Ex Vivo Analyse des transitoires Ca2+ activés mécaniquement dans les cellules urothéliales
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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).
Materials
| 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 |
Referenzen
- Kunau, R. T., Webb, H. L., Borman, S. C. Characteristics of the relationship between the flow rate of tubular fluid and potassium transport in the distal tubule of the rat. Journal of Clinical Investigation. 54 (6), 1488-1495 (1974).
- Engbretson, B. G., Stoner, L. C. Flow-dependent potassium secretion by rabbit cortical collecting tubule in vitro. American Journal of Physiology. 253 (5), 896-903 (1987).
- Satlin, L. M., Sheng, S., Woda, C. B., Kleyman, T. R. Epithelial Na(+) channels are regulated by flow. American Journal of Physiology Renal Physiology. 280 (6), 1010-1018 (2001).
- Woda, C. B., et al. Ontogeny of flow-stimulated potassium secretion in rabbit cortical collecting duct: functional and molecular aspects. American Journal of Physiology Renal Physiology. 285 (4), 629-639 (2003).
- Malnic, G., Berliner, R. W., Giebisch, G. Flow dependence of K+ secretion in cortical distal tubules of the rat. American Journal of Physiology. 256 (5), 932-941 (1989).
- Khuri, R. N., Strieder, W. N., Giebisch, G. Effects of flow rate and potassium intake on distal tubular potassium transfer. American Journal of Physiology. 228 (4), 1249-1261 (1975).
- Good, D. W., Wright, F. S. Luminal influences on potassium secretion: sodium concentration and fluid flow rate. American Journal of Physiology. 236 (2), 192-205 (1979).
- Wong, K. R., Berry, C. A., Cogan, M. G. Flow dependence of chloride transport in rat S1 proximal tubules. American Journal of Physiology. 269 (6), 870-875 (1995).
- Garvin, J. L. Glucose absorption by isolated perfused rat proximal straight tubules. American Journal of Physiology. 259 (4), 580-586 (1990).
- Malnic, G., Klose, R. M., Giebisch, G. Micropuncture study of renal potassium excretion in the rat. American Journal of Physiology. 206 (4), 674-686 (1964).
- Malnic, G., Klose, R. M., Giebisch, G. Micropuncture study of distal tubular potassium and sodium transport in rat nephron. American Journal of Physiology. 211 (3), 529-547 (1966).
- Cabral, P. D., Garvin, J. L. Luminal flow regulates NO and O2(-) along the nephron. American Journal of Physiology. 300 (5), 1047-1053 (2011).
- Raghavan, V., Rbaibi, Y., Pastor-Soler, N. M., Carattino, M. D., Weisz, O. A. Shear stress-dependent regulation of apical endocytosis in renal proximal tubule cells mediated by primary cilia. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (23), 8506-8511 (2014).
- Lewis, S. A., de Moura, J. L. Apical membrane area of rabbit urinary bladder increases by fusion of intracellular vesicles: an electrophysiological study. The Journal of Membrane Biology. 82 (2), 123-136 (1984).
- Fowler, C. J., Griffiths, D., de Groat, W. C. The neural control of micturition. Nature Reviews Neuroscience. 9 (6), 453-466 (2008).
- Dalghi, M. G., Montalbetti, N., Carattino, M. D., Apodaca, G. The urothelium: life in a liquid environment. Physiological Reviews. 100 (4), 1621-1705 (2020).
- Khandelwal, P., Abraham, S. N., Apodaca, G. Cell biology and physiology of the uroepithelium. American Journal of Physiology Renal Physiology. 297 (6), 1477-1501 (2009).
- Sachs, F. Stretch-activated ion channels: what are they. Physiology. 25 (1), 50-56 (2010).
- Martinac, B. Mechanosensitive ion channels: molecules of mechanotransduction. Journal of Cell Science. 117 (12), 2449-2460 (2004).
- Ranade, S. S., Syeda, R., Patapoutian, A. Mechanically activated ion channels. Neuron. 87 (6), 1162-1179 (2015).
- Cox, C. D., Bavi, N., Martinac, B. Biophysical principles of ion-channel-mediated mechanosensory transduction. Cell Reports. 29 (1), 1-12 (2019).
- Carattino, M. D., Sheng, S., Kleyman, T. R. Epithelial Na+ channels are activated by laminar shear stress. Journal of Biological Chemistry. 279 (6), 4120-4126 (2004).
- Ross, T. D., et al. Integrins in mechanotransduction. Current Opinion in Cell Biology. 25 (5), 613-618 (2013).
- Dieterle, M. P., Husari, A., Rolauffs, B., Steinberg, T., Tomakidi, P. Integrins, cadherins and channels in cartilage mechanotransduction: perspectives for future regeneration strategies. Expert Reviews in Molecular Medicine. 23, 14 (2021).
- Huveneers, S., de Rooij, J. Mechanosensitive systems at the cadherin-F-actin interface. Journal of Cell Science. 126, 403-413 (2013).
- Sun, Z., Guo, S. S., Fässler, R. Integrin-mediated mechanotransduction. Journal of Cell Biology. 215 (4), 445-456 (2016).
- Hamill, O. P., Marty, A., Neher, E., Sakmann, B., Sigworth, F. J. Improved patch-clamp techniques for high-resolution current recording from cells and cell-free membrane patches. Pflügers Archiv. European Journal of Physiology. 391 (2), 85-100 (1981).
- Akerboom, J., et al. Optimization of a GCaMP calcium indicator for neural activity imaging. The Journal of Neuroscience. 32 (40), 13819-13840 (2012).
- Akerboom, J., et al. Genetically encoded calcium indicators for multi-color neural activity imaging and combination with optogenetics. Frontiers in Molecular Neuroscience. 6, 2 (2013).
- Sun, X. R., et al. Fast GCaMPs for improved tracking of neuronal activity. Nature Communications. 4, 2170 (2013).
- Dalghi, M. G., et al. Functional roles for PIEZO1 and PIEZO2 in urothelial mechanotransduction and lower urinary tract interoception. JCI Insight. 6 (19), 152984 (2021).
- Durnin, L., et al. An ex vivo bladder model with detrusor smooth muscle removed to analyse biologically active mediators released from the suburothelium. The Journal of Physiology. 597 (6), 1467-1485 (2019).
- Delmas, P., Coste, B. Mechano-gated ion channels in sensory systems. Cell. 155 (2), 278-284 (2013).
- Tavernarakis, N., Driscoll, M. Degenerins. At the core of the metazoan mechanotransducer. Annals of the New York Academy of Sciences. 940 (1), 28-41 (2001).
- Peyronnet, R., Tran, D., Girault, T., Frachisse, J. M. Mechanosensitive channels: feeling tension in a world under pressure. Frontiers in Plant Science. 5, 558 (2014).
- Blount, P., Iscla, I. Life with bacterial mechanosensitive channels, from discovery to physiology to pharmacological target. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 84 (1), 00055 (2020).
- Booth, I. R., Miller, S., Müller, A., Lehtovirta-Morley, L. The evolution of bacterial mechanosensitive channels. Cell Calcium. 57 (3), 140-150 (2015).
