Summary

Live-Cell Imaging Primary Rat Neonatal cardiomyocytes Efter Adenoviral og Lentiviral Transduktion Brug Confocal Spinning Disk Microscopy

Published: June 24, 2014
doi:

Summary

This protocol describes a method of live cell imaging using primary rat neonatal cardiomyocytes following lentiviral and adenoviral transduction using confocal spinning disk microscopy. This enables detailed observations of cellular processes in living cardiomyocytes.

Abstract

Primær rotte neonatal cardiomyocytter er nyttige i grundlæggende in vitro kardiovaskulær forskning, fordi de let kan isoleres i stort antal i en enkelt procedure. På grund af fremskridt i mikroskop-teknologi er det relativt nemt at fange levende celle billeder med henblik på at undersøge cellulære begivenheder i realtid med minimal bekymring vedrørende fototoxicitet til cellerne. Denne protokol beskriver hvordan man tager levende celle timelapse billeder af primær rotte neonatale cardiomyocytter ved anvendelse af et konfokalt roterende skive mikroskop efter lentiviral og adenoviral transduktion at modulere egenskaberne af cellen. Anvendelsen af ​​to forskellige typer af virus gør det lettere at opnå en passende transduktion rente og udtryk niveauer i to forskellige gener. Godt fokuseret levende celle billeder kan opnås under anvendelse af mikroskopets autofokus-system, som opretholder stabile fokus i lange perioder. Anvendelsen af ​​denne metode, funktioner eksogent ingeniøred proteiner udtrykt i dyrkede primære celler kan analyseres. Derudover kan dette system anvendes til at undersøge funktionen af ​​gener ved anvendelse af siRNAs samt kemiske modulatorer.

Introduction

Primære rotte neonatale cardiomyocytter har længe været anvendt til at undersøge cardiomyocyte funktion in vitro 1. De er nemme at isolere fra rotteunger af flere veletablerede metoder 2-4. Den mest almindelige fremgangsmåde anvender kollagenase eller trypsin til at fordøje bindevæv af hjertet før celleisolering. Forskere har også udviklet fremgangsmåder til isolering cardiomyocytter fra voksne gnavere 5-8 samt neonatale mus 9,10.

Denne protokol beskriver en fremgangsmåde til isolering af cardiomyocytter fra neonatale rotteunger, der anvender en totrins-enzymfordøjelsen procedure. Trypsin bruges først O / N ved 4 ° C og derefter renset collagenase ved 37 ° C. Inkubation af hjertevævet med trypsin O / N ved 4 ° C reducerer de nødvendige høst celler skridt i forhold til fremgangsmåder, der anvender sekventielle inkubationer i en varm enzymopløsning 2. Desuden, ved anvendelse af oprenset collagenase snarere end rå enzymer, kan parti-til-parti variation elimineres, hvilket giver forbedret reproducerbarhed.

Funktionelle undersøgelser af et bestemt protein ofte anvender et protein ekspressionssystem ved hjælp af en adenovirus 11-13 og / eller et lentivirus 14-16. [Advarende note] Den virale produktion og manipulation bør udføres i henhold til NIH retningslinjer.

Adenovirus er ikke integreret i værtsgenomet. Det har en meget høj effektivitet af transduktion i de fleste celletyper, herunder delende celler og ikke-delende celler, såvel som primære celler og etablerede cellelinjer. Dette gør adenovirus en pålidelig vektor til genekspression. Høje niveauer af proteinet kodet af adenovirusvektoren udvikle sig inden for 48 timer efter transduktion, og de ​​kan vare i flere uger 17. Men en ulempe ved et adenovirus til proteinekspression er, at udviklingen af ​​en rekombinant adenovirus er både kompliceret og tidskrævende. Denne ulempe forklarer til dels, hvorfor mange forskere har været at dreje til lentivira for rekombinant genekspression. I modsætning adenovirale konstruktioner, er hurtig og let at generere en lentiviral konstruktion. Selv lentivira generelt har lavere effektivitetsgevinster af transduktion end adenovirus, både delende og ikke-delende celler, de integreres i værtens genom. Følgelig ekspression af det transducerede gen er mere stabilt for lentivirus end for adenovira.

Grund af teknologiske fremskridt inden for mikroskopi, er det meget nemmere at fange levende celle billeder af celler, der udtrykker rekombinante proteiner. Dette gælder også på video rate hastigheder på erhvervelsen. Dette gør det muligt for undersøgeren at bestemme, hvordan bestemte ændringer i proteinet af interesse funktionelt påvirke cellen i realtid. Den konfokal spinning disk mikroskop har flere vigtige funktioner, der gør det til en optimal teknik til live cell imaging 18,19. Yokogawa spinning disk giver mulighed for langt mere erhvervelse hurtig billedet, mens på samme tid udnytte langt mindre laserenergi end punkt konfokal mikroskoper. Begge disse særlige funktioner er på grund af den roterende skive, som indeholder talrige konfokale huller, gennem hvilke laseren passerer samtidigt til prøverne. Under købet selve harddisken spinder hurtigt og kontinuerligt 18-20. Ved at bruge autofokus-system af mikroskopet, er stabil fokus fastholdes over lange perioder. Dette gør det muligt for forskerne at tage velfokuserede levende celle billeder. Erhvervede billeder afspilles som en film fil. Billederne er analyseret ved hjælp af billedanalyse software som ImageJ 21,22, Fiji 23 eller anden kommercielt tilgængelig software.

Protocol

1. Isolering af rotte neonatale cardiomyocytter Brug Dulbeccos modificerede Eagles medium (DMEM) og minimalt essentielt medium (MEM) suppleret med føtalt bovint serum (FBS) og penicillin / streptomycin (P / S) som dyrkningsmediet. Tilføj bromdeoxyuridin (BrdU) til mediet for at forhindre vækst af fibroblaster i de første 2 dage efter isolation. Basemedium FBS BrdU (mM) P / S (U / ml) </t…

Representative Results

For at illustrere teknikken, et lentivirus, der koder for EGFP (forstærket grønt fluorescerende protein)-mærkede Cx43 (Connexin43) eller en muteret Cx43 32 blev anvendt til at udtrykke EGFP-mærkede proteiner i celler, og et adenovirus der koder FGFR1DN (fibroblastvækstfaktorreceptor 1 dominant negativ ) blev anvendt til at lukke FGF signalering i cellen 33-35. Tre dage efter isolering af cardiomyocytter, blev de isolerede cardiomyocytter transduceret med lentivirus for at udtrykke EGFP-mærked…

Discussion

Primære cardiomyocytter isoleret fra neonatale rotter har længe været anvendt til at undersøge cardiomyocyte funktioner in vitro. Denne protokol beskriver en fremgangsmåde til isolering af neonatale cardiomyocytter fra rotteunger under anvendelse af en totrins-enzym fordoejelsesmetoden først fordøjelse med trypsin O / N ved 4 ° C og derefter renset collagenase. En fordel ved at ansætte den rensede collagenase skridt er, at den samme kvalitet af enzym bruges til alle isoleringer. Således er kvaliteten …

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We would like to thank Dr. Alengo Nyamay’antu and Dr. Ilse Timmerman for their advices about lentiviral packaging. This work is supported by an American Heart Association Scientist Development Grant 10SDG4170137.

Materials

1 scissors for decapitation WPI 501749 Autoclave before use
1 fine scissors for heart isolation and chopping WPI 14393 Autoclave before use
2 fine forceps (Dumont No. 5) Sigma F6521 Autoclave before use
Three sterilized 10 cm plastic dishes Sigma CLS430165 for hearts isolation
3.5 cm glass bottom culture dishes MatTek P35G-1.5-20-C for final plating of cardiomyocytes for future live cell imaging. micro-Dishes from ibidi are an acceptable alternative.
3.5 cm glass bottom culture dishes MatTek P35G-0.17-14-C for TIRF or high resolution image
Ethanol solution, 70 % (v/v) in water Sigma E7148
2% gelatin Sigma G1393
One sterilized 10 cm plastic dish Sigma CLS430165 for trypsinization
Aluminium foil any brand
parafilm Sigma P7543
Two 10 cm plastic cell culture dish Sigma CLS430165 for selection
Auto pipette Drummond Scientific  4-000-300 for trituration
Cell counter
  Cellometer, automated cell counter nexcelom to check and count cells
  Microscope and Hematocytometer any brand to check and count cells
Trypan Blue Solution, 0.4% invitrogen 15250-061
CO2 incubator Sanyo MCO-19AIC
incubating orbital shaker Sigma Z673129 to shake heart tissue with collagenase at 37 C at 170-200 rpm
10 mg/ml BrdU solution BD Pharmingen 550891
DMEM, High Glucose invitrogen 41965039 Mix medium as indicated in the protocol and warm before use
MEM invitrogen 31095029 Mix medium as indicated in the protocol and warm before use
Fetal Bovine Serum invitrogen 26140079
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL)  invitrogen 15140-122
Section 2 lentiviral transduction
three packaging plasmids
 pMDLg/pRRE Addgene 12251
 pRSV-Rev Addgene 12253
 pMD2.G Addgene 12259
The lentiviral transfer vector, pLVX-IRES-Puro Clontech 632183
Opti-MEM (serum-free medium) invitrogen 31985070
transfection reagent
  polyethyleneimine“Max”, (Mw 40,000) – High Potency Linear PEI (Equivalent to Mw 25,000 in Free Base Form)  Polysciences 24765-2 It can be substituted with X-tremeGENE 9 from Roche
  X-tremeGENE 9 Roche 6365779001 substitute for PEI as transfection reagent
chloroquine Sigma C6628 dissolve in water and make 100 mM stock solution. Inhibition of endosomal acidification can be achieved with 10-100 μM Chloroquine.
HEPES Sigma H3375
10 ml Luer-Lok syringe, sterilized BD 309604
0.45 um filters Sigma F8677 use only cellulose acetate or polyethersulfone (PES) (low protein binding) filters. Do not use nitrocellulose filters. Nitrocellulose binds surface proteins on the lentiviral envelope and destroys the virus.
Hexadimethrine bromide Sigma H9268 dissolve in water and make 8mg/ml stock solution, then filter it to sterilize.
polyethylene glicol 6000 Sigma 81260
Sodium chloride Sigma S9888
sodium hydroxide Sigma S5881
Section 3 Adenoviral transduction
HEK 293T cells ATCC CRL-11268
Some 10 cm cell culture dishes Sigma CLS430165
96-Well Microplate with lid, flat-bottom, tissue culture, sterile BD Falcon 353072 for titration
Multichannel piptte, 10-100 ul, 8-channel eppendorf 3122 000.035
Section 4 live cell imaging
Spinning disk confocal microspopy PerkinElmer L7267000
a temperature controlled chamber any brand to keep temperature at 37 C
a CO2 environmental system any brand optional to maintain CO2 concentration optimal
Medium
  CO2 Independent Medium, No Glutamine invitrogen 18045-054   for long time time-lapse imaging
  DMEM, High Glucose, HEPES, no Phenol Red  invitrogen 21063-029 for long time time-lapse imaging

References

  1. Gross, W. O., Schopf-Ebner, E., Bucher, O. M. Technique for the preparation of homogeneous cultures of isolated heart muscle cells. Experimental cell research. 53, 1-10 (1968).
  2. Toraason, M., Luken, M. E., Breitenstein, M., Krueger, J. A., Biagini, R. E. Comparative toxicity of allylamine and acrolein in cultured myocytes and fibroblasts from neonatal rat heart. Toxicology. 56, 107-117 (1989).
  3. MacGregor, R. R., Klein, R. M., Bansal, D. D. Secretion of plasminogen activator activity from neonatal rat heart cells is regulated by hormones and growth factors. Annals of the New York Academy of Sciences. 752, 331-342 (1995).
  4. Louch, W. E., Sheehan, K. A., Wolska, B. M. Methods in cardiomyocyte isolation, culture, and gene transfer. Journal of molecular and cellular cardiology. 51, 288-298 (2011).
  5. Wolska, B. M., Solaro, R. J. Method for isolation of adult mouse cardiac myocytes for studies of contraction and microfluorimetry. The American journal of physiology. , 271-1250 (1996).
  6. Kaestner, L., et al. Isolation and genetic manipulation of adult cardiac myocytes for confocal imaging. J Vis Exp. 31 (31), (2009).
  7. Xu, X., Colecraft, H. M. Primary culture of adult rat heart myocytes. J Vis Exp. 28 (28), (2009).
  8. Pinz, I., Zhu, M., Mende, U., Ingwall, J. S. An improved isolation procedure for adult mouse cardiomyocytes. Cell biochemistry and biophysics. 61, 93-101 (2011).
  9. Sreejit, P., Kumar, S., Verma, R. S. An improved protocol for primary culture of cardiomyocyte from neonatal mice. In vitro cellular & developmental biology. Animal. 44, 45-50 (2008).
  10. Ehler, E., Moore-Morris, T., Lange, S. Isolation and Culture of Neonatal Mouse Cardiomyocytes. J Vis Exp. 79 (79), (2013).
  11. Kass-Eisler, A., et al. Quantitative determination of adenovirus-mediated gene delivery to rat cardiac myocytes in vitro and in vivo. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 90, 11498-11502 (1993).
  12. Wasala, N. B., Shin, J. H., Duan, D. The evolution of heart gene delivery vectors. The journal of gene medicine. 13, 557-565 (2011).
  13. Metzger, J. M. . Cardiac Cell and Gene Transfer: Principles, Protocols, and Applications. , (2003).
  14. Naldini, L., et al. In vivo gene delivery and stable transduction of nondividing cells by a lentiviral vector. Science. 272, 263-267 (1996).
  15. Zhao, J., et al. Lentiviral vectors for delivery of genes into neonatal and adult ventricular cardiac myocytes in vitro and in vivo. Basic research in cardiology. 97, 348-358 (2002).
  16. Bonci, D., et al. Advanced’ generation lentiviruses as efficient vectors for cardiomyocyte gene transduction in vitro and in vivo. Gene therapy. 10, 630-636 (2003).
  17. Murakami, M., et al. The FGF system has a key role in regulating vascular integrity. The Journal of clinical investigation. 118, 3355-3366 (2008).
  18. Nakano, A. Spinning-disk confocal microscopy — a cutting-edge tool for imaging of membrane traffic. Cell structure and function. 27, 349-355 (2002).
  19. Adams, M. C., et al. A high-speed multispectral spinning-disk confocal microscope system for fluorescent speckle microscopy of living cells. Methods (San Diego, Calif. 29, 29-41 (2003).
  20. Wilson, T. Spinning-disk microscopy systems. Cold Spring Harbor protocols). 2010, pdb top88, doi:10.1101/pdb.top88. , (2010).
  21. Collins, T. J. ImageJ for microscopy. BioTechniques. 43, 25-30 (2007).
  22. Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature. 9, 671-675 (2012).
  23. Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature. 9, 676-682 (2012).
  24. Wang, X., McManus, M. Lentivirus production. J Vis Exp. 32 (32), (2009).
  25. Li, M., Husic, N., Lin, Y., Snider, B. J. Production of lentiviral vectors for transducing cells from the central nervous system. J Vis Exp. 63 (63), 10-3791 (2012).
  26. Mendenhall, A., Lesnik, J., Mukherjee, C., Antes, T., Sengupta, R. Packaging HIV- or FIV-based lentivector expression constructs and transduction of VSV-G pseudotyped viral particles. J Vis Exp. 62 (62), 10-3791 (2012).
  27. Durocher, Y., Perret, S., Kamen, A. High-level and high-throughput recombinant protein production by transient transfection of suspension-growing human 293-EBNA1 cells. Nucleic acids research. 30, (2002).
  28. Erbacher, P., Roche, A. C., Monsigny, M., Midoux, P. Putative role of chloroquine in gene transfer into a human hepatoma cell line by DNA/lactosylated polylysine complexes. Experimental cell research. 225, 186-194 (1996).
  29. McSharry, J., Benzinger, R. Concentration and purification of vesicular stomatitis virus by polyethylene glycol ‘precipitation’. Virology. 40, 745-746 (1970).
  30. Wulff, N. H., Tzatzaris, M., Young, P. J. Monte Carlo simulation of the Spearman-Kaerber TCID50. Journal of clinical. 2, 10-1186 (2012).
  31. Kaerber, G. . Beitrag zur kollektiven Behandlung pharmakologischer Reihenversuche. In: Beitrag zur kollektiven Behandlung pharmakologischer Reihenversuche. 162. , (1931).
  32. Sakurai, T., Tsuchida, M., Lampe, P. D., Murakami, M. Cardiomyocyte FGF signaling is required for Cx43 phosphorylation and cardiac gap junction maintenance. Experimental cell research. 319, 2152-2165 (2013).
  33. Ueno, H., Gunn, M., Dell, K., Tseng, A., Williams, L. A truncated form of fibroblast growth factor receptor 1 inhibits signal transduction by multiple types of fibroblast growth factor receptor. The Journal of biological chemistry. , 267-1470 (1992).
  34. Li, Y., Basilico, C., Mansukhani, A. Cell transformation by fibroblast growth factors can be suppressed by truncated fibroblast growth factor receptors. Molecular and cellular biology. 14, 7660-7669 (1994).
  35. Murakami, M., et al. FGF-dependent regulation of VEGF receptor 2 expression in mice. The Journal of clinical investigation. 121, 2668-2678 (2011).
  36. Bazan, C., et al. Contractility assessment in enzymatically isolated cardiomyocytes. Biophysical reviews. , 231-2310 (2012).
  37. Clark, W. A., Rudnick, S. J., Simpson, D. G., LaPres, J. J., Decker, R. S. Cultured adult cardiac myocytes maintain protein synthetic capacity of intact adult hearts. The American journal of physiology. , 264-573 (1993).

Play Video

Citer Cet Article
Sakurai, T., Lanahan, A., Woolls, M. J., Li, N., Tirziu, D., Murakami, M. Live Cell Imaging of Primary Rat Neonatal Cardiomyocytes Following Adenoviral and Lentiviral Transduction Using Confocal Spinning Disk Microscopy. J. Vis. Exp. (88), e51666, doi:10.3791/51666 (2014).

View Video