하위 형식 관련 광학 활동 전위 녹음 인간의 유도 만능 줄기 세포 유래 심 실 Cardiomyocytes

Summary

여기 우리는 특히 심 실 같은 유도 만능 줄기 세포 유래 cardiomyocytes에에서 광학 이미지 활동 전위, 하는 방법을 제시. 메서드를 사용 하면 전압에 민감한 형광 단백질의 발기인 기반 식을 기반으로 합니다.

Abstract

Cardiomyocytes 인간 유도 만능 줄기 세포 (iPSC-CMs)에서 생성 된 심혈 관 연구에 새로운 도구입니다. 셀의 균질 성 인구 되 고, 보다는 오히려 현재 분화 프로토콜에 의해 생성 된 iPSC CMs 대표 심 실 세포의 혼합-, 심 방-, 및 phenotypic 분석을 복잡 하 게 꾸벅꾸벅 졸 기 같은 고기. 여기, 특히 심 실 같은 iPSC-CMs에서에서 광학 기록 활동 전위 하는 방법을 제시 합니다. 이는 유전자 인코딩 전압 표시기가 심 실 특정 발기인 요소의 제어 구조와 lentiviral 변환에 의해 달성 된다. IPSC-CMs는이 구문으로 불리고 때 하위 특정 광 막 잠재적인 녹음 시간 경과 형광 현미경 검사 법을 사용 하 여 사용 전압 센서 심 실 같은 셀에 독점적으로 표현 된다.

Introduction

유도 만능 줄기 세포 (Ipsc)에서 파생 된 Cardiomyocytes (CMs)는 불리 한 심장 약물 효과^{1,2 에 대 한 분자 메커니즘의 심장 질환, 비 발한 요법을 조사 하 고 화면을 해 부하는 신흥 도구 3}. 바로 처음부터, channelopathies 같은 arrhythmogenic 질병이 연구⁴의 중요 한 초점 되었습니다. 따라서, 부정맥 또는 활동 전위 (AP) 형태학 변화 같은 CMs의 전기 고기를 조사 하는 방법이이 기술의 마음에 있습니다.

IPSC CMs의 응용 프로그램에서 중요 한 고려 사항이입니다 셀의 균질 성 인구 현재 심장 차별화 프로토콜 발생 하지 않습니다. 대신, 그들은 오히려 셀 닮은 공동 노드, 심 방, 심 실 CMs 성숙^5,6,,78의 서로 다른 수준에서의 혼합물. 이 관련 소스 수 실험 가변성의 AP 기간 (APD) 같은 매개 변수를 조사 하는 경우에 특히는 본질적으로 다릅니다 CM 하위 (예를 들어, APD는 짧은 심 실 CMs에 보다 심 방). 이 문제를 해결 하기 위해 기존의 접근 방법과 패치 클램프 메서드를 사용 하 여 단일 iPSC-CMs를 조사 하 고 각 셀에 꾸벅꾸벅 졸 기를 분류 하는-, 심 방-, 또는 심 실 같은, 그것의 AP 형태⁹에 따라. 모든 후속 분석 관심의 CM 하위 나타내는 셀에 다음 제한 될 수 있습니다. 이 전략의 주요 결점은 그것의 한정 된 처리량과 확장성의 부족. 또한, 패치 클램프 전기 생리학의 침략 적인 본질 순차적으로 확장 된 기간 동안 동일한 셀의 이미지를 허용 하지 않습니다.

여기, 우리는 방법¹⁰ 광학 iPSC CMs의 특정 하위에 Ap의 이미지를 개발에 실험 정보를 제공 합니다. 이 하위가 문제를 극복 하 고 극적으로 iPSC-CMs 유전 이체를 운반 하거나 약물에 노출 된 에이전트의 급속 한 형질을 허용 하는 기존의 방법에 비해 처리량을 증가 시킵니다.

하위 형식 관련 광학 이미징 접근 방법의 개요

도발은와 세포 막의 repolarization 형광 속성 변경, 유전자 인코딩 전압 표시기 (GEVI), CMs의 막 잠재력의 변화를 광학 이미지에 사용 됩니다. 여기에 적용 하는 GEVI은 전압 감지 형광 단백질 VSFP CR¹¹, 전압 감지 막 횡단 도메인 융합 그린 (클로버)와 레드 (mRuby2) 형광 성 단백질 (그림 1A)의 쌍을 이루어져 있는. 두 fluorophores의 근접 때문에 녹색 형광 단백질의 여기 여기 에너지는 빨간색 형광 단백질을 통해 포스터 공명 에너지 전달 (무서 워)에 전송 되 고의 결과. 따라서, 녹색 형광 단백질의 여기 모두 녹색과 적색 형광 단백질 (그림 1A, 상단 패널)에서 방출에 발생합니다. 셀 depolarizes, 전압 센서의 구조 재편 무서 워 효율성 두 가지 형광 단백질의 재교육으로 변환 하는 발생 합니다. 따라서, 여기 에너지의 더 많은 전송 됩니다 녹색에서 빨간색 형광 단백질 (그림 1A, 하단 패널). 그 결과, depolarized 셀에 녹색 형광 방출 주차, 이며 휴식 막 잠재적인 (그림 1B)에 셀에 빨간색 형광 방출은 보다 밝은.

그림 1: VSFP cr.와 막의 광학 영상 VSFP CR 표시 전압에 민감한 형광 단백질의 행동을 묘사 하는 (A) A 회로도 세포 막의 도발은 시 전압 감지 막 횡단 도메인 구조 재편 (GFP) 녹색과 빨간색 (RFP) 형광 단백질, intramolecular 포스터의 효율성 증가의 재교육으로 변환 공명 에너지 전달 (무서 워) 휴식 막 잠재력 (위 패널)에서 셀에 및 depolarized 셀 (하단 패널)에 GFP의 구동 시 VSFP의 (B) 방출 스펙트럼 묘사 된다. 도발은 시 스펙트럼 변화 명확성을 위해 과장 이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

막 잠재력의 변동 미러링 무서 워 효율에서 변화는 빨간색과 녹색 형광 방출 분리 하 고 그들의 2 개의 인접 한 지역에 프로젝트는 이미지 스플리터 장착 형광 현미경을 사용 하 여 몇 군데 sCMOS 카메라 (그림 2)의 칩 했다. 이 설정으로 2 개의 다른 파장 악대에서 형광 방출 기록 될 수 동시에, 빨강-녹색 형광 막 잠재적인 시간 경과 시리즈의 모든 이미지에 맞게 비율의 계산을 허용 하.

그림 2: 이미징 시스템의 구성. 이미징 시스템의 주요 구성 요소는 높은 시간 해상도에서 막 잠재적인 변화를 미러링 전압에 민감한 형광 단백질의 스펙트럼 변화를 묘사 하는 이미지를 사용. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

VSFP-CR CMs의 식 lentiviral 변환 함으로써 이루어집니다. 관심의 CM 하위 식을 직접 lentivirus는 특히 심 실 같은 iPSC-CMs¹⁰전사를 드라이브 하는 발기인 요소 ( MLC2v enhancer)를 포함 합니다. 심 방 같은, 꾸벅꾸벅 졸 기 같은와 같은 심 실 세포의 혼합물을 나타내는 iPSC-CMs는이 lentivirus 함께 불리고, VSFP CR 심 실 같은 셀에만 표시 됩니다. 광학 활동 전위 이미징이 형광 센서에 따라, 이후 기록 된 활동 전위는 독점적으로 관심 (그림 3)의 CM 하위 유형을 나타냅니다.

그림 3: 하위 형식 관련 막 잠재적인 이미징 발기인 구동 VSFP 식. (한)이이 회로도 cardiomyocyte 하위 형식 관련 광학 활동 전위 기록 달성 하는 방법을 보여 줍니다. (b) iPSC-CMs 심 실 전용 MLC2v-증강의 통제는 VSFP에 감염 표시 됩니다. 전압 센서의 식 GFP 채널 (왼쪽된 패널)에서 심 실 같은 CMs에만 관찰 된다. 오버레이 이미지 (오른쪽 패널) 및 위상 대비 (중간 패널)도 제공 됩니다. 흰색 점선 셀 경계를 표시합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Protocol

1. 이미징 iPSC 파생 Cardiomyocytes의 준비 참고: iPSC 문화와 심장 차별화 방법12,,1314 전에 게시 된 고 여기 자세하게에서 논의 하지 않습니다. 수동 서, 자석 세포 별거, 또는 젖 산 선택 iPSC-CMs의 정화 것이 좋습니다, 분화 프로토콜 사용에 따라. 다음 프로토콜에 대 한 지역, 생성 된 구타에서 microdissected explants 단?…

Representative Results

그림 4a에서 대표 단일 iPSC CM RFP (왼쪽)와 GFP (오른쪽) 채널에서 이미징 분석 하는 동안 그린 투자 수익을 표시 하얀 점선으로 그려져 있습니다. RFP 채널에서 신호 (그림 4b, 상단 패널) 각 활동 전위 동안 형광 강도 주기적 증가 보여줍니다. 소개에 설명 된 대로 이것은 잠재적인 막 (그림 1)에 있는 변화에 기?…

Discussion

여기 설명 하는 방법을 인간의 Ipsc에서 생성 하는 CMs의 특정 하위 (즉, 같은 심 실 세포)에서 Ap의 광학 기록 수 있습니다. 인간의 iPSC-CMs는 거 대 한 다양 한 생물학과 의료 문제를 해결 하기 위해 새로운 도구 이며 다른 CM 하위 형식에 차별화 실험적인 다양성의 중요 한 소스. 특정 발기인 요소를 사용 하 여는 GEVI의 식 CMs에 관심, 하위를 나타내는 있는 광학 이미지 다음에 구체적으로 달성 된…

Materials

ß-Mercaptoethanol	Invitrogen	21985023
DMEM-F12 Medium	Invitrogen	21331046
FBS(Fetal Bovine Serum)	Invitrogen	16141079
MEM Non-Essential Amino Acids	Invitrogen	11140050
GlutaMax-I Supplement	Invitrogen	35050061	alternative L-Glutamine
Penicillin-Streptomycin	Invitrogen	15140122
Fibronectin bovine plasma	Sigma-Aldrich	F1141
Collagenase type II	Worthington Biochem	LS004174
Hexadimethrine Bromide (Polybrene)	Sigma-Aldrich	H9268	enhancing lentiviral infection
3.5 cm glass-bottom microdishes	MatTek corporation, Ashland, MA, USA	P35G-1.5-14-C
Microscope stand	Leica Microsystems, Wetzlar, Germany	DMI6000B
Microscope objective	Leica Microsystems, Wetzlar, Germany	HCX PL APO 63x/1.4-0.6 Oil
sCMOS camera	Andor Technology, Belfast, UK	Zyla V
Microscope filter cube: excitation filter	Chroma Technology Corp, Bellows Falls, VT, USA	ET480/40X	bandpass 480/40
Microscope filter cube: dichroic mirror	Chroma Technology Corp, Bellows Falls, VT, USA	T505lpxr	longpass 505 nm
Image splitter	Cairn Research, Faversham, UK	OptoSplit II
Image splitter filter cube: dichroic mirror	AHF Analysentechnik GmbH, Tübigen, Germany	568LPXR	longpass 568 nm
Image splitter filter cube: emission filter 1 (GFP emission)	AHF Analysentechnik GmbH, Tübigen, Germany	520/28 BrightLine HC	bandpass 520/28 nm
Image splitter filter cube: emission filter 2 (RFP emission)	AHF Analysentechnik GmbH, Tübigen, Germany	630/75 ET Bandpass	bandpass 630/75 nm
Pacing inset	Warner Instruments, Hamden, CT, USA	RC-37FS