Summary

新鲜分离和内联小鼠脑内皮细胞内钙和膜电位的同时测量

Published: January 20, 2019
doi:

Summary

这里演示的是 (1) 新鲜隔离完整的大脑内皮 “管” 和 (2) 同时测量内皮钙和膜电位的协议, 在内皮衍生的超极化过程中。此外, 这些方法允许药理调节内皮细胞钙和电信号作为个人或交互式实验变量。

Abstract

大脑动脉及其各自的微循环通过血液流动调节向大脑输送氧气和营养物质。内皮细胞排列血管腔, 并根据需要控制血管直径的变化, 以满足神经元的代谢需求。膜电位 (vm) 和一氧化氮超极化的初级内皮依赖性信号通路通常平行调节血管扩张, 从而增加血液流动。虽然在几个毫米的血管长度的血管扩张协调不可或缺的一部分, 内皮衍生的超极化 (edh) 的组成部分一直是很难测量的历史。edh 的这些成分包含细胞内 ca2 + [ca2 +]i增加并随后激活小型和中间电导 ca2 +-激活 k + (skca/ik ca)通道.

在这里, 我们提出了一个从小鼠大脑动脉中分离新鲜内皮细胞的简化说明;同时测量内皮 [ca2 +] i 和 v m 分别使用 fura-2 分光光度法和细胞内尖锐电极;以及在生理条件下 (ph 7.4, 37°c) 下盐溶液和药理剂的连续超融合。从威利斯圆环的脑后动脉被移除后部沟通和基底动脉。经清理的脑后动脉段的酶消化和随后的三口治疗有助于切除外膜、血管周围神经和平滑肌细胞。然后, 在显微镜下固定下断陷的后脑动脉内皮 “管”, 并在连续超融合的情况下使用相机、光电倍增管和一到两个静电计进行检查。总之, 这种方法可以同时测量在离散细胞位置的内皮 [ca2 +]i和 vm 的变化, 除了通过间隙连接传播 edh, 直到毫米的距离沿完整内皮。这种方法有望产生一个高通量分析大脑内皮功能的基础机制的血液流动调节在正常和患病的大脑。

Introduction

血管网络1中脑动脉和动脉之间血管舒张的协调调节整个大脑的血液流动.大脑阻力动脉内的内皮细胞根据需要控制血管直径的变化, 以满足神经元1,2,3的代谢需求。特别是在内皮细胞产生的超极化 (俗称 edh) 期间, 细胞内 ca2 + ([ca2 +]i) 和内皮细胞中的电信号键协调内皮细胞之间的血管舒张作用。周围的平滑肌细胞通过缝隙连接动脉放松4。edh 的生理启动顺序意味着刺激 gq偶联受体 (gpcr), 增加 [ca2 +]i, 激活内皮小和中-钙 2 + 激活 k+(skca/ik ca)通道超极化脑血管电位 (vm)5,6,7。因此, 内皮 [ca2 +]i和 vm 之间的亲密关系是血液流动调节的组成部分, 也是心脑血管功能68 不可缺少的。在广泛的文献中, 大量的研究报告了血管内皮功能障碍与慢性病的发展 (如高血压, 糖尿病, 心力衰竭, 冠状动脉疾病, 慢性肾功能衰竭,外周动脉疾病)9,10, 表明研究内皮功能在生理和病理条件的意义。

血管内皮是产生超极化、血管扩张和组织灌注的组成部分, 因此, 检查其自身的自身特性至关重要。作为一般的研究模型, 小鼠动脉内皮管模型的制备已发表之前为骨骼肌11,12, 肠 13,14, 最近为大脑6。特别是同时进行的 [ca2 +]i和 vm 测量的研究已经发表了骨骼肌动脉内皮 15,16以及淋巴管内皮细胞 17.除了使用内皮管方法的初步研究外, 还可以参考对其优缺点全面审查, 8 以确定这一实验工具是否适合于特定的研究。简而言之, 一个优点是保留了内皮细胞功能的关键生理成分 (例如, ca2+流入和细胞内释放, vm 的超极化到 nernstk +的潜力通过skca/ikca 激活, 和内皮细胞间耦合通过缝隙连接), 没有混淆因素, 如血管周围神经输入, 平滑肌电压门控通道功能和收缩力,血液循环, 和荷尔蒙的影响8。相反, 常用的细胞培养方法在形态 18和离子通道表达19方面有显著的改变, 这种改变可以极大地模糊与在体内确定的生理观察的比较。在体内。限制包括缺乏与调节血液流动的其他基本成分的整合, 如平滑肌和实验时间表中的灵活性受限, 因为该模型在完整的血管段隔离4小时内进行了最佳测试从动物。

根据 socha 和 segal12编写的前一段视频协议以及在中间61516 的最新实验发展, 我们在此演示了从后脑动脉和同时测量内皮 [ca2 +]i和 v m分别使用 fura-2 分光光度法和细胞内尖锐电极。此外, 这项实验需要在生理条件下 (ph 7.4, 37°c) 持续超融合盐溶液和药理剂。我们选择了大脑后动脉, 因为它产生的是具有结构完整性 (细胞通过缝隙连接结合) 和足够尺寸 (宽度≥50μm, 长度≥300μm) 的孤立内皮, 适合细胞内和细胞间信号。内皮细胞。此外, 啮齿类动物大脑后动脉的研究在文献中得到了大量的体现, 包括对基本内皮信号机制、血管发育和病理20的检查,21,22. 这一实验应用预计将产生对大脑内皮功能 (和功能障碍) 的高通量分析, 从而使整个过程中对血液流动调节的理解有重大进展。衰老和神经退行性疾病的发展。

Protocol

在进行以下实验之前, 请确保所有动物护理使用和协议都得到机构动物护理和使用委员会 (iacuc) 的批准, 并按照国家研究委员会的”动物护理和使用指南” 进行。实验动物” (第8版, 2011) 和 arrive 指南。洛玛·琳达大学的 iacuc 已经批准了这份手稿中用于雄性和雌性 c57bl6 小鼠的所有协议 (年龄范围: 3至30岁)。 1. 设备和材料 请注意:</strong…

Representative Results

上述协议的示意图如所附数字所示。图 1 a显示了从年轻成年雄性 c57bl/6n 小鼠 (5个月) 中分离出的大脑。脑后动脉从威利斯的圆圈仔细分离, 在没有结缔组织的情况下切除, 并切割成段 (图 1b-d)。从部分消化的动脉段, 完整的内皮管产生, 并固定在玻璃盖滑使用固定移液器。采用两个固定移液器进行温和的机械拉伸, 以?…

Discussion

根据最近的发展 6,15,16, 17, 我们现在演示的方法, 分离小鼠脑动脉内皮, 准备同时测量 [ca2 +]i和 vm 在37°c 下始终为 ~ 2小时的 edh 基础。虽然技术上困难, 但我们也可以测量细胞间耦合 (参见参考6, 图 1)。通过这种方式, 我们可以同时测量离散和传导信号事件。有…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

我们感谢查尔斯·休伊特提供了出色的技术援助, 同时建立了目前协议所需的设备和用品。我们感谢 llu 围产儿生物学中心的 sean m. wilson 博士和 christopher g. wilson 博士分别为我们提供了一个额外的倒置显微镜和静电计。这项研究得到了国家卫生研究院 r00-ag047198 (ejb) 和 loma linda 大学医学院新教师启动资金的支持。内容完全由作者负责, 不一定代表国家卫生研究院的官方观点。

Materials

Glucose Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) G7021
NaCl Sigma S7653
MgCl2 Sigma M2670
CaCl2 Sigma 223506
HEPES Sigma H4034
KCl Sigma P9541
NaOH Sigma S8045
ATP Sigma A2383
HCl ThermoFisher Scientific (Pittsburgh, PA, USA) A466250
Collagenase (Type H Blend) Sigma C8051
Dithioerythritol Sigma D8255
Papain Sigma P4762
Elastase Sigma E7885
BSA Sigma A7906
Propidium iodide Sigma P4170
DMSO Sigma D8418
Fura-2 AM dye Invitrogen, Carlsbad, CA, USA F14185
Recirculating chiller (Isotemp 500LCU) ThermoFisher Scientific 13874647
Plexiglas superfusion chamber  Warner Instruments, Camden, CT, USA RC-27
Glass coverslip bottom (2.4 × 5.0 cm) ThermoFisher Scientific 12-548-5M
Anodized aluminum platform (diameter: 7.8 cm)  Warner Instruments PM6 or PH6
Compact aluminum stage  Siskiyou, Grants Pass, OR, USA 8090P
Micromanipulator Siskiyou  MX10
Stereomicroscopes  Zeiss, NY, USA Stemi 2000 & 2000-C
Fiber optic light sources  Schott, Mainz, Germany & KL200, Zeiss Fostec 8375
Nikon inverted microscope Nikon Instruments Inc, Melville, NY, USA Ts2
Phase contrast objectives  Nikon Instruments Inc  (Ph1 DL; 10X & 20X)
Fluorescent objectives  Nikon Instruments Inc 20X (S-Fluor), and 40X (Plan Fluor)
Nikon inverted microscope Nikon Instruments Inc Eclipse TS100
Microsyringe pump controller (Micro4 )  World Precision Instruments (WPI), Sarasota, FL, USA SYS-MICRO4
Vibration isolation table Technical Manufacturing, Peabody, MA, USA  Micro-g
Amplifiers Molecular Devices, Sunnyvale, CA, USA Axoclamp 2B & Axoclamp 900A
Headstages  Molecular Devices HS-2A & HS-9A
Function generator  EZ Digital, Seoul, South Korea FG-8002
Data Acquision System Molecular Devices, Sunnyvale, CA, USA Digidata 1550A
Audible Baseline Monitors Ampol US LLC, Sarasota, FL, USA  BM-A-TM
Digital Storage Oscilloscope Tektronix, Beaverton, Oregon, USA  TDS 2024B
Fluorescence System Interface, ARC Lamp + Power Supply, Hyperswitch, PMT Molecular Devices, Sunnyvale, CA, USA IonOptix Systems
Temperature Controller   Warner Instruments TC-344B or C
Inline Heater  Warner Instruments SH- 27B
Valve Controller  Warner Instruments VC-6
Inline Flow Control Valve Warner Instruments  FR-50
Electronic Puller  Sutter Instruments, Novato, CA, USA P-97 or P-1000 
Microforge Narishige, East Meadow, NY, USA  MF-900
Borosilicate Glass Tubes (Trituration) World Precision Instruments (WPI), Sarasota, FL, USA 1B100-4
Borosilicate Glass Tubes (Pinning) Warner Instruments G150T-6
Borosilicate Glass Tubes (Sharp Electrodes) Warner Instruments GC100F-10
Syringe Filter (0.22 µm)   ThermoFisher Scientific 722-2520
Glass Petri Dish + Charcoal Sylgard Living Systems Instrumentation, St. Albans City, VT, USA DD-90-S-BLK
Vannas Style Scissors (3 mm & 9.5 mm) World Precision Instruments 555640S, 14364
Scissors 3 & 7 mm blades Fine Science Tools (or FST), Foster City, CA, USA Moria MC52 & 15000-00
Sharpened fine-tipped forceps  FST Dumont #5 & Dumont #55

References

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Cite This Article
Hakim, M. A., Behringer, E. J. Simultaneous Measurements of Intracellular Calcium and Membrane Potential in Freshly Isolated and Intact Mouse Cerebral Endothelium. J. Vis. Exp. (143), e58832, doi:10.3791/58832 (2019).

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