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Ce protocole décrit une méthodologie pour évaluer la fonction des canaux ioniques activés mécaniquement dans les cellules urothéliales natives à l’aide du capteur fluorescent Ca2+ GCaMP5G.
Les canaux ioniques activés mécaniquement sont des transducteurs biologiques qui convertissent des stimuli mécaniques tels que les forces d’étirement ou de cisaillement en signaux électriques et biochimiques. Chez les mammifères, les canaux activés mécaniquement sont essentiels pour la détection des stimuli externes et internes dans des processus aussi divers que la sensation de toucher, l’ouïe, la régulation du volume des globules rouges, la régulation de la pression artérielle basale et la sensation de plénitude de la vessie. Bien que la fonction des canaux ioniques activés mécaniquement ait été largement étudiée in vitro à l’aide de la technique de patch-clamp, l’évaluation de leur fonction dans leur environnement natif reste une tâche difficile, souvent en raison d’un accès limité aux sites d’expression de ces canaux (par exemple, les terminaisons afférentes, les cellules de Merkel, les barorécepteurs et les tubules rénaux) ou de difficultés à appliquer la technique de patch-clamp (par exemple, les surfaces apicales des cellules parapluies urothéliales). Ce protocole décrit une procédure pour évaluer les transitoires Ca 2+ évoqués mécaniquement à l’aide du capteur fluorescent GCaMP5G dans une préparation urothéliale ex vivo, une technique qui pourrait être facilement adaptée pour l’étude des événements Ca2+ évoqués mécaniquement dans d’autres préparations tissulaires natives.
Les cellules épithéliales des voies urinaires sont soumises à des forces mécaniques lorsque le filtrat urinaire traverse les néphrons, et l’urine est pompée hors du bassinet du rein et traverse les uretères pour être stockée dans la vessie. Il est reconnu depuis longtemps que les forces mécaniques (p. ex., contrainte de cisaillement et étirement) exercées par les fluides sur les cellules épithéliales qui tapissent les voies urinaires régulent la réabsorption des protéines dans le tubule proximal et des solutés dans le néphron distal 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11, 12,13, ainsi que le stockage de l’urine dans la vessie et la miction14,15,16,17.
La conversion de stimuli mécaniques en signaux électriques et biochimiques, un processus appelé mécanotransduction, est médiée par des protéines qui répondent à la déformation des structures cellulaires ou de la matrice extracellulaire associée 18,19,20,21. Les canaux ioniques activés mécaniquement sont uniques en ce sens qu’ils passent d’un état fermé à un état perméable ouvert en réponse aux changements de tension membranaire, de pression ou de contrainte de cisaillement 18,19,20,21,22. De plus, les transitoires Ca 2+ peuvent être initiés par mécanotransduction médiée par l’intégrine ou par activation de systèmes d’adhésion mécanoréactifs aux jonctions cellule-cellule23,24,25,26. La fonction du canal ionique est généralement évaluée avec la technique patch-clamp, qui implique la formation d’un joint gigaohm entre la membrane cellulaire et la pipette patch27. Cependant, les cellules situées dans des couches de tissus profonds avec une matrice extracellulaire dense (p. ex. tubules rénaux) ou entourées d’une barrière physique (p. ex. glycocalice) sont difficiles d’accès avec une micropipette en verre. De même, les cellules incorporées ou qui font partie intégrante de tissus à faible stabilité mécanique (par exemple, l’urothélium) ne peuvent pas être facilement étudiées avec la technique patch-clamp. Étant donné que de nombreux canaux ioniques activés mécaniquement sont perméables au Ca 2+, une autre approche consiste à évaluer leur activité par microscopie fluorescente à l’aide d’un colorant sensible au Ca2+ ou d’indicateurs de calcium génétiquement codés (GECI) tels que GCaMP. Les efforts récents en ingénierie des protéines ont considérablement augmenté la plage dynamique, la sensibilité et la réponse des GECI28,29,30, et les progrès de la génétique ont permis leur expression dans des populations cellulaires spécifiques, ce qui les rend parfaitement adaptés à l’étude de la mécanotransduction.
L’urothélium, l’épithélium stratifié qui recouvre l’intérieur de la vessie, fonctionne comme une barrière, empêchant la diffusion des solutés urinaires dans l’interstitium de la vessie, mais fonctionne également comme un transducteur, détectant la plénitude de la vessie et communiquant ces événements aux nerfs sous-jacents et à la musculature16. Des études antérieures ont montré que la communication entre l’urothélium et les tissus sous-jacents nécessite les canaux ioniques activés mécaniquement Piezo1 et Piezo231. Pour évaluer les transitoires Ca 2+ induits mécaniquement dans les cellules urothéliales, une nouvelle technique décrite qui utilise le transfert de gènes adénoviraux pour exprimer le capteur Ca2+ GCaMP5G dans les cellules urothéliales a été développée. Cette technique utilise une préparation de feuilles muqueuses qui permet un accès facile à la couche cellulaire parapluie la plus externe et un système assisté par ordinateur pour la stimulation mécanique simultanée de cellules individuelles avec une micropipette en verre fermée et l’enregistrement des changements de fluorescence au fil du temps.
Les soins et la manipulation des animaux ont été effectués conformément au comité institutionnel de soin et d’utilisation des animaux de l’Université de Pittsburgh. Des souris C57Bl/6J femelles âgées de 2 à 4 mois ont été utilisées pour la présente étude. Les souris ont été obtenues commercialement (voir le tableau des matériaux).
1. Assemblage et configuration de l’équipement
2. Transduction in situ et isolement de la muqueuse vésicale
3. Stimulation mécanique des cellules urothéliales individuelles et imagerie Ca2+
4. Analyse des données
Le présent protocole décrit une technique permettant d’évaluer les transitoires Ca 2+ évoqués mécaniquement dans les cellules parapluies à l’aide du capteur fluorescent Ca2+ GCaMP5G. La transduction adénovirale a été utilisée pour exprimer GCaMP5G dans les cellules urothéliales en raison de sa grande efficacité et parce qu’elle produit un niveau élevé d’expression. Des images fluorescentes de cryosections colorées provenant d’une vessie transduite sont présentées à
Tous les organismes, et apparemment la plupart des types cellulaires, expriment des canaux ioniques qui répondent à des stimuli mécaniques 20,33,34,35,36,37. La fonction de ces canaux activés mécaniquement a été principalement évaluée avec la technique du patch-clamp. Cependant, en raison de problèmes d’accessibil...
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Ce travail a été soutenu par les subventions NIH R01DK119183 (à G.A. et M.D.C.) et S10OD028596 (à G.A.) et par les noyaux d’imagerie rénale Cell Physiology and Model Organisms du Pittsburgh Center for Kidney Research (P30DK079307).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
20x Objective | Olympus | UMPlanFL N | |
24 G ¾” catheter | Medline | Suresite IV slide | |
4x Objective | Olympus | UPlanFL N | |
Analog/digital converter | Molecular Devices | Digidata 1440A | |
Anti-GFP antibody | Abcam | Ab6556 | |
Beam splitter | Chroma | T495lpxr | |
Bipolar temperature controller | Warner Instruments | TC-344B | |
CaCl2 | Fluka | 21114-1L | 1 M solution |
cellSens software | Olympus | Imaging software | |
CMOS camera | Hamamatsu | ORCA fusion | |
Donkey anti-rabbit conjugated to Alexa Fluor 488 | Jackson ImmunoResearch | 711-545-152 | |
Excel | Microsoft Corporation | ||
Filter | Chroma | ET470/40X | |
Glass capillaries Corning 8250 glass | Warner Instruments | G85150T-4 | |
Glucose | Sigma | G8270 | |
HEPES | Sigma | H4034 | |
Inline heater | Warner Instruments | SH-27B | |
KCl | Sigma | 793590 | |
Light source | Sutter Instruments | Lambda XL | |
Manifold pump tubing | Fisherbrand | 14-190-510 | ID 1.52 mm |
Manifold pump tubing | Fisherbrand | 14-190-533 | ID 2.79 mm |
MgCl2 | Sigma | M9272 | |
Mice | Jackson Lab | 664 | 2-4 months old female C57BL/6J |
Microforge | Narishige | MF-830 | |
Micromanipulator | Sutter Instruments | MP-285 | |
Microscope | Olympus | BX51W | |
Mounting media with DAPI | Invitrogen | S36964 | Slowfade Diamond Antifade with DAPI |
NaCl | Sigma | S7653 | |
pClamp software | Molecular Devices | Version 10.4 | Patch-clamp electrophysiology data acquisition and analysis software |
Peristaltic pump | Gilson | Minipuls 3 | |
Piezoelectric actuator | Thorlabs | PAS005 | |
Pipette holder | World Precision Instruments | ||
Pipette puller | Narishige | PP-830 | |
Quick exchange heated base with perfusion and adapter ring kit | Warner Instruments | QE-1 | Quick exchange platform fits 35 mm dish |
Rhodamine-phalloidin | Invitrogen | R415 | |
Sigma-Plot | Systat Software Inc | Version 14.0 | Scientific graphing and data analysis software |
Silicone elastomer | Dow | Sylgard 184 | |
Single channel open-loop piezo controller | Thorlabs | MDT694B | |
Square grid holder pad | Ted Pella | 10520 | |
Suture | AD Surgical | S-S618R13 | 6-0 Sylk |
Teflon mounting rod | Custom made | Use to mount the piezoelectric actuator in the micromanipulator | |
Tubing | Fisher Scientific | 14171129 | Tygon S3 ID 1/16 IN, OD 1/8 IN |
USB Digital I/O device | National Instruments | NI USB-6501 |
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