211service.com
Mus med ett glödande hjärta
Forskare vid Cornell University, University of Pittsburgh och Japans RIKEN Brain Science Institute har skapat transgena möss vars hjärtan producerar ett fluorescerande protein som tänds av kalciumjoner. Kalciumkoncentrationer i hjärtceller skjuter i höjden och sjunker sedan under elektrisk signalering och muskelsammandragning hos djur, inklusive människor och möss. Med hjälp av ett fluorescensmikroskop kunde forskarna filma dessa vågor av aktivitet som rörde sig genom de fyra kamrarna i mössens hjärtan med varje slag. Cornell University Michael Kotlikoff , som ledde forskningen, kallar det fluorescerande proteinet för en molekylär spion.
[För att se bilder av fluorescerande hjärtan, klicka här .]
Biologer har länge drömt om att kunna se cellers aktiviteter hos levande, fungerande djur. Nu börjar teknikerna som gör detta möjligt att förverkligas. Dessa nya genetiskt modifierade möss ger ett fönster in i vad som händer under ett hjärtslag och lyser också upp de elektriska signalerna som samordnar slaget. Mössen har gett insikter i utvecklingen av däggdjurshjärtat och används också för att utvärdera hjärtstamcellstransplantationer. Och slutligen föder forskarna också upp möss med glödande nervceller för att studera signalering i hjärnan.
Målet för oss alla är att ser förändringarna i jonkoncentration eller andra aspekter av cellulär funktion hos levande djur, säger Ta bort Gil Wier , en professor i fysiologi vid University of Maryland School of Medicine, som 1980 först visade på förgängligheten av kalcium i hjärtmusklerna.
Vi lär oss mycket genom att ta ut celler, skära sönder dem och titta på enskilda molekyler. Men det säger oss inte vad vi behöver veta om de komplexa interaktionerna mellan celler, säger Kotlikoff, som är ordförande för institutionen för biomedicinska vetenskaper vid Cornell's College of Veterinary Medicine.
RIKEN-forskaren Junichi Nakai skapade det fluorescerande proteinet (kallat GCaMP2) genom att modifiera ett befintligt som inte var ljust eller tillräckligt stabilt för att användas för hjärtexperiment in vivo. Cornell-forskare har genetiskt modifierade möss som producerar detta protein dag efter dag och i en jämn koncentration, i sina hjärtan och ingen annanstans i kroppen.
Kotlikoff säger att fördelen med det nya fluorescerande proteinet jämfört med dess föregångare är den hastighet med vilken det kan slås på och av, som en glödlampa, dess stabilitet vid kroppstemperatur och dess ljusstyrka. Musens hjärta slår upp till 600 gånger per minut. Det finns så mycket bakgrundsljus och reflektion och rörelse att du behöver något väldigt ljust för att kunna upptäcka dessa cellulära signaler, säger han.
För att se hur cellerna fungerar säger Kotlikoff: Vi bedövar musen, ventilerar den, öppnar bröstet och lyser direkt på hjärtat. En grupp ledd av Guy Salama vid University of Pittsburgh School of Medicine var ansvarig för att producera filmer med de bankande hjärtan. Salama använder en höghastighetskamera för att skapa tydliga, högupplösta bilder. Han spelade in en bildruta varje millisekund och tog flera bilder av varje hjärtslag.
Eftersom forskarna filmade mössens hjärtan i alla utvecklingsstadier, från dagsgamla embryon till vuxen ålder, visar filmerna dig vad som händer varje gång musens hjärta slår hela livet, säger Kotlikoff.
Hos alla däggdjur är hjärtat det första organ som börjar arbeta, drivet av embryots behov av syre. Det måste dock börja pumpa innan strukturerna som upprätthåller hjärtslagets jämna takt har utvecklats. Kotlikoff upptäckte en signalväg som hjälper det embryonala hjärtat att hålla farten i bara några dagar, tills den vuxna strukturen utvecklas. Han säger att han också har sett arytmier - störningar i hjärtats stadiga elektriska signaler som leder till snabba, långsamma eller oregelbundna hjärtslag, och som kan orsaka plötslig död.
Kotlikoff säger att han föder upp möss som gör det nya fluorescerande proteinet endast i specialiserade hjärtvävnader och delar av kroppen där kalcium är viktigt, som hjärnan, där kalcium spelar en viktig roll för signalering. Vi kan lägga den där vi vill och lyssna på specifika signaler som passerar mellan en cell och en annan cell, förklarar han.
Kotlikoff använder också de glödande hjärtcellerna för att studera stamcellstransplantationer. Vi kan särskilja dessa [glödande] celler och sätta dem i hjärtan som har blivit skadade. Cellerna signalerar när de är aktiverade, så vi kan berätta hur de beter sig i sin nya miljö.
Igor Efimov , docent i biomedicinsk teknik vid Washington University i St. Louis, som studerar störningarna i elektrisk signalering som orsakar arytmier, säger att detta arbete är ett stort genombrott: jag tror att det kommer att öppna en ny möjlighet för avbildning, så att vi äntligen kan uttrycka inneboende sensorer i olika delar av hjärtat eller hjärnan och studerar hur impulser leds under normala förhållanden, vilket är väldigt viktigt, säger han.
Medan Wier varnar för att denna forskning fortfarande är i ett tidigt skede, säger han att det är lovande jämfört med vad vi hade tidigare. Detta [arbete] kommer oss närmare att kunna ser fysiologiska förändringar, på det minst invasiva sättet.