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Method Article
* Estes autores contribuíram igualmente
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.
A doença cardiovascular é a principal causa de morbidade e mortalidade no mundo, incluindo os Estados Unidos, onde é responsável por mais de 780.000 mortes anualmente. 1 calcificação da artéria coronária e calcificação aórtica são características da doença aterosclerótica e servem como fortes preditores de eventos cardiovasculares. 2- 4 dois tipos principais de calcificação vascular foram relatadas em adultos: a calcificação da íntima, associado com a aterosclerose, e medial (também conhecido como Mönckeberg) calcificação, associada à doença renal crônica e diabetes 5 intimal calcificação ocorre no cenário de acumulação de lípidos e macrófagos. infiltração na parede do vaso. 5,6 calcificação parede medial ocorre independentemente da calcificação da intima, localiza-se às fibras de elastina ou de células musculares lisas, e não está associada com a deposição de lípidos ou de infiltração de macrófagos. 5,7,8 Estudos sobre os mecanismos moleculares decalcificação vascular têm contado com sistemas modelo baseados em células e animais. Modelos de roedores para a doença atherocalcific incluem ratinhos deficientes em qualquer apolipoproteína E (ApoE) 9,10 ou receptor de lipoproteína de baixa densidade (LDLR) 11 alimentados com uma dieta rica em gordura, enquanto os modelos para a calcificação medial incluem ratos com proteína Gla de matriz deficiência (MGP) 12 ou ratos que desenvolvem uremia quer por nefrectomia quase total (a 5/6 modelo de nefrectomia) ou por exposição a uma dieta rica em adenina. 13
Aqui, o modelo de calcificação vascular medial associada com deficiência de MGP é focado na. MGP é uma proteína extracelular que inibe a calcificação arterial. 12 As mutações no gene de MGP foram identificados na síndrome Keutel, uma doença humana rara caracterizada por calcificação da cartilagem difusa para além brachytelephalangy, perda de audição, e estenose pulmonar periférica 14-18. Embora não seja frequentemente observado, 19calcificação concêntrica de múltiplas artérias foi descrito na síndrome Keutel. 20 polimorfismos comuns no gene MGP humana estão associados com risco aumentado de calcificação da artéria coronária, 21-23, enquanto os níveis circulantes mais elevados de uncarboxylated MGP, biologicamente inactivo prever a mortalidade cardiovascular. 24 Ao contrário dos humanos com a síndrome Keutel, ratos MGP-deficientes desenvolvem um fenótipo vascular grave que consiste de calcificação arterial generalizada espontânea a partir de duas semanas de idade e morrem 6-8 semanas após o nascimento, devido à ruptura da aorta 12.
Ao contrário da ApoE - / - e de LDLR - / - ratos alimentados com uma dieta de elevado teor de gordura, que se desenvolvem calcificação vascular da íntima com a inflamação induzida por macrófago associada, MGP - / -. Ratinhos desenvolvem calcificação vascular medial na ausência de infiltração de macrófagos 11,25 Embora estes resultados sugerem diferentes estímulos subjacentes para intimai e calcificação da média, há sobreposição nos mecanismos de sinalização que medeiam a ambas as formas de calcificação. 26 múltiplas vias de sinalização tenham sido identificados que contribuem para a calcificação vascular incluindo mediadores inflamatórios tais como factor de necrose tumoral-α e IL-1 e factores pró-osteogénicas tais como Notch, Wnt, e proteína morfogenética do osso (BMP) de sinalização. Estas vias de sinalização 27,28 aumentar a expressão dos factores de transcrição relacionados com o factor de transcrição enfezado 2 (Runx2) e osterix, que por sua vez aumentar a expressão de proteínas relacionadas com os ossos ( . por exemplo, a osteocalcina, sclerostin, e fosfatase alcalina) na vasculatura que medeiam a calcificação 28-30 Nós e outros demonstraram que a calcificação vascular observada em ApoE - / - e de LDLR - / - ratos alimentados com uma dieta de elevado teor de gordura e a espontânea calcificação vascular observada em MGP - / - ratos todos dependem de proteína morfogenética óssea (BMP) signaling, e é esta via que é focado sobre aqui. 11,25,31 BMPs são potentes factores osteogénicos necessários para a formação óssea e são conhecidos por apresentar um aumento da expressão na aterosclerose humana. 32-34 Estudos in vitro têm implicado na regulação de sinalização de BMP a expressão de factores osteogénicos, tais como Runx2 35-37. a sobre-expressão do ligando BMP, BMP-2, acelera o desenvolvimento da calcificação vascular em ratinhos ApoE-deficient alimentados com uma dieta rica em gordura. 38 Além disso, a utilização de inibidores específicos de BMP tais sinalização como LDN-193189 (LDN) 39,40 e / ou ALK3-Fc impede o desenvolvimento de calcificação vascular em ambos LDLR - / - ratos alimentados com uma dieta rica em gordura e ratos MGP-deficientes 11,25.
Células do músculo liso vascular (VSMC) têm um papel crítico no desenvolvimento da calcificação vascular. 30,41,42 A calcificação vascular medial que se desenvolve em ratinhos deficientes MGP é caractezado por uma transdiferenciação de VSMC a um fenótipo osteogênico. Perda de MGP resulta na diminuição da expressão de marcadores de VSMC incluindo myocardin e alfa actina de músculo liso, com um aumento concomitante nos marcadores osteogénicas, tais como Runx2 e osteopontina. Estas alterações coincidir com o desenvolvimento de calcificação vascular 25,43,44.
Calcificação aórtica e inflamação em ratinhos são tipicamente avaliada utilizando técnicas histoquímicas, como atividade de fosfatase alcalina para a calcificação precoce e actividade osteogénica, von Kossa e Alizarina coloração vermelha para o final de calcificação e protocolos de imuno-histoquímica que têm como alvo proteínas marcadores de macrófagos (por exemplo., CD68, F4 / 80, Mac-1, Mac-2, Mac-3). 9,45 no entanto, estas técnicas de imagiologia convencionais implicam o tratamento de tecidos da aorta em secções transversais, o que é demorado e imperfeito devido à polarização de amostragem, e estão limitados na sua capacidade de quantificar a inflamação e calcificatiônica em toda a aorta. Este protocolo descreve um método para visualizar e quantificar a calcificação arterial aórtica e médias todo e acumulação de macrófagos utilizando fluorescente no infravermelho próximo (NIR) imagiologia molecular ex vivo. Também é fornecido um método para a colheita e a cultura de VSMCs primária da aorta de ratinhos, e induzindo a calcificação de murino e VSMCs humanas in vitro a fim de determinar os mecanismos moleculares subjacentes a calcificação vascular. Estas técnicas proporcionam o investigador com tanto in vivo e in vitro para estudar a doença atherocalcific.
Todos os estudos com ratos foram realizados em estrita conformidade com as recomendações do Guia para o Cuidado e Uso de Animais de Laboratório do National Institutes of Health. Habitação e todos os procedimentos que envolvem ratos descritos neste estudo foram aprovados pelo Cuidado Institucional Animal e Uso Comitês do Massachusetts General Hospital (Subcomissão de Investigação Animal Care). Todos os procedimentos foram realizados com cuidado para minimizar o sofrimento.
1. Preparação dos Reagentes
2. injecção na veia da cauda
3. Rato Dissection
4. aórtica Imagiologia
5. Isolamento de Primário Murino aórtica vasculares células musculares lisas
6. Indução de calcificação do músculo liso Cultivadascélulas
7. Avaliação Calcificação VSMC Usando o método de coloração de von Kossa
Nota:. O método de von Kossa para medir a calcificação da matriz extracelular de tecidos ou células cultivadas é baseado na substituição de iões de cálcio ligados a fosfato com os iões de prata 50 Na presença de compostos leves e orgânicas, os iões de prata são reduzidos e visualizada como metálico prata. Qualquer prata que não reagiu é removido por tratamento com tiossulfato de sódio a 50 O protocolo para a coloração de von Kossa é como se segue.:
OU
8. Avaliar VSMC calcificação com a imagem fluorescente Near-infrared
Nota: Semelhante a sua capacidadepara identificar a calcificação dentro aortas de rato, cálcio NIR prontamente se liga mineral calcificada depositado por células cultivadas. Usando esta técnica, microscopia fluorescente e leitores de placas com filtros de comprimento de onda longos podem imagem e quantificar a calcificação in vitro, respectivamente. O comprimento de onda de emissão longo do cálcio NIR permite a utilização simultânea de fluoróforos que emitem comprimentos de onda mais baixo para detectar outras características. O protocolo para o cálcio NIR coloração é como se segue:
Calcificação aórtica em MGP - / - e murganhos de tipo selvagem foi medida utilizando imagiologia de fluorescência NIR cálcio. Nenhum sinal foi detectado NIR cálcio nas aortas de ratinhos de tipo selvagem, indicando a ausência de calcificação (Figura 2). Um sinal de NIR de cálcio forte foi detectada nas aortas de MGP com deficiência de camundongos, o que é consistente com calcificação vascular avançada. As secções de tecido de aorta a partir de...
Calcificação arterial é um importante fator de risco para as doenças cardiovasculares em seres humanos e pode contribuir diretamente para a patogênese de eventos cardiovasculares. 1,5,52 deposição de cálcio íntima nas calotas fibrosos finos de doença aterosclerótica foi proposto para aumentar o estresse biomecânico local e contribuir para ruptura da placa. 53,54 impactos calcificação Medial resultados clínicos, aumentando a rigidez arterial, o que pode induzir a hipertrofia cardíaca...
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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