digestion der oft sehr kleinen Gewebefragmenten bei elektiven chirurgischen Verfahren ausgeschnitten. Die einzige menschliche Krankheitsmodell, die gründlich auf Zellebene charakterisiert worden ist terminaler Herzinsuffizienz aufgrund der Zugänglichkeit zu transplantierten Herzen. Allerdings tritt terminaler Herzinsuffizienz in einer Minderheit der Patienten und oft mit einem gemeinsamen Weg von schweren Umbau des Herzmuskelzellen, die relativ unabhängig von der zugrunde liegenden Ursache 15 ist. Die Fähigkeit, die Funktion der einzelnen Herzmuskelzellen von Patienten zu einem früheren nicht andernfalls Stadium der Erkrankung zu beurteilen ist entscheidend, um die spezifische Pathophysiologie verschiedener ererbte oder erworbene Zustände zu verstehen. Die hypertrophe Kardiomyopathie (HCM) ist ein beredtes Beispiel. HCM ist eine gemeinsame (1/500 Personen) vererbbare Herzerkrankung, die durch Herzhypertrophie, erhöhter arrhythmogene Risiko-und Kontraktions Änderungen aufgrund Ausflusstraktobstruktion und diastolischen Dysfunktion 16. Kardiomyozyten aus HCM Herzen undergo eine komplexe Umbauprozesse, die Änderungen in der Zellstruktur (Hypertrophie, myofibrillären Unordnung) und EC-Kupplung 17. Allerdings hat die meisten Informationen von Myozyten Dysfunktion bei HCM aus transgenen Tiermodellen zu kommen. Da nur eine Minderheit von HCM-Patienten entwickelt sich in Richtung Terminal Herzinsuffizienz und Herztransplantation benötigt, sind HCM Herzen sehr selten zur Zellisolierung mit Standard-Methoden zur Verfügung. Jedoch mindestens 30% der HCM-Patienten entwickeln obstruktive Symptome aufgrund massiver Blut Septumhypertrophie verändernde Ausflusstrakt Fluss während der Systole (HCM) 18. Die wirksamste verfügbare therapeutische Option für die Entlastung der Obstruktion in HCM ist die chirurgische Septum Myektomie: während dieser chirurgische Eingriff ist eine variable Größe oberen Teil der Scheidewand von trans Aorten-Ansatz entfernt. Dieser Teil des hypertrophierten Septum ist deshalb zur Zellisolierung aus dem frischen Gewebe zur Verfügung.
Verfahren zur Isolierung von menschlichen ventricular Muskelzellen von einzelnen, kleinen transvenous Endomyokardbiopsie Proben zuvor entwickelt und veröffentlicht 19. Wir implementierten eine Methode, um einzelne septalen Myozyten von Myokard-Proben von Patienten, die Herzchirurgie, einschließlich Patienten mit HCM unterziehen Septum Myektomie und Patienten, die sich Ventil Ersatzverfahren zu isolieren. Zusätzlich zu einer detaillierten Beschreibung der Trennprotokolls, repräsentativen elektrophysiologischen und Ca 2 +-Fluoreszenzmessungen vorgestellt werden, was die Lebensfähigkeit der isolierten humanen Kardiomyozyten und die Durchführbarkeit der Patch-Clamp-und intrazellulären Ca 2 +-Studien.
Die Versuchsprotokolle auf menschlichem Gewebe wurden von der Ethikkommission der Universität Careggi-Krankenhaus (; erneuert Mai 2009 2006/0024713) zugelassen. Jeder Patient hat eine schriftliche Einverständniserklärung.
1. Solutions und Vorbereitung der Ausrüstung
Lösungen werden in Tabelle 1 beschrieben. Ein vereinfachtes Flussdiagramm des Zellisolationsverfahren ist in Fig. 1 angegeben.
Lösung | CP | DB | KB | TB | PS | EB1 | EB2 | |
Reagens (mM) | KH 2 PO 4 | 50 | ||||||
MgSO 4 | 8 | 1.2 | 5 | 1.2 | 1.2 | |||
HEPES | 10 | 10 | 10 | |||||
Adenosin | 5 | |||||||
Glucose | 140 | 10 | 20 | 10 | 10 | 10 | ||
Mannit | 100 | |||||||
Taurin | 10 | 20 | 5 | 20 | 20 | |||
NaCl | 113 | 136 | 113 | 113 | ||||
KCl | 4.7 | 85 | 5.4 | 25 | 4.7 | 4.7 | ||
MgCl 2 | 1.2 | 5 | ||||||
KH 2 PO 4 | 0,6 | 30 | 0,6 | 0,6 | ||||
Na 2 HPO 4 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | |||||
NaHCO 3 | 12 | 12 | 12 | |||||
KHCO 3 | 10 | 10 | 10 | |||||
Na-Pyruvat | 4 | 4 | 4 | |||||
BDM | 10 | 10 | 10 | |||||
BHBA | 5 | |||||||
Bernsteinsäure | 5 | |||||||
EGTA | 0,5 | |||||||
2 K-ATP | 2 | |||||||
Brenztraubensäure | 5 | |||||||
Kreatin | 5 | |||||||
KMES | 115 | |||||||
Enzyme (U / ml) | Collagenase Typ V | 250 | 250 | |||||
Protease Typ XXIV | 4 | |||||||
pH-Wert | 7,4 KOH | 7.3 NaOH | 7.1 KOH | 7,35 NaOH | 7.2 KOH | 7.3 NaOH | 7.3 NaOH |
. Tabelle 1 Lösungen für die Probengewinnung, Zellisolierung und funktionelle Charakterisierung von Myozyten CP = kardioplegischen Lösung verwendet. DB = Dissoziationspuffer; KB = Kraft-Brühe Lösung; TB = Tyrode-Puffer; PS = Pipettenlösung; EB1 = Enzympuffer 1; EB2 = Enzympuffer 2.
2. Erhebung und Verarbeitung der myokardialen Proben
3. Waschen und Verdauung der myokardialen Chunks
4. Zell Resuspension und Ca 2 + réadaptation
5. Funktionale Bewertung von isolierten Kardiomyozyten.
Das folgende Protokoll ist ein Beispiel für menschlichen Kardiomyozyten funktionelle Beurteilung einschließlich simultane Messungen von Aktionspotentialen und intrazelluläre Ca2 +-Flüsse.
Das oben beschriebene Verfahren wurde verwendet, um die funktionellen Störungen von Kardiomyozyten aus der Scheidewand des Patienten mit hypertropher Kardiomyopathie (HCM) die Myektomie Operation unterzog isoliert charakterisieren, verglichen mit nicht andernfalls nicht hypertrophe chirurgischen Patienten 21. Die in diesem Abschnitt enthalten sind, aus diesem Werkstück 21 ab und sind hier als ein Beispiel, wie diese Technik verwendet, um die Änderungen der Herzmuskelzellfunktion bei Herzerkranku...
Wir haben beschrieben und validiert, eine Methode, um praktikable Muskelzellen von chirurgischen Proben menschlichen Myokard zu isolieren. Ausgehend vom zuvor beschriebenen Protokolle, die erfolgreich an isolierten Zellen von Vorhof chirurgischen Proben, die Technik benutzt hatte, um eine Trennung von einzelnen tragfähige Muskelzellen von erkrankten Myokard entwickelt und fein abgestimmt. Frühe Berichte zeigten, dass Isolierung einzelner Kardiomyozyten aus Brocken von atriale und ventrikuläre Gewebe selektiv beeintr?...
Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen konkurrieren.
Diese Arbeit wurde von der EU (STREP Projekt 241577 "BIG HEART" 7. Europäischen Forschungsrahmenprogramm, CP), Menarini International Operations Luxemburg (AM), Telethon GGP07133 (CP) und Gilead Sciences (AM) unterstützt.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Potassium phosphate monobasic (KH2PO4) | Sigma-Aldrich | P9791 | |
Magnesium sulfate heptahydrate(MgSO4*7H2O) | Sigma-Aldrich | M1880 | |
HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
Adenosine | Sigma-Aldrich | A9251 | |
D-(+)-Glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | |
Mannitol | Sigma-Aldrich | M4125 | |
Taurine | Sigma-Aldrich | T0625 | |
Potassium hydroxide (KOH) | Sigma-Aldrich | P5958 | |
Sodium chloride (NaCl) | Sigma-Aldrich | S7653 | |
Potassium chloride (KCl) | Sigma-Aldrich | P9333 | |
Sodium phosphate dibasic (Na2HPO4) | Sigma-Aldrich | S7907 | |
Sodium bicarbonate (NaHCO3) | Sigma-Aldrich | S6297 | |
Potassium bicarbonate (KHCO3) | Sigma-Aldrich | 237205 | |
Sodium pyruvate | Sigma-Aldrich | P2256 | |
2,3-Butanedione monoxime | Sigma-Aldrich | B0753 | |
Sodium hydroxide(NaOH) | Sigma-Aldrich | S8045 | |
L-Glutamic acid monopotassium salt monohydrate | Sigma-Aldrich | 49601 | |
Pyruvic acid | Sigma-Aldrich | 107360 | |
3-Hydroxybutyric acid | Sigma-Aldrich | 166898 | |
Adenosine 5′-triphosphate dipotassium salt dihydrate (K2-ATP) | Sigma-Aldrich | A8937 | |
Creatine | Sigma-Aldrich | C0780 | |
Succinic Acid | Sigma-Aldrich | S3674 | |
Ethylene glycol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N′,N′-tetraacetic acid (EGTA) | Sigma-Aldrich | E0396 | |
Albumin from bovine serum | Sigma-Aldrich | A0281 | |
Magnesium chloride (MgCl2) | Sigma-Aldrich | M8266 | |
Collagenase from Clostridium histolyticum, Type V | Sigma-Aldrich | C9263 | |
Proteinase, Bacterial, Type XXIV | Sigma-Aldrich | P8038 | |
Calcium chloride solution, ~1 M in H2O | Sigma-Aldrich | 21115 | |
Calcium chloride 0.1 M solution | Sigma-Aldrich | 53704 | |
Potassium methanesulfonate | Sigma-Aldrich | 83000 | |
FluoForte Reagent | Enzo Life Sciences | ENZ-52015 | |
Powerload concentrate, 100X | Life Technologies | P10020 | |
Perfusion Fast-Step System | Warner Instruments | VC-77SP | |
Amphotericin B solubilized | Sigma-Aldrich | A9528 | |
Multiclamp 700B patch-clamp amplifier | Molecular Devices | ||
Digidata 1440A | Molecular Devices | ||
pClamp10.0 | Molecular Devices | ||
Digestion Device | CUSTOM | CUSTOM | The device is custome made in our laboratory using plastic tubes, cast Sylgard and a motor; it is described in detail in Figure 1C-1D and in Figure7. We can provide further details if requested. |
Silicone elastomer for the digestion device's brushes | Dow Corning | SYLGARD® 184 | |
Variable speed rotating motor for the digestion device | Crouzet | Crouzet 178-4765 | |
Mold for brushes casting | N.A. | N.A. | The mold is custom made from standard PTFE 2.5 cm diameter rods. |
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