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Method Article
* Estos autores han contribuido por igual
Vascular calcification is an important predictor of and contributor to human cardiovascular disease. This protocol describes methods for inducing calcification of cultured primary vascular smooth muscle cells and for quantifying calcification and macrophage burden in animal aortas using near-infrared fluorescence imaging.
Cardiovascular disease is the leading cause of morbidity and mortality in the world. Atherosclerotic plaques, consisting of lipid-laden macrophages and calcification, develop in the coronary arteries, aortic valve, aorta, and peripheral conduit arteries and are the hallmark of cardiovascular disease. In humans, imaging with computed tomography allows for the quantification of vascular calcification; the presence of vascular calcification is a strong predictor of future cardiovascular events. Development of novel therapies in cardiovascular disease relies critically on improving our understanding of the underlying molecular mechanisms of atherosclerosis. Advancing our knowledge of atherosclerotic mechanisms relies on murine and cell-based models. Here, a method for imaging aortic calcification and macrophage infiltration using two spectrally distinct near-infrared fluorescent imaging probes is detailed. Near-infrared fluorescent imaging allows for the ex vivo quantification of calcification and macrophage accumulation in the entire aorta and can be used to further our understanding of the mechanistic relationship between inflammation and calcification in atherosclerosis. Additionally, a method for isolating and culturing animal aortic vascular smooth muscle cells and a protocol for inducing calcification in cultured smooth muscle cells from either murine aortas or from human coronary arteries is described. This in vitro method of modeling vascular calcification can be used to identify and characterize the signaling pathways likely important for the development of vascular disease, in the hopes of discovering novel targets for therapy.
La enfermedad cardiovascular es la principal causa de morbilidad y mortalidad en el mundo, incluyendo los Estados Unidos, donde es responsable de más de 780.000 muertes al año. 1 calcificación de las arterias coronarias y la calcificación aórtica son características de la enfermedad aterosclerótica y sirven como fuertes predictores de eventos cardiovasculares. 2- 4 Dos tipos principales de la calcificación vascular han sido reportados en adultos: la calcificación de la íntima, asociada con la aterosclerosis, y medial (también conocido como Mönckeberg) calcificación, asociada con la enfermedad renal crónica y diabetes 5 calcificación intimal se produce en el contexto de la acumulación de lípidos y de los macrófagos. infiltración en la pared del vaso. 5,6 calcificación de la pared medial se produce independientemente de la calcificación de la íntima, se localiza en las fibras de elastina o de células musculares lisas, y no está asociada con la deposición de lípidos o la infiltración de macrófagos. 5,7,8 estudios sobre los mecanismos moleculares decalcificación vascular se han basado en sistemas de modelos basados en células y animales. Modelos de roedores para la enfermedad atherocalcific incluyen ratones deficientes en cualquiera de apolipoproteína E (ApoE) 9,10 o receptor de lipoproteína de baja densidad (LDLR) 11 alimentados con una dieta alta en grasas, mientras que los modelos de calcificación de la media incluyen ratones con la proteína Gla de la matriz (MGP), la deficiencia 12 o ratas que desarrollan uremia, ya sea por la nefrectomía casi total (el 5 / sexto modelo de nefrectomía) o por exposición a una dieta alta en adenina. 13
Aquí, el modelo de la calcificación vascular medial asociada con la deficiencia de MGP se centra en. MGP es una proteína extracelular que inhibe la calcificación arterial. 12 mutaciones en el gen MGP se han identificado en el síndrome de Keutel, una enfermedad humana rara caracterizada por calcificación del cartílago difusa además de brachytelephalangy, pérdida de audición, y estenosis pulmonar periférica. 14-18 Aunque no se observado a menudo, 19calcificación concéntrica de múltiples arterias se ha descrito en el síndrome Keutel. 20 polimorfismos comunes en el gen MGP humana están asociados con un mayor riesgo para la calcificación de las arterias coronarias, 21-23, mientras que altos niveles circulantes de uncarboxylated MGP, biológicamente inactivo predicen la mortalidad cardiovascular. 24 A diferencia de los seres humanos con el síndrome de Keutel, los ratones con deficiencia de MGP desarrollan un fenotipo vascular severa que consiste en una calcificación arterial generalizada espontánea a partir de las dos semanas de edad y morir 6-8 semanas después del nacimiento debido a la ruptura aórtica. 12
A diferencia de ApoE - / - y LDLR - / - ratones alimentados con una dieta alta en grasas, que se desarrollan calcificación vascular de la íntima con la inflamación inducida por macrófagos asociados, MGP - / -. Ratones desarrollan calcificación vascular medial en ausencia de la infiltración de macrófagos 11,25 Aunque estos hallazgos sugieren diferentes estímulos subyacentes para intimal y la calcificación medial, no hay superposición en los mecanismos de señalización que median en ambas formas de calcificación. 26 vías de señalización múltiples han sido identificados que contribuyen a la calcificación vascular incluyendo mediadores inflamatorios tales como factor de necrosis tumoral-α y la IL-1 y los factores pro-osteogénicas tales como Notch, Wnt, y la proteína morfogenética ósea (BMP) de señalización. 27,28 Estas vías de señalización aumentan la expresión de los factores de transcripción factor de transcripción relacionados con runt-2 (Runx2) y osterix, que a su vez aumentan la expresión de proteínas relacionadas con los huesos ( . por ejemplo, osteocalcina, esclerostina, y fosfatasa alcalina) en la vasculatura que median la calcificación 28-30 Nosotros y otros han demostrado que la calcificación vascular observada en ApoE - / - y LDLR - / - ratones alimentados con una dieta alta en grasas y la espontánea calcificación vascular observada en MGP - / - ratones, todos dependen de la proteína morfogenética ósea (BMP) SIgnaling, y es esta vía que se centra en aquí. 11,25,31 BMP son factores osteogénicos potentes necesarios para la formación de hueso y se sabe que presentan una mayor expresión en la aterosclerosis humana. 32-34 Los estudios in vitro han implicado en la regulación de la señalización de BMP la expresión de factores osteogénicos tales como Runx2. 35-37 la sobreexpresión del ligando BMP, BMP-2, acelera el desarrollo de la calcificación vascular en ratones ApoE deficientes alimentados con una dieta alta en grasas. 38 por otra parte, el uso de inhibidores específicos BMP tales señalización como LDN-193189 (LDN) 39,40 y / o ALK3-Fc impide el desarrollo de la calcificación vascular tanto en LDLR - / - ratones alimentados con una dieta alta en grasas y los ratones con deficiencia de MGP 11,25.
Células del músculo liso vascular (CMLV) tienen un papel crítico en el desarrollo de la calcificación vascular. 30,41,42 La calcificación vascular medial que se desarrolla en MGP ratones deficientes es caracracterizado por una transdiferenciación de CMLV a un fenotipo osteogénico. La pérdida de la MGP en disminución en la expresión de marcadores de CMLV incluyendo miocardina y alfa actina de músculo liso, con el consiguiente incremento de los marcadores osteogénicos tales como la osteopontina y Runx2. Estos cambios coinciden con el desarrollo de la calcificación vascular. 25,43,44
Calcificación de la aorta y la inflamación en los ratones se evalúan típicamente utilizando técnicas histoquímicas tales como la actividad de la fosfatasa alcalina para la calcificación temprana y la actividad osteogénica, von Kossa y alizarina tinción roja para fines de calcificación y protocolos de inmunohistoquímica que se dirigen a los marcadores de proteínas de macrófagos (por ejemplo., CD68, F4 / 80, Mac-1, Mac-2, Mac-3). 9,45 Sin embargo, estas técnicas de imagen estándar requiere el procesamiento de los tejidos aórticos en secciones transversales, que es lento y imperfecta tiempo debido al sesgo de muestreo, y están limitados en su capacidad de cuantificar la inflamación y calcificatION en toda la aorta. Este protocolo describe un método para visualizar y cuantificar toda la calcificación arterial aórtica y medianas y la acumulación de macrófagos utilizando fluorescente del infrarrojo cercano (NIR) de formación de imágenes molecular ex vivo. También se proporciona un método para la recolección y el cultivo de CMLV aórticas primarias de ratones y la inducción de la calcificación de murino y CMLV humanas in vitro con el fin de determinar los mecanismos moleculares que subyacen a la calcificación vascular. Estas técnicas proporcionan el investigador con tanto in vivo y métodos in vitro para el estudio de la enfermedad atherocalcific.
Se realizaron todos los estudios con ratones en estricta conformidad con las recomendaciones de la Guía para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio de los Institutos Nacionales de Salud. Vivienda y todos los procedimientos de los ratones descritos en este estudio fueron aprobados por el Cuidado de Animales institucional y el empleo Comités del Hospital General de Massachusetts (Subcomité de Investigación Animal Care). Todos los procedimientos se llevaron a cabo con cuidado para minimizar el sufrimiento.
1. Preparación de los reactivos
2. vena de la cola de inyección
3. La disección de ratón
4. Imaging aórtica
5. Aislamiento de vasculares de aorta primaria murino células del músculo liso
6. Inducción de calcificación de músculo liso cultivadasCélulas
7. Evaluación de VSMC Calcificación Uso de la Kossa tinción von Método
Nota:. El método de von Kossa para la medición de la calcificación de la matriz extracelular de los tejidos o células cultivadas se basa en la sustitución de los iones de calcio unido a fosfato con los iones de plata 50 En presencia de compuestos ligeros y orgánicos, los iones de plata se reducen y se visualizan como metálico plata. Cualquier plata sin reaccionar se elimina por tratamiento con tiosulfato de sodio 50 El protocolo para la tinción de von Kossa es el siguiente.:
O
8. La evaluación de CMLV con calcificación de imagen fluorescente del infrarrojo cercano
Nota: Al igual que su capacidadpara identificar la calcificación dentro de aortas de ratones, calcio NIR se une fácilmente mineral calcificada depositada por las células cultivadas. Usando esta técnica, microscopía fluorescente y lectores de placas con filtros de longitud de onda larga puede imagen y cuantificar la calcificación in vitro, respectivamente. La larga longitud de onda de emisión del calcio NIR permite la utilización simultánea de fluoróforos que emiten longitud de onda inferior a detectar otras características. El protocolo para el calcio NIR tinción es la siguiente:
Calcificación aórtica en MGP - / - y de tipo salvaje ratones se midió utilizando imágenes de fluorescencia NIR calcio. No se detectó señal NIR calcio en las aortas de ratones de tipo salvaje, que indica la ausencia de calcificación (Figura 2). Se ha detectado una señal de calcio NIR fuerte en las aortas de los ratones con deficiencia de MGP, lo cual es consistente con la calcificación vascular avanzada. Las secciones de tejido de aortas de tipo salvaj...
La calcificación arterial es un importante factor de riesgo para la enfermedad cardiovascular en los seres humanos y puede contribuir directamente a la patogénesis de los eventos cardiovasculares. Se ha propuesto 1,5,52 depósito de calcio en la íntima de las delgadas cubierta fibrosa de la enfermedad aterosclerótica para aumentar el estrés biomecánico local y contribuir a ruptura de la placa. 53,54 calcificación medial impactos resultados clínicos mediante el aumento de la rigidez arterial...
Massachusetts General Hospital has applied for patents related to small molecule inhibitors of BMP type I receptors and the application of ALK3-Fc to treat atherosclerosis and vascular calcification, and MD, PBY, KDB, and RM may be entitled to royalties.
This work was supported by the Sarnoff Cardiovascular Research Foundation (MFB and TET), the Howard Hughes Medical Institute (TM), the Ladue Memorial Fellowship Award from Harvard Medical School (DKR), the START-Program of the Faculty of Medicine at RWTH Aachen (MD), the German Research Foundation (DE 1685/1-1, MD), the National Eye Institute (R01EY022746, ESB), the Leducq Foundation (Multidisciplinary Program to Elucidate the Role of Bone Morphogenetic Protein Signaling in the Pathogenesis of Pulmonary and Systemic Vascular Diseases, PBY, KDB, and DBB), the National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases (R01AR057374, PBY), the National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases (R01DK082971, KDB and DBB), the American Heart Association Fellow-to-Faculty Award #11FTF7290032 (RM), and the National Heart, Lung, and Blood Institute (R01HL114805 and R01HL109506, EA; K08HL111210, RM).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
15 ml conical tube | Falcon | 352096 | |
30 G needle | BD | 305106 | |
Alpha smooth muscle actin antibody | Sigma | SAB2500963 | |
Chamber slide | Nunc Lab-Tek | 154461 | |
Collagenase, Type 2 | Worthington | LS004176 | |
Dexamethasone | Sigma | D4902 | |
Dulbecco's Modified Eagle Medium | Life Technologies | 11965-084 | |
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline, no calcium | Gibco | 14190-144 | |
Elastase | Sigma | E1250 | |
Fetal bovine serum | Gibco | 16000-044 | |
Forceps, fine point | Roboz | RS-4972 | |
Forceps, full curve serrated | Roboz | RS-5138 | |
Formalin (10%) | Electron Microscopy Sciences | 15740 | |
Hank's Balanced Salt Solution | Gibco | 14025-092 | |
Human coronary artery smooth muscle cells | PromoCell | C-12511 | |
Insulin syringe with needle | Terumo | SS30M2913 | |
L-ascorbic acid | Sigma | A-7506 | |
Micro-dissecting spring scissors (13 mm) | Roboz | RS-5676 | |
Micro-dissecting spring scissors (3 mm) | Roboz | RS-5610 | |
NIR, cathepsin (ProSense-750EX) | Perkin Elmer | NEV10001EX | |
NIR, osteogenic (OsteoSense-680EX) | Perkin Elmer | NEV10020EX | |
Normal Saline | Hospira | 0409-4888-10 | |
Nuclear fast red | Sigma-Aldrich | N3020 | |
Odyssey Imaging System | Li-Cor | Odyssey 3.0 | |
Penicillin/Streptomycin | Corning | 30-001-CI | |
Silver nitrate (5%) | Ricca Chemical Company | 6828-16 | |
Sodium phosphate dibasic heptahydrate | Sigma-Aldrich | S-9390 | |
Sodium thiosulfate | Sigma | S-1648 | |
ß-glycerophosphate disodium salt hydrate | Sigma | G9422 | |
Tissue culture flask, 25 cm2 | Falcon | 353108 | |
Tissue culture plate (35 mm x 10 mm) | Falcon | 353001 | |
Tissue culture plate, six-well | Falcon | 353046 | |
Trypsin | Corning | 25-053-CI | |
Tube rodent holder | Kent Scientific | RSTR551 | |
Vacuum-driven filtration system | Millipore | SCGP00525 |
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