マウス脳実質の動脈内皮の単離と機能解析
Summary
脳実質細動脈からの無傷のマウス脳内皮「チューブ」の集中的な調製は、脳血流調節を研究するために例示される。さらに、我々は、細胞内[Ca2+]および膜電位の変化を含む重要な細胞シグナル伝達経路の蛍光イメージングおよび電気生理学的測定のためのこの内皮研究モデルの実験的強みを実証する。
Abstract
脳血流は、血管抵抗動脈および下流実質細動脈によって搬送される。血流に対する定常状態の血管抵抗は、動脈から細動脈までの直径の減少とともに増加し、最終的に毛細血管に供給される。細動脈は実質におけるサイズと位置が小さいため、比較的研究されておらず、表面の円錐骨動脈よりも所見の再現性が低い。いずれにせよ、慢性変性疾患の生理学および病因に不可欠な動脈内皮細胞の構造および機能は、広範な調査を必要とする。特に、新たな証拠は、侵害された内皮機能が認知障害および認知症に先行し、悪化することを示している。
実質微小循環において、内皮K+チャネル機能は、血管拡張の広がりを細かく制御し、ニューロン活性領域への血流の増加を促進する最も堅牢な刺激である。この論文は、マウス脳実質細動脈から無傷で電気的に結合された内皮「チューブ」(直径、〜25μm)を新たに単離するための洗練された方法を示す。動脈内皮チューブは、生理学的条件(37°C、pH7.4)中に固定され、細胞内Ca2+ダイナミクス、膜電位の変化、膜脂質調節など、K+チャネル機能とその調節を包含する実験変数を解く。動脈内皮に対する明確な技術的利点は、細胞および細胞小器官(例えば、ミトコンドリア)次元の形態学的分解能の増強であり、これはこの技術の有用性を拡大する。生涯を通じて健康な脳灌流は、実質細動脈における堅牢な内皮機能を伴い、血流を脳の正確な解剖学的領域全体にわたるニューロンおよびグリア活性の燃料供給に直接結びつける。したがって、この方法は、健康な脳と病気の脳に関する血管生理学と神経科学の一般的な知識を著しく進歩させることが期待されます。
Introduction
実質細動脈は、脳全体に必須の酸素と栄養素を直接供給します1。毛細血管とインターフェースしている間、血管活性の高い細動脈は、特定のニューロン領域2からの代謝シグナルを感知する毛細血管イオンチャネルによって開始される逆行性シグナル伝達に応答する。脳実質が歴史的に多くの研究を受けてきたことから、認知症の根底にある様々な脳血管障害(虚血性脳卒中、アルツハイマー病など)に関連する病理学的メカニズムを明らかにするために、内皮機能障害の役割が浮上しています3,4,5,6 .内皮は、血管セグメント全体にわたる遺伝学、構造、および機能の不均一性に従って、脳の灌流に不可欠である7。膝動脈は、その比較的大きなサイズ、高い分節性血管抵抗、および基礎となる大脳への血流分布における役割のために広範囲に研究されている8,9。したがって、動脈内皮機構のよりよい理解は、新しい治療レジメンの開発に向けて、健康および疾患における脳血流調節の理解を深める可能性が高い。
新たな証拠は、異なるシグナル伝達経路および疾患に関連して実質細動脈を研究することの重要性を強調している8,10。しかしながら、このアプローチは、無傷の加圧細動脈11および/または毛細血管実質細動脈(CaPA)調製物12を使用することに限定されている。新たに単離された、他の細胞型および交絡因子を欠いた天然の大脳動脈内皮細胞は、おそらくそれらの単離における技術的困難のために、検査されていない。本稿は、鰭状動脈内皮13の単離を強調した以前の技術を進化させ、脳実質細動脈の内皮を確実かつ再現性よく単離する(幅:~25μm、長さ:~250μm)。この技術は、個々の配向および細胞ネットワークにおける電気的および化学的に結合された細胞の最適な分解能を達成するのに役立つ。
関心のある主要な経路には、血管拡張16に不可欠な膜電位(Vm)14,15の細胞内Ca2+([Ca2+]i)シグナル伝達および過分極の相互作用が含まれ、血液が毛細血管に入り、酸素および栄養素を活動実質に送達することを可能にする17。これらの調製物は、Ca2+透過性、一過性受容器電位(TRP)およびK+チャネルを含むイオンチャネルのリアルタイム電気生理学的記録および/またはほぼ生理学的条件下での内皮細胞管内の細胞内小器官の蛍光イメージングを可能にする。これは、脳実質への脳血流送達の内皮細胞制御を支配する生理学的細胞機構に関心のある研究者にとって適切な技術である。全体として、この技術は、脳血管生理学および病理学に関連する質問に対処しながら、脳実質に埋め込まれた細動脈の基本的な内皮シグナル伝達経路およびネットワーク通信をよりよく理解するのに役立ちます。
Protocol
実験者は、動物の指定された使用および関連するプロトコルが、施設動物ケアおよび使用委員会(IACUC)によって承認され、国立研究評議会の「実験動物のケアおよび使用のためのガイド」(第 8版、2011年)およびARRIVEガイドラインに従って実施されることを確認する必要があります。ロマリンダ大学とアリゾナ大学のIACUCは、C57BL/6Nおよび 3xTg-AD マウス(雄および雌;年齢範囲:2〜30ヶ?…
Representative Results
プロトコルのデモンストレーションを図1に示し、動脈解剖および内皮管単離ステップをそれぞれ図2および図3として示す。ここで、内皮機能は、薬理学的物質[2−メチルチオアデノシン二リン酸(MTA)、強力なプリン作動性受容体(P2YR)アゴニスト]に応答して、Fura−2測光法およびシャープ電極電気生理学(…
Discussion
増え続ける証拠は、脳血管疾患(CVD)、老化、およびアルツハイマー病が強く相関しており、認知症研究の現在のトピックであることを示唆している4,8,14,21。したがって、脳血管網の研究は健康に広範な影響を与える一方で、疾患の状態の間、継続的な広範な調査を必要とすることは明らかである?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、米国国立衛生研究所(R00AG047198 & R56AG062169からEJBへの助成金)によって支援されています。R00HL140106からPWP)およびアルツハイマー病協会(AZRGD-21-805835からPWP)が挙げられる。コンテンツは著者の責任であり、必ずしも国立衛生研究所またはアルツハイマー病協会の公式見解を表すものではありません。
Materials
| Amplifiers | Molecular Devices, Sunnyvale, CA, USA | Axoclamp 2B & Axoclamp 900A | |
| Audible baseline monitors | Ampol US LLC, Sarasota, FL, USA | BM-A-TM | |
| Bath Chiller (Isotemp 500LCU) | ThermoFisher Scientific | 13874647 | |
| Borosilicate glass capillaries (Pinning) | Warner Instruments | G150T-6 | |
| Borosilicate glass capillaries (Sharp Electrodes) | Warner Instruments | GC100F-10 | |
| Borosilicate glass capillaries (Trituration) | World Precision Instruments (WPI), Sarasota, FL, USA | 1B100-4 | |
| BSA: Bovine Serum Albumin | Sigma | A7906 | |
| CaCl2: Calcium Chloride | Sigma | 223506 | |
| Collagenase (Type H Blend) | Sigma | C8051 | |
| Cover Glass (2.4 × 5.0 cm) | ThermoFisher Scientific | 12-548-5M | |
| Data Acquision Digitizer | Molecular Devices, Sunnyvale, CA, USA | Digidata 1550A | |
| Dissection Dish (Glass Petri with Charcoal Sylgard bottom) | Living Systems Instrumentation, St. Albans City, VT, USA | DD-90-S-BLK | |
| Dithioerythritol | Sigma | D8255 | |
| DMSO: Dimethyl Sulfoxide | Sigma | D8418 | |
| Elastase (porcine pancreas) | Sigma | E7885 | |
| Endoplasmic Reticulum Tracker (ER-Tracker Red, BODIPY TR Glibenclamide) | ThermoFisher Scientific | E34250 | |
| Fiber optic light sources | Schott, Mainz, Germany & KL200, Zeiss | Fostec 8375 | |
| Flow Control Valve | Warner Instruments | FR-50 | |
| Fluorescence system interface, ARC lamp & power supply, hyperswitch and PMT | Molecular Devices, Sunnyvale, CA, USA | IonOptix Systems | |
| Forceps (Fine-tipped, sharpened) | FST | Dumont #5 & Dumont #55 | |
| Function Generator | EZ Digital, Seoul, South Korea | FG-8002 | |
| Fura-2 AM dye | Invitrogen, Carlsbad, CA, USA | F14185 | |
| Glucose | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) | G7021 | |
| HCl: Hydrochloric Acid | ThermoFisher Scientific (Pittsburgh, PA, USA) | A466250 | |
| Headstages | Molecular Devices | HS-2A & HS-9A | |
| HEPES: (4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid) | Sigma | H4034 | |
| Inline Solution Heater | Warner Instruments | SH-27B | |
| KCl: Potassium Chloride | Sigma | P9541 | |
| MgCl2: Magnesium Chloride | Sigma | M2670 | |
| Microforge | Narishige, East Meadow, NY, USA | MF-900 | |
| Micromanipulator | Siskiyou | MX10 | |
| Micropipette puller (digital) | Sutter Instruments, Novato, CA, USA | P-97 or P-1000 | |
| Microscope (Nikon-inverted) | Nikon Instruments Inc, Melville, NY, USA | Ts2 | |
| Microscope (Nikon-inverted) | Nikon Instruments Inc | Eclipse TS100 | |
| Microscope objectives | Nikon Instruments Inc | 20X (S-Fluor) and 40X (Plan Fluor) | |
| Microscope platform (anodized aluminum; diameter, 7.8 cm) | Warner Instruments | PM6 or PH6 | |
| Microscope Stage (Aluminum) | Siskiyou, Grants Pass, OR, USA | 8090P | |
| Microsyringe Pump Controller | World Precision Instruments (WPI), Sarasota, FL, USA | SYS-MICRO4 | |
| MTA: 2-Methylthioadenosine diphosphate trisodium salt | Tocris | 1624 | |
| NaCl: Sodium Chloride | Sigma | S7653 | |
| NaOH: Sodium Hydroxide | Sigma | S8045 | |
| Nuclear Stain (NucBlue Live ReadyProbes Reagent; Hoechst 33342) | ThermoFisher Scientific | R37605 | |
| Oscilloscope | Tektronix, Beaverton, Oregon, USA | TDS 2024B | |
| Papain | Sigma | P4762 | |
| Phase contrast objectives | Nikon Instruments Inc | (Ph1 DL; 10X & 20X) | |
| Plasma Membrane Stain (CellMask Deep Red) | ThermoFisher Scientific | C10046 | |
| Plexiglas superfusion chamber | Warner Instruments, Camden, CT, USA | RC-27 | |
| Scissors (3 mm & 7 mm blades) | Fine Science Tools (or FST), Foster City, CA, USA | Moria MC52 & 15000-00 | |
| Scissors (Vannas style; 9.5 mm & 3 mm blades) | World Precision Instruments | 555640S, 14364 | |
| Stereomicroscopes | Zeiss, NY, USA | Stemi 2000 & 2000-C | |
| Syringe filter (0.22 µm) | ThermoFisher Scientific | 722-2520 | |
| Temperature Controller (Dual Channel) | Warner Instruments | TC-344B or C | |
| Valve Control System | Warner Instruments | VC-6 | |
| Vibration Isolation Table | Technical Manufacturing, Peabody, MA, USA | Micro-g |
References
- Fernandez-Klett, F., Offenhauser, N., Dirnagl, U., Priller, J., Lindauer, U. Pericytes in capillaries are contractile in vivo, but arterioles mediate functional hyperemia in the mouse brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (51), 22290-22295 (2010).
- Longden, T. A., et al. Capillary K+-sensing initiates retrograde hyperpolarization to increase local cerebral blood flow. Nature Neuroscience. 20 (5), 717-726 (2017).
- Kelleher, R. J., Soiza, R. L. Evidence of endothelial dysfunction in the development of Alzheimer’s disease: Is Alzheimer’s a vascular disorder. American Journal of Cardiovascular Disease. 3 (4), 197-226 (2013).
- Hakim, M. A., Behringer, E. J. Development of Alzheimer’s disease progressively alters sex-dependent KCa and sex-independent KIR channel function in cerebrovascular endothelium. Journal of Alzheimers Disease. 76 (4), 1423-1442 (2020).
- Pires, P. W., Earley, S. Neuroprotective effects of TRPA1 channels in the cerebral endothelium following ischemic stroke. elife. 7, 35316 (2018).
- Mughal, A., Harraz, O. F., Gonzales, A. L., Hill-Eubanks, D., Nelson, M. T. PIP2 improves cerebral blood flow in a mouse model of Alzheimer’s disease. Function. 2 (2), (2021).
- Zhao, L., et al. Pharmacologically reversible zonation-dependent endothelial cell transcriptomic changes with neurodegenerative disease associations in the aged brain. Nature Communications. 11 (1), 4413 (2020).
- Peters, E. C., et al. Amyloid-beta disrupts unitary calcium entry through endothelial NMDA receptors in mouse cerebral arteries. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. , (2021).
- De Silva, T. M., Modrick, M. L., Dabertrand, F., Faraci, F. M. Changes in cerebral arteries and parenchymal arterioles with aging: Role of rho kinase 2 and impact of genetic background. Hypertension. 71 (5), 921-927 (2018).
- Fontaine, J. T., Rosehart, A. C., Joutel, A., Dabertrand, F. HB-EGF depolarizes hippocampal arterioles to restore myogenic tone in a genetic model of small vessel disease. Mechanisms of Ageing and Development. 192, 111389 (2020).
- Pires, P. W., Dabertrand, F., Earley, S. Isolation and cannulation of cerebral parenchymal arterioles. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (111), e53835 (2016).
- Rosehart, A. C., Johnson, A. C., Dabertrand, F. Ex vivo pressurized hippocampal capillary-parenchymal arteriole preparation for functional study. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (154), e60676 (2019).
- Hakim, M. A., Behringer, E. J. Simultaneous measurements of intracellular calcium and membrane potential in freshly isolated and intact mouse cerebral endothelium. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (143), e58832 (2019).
- Hakim, M. A., Chum, P. P., Buchholz, J. N., Behringer, E. J. Aging alters cerebrovascular endothelial GPCR and K+ channel function: Divergent role of biological sex. Journals of Gerontology, Series A: Biological Sciences and Medical Sciences. 75 (11), 2064-2073 (2020).
- Behringer, E. J., Hakim, M. A. Functional interaction among KCa and TRP channels for cardiovascular physiology: Modern perspectives on aging and chronic disease. International Journal of Molecular Sciences. 20 (6), 1380 (2019).
- Marrelli, S. P., Eckmann, M. S., Hunte, M. S. Role of endothelial intermediate conductance KCa channels in cerebral EDHF-mediated dilations. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 285 (4), 1590-1599 (2003).
- Hannah, R. M., Dunn, K. M., Bonev, A. D., Nelson, M. T. Endothelial SKCa and IKCa channels regulate brain parenchymal arteriolar diameter and cortical cerebral blood flow. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 31 (5), 1175-1186 (2011).
- Hakim, M. A., Buchholz, J. N., Behringer, E. J. Electrical dynamics of isolated cerebral and skeletal muscle endothelial tubes: Differential roles of G-protein-coupled receptors and K+ channels. Pharmacological Research and Perspectives. 6 (2), 00391 (2018).
- Hakim, M. A., Behringer, E. J. Methyl-beta-cyclodextrin restores KIR channel function in brain endothelium of female Alzheimer’s disease Mice. Journal of Alzheimers Disease Reports. 5 (1), 693-703 (2021).
- Behringer, E. J., Shaw, R. L., Westcott, E. B., Socha, M. J., Segal, S. S. Aging impairs electrical conduction along endothelium of resistance arteries through enhanced Ca2+-activated K+ channel activation. Arteriosclerosis Thrombosis and Vascular Biology. 33 (8), 1892-1901 (2013).
- Attems, J., Jellinger, K. A. The overlap between vascular disease and Alzheimer’s disease–lessons from pathology. BMC Medicine. 12, 206 (2014).
- Fisher, C. M. The arterial lesions underlying lacunes. Acta Neuropathologica. 12 (1), 1-15 (1968).
- Behringer, E. J. Calcium and electrical signaling in arterial endothelial tubes: New insights into cellular physiology and cardiovascular function. Microcirculation. 24 (3), (2017).
- Dunn, K. M., Nelson, M. T. Neurovascular signaling in the brain and the pathological consequences of hypertension. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 306 (1), 1-14 (2014).
- Cipolla, M. J., et al. Increased pressure-induced tone in rat parenchymal arterioles vs. middle cerebral arteries: role of ion channels and calcium sensitivity. Journal of Applied Physiology. 117 (1), 53-59 (2014).
- Cipolla, M. J., Smith, J., Kohlmeyer, M. M., Godfrey, J. A. SKCa and IKCa Channels, myogenic tone, and vasodilator responses in middle cerebral arteries and parenchymal arterioles: effect of ischemia and reperfusion. Stroke. 40 (4), 1451-1457 (2009).
- Chen, Y. L., et al. Calcium signal profiles in vascular endothelium from Cdh5-GCaMP8 and Cx40-GCaMP2 mice. Journal of Vascular Research. 58 (3), 159-171 (2021).
- Bando, Y., Sakamoto, M., Kim, S., Ayzenshtat, I., Yuste, R. Comparative evaluation of genetically encoded voltage indicators. Cell Reports. 26 (3), 802-813 (2019).
- Pires, P. W., Sullivan, M. N., Pritchard, H. A., Robinson, J. J., Earley, S. Unitary TRPV3 channel Ca2+ influx events elicit endothelium-dependent dilation of cerebral parenchymal arterioles. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 309 (12), 2031-2041 (2015).
- Behringer, E. J., Segal, S. S. Tuning electrical conduction along endothelial tubes of resistance arteries through Ca2+-activated K+ channels. Circulation Research. 110 (10), 1311-1321 (2012).
- Behringer, E. J., Socha, M. J., Polo-Parada, L., Segal, S. S. Electrical conduction along endothelial cell tubes from mouse feed arteries: confounding actions of glycyrrhetinic acid derivatives. British Journal of Pharmacology. 166 (2), 774-787 (2012).
- Thomsen, M. S., Routhe, L. J., Moos, T. The vascular basement membrane in the healthy and pathological brain. Journal of Cerebral of Blood Flow and Metabolism. 37 (10), 3300-3317 (2017).
- Jambusaria, A., et al. Endothelial heterogeneity across distinct vascular beds during homeostasis and inflammation. elife. 9, 51413 (2020).
- Diaz-Otero, J. M., Garver, H., Fink, G. D., Jackson, W. F., Dorrance, A. M. Aging is associated with changes to the biomechanical properties of the posterior cerebral artery and parenchymal arterioles. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 310 (3), 365-375 (2016).
- Chen, M. B., et al. Brain endothelial cells are exquisite sensors of age-related circulatory cues. Cell Reports. 30 (13), 4418-4432 (2020).
Cite This Article
Hakim, M. A., Pires, P. W., Behringer, E. J. Isolation and Functional Analysis of Arteriolar Endothelium of Mouse Brain Parenchyma. J. Vis. Exp. (181), e63463, doi:10.3791/63463 (2022).