Summary

Enkanalig Analys och Kalcium Imaging i podocyter av nyisolerade Glomeruli

Published: June 27, 2015
doi:

Summary

Changes in the intracellular calcium levels in the podocytes are one of the most important means to control the filtration function of glomeruli. Here we explain a high-throughput approach that allows detection of real-time calcium handling and single ion channels activity in the podocytes of the freshly isolated glomeruli.

Abstract

Podocytes (renal glomerular epithelial cells) are known to regulate glomerular permeability and maintain glomerular structure; a key role for these cells in the pathogenesis of various renal diseases has been established since podocyte injury leads to proteinuria and foot process effacement. It was previously reported that various endogenous agents may cause a dramatic overload in intracellular Ca2+ concentration in podocytes, presumably leading to albuminuria, and this likely occurs via calcium-conducting ion channels. Therefore, it appeared important to study calcium handling in the podocytes both under normal conditions and in various pathological states. However, available experimental approaches have remained somewhat limited to cultured and transfected cells. Although they represent a good basic model for such studies, they are essentially extracted from the native environment of the glomerulus. Here we describe the methodology of studying podocytes as a part of the freshly isolated whole glomerulus. This preparation retains the functional potential of the podocytes, which are still attached to the capillaries; therefore, podocytes remain in the environment that conserves the major parts of the glomeruli filtration apparatus. The present manuscript elaborates on two experimental approaches that allow 1) real-time detection of calcium concentration changes with the help of ratiometric confocal fluorescence microscopy, and 2) the recording of the single ion channels activity in the podocytes of the freshly isolated glomeruli. These methodologies utilize the advantages of the native environment of the glomerulus that enable researchers to resolve acute changes in the intracellular calcium handling in response to applications of various agents, measure basal concentration of calcium within the cells (for instance, to evaluate disease progression), and assess and manipulate calcium conductance at the level of single ion channels.

Introduction

Njurar upprätthålla homeostatiska balansen för olika substanser och reglera blodvolymen på ett sätt som bestämmer den totala blodtryck. Störningar i njur filtrering reabsorption eller utsöndring leder till eller följa patologiska tillstånd, allt från hyper- eller hypotension njursjukdom i slutskedet som så småningom behöver njurtransplantation. Njurfiltreringsenhet (glomerulus) består av tre lager – kapillärendotelet, basalmembran och encelliga lager av epitelceller – podocyter, som spelar en viktig roll i upprätthållandet av slitsmembranet integritet och funktion 1. Dysfunktion i permselektiva glomerulär filtrering orsakar urin förlust av makromolekyler, såsom proteinuri. Olika medel kan påverka strukturen av podocyter och deras fot processer, vilka bestämmer integriteten hos glomeruli filtreringsbarriären.

De podocyter är involverade i upprätthållandet av glomEruli filtreringsfunktion. Det har konstaterats att felaktig kalcium hantering av podocyte leder till cellskada och spelar en viktig roll i utvecklingen av olika former av nefropatier 2,3. Därför, utveckling av en modell som möjliggör direkt mätning av intracellulära förändringar kalciumkoncentration kommer att vara avgörande för studier av podocyte funktion. Isolerade glomeruli har tidigare använts i ett stort antal studier, inklusive mätning av albumin reflektionskoefficienten förändras 4 och bedömning av integralcellströmmar i hela celler elektro patch-clamp mätningar 5,6. I föreliggande dokument beskriver vi protokoll som gör det möjligt för forskare att mäta intracellulära förändringar kalciumkoncentration som svar på tillämpningar av farmakologiska medel, uppskatta basala nivåer av kalcium i cellerna, och bedöma enskilda kalciumkanaler aktivitet. Ratometric mätningar kalciumkoncentration och patch-clamp electrophysiology användes för att bestämma förändringar i den intracellulära kalciumkoncentrationen inom podocyte och kanalaktiviteten, respektive.

Protocol

Djur användning och välfärd ska ansluta sig till NIH Guide för skötsel och användning av försöksdjur efter protokoll granskas och godkänns av Institutional Animal Care och användning kommittén (IACUC). 1. Njure Flush Använd 8 till 12 veckor gamla hanråttor (föreslås är en Sprague Dawley-stam, men andra stammar av olika ålder och kön kan användas med lämpliga ändringar). Söva djuret enligt det förfarande som är tillåtet enligt lACUC protokollet; ?…

Representative Results

Här har vi tagit upp problemet med att mäta akuta förändringar i kalciumnivåer i podocyter. Figur 1 visar en schematisk bild av det experimentella protokollet utformat för att utföra hög upplösning levande fluorescens konfokala imaging och enstaka jonkanalaktivitet inspelningar i podocyter av den nyligen isolerade gnagare glomeruli. I korthet, efter råttan nedsövd, njurarna ska spolas med PBS för att ta bort dem av blod. Därefter är njurarna skars ut och decapsulated, och glomeruli är iso…

Discussion

Tillvägagångssättet beskrivs här möjliggör analys av kalcium hantering av podocyter av gnagare glomeruli. Denna teknik medger tillämpning av patch-clamp enda kanal elektro och fluorescens ratiometrisk konfokal avbildning. Däremot kan båda metoderna användas separat, på egen hand. Den föreslagna protokollet har flera relativt enkla steg, inklusive 1) njure flush; 2) isolering av glomeruli genom differentiell siktning; 3) utföra patch-clamp elektrofysiologiska experiment eller inkubation av glomeruli med fluo…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Författarna vill tacka Glen Slocum (Medical College of Wisconsin) och Colleen A. Lavin (Nikon Instruments, Inc.) för utmärkt tekniskt bistånd med mikroskopi experiment. Gregory Blass är känd för kritiskt korrekturläsning av manuskriptet. Denna forskning stöds av National Institutes of Health bidrag HL108880 och American Diabetes Association bevilja 1-15-BS-172 (AS), och Ben J. Lipps forskartjänst från American Society of Nephrology (DVI).

Materials

Fluo4 AM Life Technologies F14217 500µl in DMSO
FuraRed AM Life Technologies F-3020
Poly-L-lysine Sigma-Aldrich P4707
Pluronic acid Sigma-Aldrich F-68  solution
Ionomycin Sigma-Aldrich I3909-1ML
Tube rotator Miltenyi Biotec GmbH 130-090-753 Germany
Nikon confocal microscope (inverted) Nikon Nikon A1R  Laser exitation 488nm. Emission filters 500-550nm and 570-620nm
Objective Nikon Plan Apo 60x/NA 1.4 Oil
Cover Glass Thermo Scientific 6661B52
High vacuum grease Dow Corning Silicone Compound
Software Nikon Nikon NIS-Elements 
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
Nicardipine Sigma-Aldrich N7510
Iberiotoxin Sigma I5904-5UG
Niflumic acid Sigma-Aldrich N0630
DIDS Sigma-Aldrich D3514-25MG
TEA chloride Tocris T2265
RPMI 1640 Life Technologies 11835030 without antibiotics
BSA Sigma-Aldrich A8327 30% albumin solution
Temperature controlled surgical table  MCW core for rodents
Steel sieves: #100 (150 μm), 140 (106 μm)
Gilson, Inc  SIEVE 3 SS FH NO200 Fisher Sci 50-871-316
Gilson, Inc  SIEVE 3 SS FH NO270 Fisher Sci 50-871-318
Gilson, Inc  SIEVE 3 SS FH NO400 Fisher Sci 50-871-320
 mesh 200  Sigma-Aldrich s4145 screen for CD-1
Binocular microscope Nikon Eclipse TS100
Binocular microscope 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

Riferimenti

  1. Machuca, E., Benoit, G., Antignac, C. Genetics of nephrotic syndrome: connecting molecular genetics to podocyte physiology. Hum. Mol. Genet. 18, R185-R194 (2009).
  2. Haraldsson, B., Nystrom, J., Deen, W. M. Properties of the glomerular barrier and mechanisms of proteinuria. Physiol. Rev. 88, 451-487 (2008).
  3. Patrakka, J., Tryggvason, K. New insights into the role of podocytes in proteinuria. Nat. Rev. Nephrol. 5, 463-468 (2009).
  4. Savin, V. J., Sharma, R., Lovell, H. B., Welling, D. J. Measurement of albumin reflection coefficient with isolated rat glomeruli. J. Am. Soc. Nephrol. 3, 1260-1269 (1992).
  5. Gloy, J., et al. Angiotensin II depolarizes podocytes in the intact glomerulus of the Rat. J. Clin. Invest. 99, 2772-2781 (1997).
  6. Nitschke, R., et al. Angiotensin II increases the intracellular calcium activity in podocytes of the intact glomerulus. Kidney Int. 57, 41-49 (2000).
  7. Ilatovskaya, D., Staruschenko, A. Single-channel analysis of TRPC channels in the podocytes of freshly isolated glomeruli. Methods Mol Biol. 998, 355-369 (2013).
  8. Snitsarev, V. A., McNulty, T. J., Taylor, C. W. Endogenous heavy metal ions perturb fura-2 measurements of basal and hormone-evoked Ca2+ signals. Biophys. J. 71, 1048-1056 (1996).
  9. Fukuda, A., Fujimoto, S., Iwatsubo, S., Kawachi, H., Kitamura, K. Effects of mineralocorticoid and angiotensin II receptor blockers on proteinuria and glomerular podocyte protein expression in a model of minimal change nephrotic syndrome. Nephrology (Carlton). 15, 321-326 (2010).
  10. Abramowitz, J., Birnbaumer, L. Physiology and pathophysiology of canonical transient receptor potential channels). FASEB J. 23, 297-328 (2009).
  11. Heeringa, S. F., et al. A novel TRPC6 mutation that causes childhood FSGS. PLoS ONE. 4, e7771 (2009).
  12. Zhang, X., Song, Z., Guo, Y., Zhou, M. The novel role of TRPC6 in vitamin D ameliorating podocyte injury in STZ-induced diabetic rats. Mol. Cell. Biochem. 399, 155-165 (2015).
  13. Bohrer, M. P., et al. Mechanisms of the puromycin-induced defects in the transglomerular passage of water and macromolecules. J. Clin. Invest. 60, 152-161 (1977).
  14. Olson, J. L., Rennke, H. G., Venkatachalam, M. A. Alterations in the charge and size selectivity barrier of the glomerular filter in aminonucleoside nephrosis in rats. Lab. Invest. 44, 271-279 (1981).
  15. Schiessl, I. M., Castrop, H. Angiotensin II AT2 receptor activation attenuates AT1 receptor-induced increases in the glomerular filtration of albumin: a multiphoton microscopy study. Am J Physiol Renal Physiol. 305, F1189-F1200 (2013).
  16. Ilatovskaya, D. V., Levchenko, V., Ryan, R. P., Cowley, A. W., Staruschenko, A. NSAIDs acutely inhibit TRPC channels in freshly isolated rat glomeruli. Biochem. Biophys. Res. Commun. 408, 242-247 (2011).
  17. Peti-Peterdi, J. Calcium wave of tubuloglomerular feedback. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 291, F473-F480 (2006).
  18. Peti-Peterdi, J., Warnock, D. G., Bell, P. D. Angiotensin II directly stimulates ENaC activity in the cortical collecting duct via AT(1) receptors. J. Am. Soc. Nephrol. 13, 1131-1135 (2002).
  19. 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, C1050-C1059 (2013).
  20. Ilatovskaya, D. V., et al. Angiotensin II has acute effects on TRPC6 channels in podocytes of freshly isolated glomeruli. Kidney Int. 305, C1050-C1059 (2014).
  21. Schaldecker, T., et al. Inhibition of the TRPC5 ion channel protects the kidney filter. J. Clin. Invest. 123, 5298-5309 (2013).
  22. Roshanravan, H., Dryer, S. E. ATP acting through P2Y receptors causes activation of podocyte TRPC6 channels: role of podocin and reactive oxygen species. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 306, F1088-F1097 (2014).
  23. Anderson, M., Roshanravan, H., Khine, J., Dryer, S. E. Angiotensin II activation of TRPC6 channels in rat podocytes requires generation of reactive oxygen species. J. Cell. Physiol. 229, 434-442 (2014).

Play Video

Citazione di questo articolo
Ilatovskaya, D. V., Palygin, O., Levchenko, V., Staruschenko, A. Single-channel Analysis and Calcium Imaging in the Podocytes of the Freshly Isolated Glomeruli. J. Vis. Exp. (100), e52850, doi:10.3791/52850 (2015).

View Video