211service.com
Muis met een gloeiend hart
Onderzoekers van de Cornell University, de University of Pittsburgh en het Japanse RIKEN Brain Science Institute hebben transgene muizen gemaakt waarvan het hart een fluorescerend eiwit produceert dat wordt aangezet door calciumionen. Calciumconcentraties in hartcellen schieten omhoog en dalen vervolgens tijdens elektrische signalering en spiercontractie bij dieren, inclusief mensen en muizen. Met behulp van een fluorescentiemicroscoop konden de wetenschappers deze golven van activiteit filmen die met elke slag door de vier kamers van de harten van de muizen bewogen. Cornell University's Michael Kotlikoff , die het onderzoek leidde, noemt het fluorescerende eiwit een moleculaire spion.
[Klik hier om afbeeldingen van fluorescerende harten te zien.]
Biologen hebben er lang van gedroomd om de activiteiten van cellen in levende, functionerende dieren te kunnen zien. Nu komen de technieken die dit mogelijk maken tot wasdom. Deze nieuwe genetisch gemanipuleerde muizen geven inzicht in wat er gebeurt tijdens een hartslag en verlichten ook de elektrische signalen die het kloppen coördineren. De muizen hebben inzicht gegeven in de ontwikkeling van het zoogdierhart en worden ook gebruikt om hartstamceltransplantaties te evalueren. En tot slot fokken de onderzoekers ook muizen met gloeiende zenuwcellen om signalen in de hersenen te bestuderen.
Het doel voor ons allemaal is om zien de veranderingen in ionenconcentratie of andere aspecten van cellulaire functie bij levende dieren, zegt Withrow Gil Wier , een professor in de fysiologie aan de University of Maryland School of Medicine, die in 1980 voor het eerst de vergankelijkheid van calcium in de hartspier aantoonde.
We leren veel door cellen eruit te halen, in stukjes te hakken en naar individuele moleculen te kijken. Maar het vertelt ons niet wat we moeten weten over de complexe interacties tussen cellen, zegt Kotlikoff, voorzitter van de afdeling biomedische wetenschappen van Cornell's College of Veterinary Medicine.
RIKEN-wetenschapper Junichi Nakai creëerde het fluorescerende eiwit (genaamd GCaMP2) door een bestaand eiwit aan te passen dat niet helder of stabiel genoeg was om te gebruiken voor in vivo hartexperimenten. Cornell-wetenschappers hebben muizen genetisch gemanipuleerd die dit eiwit dag na dag en in een constante concentratie produceren, in hun hart en nergens anders in het lichaam.
Kotlikoff zegt dat het voordeel van het nieuwe fluorescerende eiwit ten opzichte van zijn voorgangers de snelheid is waarmee het aan en uit kan gaan, zoals een gloeilamp, de stabiliteit bij lichaamstemperatuur en de helderheid. Het muishart klopt tot 600 keer per minuut. Er is zoveel achtergrondlicht en reflectie en beweging dat je iets heel helders nodig hebt om deze cellulaire signalen te kunnen detecteren, zegt hij.
Om de werking van de cellen te zien, zegt Kotlikoff: we verdoven de muis, ventileren hem, openen de borstkas en schijnen licht recht op het hart. Een groep onder leiding van Guy Salama aan de University of Pittsburgh School of Medicine was verantwoordelijk voor het produceren van films van de kloppende harten. Salama gebruikt een hogesnelheidscamera om heldere beelden met een hoge resolutie te maken. Hij nam elke milliseconde een frame op en legde verschillende beelden vast van elke hartslag.
Omdat de onderzoekers de harten van de muis filmden in alle stadia van ontwikkeling, van eendags-embryo tot volwassenheid, laten de films je zien wat er gebeurt elke keer dat het hart van de muis klopt voor zijn hele leven, zegt Kotlikoff.
Bij alle zoogdieren is het hart het eerste orgaan dat gaat werken, gedreven door de zuurstofbehoefte van het embryo. Het moet echter beginnen te pompen voordat de structuren die het gestage tempo van de hartslag in stand houden, zich hebben ontwikkeld. Kotlikoff ontdekte een signaalroute die het embryonale hart helpt zijn tempo slechts een paar dagen vast te houden, totdat de volwassen structuur zich ontwikkelt. Hij zegt dat hij ook aritmieën heeft gezien - verstoringen in de gestage elektrische signalen van het hart die leiden tot snelle, langzame of onregelmatige hartslagen, en die een plotselinge dood kunnen veroorzaken.
Kotlikoff zegt dat hij muizen kweekt die het nieuwe fluorescerende eiwit alleen maken in gespecialiseerde hartweefsels en delen van het lichaam waar calcium belangrijk is, zoals de hersenen, waar calcium een belangrijke rol speelt bij signalering. We kunnen hem plaatsen waar we willen en luisteren naar specifieke signalen die tussen de ene cel en de andere cel gaan, legt hij uit.
Kotlikoff gebruikt de gloeiende hartcellen ook om stamceltransplantaties te bestuderen. We kunnen deze [gloeiende] cellen differentiëren en ze in harten plaatsen die gewond zijn geraakt. De cellen signaleren wanneer ze worden geactiveerd, zodat we kunnen zien hoe ze zich gedragen in hun nieuwe omgeving.
Igor Efimov , universitair hoofddocent biomedische technologie aan de Washington University in St. Louis, die de verstoringen in elektrische signalering bestudeert die aritmieën veroorzaken, zegt dat dit werk een grote doorbraak is: ik denk dat het een nieuwe kans biedt voor beeldvorming, zodat we eindelijk kunnen uitdrukken intrinsieke sensoren in verschillende compartimenten van het hart of de hersenen en bestuderen hoe impulsen onder normale omstandigheden worden uitgevoerd, wat erg belangrijk is, zegt hij.
Hoewel Wier waarschuwt dat dit onderzoek nog in de kinderschoenen staat, zegt hij dat het veelbelovend is in vergelijking met wat we in het verleden hadden. Dit [werk] brengt ons dichter bij het kunnen zien fysiologische veranderingen, op de minst ingrijpende manier.