Модифицированная методика использования неонатальных мышиных сердец в препарате Лангендорфа
Summary
Настоящий протокол описывает канюляцию аорты и ретроградную перфузию неонатального мышиного сердца ex-vivo . Стратегия двух человек, использующая рассекающий микроскоп и притупленную маленькую калибровочную иглу, позволяет надежно каннюляцию. Количественная оценка продольного сократительного напряжения достигается с помощью силового преобразователя, подключенного к вершине левого желудочка.
Abstract
Использование ретроградного перфузированного сердца ex-vivo уже давно является краеугольным камнем исследования ишемии-реперфузии с момента его разработки Оскаром Лангендорфом более века назад. Хотя этот метод применялся к мышам в течение последних 25 лет, его использование у этого вида было ограничено взрослыми животными. Разработка успешного метода последовательного каннуляции неонатальной мышиной аорты позволила бы систематически изучать изолированное ретроградное перфузированное сердце в критический период развития сердца у генетически модифицируемых и недорогих видов. Модификация препарата Лангендорфа позволяет канюляцию и установление реперфузии в неонатальном мышином сердце при минимизации ишемического времени. Оптимизация требует метода двух человек, чтобы обеспечить успешную канюляцию аорты новорожденной мыши с использованием рассекающего микроскопа и модифицированной коммерчески доступной иглы. Использование такого подхода позволит надежно установить ретроградную перфузию в течение 3 мин. Поскольку хрупкость сердца неонатальной мыши и размер полости желудочков препятствует прямому измерению внутрижелудочкового давления, создаваемого с помощью баллона, необходимо использовать датчик силы, соединенный швом с вершиной левого желудочка для количественной оценки продольного сократительного напряжения. Этот метод позволяет исследователям успешно установить изолированный ретроградно-перфузированный препарат сердца новорожденных мышей с постоянным потоком, что позволяет изучать биологию развития сердца ex-vivo . Важно отметить, что эта модель станет мощным инструментом для исследования физиологических и фармакологических реакций на ишемию-реперфузию в неонатальном сердце.
Introduction
Сердечные препараты Ex-vivo были основным продуктом физиологических, патофизиологических и фармакологических исследований на протяжении более века. Основываясь на работе Элиаса Сайона в 1860-х годах, Оскар Лангендорф адаптировал изолированную модель лягушки для ретроградной перфузии, создавая давление на корень аорты, чтобы обеспечить коронарный поток насыщенным кислородом перфусатом1. Используя свою адаптацию, Лангендорф смог продемонстрировать корреляцию между коронарным кровообращением и механической функцией2. Ретроградное перфузированное сердце ex-vivo, позже одноименное названное техникой Лангендорфа, оставалось краеугольным камнем физиологических исследований, используя свою простоту для мощного изучения изолированного сердца в отсутствие потенциальных путаниц. Препарат Лангендорфа был дополнительно модифицирован, чтобы позволить сердцу выбрасываться (так называемое «работающее сердце») и позволять перфусату рециркулировать3. Однако первичные физиологические конечные точки, представляющие интерес, остались неизменными. Такие конечные точки включают меры сократительной функции, электрической проводимости, сердечного метаболизма и коронарного сопротивления4.
Чтобы оценить сердечную функцию в своем первоначальном препарате для сердца лягушки, Лангендорф измерил напряжение, создаваемое сокращением желудочков в продольной оси, используя шов, соединенный между вершиной сердца и датчиком силы. 5 Изометрическое сокращение количественно определяли таким образом с базальным напряжением, приложенным к сердцу при отсутствии желудочкового наполнения. Усовершенствование подхода привело к заполненным жидкостью баллонам, помещенным в левый желудочек через левое предсердие для оценки производительности миокарда во время изоволюмического сокращения6. Для оценки сердечного ритма и частоты сердечных сокращений поверхностные провода могут быть размещены на полюсах сердца, чтобы позволить исследователям записывать электрокардиограмму. Однако относительной брадикардии можно ожидать, учитывая обязательную денервацию. Внешняя кардиостимуляция может служить для преодоления этого и устранения вариабельности сердечного ритма между экспериментами1. Другой показатель исхода, метаболизм миокарда, может быть оценен путем измерения содержания кислорода и метаболического субстрата в коронарном перфусате и сточных водах и расчета разницы между ними7. Количественная оценка лактата в коронарных стоках может помочь в характеристике периодов анаэробного метаболизма, как это наблюдается при гипоксии, гипоперфузии, ишемии-реперфузии или метаболических возмущениях7.
Оригинальная работа Лангендорфа позволила изучить сердце млекопитающих ex-vivo, используя кошек в качестве основного предмета5. Оценка изолированного сердца крысы приобрела популярность в середине 1900-х годов у Говарда Моргана, который подробно описал модель крысы «рабочего сердца» в 1967году 5. Использование мышей началось только 25 лет назад из-за технической сложности, хрупкости тканей и относительно небольшого размера сердца мышей. Несмотря на проблемы, связанные с исследованием на мышах, более низкие затраты и простота генетических манипуляций увеличили привлекательность и спрос на такие мышиные препараты ex-vivo. К сожалению, применение метода было ограничено взрослыми животными, причем молодые 4-недельные мыши были самыми молодыми субъектами, используемыми для исследования ex-vivo до недавнеговремени 8,9. В то время как молодые мыши «относительно незрелые» по сравнению со взрослыми, их полезность в качестве субъектов для исследований биологии развития ограничена, потому что они, по большому счету, отлучены от своей родовой плотины и скоро начнут половое созревание10. Подростковый возраст наступает далеко за пределами постнатального перехода в использовании субстрата миокарда от глюкозы и лактата к жирным кислотам11. Таким образом, большая часть информации о метаболических изменениях в сердце новорожденных исторически была получена в результате работы ex-vivo у более крупных видов, таких как кролики и морская свинка11.
Действительно, существуют альтернативные подходы к подготовке Лангендорфа. К ним относятся эксперименты in vitro, в которых отсутствуют все функциональные данные и контекст органа, или исследования in vivo. Это может быть технически сложным и сложным из-за смешивания переменных, таких как сердечно-сосудистые и респираторные эффекты необходимого анестетика, влияние нейрогуморального ввода, последствия температуры ядра, питательный статус животного и доступность субстрата12,13. Поскольку подход Лангендорфа позволяет изучать изолированно-перфузированное сердце ex-vivo более контролируемым образом в отсутствие таких путаниц, он считался и продолжает считаться мощным инструментом исследования. Таким образом, представленная здесь методика дает исследователям экспериментальный подход к исследованию ex-vivo сердца новорожденных мышей и ограничивает время до реперфузии.
Исследование сердца в периоды развития является важным соображением, учитывая широкий спектр биохимических, физиологических и анатомических переходов, которые происходят во время созревания миокарда. Переход от анаэробного метаболизма к окислительному фосфорилированию, изменения в использовании субстрата и прогрессирование от пролиферации клеток к гипертрофии являются динамическими процессами, которые уникально происходят в незрелом сердце11,14. Другим важным аспектом развивающегося сердца является то, что стрессоры, встречающиеся в течение необходимых периодов, могут вызывать повышенные реакции в сердце новорожденного и изменять будущую восприимчивость к оскорблениям во взрослом возрасте15. Хотя предыдущая работа использовала новорожденных крыс, ягнят и кроликов для изучения неонатального сердца, перфузированного Лангендорфом, достижения, разрешающие использование мышей, необходимы, учитывая важность этого вида для исследований биологии развития16. Чтобы удовлетворить эту потребность, недавно была создана первая модель сердца новорожденного с перфузией Лангендорфа с использованием 10-дневных животных6. Здесь представлен метод, позволяющий обеспечить успешную канюляцию аорты и установить ретроградную перфузию изолированного сердца новорожденных мышей. Этот подход может быть использован для фармакологии, ишемии-реперфузии или исследований метаболизма, ориентированных на функцию всего органа, или может быть адаптирован для выделения кардиомиоцитов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Настоящая работа описывает успешную канюляцию аорты и ретроградную перфузию в изолированном сердце новорожденной мыши. Важно отметить, что это позволяет исследователям преодолеть барьеры, которые молодой мышиный возраст и небольшой размер сердца ранеепредставляли 8. Хо?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
NIH/NINDS R01NS112706 (R.L.)
Materials
| Rodent Langendorff Apparatus | Radnoti | 130102EZ | |
| 24 G catheter | BD | 381511 | |
| 26 G needle on 1 mL syringe combo | BD | 309597 | |
| 26 G steel needle | BD | 305111 | |
| 5-0 Silk Suture | Ethicon | S1173 | |
| Bio Amp | ADInstruments | FE135 | |
| Bio Cable | ADInstruments | MLA1515 | |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | C4901-100G | |
| Circulating heating water Bath | Haake | DC10 | |
| curved iris scissor | Medline | MDS10033Z | |
| dissecting microscope | Nikon | SMZ-2B | |
| find spring scissors | Kent | INS600127 | |
| Force Transducer | ADInstruments | MLT1030/D | |
| glucose | Sigma-Aldrich | G8270-100G | |
| Heparin | Sagent | 400-01 | |
| High pressure tubing | Edwards Lifesciences | 50P184 | |
| iris dressing forceps | Kent | INS650915-4 | |
| Jeweler-style curved fine forceps | Miltex | 17-307-MLTX | |
| KCl | Sigma-Aldrich | P3911-25G | |
| KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P0662-25G | |
| MgSO4 | Sigma-Aldrich | M7506-500G | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S9888-25G | |
| NaHCO3 | Sigma-Aldrich | S6014-25G | |
| Roller Pump | Gilson | Minipuls 3 | |
| straight dissecting scissors | Kent | INS600393-G | |
| Temporary cardiac pacing wire | Ethicon | TPW30 | |
| Wide Range Force Transducer | ADInstruments | MLT1030/A |
References
- Bell, R., Mocanu, M., Yellon, D. Retrograde heart perfusion: The Langendorff technique of isolated heart perfusion. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 50 (6), 940-950 (2011).
- Skrzypiec-Spring, M., Grotthus, B., Szeląg, A., Schulz, R. Isolated heart perfusion according to Langendorff-still viable in the new millennium. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 55 (2), 113-126 (2007).
- Olejnickova, V., Novakova, M., Provaznik, I. Isolated heart models: Cardiovascular system studies and technological advances. Medical and Biological Engineering and Computing. 53 (7), 669-678 (2015).
- Döring, H. The isolated perfused heart according to Langendorff technique–function–application. Physiologia Bohemoslovaca. 39 (6), 481-504 (1990).
- Liao, R., Podesser, B., Lim, C. The continuing evolution of the Langendorff and ejecting murine heart: New advances in cardiac phenotyping. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 303 (2), 156-167 (2012).
- Barajas, M., Yim, P., Gallos, G., Levy, R. An isolated retrograde-perfused newborn mouse heart preparation. MethodsX. 7, 101058 (2020).
- De Leiris, J., Harding, D., Pestre, S. The isolated perfused rat heart: A model for studying myocardial hypoxia or ischaemia. Basic Research in Cardiology. 79 (3), 313-321 (1984).
- Liaw, N., et al. Postnatal shifts in ischemic tolerance and cell survival signaling in murine myocardium. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 305 (10), 1171-1181 (2013).
- Chaudhary, K., et al. Differential effects of soluble epoxide hydrolase inhibition and CYP2J2 overexpression on postischemic cardiac function in aged mice. Prostaglandins and Other Lipid Mediators. 104, 8-17 (2013).
- Dutta, S., Sengupta, P. Men and mice: Relating their ages. Life Sciences. 152, 244-248 (2016).
- Onay-Besikci, A. Regulation of cardiac energy metabolism in newborn. Molecular and Cellular Biochemistry. 287 (1), 1-11 (2006).
- Milani-Nejad, N., Janssen, P. M. L. Small and large animal models in cardiac contraction research: Advantages and disadvantages. Pharmacology and Therapeutics. 141 (3), 235-249 (2014).
- Kaese, S., Verheule, S. Cardiac electrophysiology in mice: A matter of size. Frontiers in Physiology. 3 (345), 00345 (2012).
- Tan, C., Lewandowski, A. The transitional heart: From early embryonic and fetal development to neonatal life. Fetal Diagnosis and Therapy. 47 (5), 373-386 (2020).
- Zhang, P., Lv, J., Li, Y., Zhang, L., Xiao, D. Neonatal lipopolysaccharide exposure gender-dependently increases heart susceptibility to ischemia/reperfusion injury in male rats. International Journal of Medical Sciences. 14 (11), 1163 (2017).
- Ziyatdinova, N., et al. Effect of If Current Blockade on Newborn Rat Heart Isolated According to Langendorff. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 167 (4), 424-427 (2019).
- Teng, B., Tilley, S., Ledent, C., Mustafa, S. In vivo assessment of coronary flow and cardiac function after bolus adenosine injection in adenosine receptor knockout mice. Physiological reports. 4 (11), 12818 (2016).
- Xu, W., et al. Lethal cardiomyopathy in mice lacking transferrin receptor in the heart. Cell Reports. 13 (3), 533-545 (2015).
- Gargiulo, S., et al. Mice anesthesia, analgesia, and care, Part I: Anesthetic considerations in preclinical research. Institute for Laboratory Animal Research. 53 (1), 55-69 (2012).
- Gargiulo, S., et al. Mice anesthesia, analgesia, and care, Part I: Anesthetic considerations in preclinical research. ILAR Journal. 53 (1), 55-69 (2012).
- Erhardt, W., Hebestedt, A., Aschenbrenner, G., Pichotka, B., Blümel, G. A comparative study with various anesthetics in mice (pentobarbitone, ketamine-xylazine, carfentanyl-etomidate). Research in Experimental Medicine. 184 (3), 159-169 (1984).
- Janssen, B., et al. Effects of anesthetics on systemic hemodynamics in mice. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 287 (4), 1618-1624 (2004).
- Zuurbier, C., Koeman, A., Houten, S., Hollmann, M., Florijn, W. Optimizing anesthetic regimen for surgery in mice through minimization of hemodynamic, metabolic, and inflammatory perturbations. Experimental Biology and Medicine. 239 (6), 737-746 (2014).
- Hard, G. Thymectomy in the neonatal rat. Laboratory Animals. 9 (2), 105-110 (1975).
- Sun, Z., Ambrosi, E., Bricalli, A., Ielmini, D. Logic computing with stateful neural networks of resistive switches. Advanced Materials. 30 (38), 1802554 (2018).
- Clancy, B., Finlay, B., Darlington, R., Anand, K. Extrapolating brain development from experimental species to humans. Neurotoxicology. 28 (5), 931-937 (2007).
- Hornig, M., Chian, D., Lipkin, W. Neurotoxic effects of postnatal thimerosal are mouse strain dependent. Molecular Psychiatry. 9 (9), 833-845 (2004).
- Langendorff, O. Untersuchungen am überlebenden Säugethierherzen. Archiv für die gesamte Physiologie des Menschen und der Tiere. 61 (6), 291-332 (1895).
- Edlund, A., Wennmalm, &. #. 1. 9. 7. ;. Oxygen consumption in rabbit Langendorff hearts perfused with a saline medium. Acta Physiologica Scandinavica. 113 (1), 117-122 (1981).
- Kuzmiak-Glancy, S., Jaimes, R., Wengrowski, A., Kay, M. Oxygen demand of perfused heart preparations: How electromechanical function and inadequate oxygenation affect physiology and optical measurements. Experimental Physiology. 100 (6), 603-616 (2015).
- Wiesmann, F., et al. Developmental changes of cardiac function and mass assessed with MRI in neonatal, juvenile, and adult mice. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 278 (2), 652-657 (2000).
- Le, V., Kovacs, A., Wagenseil, J. Measuring left ventricular pressure in late embryonic and neonatal mice. Journal of visualized experiments. (60), e3756 (2012).
- Bednarczyk, J., et al. Incorporating dynamic assessment of fluid responsiveness into goal-directed therapy: A systematic review and meta-analysis. Critical Care Medicine. 45 (9), 1538 (2017).
- Louch, W., Sheehan, K., Wolska, B. Methods in cardiomyocyte isolation, culture, and gene transfer. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 51 (3), 288-298 (2011).
- Ackers-Johnson, M., Foo, R. Langendorff-free isolation and propagation of adult mouse cardiomyocytes. Methods in Molecular Biology. 1940, 193-204 (2019).
- Peng, Y., Buller, C., Charpie, J. Impact of N-acetylcysteine on neonatal cardiomyocyte ischemia-reperfusion injury. Pediatric Research. 70 (1), 61-66 (2011).
- Jarmakani, J., Nakazawa, M., Nagatomo, T., Langer, G. Effect of hypoxia on mechanical function in the neonatal mammalian heart. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 235 (5), 469-474 (1978).
- Podesser, B., Hausleithner, V., Wollenek, G., Seitelberger, R., Wolner, E. Langendorff and ischemia in immature and neonatal myocardia: Two essential key-words in Today’s cardiothoracic research. Acta Chirurgica Austriaca. 25 (6), 434-437 (1993).
- Popescu, M., et al. Getting an early start in understanding perinatal asphyxia impact on the cardiovascular system. Frontiers in Pediatrics. 8, 68 (2020).
