Summary

Implementering Patch Clamp og live Fluorescens mikroskopi til Monitor funktionelle egenskaber af frisk isolerede PKD epitel

Published: September 01, 2015
doi:

Summary

Ionkanaler udtrykt i tubulær epitel spiller en væsentlig rolle i patologien af ​​polycystisk nyresygdom. Her beskriver vi forsøgsprotokoller bruges til at udføre patch-clamp analyse og intracellulært calcium niveau målinger i cystisk epitel frisk isoleret fra gnaver nyrerne.

Abstract

Cyst initiering og ekspansion i polycystisk nyresygdom er en kompleks proces kendetegnet ved abnormiteter i rørformede celleproliferation, luminal væskeophobning og ekstracellulær matrix formation. Aktivitet af ionkanaler og intracellulært calcium signalering er centrale fysiologiske parametre, som betinger funktioner af rørformet epitel. Vi udviklede en metode egnet til realtid observation af ionkanaler aktivitet med patch-clamp-teknik og registrering af intracellulær Ca2 + niveau epitel monolag frisk isolerede fra renale cyster. PCK rotter, en genetisk model for autosomal recessiv polycystisk nyresygdom (ARPKD), blev her anvendt til ex vivo analyse af ionkanaler og calcium flux. Beskrevet her er der en detaljeret trin-for-trin procedure designet til at isolere cystisk monolag og ikke-forstørrede tubuli fra PCK eller normale Sprague Dawley (SD) rotter, og overvåge enkelt kanal aktivitet og intracellulære Ca 2 + dynamik.Denne metode kræver ikke enzymatisk behandling og tillader analyse i en nativ indstilling af frisk isoleret epitelial monolag. Desuden er denne teknik er meget følsom over for intracellulære calcium ændringer og genererer høj opløsning billeder for nøjagtige målinger. Endelig kan isoleret cystisk epitel yderligere kan anvendes til farvning med antistoffer eller farvestoffer, fremstilling af primære kulturer og oprensning af forskellige biokemiske assays.

Introduction

Ionkanaler spiller en væsentlig rolle i mange fysiologiske funktioner, herunder cellevækst og differentiering. Autosomale dominante og recessive polycystiske nyresygdomme (ADPKD og ARPKD henholdsvis) er genetiske sygdomme karakteriseret ved udviklingen af ​​renale væskefyldte cyster i den rørformede epitelcelle oprindelse. ADPKD er forårsaget af mutationer af pKD1 eller PKD2 gener, der koder polycystins 1 og 2, membranproteiner er involveret i reguleringen af ​​celledeling og differentiering. PKD2 sig selv eller som et kompleks med pKD1 også fungere som en Ca2 + -permeable kationkanal 1. Mutationer af PKHD1 gen, der koder fibrocystin (a cilia-associeret receptor-lignende protein involveret i tubulogenesis og / eller vedligeholdelsen af polariteten af epitel) er den genetiske indflydelse af ARPKD 2. Cyste vækst er et komplekst fænomen ledsaget med forstyrret spredning 3,4, angiogenese 5, dedifferentiation og tab af polæreity af rørformede celler 6-8.

Defekt reabsorption og udvidet sekretion i cystisk epitel bidrage til væskeophobning i hulrummet og cyste ekspansion 9,10. Nedsat flow-afhængige [Ca2 +] i-signalering er også knyttet til cystogenesis under PKD 11-15.

Her beskriver vi en fremgangsmåde egnet til patch-clamp målinger af enkelt kanal aktivitet og intracellulære Ca2 + niveauer ved cystisk epiteliale monolag isoleret fra PCK rotter. Denne metode blev anvendt med succes af os at karakterisere aktivitet af epitel Na + kanal (ENaC) 10 og [Ca2 +] i -afhængige påført af Ca 2+ -permeable TRPV4 og purinergisk signaleringskaskade 13.

I disse undersøgelser anvendte vi PCK rotter, en model af ARPKD forårsaget af en spontan mutation i PKHD1 genet. Den PCK-stammen var originally afledt fra Sprague-Dawley (SD) rotter 16 derved SD rotter anvendes som en passende kontrol for sammenligning med PCK stamme. Som følge heraf kan både SD rotter nephron segmenter og ikke-dilateret samlekanalerne isoleret fra samme PCK rotter tjene som to forskellige sammenligningsgrupper for forsøg på cystisk epitel.

Protocol

De eksperimentelle procedurer beskrevet nedenfor, blev godkendt af Institutional Animal Care og brug Udvalg på Medical College of Wisconsin og University of Texas Health Science Center på Houston og var i overensstemmelse med National Institutes of Health Guide til Pleje og anvendelse af forsøgsdyr. Figur 1 viser de vigtigste trin i vævet isolation og behandlingsprocedure. Kort fortalt nyrerne fra PCK eller SD-rotter anvendes til manuel isolering af epitelceller monolag af samlekanalerne enten fra r…

Representative Results

Potentiale ENaC involvering i cystogenesis er blevet påvist ved flere undersøgelser, der observerede forstyrret epidermal vækstfaktor (EGF), signalering i PKD progression 22-25 og unormal natrium reabsorption i ARPKD murine modeller og vævskulturer 26-28. For eksempel Veizis et al. Viste, at amilorid-følsomme Na + absorption er faldet i cd-celler fra den ikke-ortologe BPK musemodel for ARPKD 29. Vi har for nylig vist, at nedsat natrium og vand reabsorption i cyst…

Discussion

Vi beskrev her anvendelser af konventionelle patch-clamp-teknik og epifluorescens calcium billeddannelse til cystisk epitel monolag afledt af en murin genetisk model af ARPKD. Protokollen består af tre trin, hvoraf skal betales mest opmærksomhed til isolering af cyster (trin 1.5 i protokoller sektionen) og til de elektrofysiologiske undersøgelser. Disse centrale procedurer kræver omfattende uddannelse og tålmodighed, og læseren bør ikke være frustreret på én gang.

Først og fremmes…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne vil gerne takke Glen Slocum (Medical College of Wisconsin) og Colleen A. Lavin (Nikon Instruments Inc.) for fremragende teknisk bistand med mikroskopi eksperimenter. Denne undersøgelse blev støttet af National Institutes of Health giver R01 HL108880 (AS), R01 DK095029 (til OPO) og K99 HL116603 (til TSP), National Kidney Foundation IG1724 (til TSP), American Heart Association 13GRNT16220002 (til OPO) og Ben J. Lipps Research Fellowship fra American Society of Nefrologisk (til DVI).

Materials

Fura-2 AM Life Technologies F-14185
Flou-8 AAT Bioquest 21091
Poly-L-lysine Sigma-Aldrich P4707
Pluronic acid Sigma-Aldrich F-68  solution
Shaker Boekel Scientific 260350
Light source Sutter Instrument Co Lambda XL with integrated shutter/filter wheel driver
Neutral density filters Nikon ND4, ND8
Objective Nikon SFluo  40/1.3 DIC WD 0.22   oil
Camera Andor Technologies Zyla sCMOS
Nikon  microscope (inverted) Nikon Nikon Eclipse TE2000-S
Cover Glass Thermo Scientific 6661B52
Diamond pencil Fisher Scientific 22268912
Image acquisition software Nikon Nikon NIS-Elements 
Image analysis software ImageJ http://imagej.nih.gov/ ND Utility plugin allows to import images in the native Nikon Instruments .nd2 format
Recording/perfusion chamber Warner Instruments RC-26
Patch Clamp amplifier Molecular Devices MultiClamp 700B
Data Acquisition System Molecular Devices Digidata 1440A Axon Digidata® System
Low Pass Filter Warner Instruments LPF-8 8 pole Bessel
Borosilicate glass capillaries World Precision Instruments 1B150F-4
Micropipette Puller Sutter Instrument Co P-97 Flaming/Brown type micropipette puller
Microforge Narishige MF-830 Japan
Motorized Micromanipulator Sutter Instrument Co MP-225
Inverted microscope Nikon Eclipse Ti
Microvibration isolation table TMC equipped with Faraday cage
Multichannel valve perfusion system AutoMake Scientific Valve Bank II
Recording/perfusion chamber Warner Instruments RC-26
Software Molecular Devices pClamp 10 . 2
Temperature controlled surgical table  MCW core for rodents
Binocular stereomicroscope Nikon SMZ745
Syringe pump-based perfusion system Harvard Apparatus
polyethylene tubing Sigma-Aldrich PE50
Isofluorane anesthesia http://www.vetequip.com/ 911103
Other basic reagents Sigma-Aldrich

References

  1. Torres, V. E., Harris, P. C., Pirson, Y. Autosomal dominant polycystic kidney disease. Lancet. 369 (9569), 1287-1301 (2007).
  2. Zhang, M. Z., et al. PKHD1 protein encoded by the gene for autosomal recessive polycystic kidney disease associates with basal bodies and primary cilia in renal epithelial cells. Proc. Nat. Acad. Sci U.S.A. 101 (8), 2311-2316 (2004).
  3. Chang, M. Y., et al. Haploinsufficiency of Pkd2 is associated with increased tubular cell proliferation and interstitial fibrosis in two murine Pkd2 models. Nephrol. Dial. Transpl. 21 (8), 2078-2084 (2006).
  4. Park, F., Sweeney, W. E., Jia, G., Roman, R. J., Avner, E. D. 20-HETE mediates proliferation of renal epithelial cells in polycystic kidney disease. J. Am. Soc. Nephrol. 19 (10), 1929-1939 (2008).
  5. Huang, J., Woolf, A., Long, D. Angiogenesis and autosomal dominant polycystic kidney disease. Ped. Nephrol. 28 (9), 1749-1755 (2013).
  6. Wilson, P. D. Apico-basal polarity in polycystic kidney disease epithelia. Bioch Biophys Acta. 1812 (10), 1239-1248 (2011).
  7. Wilson, P. D. Epithelial cell polarity and disease. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 272 (4 Pt 2), F434-F442 (1997).
  8. Wilson, P. D., et al. Reversed polarity of Na(+) -K(+) -ATPase: mislocation to apical plasma membranes in polycystic kidney disease epithelia. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 260 (3 pt 2), F420-F430 (1991).
  9. Murcia, N. S., Sweeney, W. E., Avner, E. D. New insights into the molecular pathophysiology of polycystic kidney disease. Kidn. Intern. 55 (4), 1187-1197 (1999).
  10. Pavlov, T. S., Levchenko, V., Ilatovskaya, D. V., Palygin, O., Staruschenko, A. Impaired epithelial Na+ channel activity contributes to cystogenesis and development of autosomal recessive polycystic kidney disease in PCK rats. Ped. Res. 77 (1), 64-69 (2014).
  11. Siroky, B. J., et al. Loss of primary cilia results in deregulated and unabated apical calcium entry in ARPKD collecting duct cells. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 290 (6), F1320-F1328 (2006).
  12. Hovater, M. B., et al. Loss of apical monocilia on collecting duct principal cells impairs ATP secretion across the apical cell surface and ATP-dependent and flow-induced calcium signals. Purin. Signal. 4 (2), 155-170 (2008).
  13. Zaika, O., et al. TRPV4 Dysfunction Promotes Renal Cystogenesis in Autosomal Recessive Polycystic Kidney Disease. J. Am. Soc. Nephrol. 24 (4), 604-616 (2013).
  14. Rohatgi, R., et al. Mechanoregulation of intracellular Ca2+ in human autosomal recessive polycystic kidney disease cyst-lining renal epithelial cells. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 294 (4), F890-F899 (2008).
  15. Xu, C., et al. Attenuated, flow-induced ATP release contributes to absence of flow-sensitive, purinergic Cai2+ signaling in human ADPKD cyst epithelial cells. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 296 (6), F1464-F1476 (2009).
  16. Katsuyama, M., Masuyama, T., Komura, I., Hibino, T., Takahashi, H. Characterization of a novel polycystic kidney rat model with accompanying polycystic liver. Exp. Animals. 49 (1), 51-55 (2000).
  17. Ilatovskaya, D., Staruschenko, A. Single-channel analysis of TRPC channels in the podocytes of freshly isolated glomeruli. Methods Mol. Biol. 998, 355-369 (2013).
  18. Pavlov, T. S., et al. Deficiency of renal cortical EGF increases ENaC activity and contributes to salt-sensitive hypertension. J. Am. Soc. Nephrol. 24, 1053-1062 (2013).
  19. Mironova, E., Bugay, V., Pochynyuk, O., Staruschenko, A., Stockand, J. Recording ion channels in isolated, split-opened tubules. Methods Mol. Biol. 998, 341-353 (2013).
  20. Pavlov, T. S., et al. Endothelin-1 inhibits the epithelial Na+ channel through betaPix/14-3-3/Nedd4-2. J. Am. Soc. Nephrol. 21 (5), 833-843 (2010).
  21. Sun, P., et al. High Potassium Intake Enhances the Inhibitory Effect of 11,12-EET on ENaC. J. Am. Soc. Nephrol. 21 (10), 1667-1677 (2010).
  22. Zheleznova, N. N., Wilson, P. D., Staruschenko, A. Epidermal growth factor-mediated proliferation and sodium transport in normal and PKD epithelial cells. Biochim. Biophys. Acta. 1812 (10), 1301-1313 (2011).
  23. Sweeney, W. E., von Vigier, R. O., Frost, P., Avner, E. D. Src inhibition ameliorates polycystic kidney disease. J. Am. Soc. Nephrol. 19 (7), 1331-1341 (2008).
  24. Sweeney, W. E., Avner, E. D. Functional activity of epidermal growth factor receptors in autosomal recessive polycystic kidney disease. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 275 (3 Pt 2), F387-F394 (1998).
  25. Orellana, S. A., Sweeney, W. E., Neff, C. D., Avner, E. D. Epidermal growth factor receptor expression is abnormal in murine polycystic kidney. Kidn. Intern. 47 (2), 490-499 (1995).
  26. Rohatgi, R., et al. Cyst fluid composition in human autosomal recessive polycystic kidney disease. Ped. Nephrol. 20 (4), 552-553 (2005).
  27. Rohatgi, R., Greenberg, A., Burrow, C. R., Wilson, P. D., Satlin, L. M. Na transport in autosomal recessive polycystic kidney disease (ARPKD) cyst lining epithelial cells. J. Am. Soc. Nephrol. 14 (4), 827-836 (2003).
  28. Olteanu, D., et al. Heightened epithelial Na+ channel-mediated Na+ absorption in a murine polycystic kidney disease model epithelium lacking apical monocilia. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 290 (4), C952-C963 (2006).
  29. Veizis, I. E., Cotton, C. U. Abnormal EGF-dependent regulation of sodium absorption in ARPKD collecting duct cells. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 288 (3), F474-F482 (2005).
  30. Wilson, P. D. Polycystic kidney disease. NEJM. 350 (2), 151-164 (2004).
  31. Hillman, K. A., et al. P2X(7) receptors are expressed during mouse nephrogenesis and in collecting duct cysts of the cpk/cpk mouse. Exp. Nephrol. 10 (1), 34-42 (2002).
  32. Turner, C. M., Ramesh, B., Srai, S. K., Burnstock, G., Unwin, R. J. Altered ATP-sensitive P2 receptor subtype expression in the Han:SPRD cy/+ rat, a model of autosomal dominant polycystic kidney disease. Cells Tissues Organs. 178 (3), 168-179 (2004).
  33. Hillman, K. A., et al. The P2X7 ATP receptor modulates renal cyst development in vitro. Biochem. Biophys. Res. Commun. 322 (2), 434-439 (2004).
  34. Wilson, P. D., Hovater, J. S., Casey, C. C., Fortenberry, J. A., Schwiebert, E. M. ATP release mechanisms in primary cultures of epithelia derived from the cysts of polycystic kidneys. J. Am. Soc. Nephrol. 10 (2), 218-229 (1999).
  35. Schwiebert, E. M., et al. Autocrine extracellular purinergic signaling in epithelial cells derived from polycystic kidneys. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 282 (4), F763-F775 (1152).
  36. Stockand, J. D., et al. Purinergic inhibition of ENaC produces aldosterone escape. J. Am. Soc. Nephrol. 21 (11), 1903-1911 (2010).
  37. Pochynyuk, O., et al. Paracrine Regulation of the Epithelial Na+ Channel in the Mammalian Collecting Duct by Purinergic P2Y2 Receptor Tone. J. Biol. Chem. 283 (52), 36599-36607 (2008).
  38. Zaika, O., Mamenko, M., Boukelmoune, N., Pochynyuk, O. IGF-1 and insulin exert opposite actions on ClC-K2 activity in the cortical collecting ducts. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 308 (1), F39-F48 (2015).
  39. Lalo, U., Pankratov, Y., Kirchhoff, F., North, R. A., Verkhratsky, A. NMDA receptors mediate neuron-to-glia signaling in mouse cortical astrocytes. J. Neurosci. 26 (10), 2673-2683 (2006).
  40. Lalo, U., Andrew, J., Palygin, O., Pankratov, Y. Ca2+-dependent modulation of GABAA and NMDA receptors by extracellular ATP: implication for function of tripartite synapse. Biochem. Soc. Trans. 37 (Pt 6), 1407-1411 (2009).
  41. Li, D., et al. Inhibition of MAPK stimulates the Ca2+ -dependent big-conductance K channels in cortical collecting duct). Proc. Nat. Acad. Sci U.S.A. 103 (51), 19569-19574 (2006).
  42. Bugaj, V., Mironova, E., Kohan, D. E., Stockand, J. D. Collecting duct-specific endothelin B receptor knockout increases ENaC activity. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 302 (1), C188-C194 (2012).
  43. Pavlov, T. S., et al. Regulation of ENaC in mice lacking renal insulin receptors in the collecting duct. FASEB J. 27 (7), 2723-2732 (2013).
  44. Gleason, C. E., et al. mTORC2 regulates renal tubule sodium uptake by promoting ENaC activity. J. Clin. Invest. 125 (1), 117-128 (2015).
  45. Frindt, G., Palmer, L. G. Acute effects of aldosterone on the epithelial Na channel in rat kidney. Am. J. Physiol. Renal Physiol. , (2015).
  46. Ilatovskaya, D. V., et al. Angiotensin II has acute effects on TRPC6 channels in podocytes of freshly isolated glomeruli. Kidn. Int. 86 (3), 506-514 (2014).
  47. Ilatovskaya, D. V., Palygin, O., Levchenko, V., Staruschenko, A. Pharmacological characterization of the P2 receptors profile in the podocytes of the freshly isolated rat glomeruli. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 305 (10), C1050-C1059 (2013).
check_url/fr/53035?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Pavlov, T. S., Ilatovskaya, D. V., Palygin, O., Levchenko, V., Pochynyuk, O., Staruschenko, A. Implementing Patch Clamp and Live Fluorescence Microscopy to Monitor Functional Properties of Freshly Isolated PKD Epithelium. J. Vis. Exp. (103), e53035, doi:10.3791/53035 (2015).

View Video