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心肌细胞的线粒体布局取决于心肌细胞形状和胞外基质硬度

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       心肌细胞紧缩依赖于线粒体发生的能量。As everyone knows,在心脏发育和疾病历程中,心肌细胞线粒体网络的布局和功效与很多其他要素一同产生重构,包罗:养分使用率的变革,血活动力学负荷,细胞外基质(ECM)的硬度,细胞外形和其他细胞内布局的成熟。但,这些要素中的每一个要素对线粒体网络布局的独自影响尚不明白。在这项研讨中,来自南加利福尼亚大学的研讨职员探求了心肌细胞中细胞长径比(AR)和ECM硬度在调治线粒体网络布局中的作用,以Mitochondrial architecture in cardiac myocytesdepends on cell shape and matrix rigidity为题宣布在《Journal of Molecular and Cellular Cardiology》上。


研讨配景


       心脏是人体zui活泼的代谢器官之一,天天大约要发生30公斤的ATP。大局部ATP是由心肌细胞中的线粒体发生的,并用于肌节的减速延长。线粒体网络的布局自己是由线粒体生物产生、线粒体交融和线粒体自噬的均衡来静态调治的。这些历程配合塑造了贯串整个心理和病理生长阶段的线粒体网络,并与能量需求、养分可用性和其他尚未*理解的要素静态顺应。很多病理条件下,心肌的ECM硬度增长,且与血活动力学具有相干性,这是已知的能触发不本心肌细胞外形重塑的两个要素。之前的体外研讨标明,细胞形状和/或ECM硬度的变革在心理和病理上都改动了心肌细胞的细胞骨架、细胞核形状、细胞伸缩性及电心理特征。但是,线粒体网络布局能否也会遭到细胞布局和ECM硬度的影响还没有被确定。


研讨后果

       本研讨的目标是验证细胞AR和ECM刚性调治心肌细胞线粒体网络布局的假定。为了独自调治AR和ECM的硬度,研讨职员在三种差别硬度外表用纤连卵白微打印了的外表单细胞巨细的矩形,辨别为柔软型(3:1)、中等型(7:1)、坚固型(11:1)(图1)。



图1 工程化的心肌细胞培育在特定AR和ECM硬度的质料上。复活大鼠心室肌细胞培育在纤连卵白打印的、特定ECM硬度和PDMS基片的微打仗小室中。每组图片中,顶部图像是α肌动卵白(白色)和DAPI(蓝色)反褶积z叠加的maximum投影,底部图像是MitoTracker染色的反褶积后z堆叠的maximum投影。比例尺5um。


       随后,研讨职员在这些外表培育复活大鼠心室肌细胞,并利用共聚焦显微镜和图像处置技能来量化参数,如线粒体体积、外表积-体积比和数目(图2)。



图2 线粒体网络表示图。培育在特定AR上的反褶积z叠加的MitoTracker (白色),α肌动卵白 (白色)和DAPI (蓝色)颠末三维重构后的心肌细胞。上面的三幅图像是下面图像的子集。一切的心肌细胞培育在柔软的外表。比例尺5um。


       本研讨的后果标明,随着心肌细胞的伸长,线粒体体积增长,碎片增加,从而构成更大、更交融的线粒体网络。关于局部AR,本研讨还发明随着ECM硬度的增长,线粒体体积增加,碎片化增长,这与病理形态下心肌细胞的变革分歧。这些后果标明(图3),细胞外线索在心脏发育和疾病中是明显的,分外是细胞外形重塑,间接影响心肌细胞线粒体网络的形状。这些线粒体网络布局的改动大概招致代谢功效的心理和病理改动,由于肌节延长依赖于ATP的发生,这一研讨大概提醒紧缩功能和心输入量的卑鄙靶点。



图3 线粒体布局在心肌细胞AR和ECM硬度中的作用。饼状图表现了小(< 1um3)、中(1 - 10um3)和大(> 10um3)线粒体网络在ECM硬度和肌细胞长径比中的容积率。圆的巨细与线粒体总量成比例。


总结

       随着心肌细胞的伸长,线粒体网络变得更大更交融。ECM硬度的增长也可以选择性地增长线粒体碎片。这些数据标明,在心脏发育和疾病时期产生的细胞外形和机器负荷的变革会影响线粒体网络的布局,这大概对心肌的代谢和紧缩功能有影响。这些后果还确定了促进心肌细胞成熟的机制和线粒体网络的低级心肌细胞在体外用于改进干细胞泉源的心肌细胞的表型。最初,这些研讨后果为体外心脏疾病的工程模子提供了紧张的设计参数,也为再生医学可定制的心脏替换构造提供了紧张的设计参数。


参考文献:

B, Lyra Leite A , et al. "Mitochondrial architecture in cardiac myocytes depends on cell shape and matrix rigidity." Journal of Molecular and Cellular Cardiology 150(2021):32-43.


由该研讨可知,包罗打印卵白在内的细胞微情况模仿质料在心肌细胞的体外模仿研讨中起到了紧张的作用。现向各人介绍来自英国Plexithermo的HCells高通量单细胞、器官功效丈量及纳米水凝胶3D培育体系。



      该体系可利用多种定制水凝胶耗材模仿细胞微情况,亦可以自行设计蚀刻水凝胶以满意差别的研讨  需求,尤其实用于心肌细胞体外培育情况的构建。搭配unique的细胞追踪技能,可短工夫内丈量300个以上细胞的紧缩及离子浓度变革状况。搭配多孔位细胞培育板,完成真正的高通量细胞测试,每个孔位即可作为一组比较实行,差别孔位同时培育,同时丈量,极小节省工夫及耗材。


实用范畴:

1、心肌细胞

接纳超速成像纳米水凝胶技能。包管药物肯定浓度程度下批量测心肌细胞的力学目标和离子浓度变革。测细胞紧缩的速率和细胞力度、细胞巨细、面积、真正发生的功率,紧缩时的角度x轴y轴,发生的速率差和力差等,而且可以模仿器官硬度。经过轨迹剖析选择跟踪地区和活动偏向。软件对迁徙单位的速率或间隔举行量化。可以剖析细胞活动的频率。细胞跟踪检测轨迹并提供定量数据跟踪功效还可以剖析面积、周长和圆度等参数,使软件可以跟踪外形变革,比方体外心肌细胞。


2、细胞迁徙和精子活动轨迹

跟踪函数检测细胞轨迹,并可以盘算定量数据,比方:作为轨迹(xy图表),间隔和速率。这使得体系具有检测和丈量功效,比方细胞迁徙和精子活动的轨迹。


3、静态跟踪可以剖析细胞增殖的变革,如菌落构成。


4、人iPS细胞衍生神经细胞的细胞生机测定:

可以丈量神经元的活动。神经元活动的功率谱密度(PSD)可用于正确展望细胞殒命。PSD表现一个单位在频域中的活动强度。神经元培育的PSD比传统的生活才能丈量更准确地展望细胞殒命。


5、核跟踪特性可用于剖析癌细胞迁徙。

丈量工具:癌细胞、斑马鱼、精子、菌落、贴壁细胞(如:急性分散的成年小鼠细胞,乳鼠细胞、成年大鼠的心肌细胞、骨骼肌细胞等。


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