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Method Article
* Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen
In diesem Artikel wird eine Methode zur quantitativen Echtzeitüberwachung der Calciumionenkonzentration (Ca2+) in Zellen unter Verwendung von Einzelzell-Ca2+ -Bildgebung mit dem Fura-2/AM-Farbstoff vorgestellt. Diese Technik ermöglicht eine effiziente Farbstoffbeladung und eine genaue Berechnung des Ca2+ -Gehalts durch Fluoreszenzintensitätsverhältnisse, was sie zu einem einfachen und schnellen Ansatz für Forschungsanwendungen macht.
Die Einzelzell-Ca2+ -Bildgebung ist essentiell für die Untersuchung von Ca2+ -Kanälen, die durch verschiedene Stimulationen wie Temperatur, Spannung, native Verbindung und Chemikalien usw. aktiviert werden. Es stützt sich in erster Linie auf die Mikroskopie-Bildgebungstechnologie und den verwandten Ca2+ -Indikator Fura-2/AM (AM ist die Abkürzung für Acetoxymethylester). In den Zellen wird Fura-2/AM durch Esterasen zu Fura-2 hydrolysiert, das reversibel an freies zytoplasmatisches Ca2+ binden kann. Die maximale Anregungswellenlänge verschiebt sich bei der Bindung von 380 nm auf 340 nm (bei Sättigung mit Ca2+). Die emittierte Fluoreszenzintensität hängt quantitativ mit der Konzentration des gebundenen Ca2+ zusammen. Durch die Messung des Verhältnisses 340/380 kann dieCa2+ -Konzentration im Zytoplasma bestimmt werden, wodurch Fehler vermieden werden, die durch Schwankungen in der Ladeeffizienz der Fluoreszenzsonde zwischen verschiedenen Proben verursacht werden. Diese Technologie ermöglicht die quantitative und gleichzeitige Überwachung von Ca2+ -Veränderungen in mehreren Zellen in Echtzeit. Die Ergebnisse werden in ". XLSX"-Format für die anschließende Analyse, das schnell ist und intuitive Änderungskurven erzeugt, wodurch die Erkennungseffizienz erheblich verbessert wird. Aus verschiedenen experimentellen Perspektiven listet dieser Artikel den Einsatz dieser Technologie zum Nachweis von Ca2+ -Signalen in Zellen mit endogenen oder überexprimierten Kanalproteinen auf. Inzwischen wurden auch verschiedene Methoden zur Aktivierung von Zellen gezeigt und verglichen. Ziel ist es, den Lesern ein klareres Verständnis für die Verwendung und Anwendungen der Einzelzell-Ca2+ -Bildgebung zu vermitteln.
Ca2+ spielt eine entscheidende Rolle bei der zellulären Signaltransduktion und reguliert verschiedene zelluläre Funktionen wie Muskelkontraktion1, Nervenleitung2, Sekretion3 und Genexpression4 und beeinflusst dadurch mehrere physiologische Prozesse. Abnorme Ca2+ -Konzentrationen können zu Krankheiten wie Herzrhythmusstörungen5, Gerinnungsstörungen6 und hormonellen Ungleichgewichten7 führen. Daher ist die Untersuchung der Mechanismen intrazellulärer Ca2+ -Konzentrationsänderungen von größter Bedeutung.
An der Regulation derCa2+ -Konzentration in Zellen sind verschiedene Ionenkanäle beteiligt, darunter die hochCa2+-selektiven Calciumfreisetzungs-aktivierten Calciumkanäle (CRAC)8 und nicht-selektive Kationenkanäle der TRP-Familie9. Diese Ionenkanäle können durch Reize wie Temperatur10, Verbindungen und Wirkstoffe aus der traditionellen chinesischen Medizin11 aktiviert werden und spielen eine entscheidende Rolle bei verschiedenen Ca2+-bezogenen physiologischen Prozessen.
Eine effektive Überwachung intrazellulärer Ca2+ -Konzentrationsänderungen ist für die Untersuchung vonCa2+-verwandten Ionenkanälen unerlässlich, insbesondere im Bereich der traditionellen chinesischen Medizin, wo die Regulation des Kalziumsignalwegs in vielen therapeutischen Ansätzen eine zentrale Rolle spielt. Derzeit können die primären Methoden zur Messung von intrazellulärem Ca2+ in zwei Typen eingeteilt werden: elektrische und optische Messungen. Der elektrische Messansatz verwendet die Patch-Clamp-Technik, um Veränderungen des Zellmembranpotentials aufgrund des Ca2+ -Einstroms12 zu beurteilen.
Bei der optischen Messung binden Fluoreszenzsonden spezifisch an Ca2+, wodurch Forscher Änderungen der zellulären Fluoreszenzintensität verfolgen können. Zu den gängigen optischen Methoden gehören fluoreszierende proteinbasierte und fluoreszierende Farbstoff-basierte Techniken. In fluoreszierenden Protein-basierten Methoden könnenForscher Ca2+-empfindliche fluoreszierende Proteine wie Cameleon13 und GCaMP14 in Zellen überexprimieren und Änderungen des Fluoreszenzsignals mithilfe von Fluoreszenzmikroskopie oder Durchflusszytometrie überwachen, um Verschiebungen der zytoplasmatischen Ca2+ -Konzentrationen zu beobachten. Darüber hinaus können Forscher diese Proteine in Mäusen überexprimieren und die Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskopie für die Echtzeit-Überwachung der intrazellulären Ca2+ -Konzentrationen in vivo oder auf Gewebeebene verwenden, um eine hohe Auflösung und tiefe Gewebepenetration zu gewährleisten10.
Für fluoreszierende Farbstoff-basierte Methoden werden häufigCa-2+ -Sonden verwendet, darunter Fluo-3/AM, Fluo-4/AM und Fura-2/AM10. Die Forscher inkubieren Zellen in einer Lösung, die diese Fluoreszenzsonden enthält, die die Zellmembran durchdringen und durch intrazelluläre Esterasen gespalten werden, um Wirkstoffe (z. B. Fluo-3, Fluo-4 und Fura-2) zu bilden, die in der Zelle verbleiben. Diese Sonden weisen in ihrer freien Ligandenform eine minimale Fluoreszenz auf, emittieren jedoch eine starke Fluoreszenz, wenn sie an intrazelluläres Ca2+ gebunden sind, was auf Veränderungen der zytoplasmatischen Ca2+ -Konzentrationen hinweist. Im Vergleich zu anderen fluoreszierenden Proteinen und Farbstoffen wird Fura-2 typischerweise bei Wellenlängen von 340 nm und 380 nm angeregt. Wenn es an intrazelluläres freies Ca2+ gebunden ist, erfährt Fura-2 eine Absorptionsverschiebung, die den Anregungswellenlängenpeak von 380 nm auf 340 nm verschiebt, während der Emissionspeak nahe 510 nm unverändert bleibt. Es besteht eine quantitative Beziehung zwischen der Fluoreszenzintensität und der gebundenen Ca2+ -Konzentration, die die Berechnung der intrazellulärenCa2+ -Konzentration durch Messung des Fluoreszenzintensitätsverhältnisses bei diesen beiden Anregungswellenlängen ermöglicht. Verhältnismessungen reduzieren die Auswirkungen von Photobleichung, Leckagen von Fluoreszenzsonden, ungleichmäßiger Beladung und Unterschieden in der Zelldicke und führen zu zuverlässigeren und reproduzierbareren Ergebnissen (Abbildung 1).
Einzelzellige Ca2+ -Bildgebungssysteme verwenden hauptsächlich Mikroskopietechniken und den Ca2+ -Indikator Fura-2/AM, um intrazelluläre Ca2+ -Konzentrationen nachzuweisen. Diese Systeme bestehen aus einem Fluoreszenzmikroskop, einer Ca2+ -Bildgebungslichtquelle und einer Fluoreszenzbildgebungssoftware, die eine quantitative Echtzeitüberwachung von Ca2+ -Veränderungen im Zytoplasma mehrerer Zellen gleichzeitig ermöglichen (bis zu 50 Zellen pro Sichtfeld). Die Ergebnisse werden für die spätere Analyse im Format ".xlsx" gespeichert. Das System bietet eine schnelle Analysegeschwindigkeit (ca. 1 Minute für die Analyse einer Gruppe von Zellen innerhalb eines Sichtfelds) und generiert intuitive Änderungskurven, wodurch die Detektionseffizienz erheblich verbessert wird. Die Einzelzell-Ca2+ -Bildgebung ist ein wesentlicher technischer Ansatz für die Untersuchung von Ca2+-verwandten Kanälen und hat einen erheblichen Wert in der biomedizinischen Forschung im Zusammenhang mit Ionenkanälen. Es wird erwartet, dass seine Anwendung in der Einzelzell-Calcium-Bildgebungstechnologie die Erforschung der Mechanismen, die der traditionellen chinesischen Medizin zugrunde liegen, erheblich voranbringen wird.
Die experimentellen Methoden wurden von den IACUC-Richtlinien der Tsinghua-Universität und der Peking-Universität für Chinesische Medizin genehmigt und befolgten diese. Dieses Protokoll führt einzellige Ca2+ -Bildgebungsverfahren für verschiedene Zelltypen ein, einschließlich primärer Keratinozyten, die aus der Haut mehrerer neugeborener Mäuse isoliert wurden (innerhalb von drei Tagen nach der Geburt, mit geschlechtsrandomisierten Wurfgeschwistern, C57BL/6-Mäuse). Einzelheiten zu den in dieser Studie verwendeten Reagenzien und Geräten sind in der Materialtabelle aufgeführt.
1. Vorbereitung der Zellen
ANMERKUNG: Primärzellen, Zelllinien mit endogenen Zielgenen oder solche, die mit überexprimierten Plasmiden transfiziert wurden, eignen sich alle für die Einzelzell-Ca2+ -Bildgebung. Die in dieser Studie verwendeten Plasmide wurden aus dem Labor von Professor Xiao Bailong an der Tsinghua-Universität gewonnen. Diese Plasmide wurden konstruiert, indem Sequenzen des fluoreszierenden GFP-Proteins mit humanem STIM1, des fluoreszierenden Proteins DsRed mit dem humanen Orai1, des fluoreszierenden mRuby-Proteins mit dem Kaninchen-TRPV1 sowie des rot fluoreszierenden Proteins mCherry in Phagen-Plasmidvektoren10 eingebaut wurden.
2. Herstellung der Arbeitslösung Fura-2/AM
3. Zellvorbehandlung für die Einzelzell-Ca-2+ -Bildgebung
4. Starten des Bildgebungssystems Ca2+
HINWEIS: In dieser Studie wird ein Fluoreszenzmikroskop für die Ca2+ -Bildgebung verwendet.
5. Verfahren der zellulären Ca2+ -Reaktion
Erkennung des Temperaturverhaltens
Primärer Keratinozyten
Primäre Keratinozyten wurden aus neugeborenen Mäusen isoliert und gemäß den etablierten Protokollen10 präpariert. Diese Zellen wurden in 24-Well-Platten mit Glasobjektträgern ausgesät. Nach dem Laden der Fura-2-Sonde wurde der Fokus unter dem Mikroskop bei einer Wellenlänge von 380 nm eingestellt, um eine klare Visualisierung der Zellmorphologie zu erreichen, wie in...
Die Anwendung von Einzelzell-Ca2+-Bildgebungssystemen ist umfangreich und ermöglicht die Untersuchung vonCa2+-Signalen in verschiedenen Zelltypen, einschließlich Keratinozyten, Stammzellen16, Leberzellen, Herzzellen17, Podozyten18, Immunzellen und Zelllinien, die Zielproteine überexprimieren10,19. Diese Technik misst Änderungen und a...
Die Autoren erklären, dass sie nichts offenzulegen haben.
Wir danken Bailong Xiao von der Tsinghua-Universität für die gemeinsame Nutzung des einzelzelligen Ca2+ -Bildgebungssystems und des Betriebssystems zur Temperaturregelung sowie für die Unterstützung und Hilfe in diesem Projekt. Diese Forschung wurde finanziert von der National Natural Science Foundation of China (32000705), dem Young Elite Scientists Sponsorship Program der China Association of Chinese Medicine (CACM-(2021–QNRC2–B11)), Fundamental Research Funds for the Central Universities (2020–JYB–XJSJJ–026), (2024-JYB-KYPT-06).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Camera | Nikon | ||
Capsaicine | Sigma | 211275 | |
CL-100 temperature controller | Warner Instruments | ||
Cyclopiazonic Acid (CPA) | Sigma | C1530 | |
DG-4 light | Sutter Instrument Company | ||
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Amresco | 231 | |
DPBS | Thermofisher | 14190144 | |
Fluorescence imaging software (MetaFluor, Paid software) | Molecular Devices | ||
Fluorescence microscope | Nikon | ||
Fura-2/AM | Invitrogen | F1201 | |
HBSS buffer | Gibco | 14175103 | |
HEPES | Sigma | H3375 | |
Lipofectamine 3000 | Invitrogen | L3000008 | |
Pluronic F-127 | Beyotime | ST501 | |
poly-D-lysine | Beyotime | ST508 | |
SC-20 liquid circulation heating/cooling device | Harvard Apparatus | ||
White-light source | Nikon |
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