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Method Article
In diesem Artikel wird die Methodik zur Gewinnung und Bewertung der Gefäßverkalkung durch Isolierung von murinen Aorten und anschließender Extraktion verkalkter extrazellulärer Vesikel zur Beobachtung des Mineralisierungspotenzials vorgestellt.
Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind die häufigste Todesursache der Welt, und Gefäßverkalkung ist der wichtigste Prädiktor für kardiovaskuläre Ereignisse. Derzeit gibt es jedoch keine Behandlungs- oder Therapiemöglichkeiten für die Gefäßverkalkung. Die Verkalkung beginnt in spezialisierten extrazellulären Vesikeln (EVs), die durch die Aggregation von Calcium- und Phosphationen als Keimbildungsherde dienen. Dieses Protokoll beschreibt Methoden zur Gewinnung und Bewertung der Verkalkung in murinen Aorten und zur Analyse der zugehörigen extrahierten EVs. Zunächst wird eine grobe Dissektion der Maus durchgeführt, um relevante Organe wie Nieren, Leber und Lunge zu entnehmen. Dann wird die murine Aorta isoliert und von der Aortenwurzel bis zur Oberschenkelarterie herausgeschnitten. Zwei bis drei Aorten werden dann gepoolt und in einer Verdauungslösung inkubiert, bevor sie einer Ultrazentrifugation unterzogen werden, um die interessierenden EVs zu isolieren. Als nächstes wird das Mineralisierungspotenzial der EVs durch Inkubation in einer phosphatreichen Lösung und Messung der Lichtabsorption bei einer Wellenlänge von 340 nm bestimmt. Schließlich werden Kollagen-Hydrogele verwendet, um die Bildung und Reifung von verkalkten Mineralien zu beobachten, die von den EVs in vitro erzeugt werden.
Die Verkalkung ist der wichtigste Prädiktor für die Mortalität und Morbidität von Herz-Kreislauf-Erkrankungen1. Die Verkalkung verändert die Mechanik der Arterienwände aufgrund der Ansammlung von Calcium- und Phosphatmineralien2. Bei Arteriosklerose kann die Verkalkung den lokalen Stress verschlimmern und zu einer Plaqueruptur führen, die die Hauptursache für Herzinfarkte ist. Die mediale Verkalkung, die häufig auf eine chronische Nierenerkrankung zurückzuführen ist, ist weiter verbreitet und führt zu einer erheblichen arteriellen Versteifung, Funktionsstörung und Herzüberlastung 2,3. Derzeit gibt es keine therapeutischen Möglichkeiten zur Behandlung oder Vorbeugung von Gefäßverkalkungen.
Vaskuläre glatte Muskelzellen (VSMCs) nehmen einen Osteoblasten-ähnlichen Phänotyp an und setzen kalkifizierende extrazelluläre Vesikel (EVs) frei, die entstehende Mineralien keimen und so die Verkalkung vorantreiben 4,5,6. Dieser Prozess ähnelt der physiologischen Mineralisierung von Osteoblasten im Knochen7. Obwohl der Endpunkt der Mineralisierung in der Gefäßwand und der Knochenmatrix ähnlich ist, unterscheiden sich die Mechanismen, durch die die kalzifizierenden EVs entstehen, in den beiden Geweben8. Es gibt viele Arten von Modellen, die zur Untersuchung der Gefäßverkalkung verwendet werden. In vitro ahmen Zellkulturmodelle den osteogenen Übergang von VSMCs und die anschließende Mineralbildung mit spezialisierten Medien nach.
Bei der Untersuchung der In-vivo-Verkalkung hängt das verwendete Modell von der Art der zu untersuchenden Verkalkung ab. Hyperlipidämische Mausmodelle werden häufig verwendet, um atherosklerotische Verkalkungen zu untersuchen, die in lipidreichen Plaques fokaler erscheinen9. Im Gegensatz dazu ist die mediale Verkalkung im gesamten Gefäßsystem weiter verbreitet und wird häufig unter Verwendung von Modellen für chronische Nierenerkrankungen untersucht, die eine adeninreiche Diät verwenden, um Nierenversagen zu induzieren, oder chirurgische Techniken, um signifikante Teile der Nieren zu entfernen10,11. Aggressive Modelle der Gefäßverkalkung haben eine Kombination aus hyperlipidämischen und chronischen Nierenerkrankungsmodellen verwendet12. Dieses Protokoll bietet eine Methode zur Beurteilung der Gefäßverkalkung in murinen Aorten sowohl für die mediale als auch für die atherosklerotische Verkalkung, die Extraktion von EVs aus der Aortenwand und die Beobachtung des Mineralisierungspotenzials in den EVs, die aus In-vitro-Zellkulturmodellen gewonnen wurden. Zukünftige Studien können diese Verfahren in mechanistischen Analysen von Gefäßverkalkungen und zur Bewertung potenzieller therapeutischer Interventionen einsetzen.
Die In-vivo-Arbeit wurde vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) der Florida International University genehmigt und beaufsichtigt und entsprach den aktuellen Richtlinien der National Institutes of Health (NIH). Bei diesem Protokoll unterscheidet sich das Verfahren nicht je nach Belastung, Gewicht, Alter und Geschlecht der Maus. Die Art der untersuchten Verkalkung, Diäten und Behandlungen können die Dauer der Studie und das Gewicht der verwendeten Maus verändern und können von einem bestimmten Stamm und Geschlecht der in der Studie verwendeten Maus abhängen. Für dieses Protokoll wurden sowohl männliche als auch weibliche C57BL/6J-Mäuse verwendet, die mit einer Verkalkungsdiät gefüttert wurden. Die Mäuse wurden im Alter zwischen 20 und 24 Wochen getötet.
1. Isolierung und Exzision der Aorta
2. Isolierung und Extraktion von EVs aus Aorten
HINWEIS: Sobald die Aorten isoliert und entfernt wurden, können EVs aus dem Gewebe extrahiert werden. Unter Verwendung einer Verdauungslösung und mehrerer Zentrifugenzyklen können EVs gesammelt und für viele verschiedene Techniken verwendet werden, einschließlich Verkalkungstests, Gelelektrophorese und Immunblotting13. Das Protokoll zum Isolieren und Extrahieren von Elektrofahrzeugen lautet wie folgt:
3. Beurteilung des Verkalkungspotentials extrazellulärer Vesikel mit lichtstreuender Absorption
HINWEIS: Um die Mineralbildung von EVs in Echtzeit zu messen, haben wir einen Assay verwendet, der ursprünglich entwickelt wurde, um die Mineralbildung aus Wachstumsplattenknorpel-EVs aus Zellkulturenzu untersuchen 14. Da die Calciumphosphatablagerung das Kennzeichen der Verkalkung ist, ist eine Erhöhung der Lichtstreuabsorption als Folge der Bildung von Calciumphosphatverbindungen ein Hinweis auf das Verkalkungspotenzial14. In vitro VSMC-Modelle eignen sich für die Messung des Verkalkungspotenzials von Elektrofahrzeugen. Bei dieser Technik kann ein Plattenleser mit einem kurzwelligen Filter die in vitro Verkalkung von EVs quantifizieren. Der Absorptionswert wird bei 340 nm aufgezeichnet, und eine höhere Absorption weist auf eine stärkere Bildung von Calciumphosphatmineralien hin. Das Protokoll für den Lichtstreuabsorptionstest lautet wie folgt:
4. Beurteilung der Verkalkungsmineralbildung von extrazellulären Vesikeln mit Kollagen-Hydrogelen
HINWEIS: Die Aggregation von EVs und die Bildung von Mikroverkalkungen werden durch Kollagenhydrogele beobachtet. Diese Hydrogele wirken wie ein Gerüst, das die in vivo15 beobachtete Kollagendichte nachahmt. Dies zeigt die Wirkung von Kollagen auf das Verkalkungswachstum. Das Protokoll zur Beurteilung der Mineralbildung von EVs in Hydrogelen lautet wie folgt:
Sobald die Aorten extrahiert sind, zeigt die Bildgebung mit einem optischen Nahinfrarot-Scanner eine visuelle Darstellung der Aorta sowie der Gefäßverkalkung (Abbildung 1). Die Pixelintensitätswerte innerhalb des gescannten Fluoreszenzbildes stellen die Verteilung der Verkalkung dar und werden hier mit einer farbigen Heatmap dargestellt. Zu den Quantifizierungsmethoden gehören die Identifizierung eines positiven Schwellenwerts und die Angabe der prozentualen Fläche der Aorta mit Werten,...
Bei der Durchführung des Protokolls ist es wichtig, die kritischen Schritte zu beachten, um erfolgreiche Ergebnisse zu erzielen. Während der Isolierung der murinen Aorta ist es wichtig, dass die Perfusion richtig durchgeführt wird. Bei der Injektion des PBS muss darauf geachtet werden, dass der rechte Ventrikel nicht punktiert wird. Dies würde dazu führen, dass die Flüssigkeit direkt aus dem Ventrikel austritt und nicht durch die Lunge zirkuliert, wodurch Blut in der Aorta zurückbleibt. Sobald die Perfusion ordnun...
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse des National Heart, Lung and Blood Institute der National Institutes of Health (NIH) (1R01HL160740 und 5 T32GM132054-04) und der Florida Heart Research Foundation unterstützt. Wir danken Kassandra Gomez für ihre Hilfe bei der Synthese und Bildgebung der Hydrogele.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
8-well chambered coverglass | Thermo Scientific | 155409PK | |
10 mL Syringe | BD | 302995 | |
20 G 1 inch Needle | BD | 305175 | |
Collagen, High Concentraion, Rat Tail | Corning | 354249 | |
Collagenase | Worthington Biochemical | LS004174 | |
Curved Forceps | Roboz Surgical Instrument | RS-8254 | |
Dissection Dish | Living Systems Instrumentation | DD-90-S | |
Dissection Pan and Wax | United Scientific Supplies | DSPA01-W | |
DMEM | Cytiva | SH30022.FS | |
Isoflurane | Sigma-Aldrich | 26675-46-7 | |
LI-COR Odyssey | LI-COR | DLx | |
Micro Dissecting Curved Scissors (24 mm Blade) | Roboz Surgical Instrument | RS-5913 | |
Micro Dissecting Spring Scissors (13 mm Blade) | Roboz Surgical Instrument | RS-5677 | |
Micro Dissecting Spring Scissors (5 mm Blade) | Roboz Surgical Instrument | RS-5600 | |
Micro Dissecting Tweezers (0.10 x 0.06 mm Tip) | Roboz Surgical Instrument | RS-4976 | |
Optima MAX-TL Ultracentrifuge | Beckman Coulter | B11229 | |
OsteoSense 680EX | Perkin Elmer | NEV10020EX | |
Pierce Protease Inhibitor | Thermo Scientific | A32963 | |
Potassium Chloride | Fischer Chemical | P217 | |
RIPA Lysis and Extraction Buffer | G Biosciences | 786-489 | |
Sodium Chloride | Fischer Chemical | BP358 | |
Sodium Hydroxide | Thermo Scientific | A4782602 | |
Sodium phosphate monobasic | Sigma-Aldrich | S0751 | |
Sucrose | Sigma | S7903 | |
Synergy HTX Multimode Reader | Agilent | ||
Tissue culture plate, 96-well | Thermo Fisher | 167008 | |
T-Pins | United Scientific Supplies | TPIN02-PK/100 | |
Tris Hydrochloride | Fischer Chemical | BP153 |
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