Name: single-channel analysis and calcium imaging in the podocytes of the freshly isolated glomeruli
Uploaded: 2015-06-27T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 19 s
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Die Autoren bedanken sich bei Glen Slocum (Medical College of Wisconsin) und Colleen A. Lavin (Nikon Instruments, Inc.) für hervorragende technische Unterstützung bei der Mikroskopie Experimente danken. Gregory Blass ist für kritische Korrekturlesen des Manuskripts anerkannt. Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health Zuschuss HL108880 und American Diabetes Association unterstützt gewähren 1-15-BS-172 (als), und der Ben J. Lipps-Forschungsstipendium von der American Society of Nephrology (auf DVI).

Tierversuche und Tierschutz sollte auf die NIH Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Labortieren folgende Protokolle überprüft und von der Institutional Animal Care und Verwenden Committee (IACUC) genehmigt einzuhalten. 1. Kidney Flush <ol><li> Verwenden Sie 8 bis 12 Wochen alte männliche Ratten (empfohlen ist ein Stamm Sprague Dawley, aber andere Stämme von unterschiedlichen Alters und Geschlechts mit entsprechenden Änderungen verwendet werden). </li><li> Betäuben das Tier nach dem Verfahren von IACUC Protokoll erlaubt; Narkosetiefe zu überwachen und zu kontrollieren das Tier. Die detaillierte Beschreibung der Operation in 1.3 durchgeführt werden - 1.8 kann in Ilatovskaya et al 7. </li><li> Nach entsprechender Anästhesie, legen Sie das Tier auf einem temperaturgesteuerten Operationstisch, einen Mittellinienschnitt des Bauches (bis zu 3 cm in der Länge), und entdecken Sie die Hohlvene und die Aorta. </li><li> Legen Ligatur um die Zöliakie und mesenterica superior Arterien und der BauchAorta über denen; nicht zu ligieren. </li><li> Stumpf sezieren der abdominalen Aorta unterhalb der Nierenarterien, und legen Sie zwei Ligaturen um ihn herum, aber nicht unterbinden, dann klemmen die Aorta oberhalb der Ligaturen und binden Sie den Unterfaden. </li><li> Katheterisierung der Aorta mit einer Polyethylen PE50-Schlauch (mit einer Spritzenpumpe mit PBS gefüllt befestigt) unterhalb der Klemme und Fixierung des Katheters mit dem zweiten Ligatur; entfernen Sie die Klammer, schalten Sie die Pumpe und ligieren der Aorta und der Mesenteriallymphknoten mit abdominaler Arterien. Schnell zu machen Einschnitt in Nierenvene, um den Druck zu entlasten. </li><li> Infundieren die Aorta mit vorgekühltem PBS für 2 oder 3 Minuten lang bei einer Geschwindigkeit von 6 ml / min. </li><li> Stoppen Perfusion, Verbrauchsteuern und decapsulate 7 die Nieren, und legte sie auf Eis in der PBS-Lösung. Euthanize das Tier nach Protokoll IACUC genehmigt. </li></ol> 2. Isolierung des Ratten-Glomeruli <ol><li> Vorbereitung 30 ml frische Lösung von 5% BSA in RPMI 1640. </li><li> Mit einer Rasierklinge und Scheren,isolieren die Rinde beider Nieren, und dann, bis sie homogen Blatt vor den Mund. Dieses Verfahren wurde zuvor 7 beschrieben. </li><li> Schieben Sie das Gewebe während der vorherigen Schritt Hackfleisch durch ein 100-Mesh-Sieb aus rostfreiem Stahl (in 5% BSA / RPMI-Lösung vorgeweicht) mit einem Spatel. Sammeln Sie die Durchfluss und durch Schwerkraft ermöglicht die Durchfluss um durch ein 140-Mesh-Sieb passieren. </li><li> Filtern Sie die Durchfluss von den 140 mesh Sieb gesammelt unter Verwendung eines vorher eingeweicht 200-Mesh-Sieb, Filtrat verwerfen und waschen Sie die Spitze des Sieb mit 10 bis 15 ml der vorbereiteten BSA / RPMI-Lösung, um den Glomeruli, die auf sedimentieren sammeln das Sieb. </li><li> Legen Sie die BSA / RPMI-Lösung, die Glomeruli auf Eis in einem 15-ml-Tube und lassen Sie die Glomeruli Sediment am Boden des Rohres für bis zu 20 min. Glomeruli Konzentrat auf der Unterseite des Rohres deutlich sichtbar. Entfernen Sie die überschüssige Lösung, so dass etwa 2 ml in die Röhre. </li></ol> 3. Single-Channel-Patch-Clamp Electrophysiology <ol><li> Bereiten Sie 5 x 5 mm Deckglas-Chips durch Beschichtung mit MW 70.000 - 150.000 poly-ʟ-Lysin, und trocknen lassen. Verwenden Sie ca. 30 &amp; mgr; l 0,01% steril filtriert Lösung in Wasser pro Deckglas. </li><li> Warm up die experimentellen Lösungen für RT und füllen Sie die Patch-Clamp-Kammer und Pipette. Für TRPC Kanäle Überwachung, verwenden Sie ein Bad-Lösung in mM: 126 NaCl, 1 CaCl 2, 10 HEPES, 2 MgCl 2, 10 Glucose, pH 7,4; Pipette: 126 NaCl, 1,5 CaCl 2, 10 HEPES, 10 Glucose; pH 7,4. <ol><li> In Inhibitoren auf die Pipettenlösung, um die Aktivität von endogenen Kanäle, die nicht für die Studien (empfohlen relevanten blockieren: 100 uM Nifluminsäure oder DIDS (auf Ca 2+ -aktivierte Cl blockieren - Kanäle), 10 mM TEA (um das zu verhindern mit großer Leitfähigkeit Ca 2 + - abhängigen K + Kanal), 10 nM Iberiotoxin (um die Ca 2+ -aktivierten K + Kanäle zu blockieren), 10 &amp; mgr; M Nicardipin (N-Typ-Ca blockieren2+ Kanäle)) unmittelbar vor der Patch-Clamp-Experiment. </li></ol></li><li> Vorsichtig mischen die Glomeruli haltigen Lösung, und dann etwa 50 &amp; mgr; l davon gelten für die poly-ʟ-Lysin beschichteten Deckglas-Chips. Lassen Sie die Glomeruli legen für ca. 5 min. </li><li> Verschieben Sie die Glas-Chips mit Glomeruli auf die Patch-Clamp-Kammer mit der Badlösung vorgefüllt; versorgen die Kammer bei einer Rate von 3 ml / min für 1 min, um die Entfernung der ungebundenen Glomeruli gewährleisten. </li><li> Durchführung einer konventionellen Patch-Clamp-Experiment in einem Cell-Attached-Modus 7. Mit einer Glaspipette (7-10 MOhm Pipette Widerstand) einen hochohmigen Dichtung zwischen einer Pipette und Podozyten Membran durch leichten Sog (einer Pipette, eine Podozyten auf der Oberfläche des isolierten Glomeruli angebracht zu bilden, wird in Abbildung 2 dargestellt, auf die linke). </li><li> Für die Cell-Attached-Messungen, Tiefpass die Ströme bei 300 Hz durch einen achtpoligen Bessel-Filter. </li><li> Use isoliert Glomeruli in Patch-Clamp-Experimente für bis zu 4 - 6 Std. Bewahren Sie die Lager Glomeruli Fraktion auf Eis. </li></ol> 4. Ratiometrisch konfokalen Fluoreszenzmessungen von intrazellulären Calciumkonzentration in den Podozyten <ol><li> Platzieren Sie 500 ul der Glomeruli Fraktion (bei 2.5 beschrieben) in 0,5 ml konischen Röhrchen und fügen Kalzium Farbstoffe Fura Red, AM und Fluo-4, AM. Verwenden Sie 2 mm und 1 mm Lager Konzentrationen von Fura Red, AM und Fluo-4, AM, bzw. (bei -20 ° C, gelöst in DMSO) und verwenden Sie 2,5 ul jeder Farbstoff für ein 500 ul Glomeruli Fraktion. Unmittelbar nach der Zugabe der Farbstoffe decken das Röhrchen mit Aluminiumfolie. </li><li> Die Röhrchen auf einem rotierenden Schüttler für mindestens 20 min bis zu 1 h bei RT. Anmerkung: Die pharmakologische Mittel können während dieses Schritts zugegeben werden. </li><li> Bereiten Sie Deckgläser, decken Sie sie mit poly-ʟ-Lysin und trocknen mit beheizten Plattensatz auf 70 ° C. </li><li> Sobald die Beladung des Calcium Farbstoffe completE gelten 100 ul der Glomeruli enthaltenden Lösung auf das Poly-ʟ-Lysin beschichtete Deckgläser und ließ sie an der Oberfläche für etwa 5 min zu haften. Halterung Glomeruli losen Deck in eine Abbildungskammer und Perfusion mit dem Bad-Lösung (enthaltend (in mM): 145 NaCl, 4,5 KCl, 2 MgCl 2, 10 HEPES, pH 7,35) mit einer Geschwindigkeit von 3 ml / min zu entfernen die ungebunden Glomeruli und die verbleibenden Farbstoffe. </li><li> Stellen Sie die konfokale Laser-Scanning-Mikroskop mit einer 488 nm Anregungswellenlänge und Emissionsfiltern (525/25 und 650/25 nm für Fluo-4 und Fura Red, respectively). Legen Sie die Imaging-Software auf eine gewünschte Frequenz und Auflösung. </li><li> Finden Sie die Glomeruli in Hellfeld und dann auf der Detektion des Fluoreszenzsignals zu drehen. Einstellen der Intensität des Laserstrahls für jeden Farbstoff, um die Sättigung des Signals zu vermeiden. Wählen der Brennebene mit den podocytes die direkt auf das Glas angebracht sind. Dies minimiert den Effekt, der durch Kontraktion eines Glomerulus verursacht in Reaktion auf ArzneimittelAnwendung. Überprüfen Sie, dass die Glomeruli der Wahl ist gut an das Glas gebunden ist; </li><li> Starten Sie die Abbildung der Brennebene der Wahl (nehmen 512 x 512 Bilder mit der Frequenz bei 4 s eingestellt, um schnelle Ca 2+ vorübergehende Veränderungen sichtbar zu machen. Verwenden Sie einen 60X / NA 1.4 oder ähnliche Objektiv für hochauflösendes Bild) gelten Drogen von Interesse, und notieren Sie die Antwort. <ol><li> Wählen einer gewünschten Fokusebene (möglichst nahe an der Oberfläche des Glases als möglich zu Bildgebung podocytes auf der Oberfläche des Glomerulus zu gewährleisten). Überprüfen Sie die Intensität der Fluoreszenz auf der Fluo4 und FuraRed Kanäle und stellen Sie sicher, dass die Glomerulus ist eindeutig in Hellfeld gesehen. </li><li> Starten Bildgebung. Vor der Anwendung von Drogen, Rekord mindestens 1 min von Fluoreszenzbasis, um sicherzustellen, dass das Signal stabil ist (es gibt keine plötzlichen Spitzen oder Verblassen des Signals). </li><li> Gelten gewünschten Medikamente mit Hilfe einer Mikropipette; vorsichtig sein und sicherstellen, das Medikament in der Lage, gut diffundieren und erreichen die glomerUlus. Mischen Sie die Badlösung vorsichtig, wenn nötig, die Überwachung der ausgewählten Brennebene und überprüfen Sie, dass es nicht aus dem Fokus wegen der Medikamentenapplikation zu bewegen. </li><li> Aufzeichnung der Änderungen der Fluoreszenzintensität für die Fluo4 und FuraRed Signalen. Achten Sie darauf, die Aufnahme ist lang genug, um zu warten, bis das Signal den Plateauniveau erreicht oder einen Spitzenwert erreicht und kehrt zum Ausgangswert dann. Führen Lösung Änderung oder Ergänzung von irgendwelchen anderen Drogen, wenn nötig. </li><li> Beenden Sie die Aufnahme, und speichern Sie die Datei im nativen Format der Software. </li></ol></li></ol> 5. Bildanalyse für die Calcium-Messungen <ol><li> Führen Sie die Bildanalyse mit dem ImageJ offene Software mit dem ND-Dienstprogramm-Plugin, das Importieren von Bildern in der nativen ND2-Format ermöglicht. </li><li> Importieren Sie die Bildsequenz; stellen Sie sicher, um die Kanäle aufgeteilt und mit einem Hyperstack-Graustufen-Modus. </li><li> Folgen Sie dem Analysieren → Werkzeuge → ROI Manager Pfad im ImageJ Software oStift ein ROI-Manager-Fenster. Wählen Sie mehrere Bereiche von Interesse (Podozyten) mit einem ovalen Auswahlwerkzeug und die &quot;hinzufügen (t)&quot; Funktion in der ROI-Manager. Als das letzte ROI, wählen Sie den Bereich, in den Hintergrund; speichern Sie die ausgewählten ROIs (Mehr → Speichern). </li><li> Markieren Sie das Fenster mit der für die Analyse ausgewählten Kanal. Verwenden Sie die Optionen → Multi Funktion Messen in der ROI-Manager, markieren Sie die &quot;eine Zeile pro Scheibe&quot;-Box in der Dialog, der herausspringt, und klicken Sie dann auf OK. Die Ergebnisse werden in dem Format, das sich im Ergebnisfenster eingestellt werden kann gezeigt werden: in die Menüoption Ergebnisse → Set Maße geben, wählen Sie &quot;Mittlerer Grauwert&quot; und berechnen die Pixelintensitätswerte für jede ROI, die in der angezeigt wird, Ergebnisfenster in separaten Spalten für jede ROI. </li><li> Kopieren Sie die gemessenen ROI Intensitätswerte für jeden Kanal (Fluo-4 und Fura Red) in bevorzugten Datenanalyse-Software; subtract Hintergrund Intensitätswerte von jedem datein Punkt. </li><li> Für jeden Zeitpunkt wird das Verhältnis der Intensitäten des Fluo-4 zu Fura Red-Kanälen. Plot Scatter / Linienpunkt-Zeitänderungen von Ca 2+ Transienten für jede ROI. Berechnen Sie Mittelwert / SE Werte für ausgewählte Glomeruli. Hinweis: Zeitspalte sollte nach Bildgebungsfrequenz bei 4,5 ausgewählt eingestellt werden. </li></ol> 6. intrazellulären Calciumkonzentration Berechnungen mit Fluo-4 Fluoreszenz-Signal <ol><li> Nehmen Sie eine Probe der Glomeruli und führen Sie die experimentelle Protokoll bis zu Schritt 4.7. Nach der Aufnahme der Hintergrundfluoreszenz hinzufügen Ionomycin (Endkonzentration in der Badewanne Kammer sollte 10 &amp; mgr; M) zu der Badlösung und Rekordfluoreszenzintensität zu erhöhen. Sobald die Intensität erreicht sein Maximum und der Zerfall beginnt, fügen MnCl 2 (Endkonzentration sollte 5 mM), die Fluoreszenz 8 quenchen. </li><li> Analysieren Sie die in 6.1 erhaltenen Daten. Kopieren Sie die Fluo-4-Signal ROI Intensitätswerte erhalten nachzu der am 5.1 Protokoll - 5,5 von bevorzugten Analysesoftware. </li><li> Berechnen intrazellulären Calciumkonzentration (in nM) in der podocyte entsprechend dem ROI durch eine Formel: <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/52850/52850equation1.jpg" /> wobei K d ein vorbestimmter Dissoziationskonstante für Fluo-4 (345 nM) konstant ist F die Intensität an dem Zeitpunkt, dass man die Berechnung werden die Calciumkonzentration (Grundlinie) und F min und F max die Intensitätswerte bei der Punkt maximaler Calciumlast (nach Ionomycin Anwendung) und nach Löschung der Fluoreszenz (mit MnCl 2), bzw. (siehe Abbildung 3). </li></ol>

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Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Der hier beschriebene Ansatz ermöglicht die Analyse von Calcium Handhabung durch den Podozyten der Glomeruli Nagetier. Diese Technik ermöglicht die Anwendung der Patch-Clamp-Elektrophysiologie und Einzelkanal-Fluoreszenz ratiometrische konfokale Bildgebung. Jedoch beide Ansätze können einzeln, für sich allein verwendet werden. Das vorgeschlagene Protokoll hat mehrere relativ einfache Schritte, einschließlich 1) Nieren flush; 2) Isolierung der Glomeruli durch Differential Sieben; 3) Durchführen von Patch-Clamp-ele...

Nieren halten homöostatischen Gleichgewicht für verschiedene Stoffe und Regulierung des Blutvolumens in einer Weise, die Gesamtblutdruck bestimmt. Störungen der Nierenfiltration, Resorption oder Sekretion führen zu begleiten oder pathologische Zustände, die von Hyper- oder Hypotonie, um Nierenerkrankungen im Endstadium, die schließlich erfordert Nierentransplantation beenden. Die Nieren-Filtereinheit (Glomerulus) besteht aus drei Schichten - die Kapillarendothel, Basalmembran und eine Einzelzellschicht von Epithelzellen - Podozyten, die eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Spaltmembran Integrität und Funktion 1 zu spielen. Dysfunktion bei permselektiven glomerulären Filter verursacht Urinverlust von Makromolekülen, wie Proteinurie. Verschiedene Mittel können die Struktur der podocytes und deren Fuß Verfahren, die die Integrität der Glomeruli Filtrationsbarriere bestimmen beeinflussen. Die podocytes in der Aufrechterhaltung der glom beteiligtenEruli Filterfunktion. Es wurde festgestellt, dass Fehlcalcium Handhabung durch den podocyte führt zu Zellschäden und spielt eine wichtige Rolle beim Fortschreiten der verschiedenen Formen von Nephropathien 2,3. Daher ist die Entwicklung eines Modells, das für die direkte Messung der intrazellulären Calciumkonzentration Veränderungen ermöglicht wird entscheidend für die Untersuchung der Podozyten Funktion sein. Isolated Glomeruli waren zuvor in einer Vielzahl von Studien, einschließlich Messung der Albuminreflexionskoeffizient ändert 4 und Beurteilung des integralen Zellströme in den Ganzzellelektrophysiologische Patch-Clamp-Messungen 5,6 verwendet. In der vorliegenden Arbeit beschreiben wir das Protokoll, das die Forscher ermöglicht, intrazelluläre Calcium-Konzentration sich in Abhängigkeit von Anwendungen von pharmakologischen Mitteln zu messen, abzuschätzen Basalniveaus von Calcium in den Zellen und zu beurteilen einzelnen Calciumkanäle Aktivität. Ratometric Calciumkonzentration Messungen und Patch-Clamp-electrophysiology wurden verwendet, um Veränderungen der intrazellulären Calciumkonzentration innerhalb des podocyte und Kanalaktivität zu bestimmen sind.

<table><tbody><tr><td>Fluo4 AM</td><td>Life Technologies</td><td>F14217</td><td>500 &amp;micro;l in DMSO</td></tr><tr><td>FuraRed AM</td><td>Life Technologies</td><td>F-3020</td><td></td></tr><tr><td>Poly-&amp;#671;-lysine</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P4707</td><td></td></tr><tr><td>Pluronic acid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>F-68</td><td>solution</td></tr><tr><td>Ionomycin</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>I3909-1ML</td><td></td></tr><tr><td>Tube rotator</td><td>Miltenyi Biotec GmbH</td><td>130-090-753</td><td>Germany</td></tr><tr><td>Nikon confocal microscope (inverted)</td><td>Nikon</td><td>Nikon A1R</td><td>Laser exitation 488 nm. Emission filters 500-550 nm and 570-620 nm</td></tr><tr><td>Objective</td><td>Nikon</td><td>Plan Apo 60x/NA 1.4 Oil</td><td></td></tr><tr><td>Cover Glass</td><td>Thermo Scientific</td><td>6661B52</td><td></td></tr><tr><td>High vacuum grease</td><td>Dow Corning</td><td></td><td>Silicone Compound</td></tr><tr><td>Software</td><td>Nikon</td><td>Nikon NIS-Elements</td><td></td></tr><tr><td>Recording/perfusion chamber</td><td>Warner Instruments</td><td>RC-26</td><td></td></tr><tr><td>Patch clamp amplifier</td><td>Molecular Devices</td><td>MultiClamp 700B</td><td></td></tr><tr><td>Data acquisition system</td><td>Molecular Devices</td><td>Digidata 1440A</td><td>Axon Digidata&amp;reg; System</td></tr><tr><td>Low pass filter</td><td>Warner Instruments</td><td>LPF-8</td><td>8 pole Bessel</td></tr><tr><td>Borosilicate glass capillaries</td><td>World Precision Instruments</td><td>1B150F-4</td><td></td></tr><tr><td>Micropipette puller</td><td>Sutter Instrument Co</td><td>P-97</td><td>Flaming/Brown type micropipette puller</td></tr><tr><td>Microforge</td><td>Narishige</td><td>MF-830</td><td>Japan</td></tr><tr><td>Motorized micromanipulator</td><td>Sutter Instrument Co</td><td>MP-225</td><td></td></tr><tr><td>Inverted microscope</td><td>Nikon</td><td>Eclipse Ti</td><td></td></tr><tr><td>Microvibration isolation table</td><td>TMC</td><td></td><td>equipped with Faraday cage</td></tr><tr><td>Multichannel valve perfusion system</td><td>AutoMake Scientific</td><td>Valve Bank II</td><td></td></tr><tr><td>Recording/perfusion chamber</td><td>Warner Instruments</td><td>RC-26</td><td></td></tr><tr><td>Software</td><td>Molecular Devices</td><td>pClamp 10.2</td><td></td></tr><tr><td>Nicardipine</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>N7510</td><td></td></tr><tr><td>Iberiotoxin</td><td>Sigma</td><td>I5904-5UG</td><td></td></tr><tr><td>Niflumic acid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>N0630</td><td></td></tr><tr><td>DIDS</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D3514-25MG</td><td></td></tr><tr><td>TEA chloride</td><td>Tocris</td><td>T2265</td><td></td></tr><tr><td>RPMI 1640</td><td>Life Technologies</td><td>11835030</td><td>without antibiotics</td></tr><tr><td>BSA</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>A8327</td><td>30% albumin solution</td></tr><tr><td>Temperature controlled surgical table</td><td>MCW core</td><td></td><td>for rodents</td></tr><tr><td>Steel sieves:</td><td></td><td></td><td>#100 (150 &amp;mu;m), 140 (106 &amp;mu;m)</td></tr><tr><td>Gilson, Inc SIEVE 3 SS FH NO200</td><td>Fisher Sci</td><td>50-871-316</td><td></td></tr><tr><td>Gilson, Inc SIEVE 3 SS FH NO270</td><td>Fisher Sci</td><td>50-871-318</td><td></td></tr><tr><td>Gilson, Inc SIEVE 3 SS FH NO400</td><td>Fisher Sci</td><td>50-871-320</td><td></td></tr><tr><td>mesh 200</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>s4145</td><td>screen for CD-1</td></tr><tr><td>Binocular microscope</td><td>Nikon</td><td>Eclipse TS100</td><td></td></tr><tr><td>Binocular microscope</td><td>Nikon</td><td>SMZ745</td><td></td></tr><tr><td>Syringe pump-based perfusion system</td><td>Harvard Apparatus</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Polyethylene tubing</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>PE50</td><td></td></tr><tr><td>Isofluorane anesthesia</td><td><a href="http://www.vetequip.com/" target="_blank"><img src="/img/new_window.png" /> VetEquip, Inc.</a></td><td>911103</td><td></td></tr><tr><td>Other basic reagents</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

single-channel analysis and calcium imaging in the podocytes of the freshly isolated glomeruli

Podocytes (renal glomerular epithelial cells) are known to regulate glomerular permeability and maintain glomerular structure; a key role for these cells in the pathogenesis of various renal diseases has been established since podocyte injury leads to proteinuria and foot process effacement. It was previously reported that various endogenous agents may cause a dramatic overload in intracellular Ca2+ concentration in podocytes, presumably leading to albuminuria, and this likely occurs via calcium-conducting ion channels. Therefore, it appeared important to study calcium handling in the podocytes both under normal conditions and in various pathological states. However, available experimental approaches have remained somewhat limited to cultured and transfected cells. Although they represent a good basic model for such studies, they are essentially extracted from the native environment of the glomerulus. Here we describe the methodology of studying podocytes as a part of the freshly isolated whole glomerulus. This preparation retains the functional potential of the podocytes, which are still attached to the capillaries; therefore, podocytes remain in the environment that conserves the major parts of the glomeruli filtration apparatus. The present manuscript elaborates on two experimental approaches that allow 1) real-time detection of calcium concentration changes with the help of ratiometric confocal fluorescence microscopy, and 2) the recording of the single ion channels activity in the podocytes of the freshly isolated glomeruli. These methodologies utilize the advantages of the native environment of the glomerulus that enable researchers to resolve acute changes in the intracellular calcium handling in response to applications of various agents, measure basal concentration of calcium within the cells (for instance, to evaluate disease progression), and assess and manipulate calcium conductance at the level of single ion channels.

Hier haben wir uns mit dem Problem der Messung der akuten Veränderungen der Calciumspiegel in den podocytes. 1 zeigt eine schematische Darstellung des experimentellen Protokolls, um eine hohe Auflösung Live Fluoreszenz konfokale Bildgebung und Einzelionenkanalaktivität in den Aufnahmen podocytes des frisch zuführen entworfen isoliert Nagetier Glomeruli. Kurz nachdem die Ratte betäubt, die Nieren sollten mit PBS gespült werden, um sie von Blut zu löschen. Dann werden die Nieren herausgeschnitten u...

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Single-channel Analysis and Calcium Imaging in the Podocytes of the Freshly Isolated Glomeruli

Changes in the intracellular calcium levels in the podocytes are one of the most important means to control the filtration function of glomeruli. Here we explain a high-throughput approach that allows detection of real-time calcium handling and single ion channels activity in the podocytes of the freshly isolated glomeruli.

Einkanal-Analyse und Calcium Imaging in den Podozyten der frisch isolierten Glomeruli

Podocytes (renal glomerular epithelial cells) are known to regulate glomerular permeability and maintain glomerular structure; a key role for these cells ...

single-channel-analysis-calcium-imaging-podocytes-freshly-isolated

Research

JoVE Journal

Biology

10.9K Aufrufe.  Medical College of Wisconsin. Changes in the intracellular calcium levels in the podocytes are one of the most important means to control the filtration function of glomeruli. Here we explain a high-throughput approach that allows detection of real-time calcium handling and single ion channels activity in the podocytes of the freshly isolated glomeruli. 

Serie: Single-channel Analysis and Calcium Imaging in the Podocytes of the Freshly Isolated Glomeruli

Immunohistochemical and Calcium Imaging Methods in Wholemount Rat Retina

In this paper we describe the tools, reagents, and the practical steps that are needed for: 1) successful preparation of wholemount retinas for immunohistochemistry and, 2) calcium imaging for the study of voltage gated calcium channel (VGCC) mediated calcium signaling in retinal ganglion cells. The calcium imaging method we describe circumvents issues concerning non-specific loading of displaced amacrine cells in the ganglion cell layer.

Immunohistochemistry protocols are used to study the localization of a specific protein in the retina. Calcium imaging techniques are employed to study calcium dynamics in retinal ganglion cells and their axons.

Immunhistochemischen und Calcium Imaging Methoden in der Wholemount Rat Retina

In this paper we describe the tools, reagents, and the practical steps that are needed for: 1) successful preparation of wholemount retinas for ...

Forschung

Neurowissenschaften

An Efficient Sieving Method to Isolate Intact Glomeruli from Adult Rat Kidney

Preservation of glomerular structure and function is pivotal in the prevention of glomerulonephritis, a category of kidney disease characterized by proteinuria which can eventually lead to chronic and end-stage renal disease. The glomerulus is a complex apparatus responsible for the filtration of plasma from the body. In disease, structural integrity is lost and allows for the abnormal leakage of plasma contents into the urine. A method to isolate and examine glomeruli in culture is critical for the study of these diseases. In this protocol, an efficient method of retrieving intact glomeruli from adult rat kidneys while conserving structural and morphological characteristics is described. This process is capable of generating high yields of glomeruli per kidney with minimal contamination from other nephron segments. With these glomeruli, injury conditions can be mimicked by incubating them with a variety of chemical toxins, including protamine sulfate, which causes foot process effacement and proteinuria in animal models. Degree of injury can be assessed using transmission electron microscopy, immunofluorescence staining, and western blotting. Nephrin and Wilms Tumor 1 (WT1) levels can also be assessed from these cultures. Due to the ease and flexibility of this protocol, the isolated glomeruli can be utilized as described or in a way that best suits the needs of the researcher to help better study glomerular health and structure in diseased states.

The main focus of this protocol is to efficiently isolate viable primary glomeruli cultures with minimal contaminants for use in a variety of downstream applications. The isolated glomeruli retain structural relationships between component cell types and can be cultured ex vivo for a short time.

Eine effiziente Methode der Absiebung, intakten Glomeruli von Erwachsenen Ratte Niere zu isolieren

Preservation of glomerular structure and function is pivotal in the prevention of glomerulonephritis, a category of kidney disease characterized by ...

Medizin

One-channel Cell-attached Patch-clamp Recording

Ion channel proteins are universal devices for fast communication across biological membranes. The temporal signature of the ionic flux they generate depends on properties intrinsic to each channel protein as well as the mechanism by which it is generated and controlled and represents an important area of current research. Information about the operational dynamics of ion channel proteins can be obtained by observing long stretches of current produced by a single molecule. Described here is a protocol for obtaining one-channel cell-attached patch-clamp current recordings for a ligand gated ion channel, the NMDA receptor, expressed heterologously in HEK293 cells or natively in cortical neurons. Also provided are instructions on how to adapt the method to other ion channels of interest by presenting the example of the mechano-sensitive channel PIEZO1. This method can provide data regarding the channel&#8217;s conductance properties and the temporal sequence of open-closed conformations that make up the channel&#8217;s activation mechanism, thus helping to understand their functions in health and disease.

Described here is a procedure for obtaining long stretches of current recording from one ion channel with the cell-attached patch-clamp technique. This method allows for observing, in real time, the pattern of open-close channel conformations that underlie the biological signal. These data inform about channel properties in undisturbed biological membranes.

Ein-Kanal-Cell-Attached-Patch-Clamp-Aufnahme

Ion channel proteins are universal devices for fast communication across biological membranes. The temporal signature of the ionic flux they generate ...

Biologie

Cytosolic Calcium Measurements in Renal Epithelial Cells by Flow Cytometry

A variety of cellular processes, both physiological and pathophysiological, require or are governed by calcium, including exocytosis, mitochondrial function, cell death, cell metabolism and cell migration to name but a few. Cytosolic calcium is normally maintained at low nanomolar concentrations; rather it is found in high micromolar to millimolar concentrations in the endoplasmic reticulum, mitochondrial matrix and the extracellular compartment. Upon stimulation, a transient increase in cytosolic calcium serves to signal downstream events. Detecting changes in cytosolic calcium is normally performed using a live cell imaging set up with calcium binding dyes that exhibit either an increase in fluorescence intensity or a shift in the emission wavelength upon calcium binding. However, a live cell imaging set up is not freely accessible to all researchers. Alternative detection methods have been optimized for immunological cells with flow cytometry and for non-immunological adherent cells with a fluorescence microplate reader. Here, we describe an optimized, simple method for detecting changes in epithelial cells with flow cytometry using a single wavelength calcium binding dye. Adherent renal proximal tubule epithelial cells, which are normally difficult to load with dyes, were loaded with a fluorescent cell permeable calcium binding dye in the presence of probenecid, brought into suspension and calcium signals were monitored before and after addition of thapsigargin, tunicamycin and ionomycin.

Calcium is involved in numerous physiological and pathophysiological signaling pathways. Live cell imaging requires specialized equipment and can be time consuming. A quick, simple method using a flow cytometer to determine relative changes in cytosolic calcium in adherent epithelial cells brought into suspension was optimized.

Cytosolischen Calcium Messungen in Nierenepithelzellen mittels Durchflusszytometrie

A variety of cellular processes, both physiological and pathophysiological, require or are governed by calcium, including exocytosis, mitochondrial ...

Imaging Local Ca2+ Signals in Cultured Mammalian Cells

Cytosolic Ca2+ ions regulate numerous aspects of cellular activity in almost all cell types, controlling processes as wide-ranging as gene transcription, electrical excitability and cell proliferation. The diversity and specificity of Ca2+ signaling derives from mechanisms by which Ca2+ signals are generated to act over different time and spatial scales, ranging from cell-wide oscillations and waves occurring over the periods of minutes to local transient Ca2+ microdomains (Ca2+ puffs) lasting milliseconds. Recent advances in electron multiplied CCD (EMCCD) cameras now allow for imaging of local Ca2+ signals with a 128 x 128 pixel spatial resolution at rates of &#62;500 frames sec-1 (fps). This approach is highly parallel and enables the simultaneous monitoring of hundreds of channels or puff sites in a single experiment. However, the vast amounts of data generated (ca. 1 Gb per min) render visual identification and analysis of local Ca2+ events impracticable. Here we describe and demonstrate the procedures for the acquisition, detection, and analysis of local IP3-mediated Ca2+ signals in intact mammalian cells loaded with Ca2+ indicators using both wide-field epi-fluorescence (WF) and total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. Furthermore, we describe an algorithm developed within the open-source software environment Python that automates the identification and analysis of these local Ca2+ signals. The algorithm localizes sites of Ca2+ release with sub-pixel resolution; allows user review of data; and outputs time sequences of fluorescence ratio signals together with amplitude and kinetic data in an Excel-compatible table.

Imaging Local Ca2+ Signals in Cultured Mammalian Cells

Here we present techniques for imaging local IP3-mediated Ca2+ events using fluorescence microscopy in intact mammalian cells loaded with Ca2+ indicators together with an algorithm that automates identification and analysis of these events.

Imaging Lokale Ca<sup&gt; 2+</sup&gt; Signale in kultivierten Säugetierzellen

Cytosolic Ca2+ ions regulate numerous aspects of cellular activity in almost all cell types, controlling processes as wide-ranging as gene transcription, ...

Implementing Patch Clamp and Live Fluorescence Microscopy to Monitor Functional Properties of Freshly Isolated PKD Epithelium

Cyst initiation and expansion during polycystic kidney disease is a complex process characterized by abnormalities in tubular cell proliferation, luminal fluid accumulation and extracellular matrix formation. Activity of ion channels and intracellular calcium signaling are key physiologic parameters which determine functions of tubular epithelium. We developed a method suitable for real-time observation of ion channels activity with patch-clamp technique and registration of intracellular Ca2+ level in epithelial monolayers freshly isolated from renal cysts. PCK rats, a genetic model of autosomal recessive polycystic kidney disease (ARPKD), were used here for ex vivo analysis of ion channels and calcium flux. Described here is a detailed step-by-step procedure designed to isolate cystic monolayers and non-dilated tubules from PCK or normal Sprague Dawley (SD) rats, and monitor single channel activity and intracellular Ca2+ dynamics. This method does not require enzymatic processing and allows analysis in a native setting of freshly isolated epithelial monolayer. Moreover, this technique is very sensitive to intracellular calcium changes and generates high resolution images for precise measurements. Finally, isolated cystic epithelium can be further used for staining with antibodies or dyes, preparation of primary cultures and purification for various biochemical assays.

Ion channels expressed in renal tubular epithelium play a significant role in the pathology of polycystic kidney disease. Here we describe experimental protocols used to perform patch-clamp analysis and intracellular calcium level measurements in cystic epithelium freshly isolated from rodent kidneys.

Implementieren der Patch-Clamp und Live-Fluoreszenzmikroskopie, um funktionelle Eigenschaften von frisch isolierten PKD Epithel-Monitor

Cyst initiation and expansion during polycystic kidney disease is a complex process characterized by abnormalities in tubular cell proliferation, luminal ...

In Vivo Calcium Imaging of Neuronal Ensembles in Networks of Primary Sensory Neurons in Intact Dorsal Root Ganglia

Ca2+ imaging can be used as a proxy for cellular activity, including action potentials and various signaling mechanisms involving Ca2+ entry into the cytoplasm or the release of intracellular Ca2+ stores. Pirt-GCaMP3-based Ca2+ imaging of primary sensory neurons of the dorsal root ganglion (DRG) in mice offers the advantage of simultaneous measurement of a large number of cells. Up to 1,800 neurons can be monitored, allowing neuronal networks and somatosensory processes to be studied as an ensemble in their normal physiological context at a populational level in vivo. The large number of neurons monitored allows the detection of activity patterns that would be challenging to detect using other methods. Stimuli can be applied to the mouse hindpaw, allowing the direct effects of stimuli on the DRG neuron ensemble to be studied. The number of neurons producing Ca2+ transients as well as the amplitude of Ca2+ transients indicates sensitivity to specific sensory modalities. The diameter of neurons provides evidence of activated fiber types (non-noxious mechano vs. noxious pain fibers, A&#946;, A&#948;, and C fibers). Neurons expressing specific receptors can be genetically labeled with td-Tomato and specific Cre recombinases together with Pirt-GCaMP. Therefore, Pirt-GCaMP3 Ca2+ imaging of DRG provides a powerful tool and model for the analysis of specific sensory modalities and neuron subtypes acting as an ensemble at the populational level to study pain, itch, touch, and other somatosensory signals.

In Vivo Calcium Imaging of Neuronal Ensembles in Networks of Primary Sensory Neurons in Intact Dorsal Root Ganglia

This protocol describes the surgical exposure of the dorsal root ganglion (DRG) followed by GCaMP3 (genetically-encoded Ca2+ indicator; Green Fluorescent Protein-Calmodulin-M13 Protein 3) Ca2+ imaging of the neuronal ensembles using Pirt-GCaMP3 mice while applying a variety of stimuli to the ipsilateral hind paw.

Im lebenden Organismus Calcium-Bildgebung neuronaler Ensembles in Netzwerken primärer sensorischer Neurone in intakten dorsalen Wurzelganglien

Ca2+ imaging can be used as a proxy for cellular activity, including action potentials and various signaling mechanisms involving Ca2+ entry into the ...

Imaging Calcium Dynamics in Subpopulations of Mouse Pancreatic Islet Cells

Pancreatic islet hormones regulate blood glucose homeostasis. Changes in blood glucose induce oscillations of cytosolic calcium in pancreatic islet cells that trigger secretion of three main hormones: insulin (from &#946;-cells), glucagon (&#945;-cells) and somatostatin (&#948;-cells). &#946;-Cells, which make up the majority of islet cells and are electrically coupled to each other, respond to the glucose stimulus as one single entity. The excitability of the minor subpopulations, &#945;-cells and &#948;-cells (making up around 20% (30%) and 4% (10%) of the total rodent1 (human2) islet cell numbers, respectively) is less predictable and is therefore of special interest.
Calcium sensors are delivered into the peripheral layer of cells within the isolated islet. The islet or a group of islets is then immobilized and imaged using a fluorescence microscope. The choice of the imaging mode is between higher throughput (wide-field) and better spatial resolution (confocal). Conventionally, laser scanning confocal microscopy is used for imaging tissue, as it provides the best separation of the signal between the neighboring cells. A wide-field system can be utilized too, if the contaminating signal from the dominating population of &#946;-cells is minimized.
Once calcium dynamics in response to specific stimuli have been recorded, data are expressed in numerical form as fluorescence intensity vs. time, normalized to the initial fluorescence and baseline-corrected, to remove the effects linked to bleaching of the fluorophore. Changes in the spike frequency or partial area under the curve (pAUC) are computed vs. time, to quantify the observed effects. pAUC is more sensitive and quite robust whereas spiking frequency provides more information on the mechanism of calcium increase.
Minor cell subpopulations can be identified using functional responses to marker compounds, such as adrenaline and ghrelin, that induce changes in cytosolic calcium in a specific populations of islet cells.

Here, we present a protocol for imaging and quantifying calcium dynamics in heterogeneous cell populations, such as pancreatic islet cells. Fluorescent reporters are delivered into the peripheral layer of cells within the islet, which is then immobilized and imaged, and per-cell analysis of the dynamics of fluorescence intensity is performed.

Bildgebende Calciumdynamik in Subpopulationen von Maus-Pankreas-Islet-Zellen

Pancreatic islet hormones regulate blood glucose homeostasis. Changes in blood glucose induce oscillations of cytosolic calcium in pancreatic islet cells ...

<meta charset="utf8"></head><body>Einzelzell-Calcium-Imaging für Kanalaktivierungsstudien

Single-Cell Calcium Imaging for Studying the Activation of Calcium Ion Channels

Single cell Ca2+ imaging is essential for the study of Ca2+ channels activated by various stimulations like temperature, voltage, native compound and chemicals et al. It primarily relies on microscopy imaging technology and the related Ca2+ indicator Fura-2/AM (AM is the abbreviation for Acetoxymethyl ester). Inside the cells, Fura-2/AM is hydrolyzed by esterases into Fura-2, which can reversibly bind with free cytoplasmic Ca2+. The maximum excitation wavelength shifts from 380nm to 340nm (when saturated with Ca2+) upon binding. The emitted fluorescence intensity is quantitatively related to the concentration of bound Ca2+. By measuring the 340/380 ratio, the Ca2+ concentration in the cytoplasm can be determined, eliminating errors caused by variations in the loading efficiency of the fluorescent probe among different samples. This technology allows for real-time, quantitative, and simultaneous monitoring of Ca2+ changes in multiple cells. The results are stored in &#8220;.XLSX&#8221; format for subsequent analysis, which is fast and generates intuitive change curves, greatly improving the detection efficiency. From different experimental perspectives, this article lists the use of this technology to detect Ca2+ signals in cells with endogenous or overexpressed channel proteins. Meantime, different methods for activating cells were also showed and compared. The aim is to provide readers with a clearer understanding of the usage and applications of single cell Ca2+ imaging.

<meta charset="utf8"></head><body>Einzelzell-Calcium-Imaging zur Untersuchung der Aktivierung von Calcium-Ionenkanälen

This article presents a method for real-time, quantitative monitoring of calcium ion (Ca2+) concentrations in cells using single-cell Ca2+ imaging with the Fura-2/AM dye. This technique enables efficient dye loading and accurate calculation of Ca2+ levels through fluorescence intensity ratios, making it a simple and rapid approach for research applications.

Einzelzell-Calcium-Imaging zur Untersuchung der Aktivierung von Calcium-Ionenkanälen

Single cell Ca2+ imaging is essential for the study of Ca2+ channels activated by various stimulations like temperature, voltage, native compound and ...

Einkanal-Analyse und Calcium Imaging in den Podozyten der frisch isolierten Glomeruli

Zusammenfassung

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Kapitel in diesem Video

Immunhistochemischen und Calcium Imaging Methoden in der Wholemount Rat Retina

Eine effiziente Methode der Absiebung, intakten Glomeruli von Erwachsenen Ratte Niere zu isolieren

Ein-Kanal-Cell-Attached-Patch-Clamp-Aufnahme

Cytosolischen Calcium Messungen in Nierenepithelzellen mittels Durchflusszytometrie

Imaging Lokale Ca

Implementieren der Patch-Clamp und Live-Fluoreszenzmikroskopie, um funktionelle Eigenschaften von frisch isolierten PKD Epithel-Monitor

Im lebenden Organismus Calcium-Bildgebung neuronaler Ensembles in Netzwerken primärer sensorischer Neurone in intakten dorsalen Wurzelganglien

Bildgebende Calciumdynamik in Subpopulationen von Maus-Pankreas-Islet-Zellen

Einzelzell-Calcium-Imaging zur Untersuchung der Aktivierung von Calcium-Ionenkanälen

Einzelzell-Calcium-Imaging zur Untersuchung der Aktivierung von Calcium-Ionenkanälen