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Method Article
Ca2 + indicadores genético codificados (GECIs) han cambiado radicalmente cómo in situ Ca2 + proyección de imagen se realiza. Para maximizar la recuperación de datos de esas grabaciones, análisis apropiado de señales de Ca2 + se requiere. Los protocolos en este trabajo facilitan la cuantificación de Ca2 + señales grabadas in situ utilizando Cartografía espacio-temporal y el análisis de partículas.
CA2 + proyección de imagen de células aisladas o tipos específicos de células dentro de tejidos intactos a menudo revela patrones complejos de Ca2 + señalización. Esta actividad requiere cuidadosos y profundo análisis y cuantificación para capturar toda la información sobre los eventos subyacentes como sea posible. Espacial, temporal y los parámetros de intensidad intrínsecos al Ca2 + señales tales como frecuencia, duración, propagación, velocidad y amplitud pueden proporcionar información biológica necesaria para la señalización intracelular. Alta resolución Ca2 + la proyección de imagen típicamente resultados en la adquisición de grandes archivos de datos que son lentos al proceso en cuanto a la traducción de la información de imagen en datos cuantificables y este proceso puede ser susceptible a sesgo y error humano. Análisis de Ca2 + señales de células in situ por lo general se basa en mediciones de intensidad simple de arbitrariamente las regiones de interés (ROI) dentro de un campo de visión (FOV). Este enfoque ignora gran parte de la información de señalización importante contenida en el FOV. Por lo tanto, para maximizar la recuperación de la información de tales grabaciones de alta resolución obtenidos con tintes de Ca2 +o optogenetic Ca2 + imagen, adecuado análisis espacial y temporal de las señales de Ca2 + se requiere. Los protocolos descritos en este artículo describen cómo se puede obtener un gran volumen de datos de Ca2 + proyección de imagen las grabaciones para facilitar el más completo análisis y cuantificación de Ca2 + señales de las células usando una combinación de mapa espacio-temporal (STM)-basado en el análisis y el análisis de partículas. Los protocolos también describen cómo diferentes patrones de Ca2 + señalización observada en células diferentes poblaciones in situ pueden ser analizadas adecuadamente. Por ejemplo, el método examinará Ca2 + en una población especializada de células en el intestino, células intersticiales de Cajal (ICC), usando GECIs.
CA2 + es un mensajero intracelular ubicuo que controla una amplia gama de procesos celulares, tales como músculo contracción1,2, metabolismo3, celular proliferación3,4, 5, estimulación de liberación de neurotransmisor en el nervio terminales6,7y la activación de la transcripción de factores en el núcleo. 7 Ca intracelular2 + señales muchas veces tomar la forma de elevaciones transitorias en citosólica Ca2 +, y estos pueden ser espontáneos o surgen de la estimulación agonista dependiendo el tipo de célula8. Espacial, temporal y los parámetros de intensidad intrínsecos al Ca2 + señales tales como frecuencia, duración, propagación, velocidad y amplitud pueden proporcionar la información biológica necesaria para la señalización intracelular5, 7 , 9. citoplasmática de Ca2 + señales pueden resultar de la afluencia de Ca2 + desde el espacio extracelular o a través de Ca2 + liberación desde el retículo endoplásmico (ER) a través de canales de Ca2 + lanzamiento como receptores de Ryanodina (RyRs) y receptores de inositol-tri-fosfato (IP3Rs)10. RyRs y IP3Rs pueden contribuir a la generación de señales de Ca2 + y la apertura concertada de estos canales, que combinado con diversos mecanismos de Ca2 + afluencia puede resultar en una miríada de Ca2 + patrones de señalización que son formados por los números y abre la probabilidad de Ca2 + flujo canales, el perfil de la expresión de canales de Ca2 + liberación, la proximidad entre el Ca2 + afluencia y canales de la libertad y expresión y distribución de Ca2 + las proteínas de reabsorción y de la protuberancia. CA2 + señales pueden tomar la forma de uniforme, duradero, las oscilaciones globales de intensidad alta que puede durar varios segundos o incluso minutos, multiplicación intracelulares e intercelulares Ca2 + ondas que pueden cruzar distancias intracelulares más de 100 μm10,11,12,13,14,15,16, o más breve, espacialmente localizados eventos como Ca2 + chispas y Ca2 + soplos que se producen en decenas de milisegundo plazos y menos de 5 μm17,18,19,20.
Microscopía fluorescente se ha utilizado ampliamente para controlar Ca2 + señalización en células aisladas y cultivadas y en los tejidos intactos. Tradicionalmente, estos experimentos incluyeron el uso de fluorescentes Ca2 + indicadores, proporcionales y no proporcionales tintes como Fura2, Fluo3/4 o Rhod2, entre otros 21,22,23. Estos indicadores fueron diseñados para ser permeable a las membranas celulares y luego queda atrapado en las células por el clivaje de un grupo éster mediante esterasas endógenas. Unión del Ca2 + en los indicadores de alta afinidad provocó cambios en la fluorescencia, cuando las células y los tejidos se iluminan por las correspondientes longitudes de onda de la luz. El uso de celular permeable al Ca2 + indicadores mejorado enormemente nuestra comprensión de Ca2 + señalización en las células vivas y permite la resolución espacial y cuantificación de estas señales que no era posible analizando las señales de Ca2 + a través de otros medios, como la electrofisiología. Sin embargo, tradicional Ca2 + indicadores tienen varias limitaciones, como el fotoblanqueo que ocurre durante períodos de grabación extendida24. Mientras que el indicador de Ca2 + nuevos tintes como Cal520/590 tienen mucho mejor señal a proporción de ruido y la capacidad para detectar locales Ca2 + señales25, problemas con el fotoblanqueo pueden todavía sigue siendo una preocupación para algunos investigadores 2627,de,28. Fotoblanqueo precipitada también restringe el aumento, tasa de adquisición de la imagen, y resolución que se puede utilizar para las grabaciones, como aumentar la potencia objetivo y tasas de adquisición de imágenes requieren mayor intensidad de luz de excitación que aumenta el fotoblanqueo.
Estas limitaciones de tradicional Ca2 + indicador de tintes se agravan cuando grabación de Ca2 + señales in situ, por ejemplo cuando grabación intracelular Ca2 + señales de tejidos intactos. Debido a los problemas mencionados, visualización de Ca2 + señales in situ usando celular permeable al Ca2 + indicadores ha sido limitada a aumento de la energía baja y redujo las tasas de captura de la imagen, restricción de la capacidad de los investigadores para registrar y cuantificar el Ca2 + señales subcelulares temporal o espacialmente restringidas. Así, ha sido difícil de capturar, analizar y apreciar la complejidad espacial y temporal de Ca2 + señales, que pueden ser importantes en la generación de respuestas biológicas deseadas, como se indicó anteriormente. Análisis de Ca2 + señales de células in situ por lo general se basa en mediciones de intensidad simple de las regiones de interés (ROI) dentro de un campo de visión (FOV). La opción arbitraria del número, tamaño y posición del ROI, dependiente en el capricho del investigador, severamente puede sesgar los resultados obtenidos. Así como el sesgo inherente con análisis del ROI, este enfoque ignora gran parte de la importante información contenida en el campo de visión, como dinámica Ca2 + eventos dentro de un arbitrariamente elegido de señalización ROI son seleccionados para el análisis. Además, análisis de ROI no proporcionan información sobre las características espaciales de las Ca2 + señales observadas. Por ejemplo, no es posible distinguir entre un aumento de Ca2 + resultante de una propagación de onda de Ca2 + y un altamente localizada Ca2 + liberan evento de tabulaciones de Ca2 + señales dentro de un retorno de la inversión.
El advenimiento de genéticamente codificados Ca2 + indicadores (GECIs) ha cambiado radicalmente como Ca2 + la proyección de imagen puede ser realizado en situ29,30,31,32,33 . Hay varias ventajas al uso de GECIs sobre tintes. El más importante quizás es que la expresión de GECI puede realizarse en una manera específica de la célula, que reduce la contaminación de fondo no deseados de las células no de interés. Otra ventaja de GECIs sobre tradicional Ca2 + indicadores es eso fotoblanqueo se reduce (como fluorescencia y consecuencialmente fotoblanqueo sólo ocurre cuando las células están activas), en comparación con muestras, cargado de tinte, particularmente a alta Ampliación y las altas tasas de imagen capturan34. Así, la proyección de imagen con GECIs, tales como la serie de GCaMP de optogenetic sensores, ofrece a los investigadores la capacidad para registrar breve, localizada celular Ca2 + señales en situ e investigar Ca2 + en células dentro de su ambientes nativos que no han sido posibles anteriormente. Para maximizar la recuperación de la información de tales grabaciones de alta resolución, análisis espacial y temporal adecuado de las señales de Ca2 + se requiere. Cabe señalar que mientras GECIs puede ofrecer que algunas ventajas claras, estudios recientes han revelado que Ca2 + la proyección de imagen puede ser realizada con éxito de grandes poblaciones de diferentes clases neuroquímicas de neuronas simultáneamente con las convencionales CA2 + en los indicadores que no están genéticamente codificados en los animales35. Este enfoque utiliza inmunohistoquímica post-hoc para revelar varias clases diferentes de neuronas disparar en alta frecuencia en explosiones sincronizadas y evita el potencial que las modificaciones genéticas a los animales pueden haber interferido con el fisiológico comportamiento el investigador busca comprender35,36.
Los protocolos descritos en este documento facilitan más completo análisis y cuantificación de Ca2 + señales grabadas desde células in situ usando una combinación de mapa espacio-temporal (STM)-basado en el análisis y el análisis de partículas. Los protocolos también describen cómo diferentes patrones de Ca2 + señalización observada en células diferentes poblaciones in situ pueden ser analizadas adecuadamente. Por ejemplo, el método examinará Ca2 + en una población especializada de células en el intestino, células intersticiales de Cajal (ICC). ICC son las células especializadas en el tracto gastrointestinal (GI) que presentan dinámica intracelular Ca2 + señalización, como visualizar usando los ratones que expresaban GCaMPs37,38,39,40, 41,42. CA2 + transitorios en ICC están vinculados a la activación de Ca2 +-activa Cl– (codificados por Ano1) los canales que son importantes en la regulación de la excitabilidad del músculo liso intestinal células (SMCs)43, 44,45. Así, el estudio de Ca2 + en ICC es fundamental para comprender la motilidad intestinal. El intestino murino ofrece un excelente ejemplo de esta demostración, ya que hay dos clases de ICC que están separadas anatómicamente y pueden visualizarse de forma independiente: i) ICC están situados en la zona entre el músculo liso circular y longitudinal capas, que rodean el plexo mientérico (ICC-mi). Estas células sirven como células marcapasos y generan la actividad eléctrica conocida como ondas lentas46,47,48,49; II) ICC también se encuentran entre un plexo rico en los terminales de las neuronas motoras (plexo muscular profundo, así ICC-DMP). Estas células sirven como mediadores de las respuestas a la neurotransmisión entéricas de motor37,39,40,50. ICC-mi y ICC-DMP son morfológicamente distintos, y sus comportamientos señalización Ca2 + se diferencian radicalmente para realizar sus tareas específicas. ICC-mi son radiados en la forma y forman una red de células interconectadas a través de las ensambladuras de gap51,52. CA2 + señales en ICC-mi manifiesto como breves y localizadas espacialmente Ca2 + lanzamiento eventos que ocurren en los sitios múltiples asincrónicamente a través de la ICC-mi red como visualizado dentro de un campo de visión (imagen con el objetivo X 60)38. Estas señales asíncronas están organizadas temporalmente en 1 segundo racimos que, cuando se tabulan juntos, equivalen a un neto 1 s celular aumento de Ca2 +. Estas señales de propagación célula a célula, dentro de la red de ICC y por lo tanto organizan Ca2 + señalización, generados a partir de sitios web celular, en una tejido amplio Ca2 + onda. Clustering temporal y la sumatoria de Ca2 + señales en ICC-mi se la ha denominado Ca2 + grupos transitorios (CTC)38. CTC se producen rítmicamente (e.g. bastante similares duraciones y periodos similares entre CTC) 30 veces por minuto en el ratón. Por el contrario, ICC-DMP están las células del huso en forma, algunos con procesos secundarios, que distribuyen entre comités y procesos del nervio varices y no independientemente forman una red51,52. ICC-DMP forman uniones comunicantes con comités, sin embargo y dentro este sincitio mayor, conocido como el SIP sincicio53. Señales de CA2 + se producen en múltiples sitios a lo largo de la longitud de las células, pero estas oscilaciones no ocluidos o temporal agrupados, como se observa en el ICC-mi37. CA2 + señales en ICC-DMP se producen de manera estocástica, con variable intensidad, duración y características espaciales. Los protocolos por debajo, usando el ejemplo de Ca2 + en ICC-mi y ICC-DMP, describen técnicas para analizar el complejo de señalización en tipos específicos de células in situ. Utilizamos el sistema Cre-Lox inducible para expresar GCaMP6f exclusivamente en la ICC, después de inducir la activación de Cre-Recombinase (Cre) conducida por un promotor específico de la ICC (Kit).
Todos los animales utilizados y los protocolos realizados en este estudio estaban de acuerdo con los institutos nacionales de salud guía para el cuidado y uso de animales de laboratorio. Todos los procedimientos fueron aprobados por el Comité de cuidado en la Universidad de Nevada, Reno y uso institucional de Animal.
1. generación de ratones KitGCaMP6f
2. preparación de tejidos para la proyección de imagen de Ca2 +
3. Análisis Estocástico Ca2 + señales en ICC-DMP utilizando Cartografía espacio-temporal (STM)
4. cuantificación de CTC en ICC-mi partícula utilizando análisis basado
Utilizando ratones de Kit-Cre-GCaMP6F (figura 1), dinámica Ca2 + señalización comportamientos de ICC en el tracto gastrointestinal pueden ser reflejadas en situ. Con microscopía confocal, imágenes de alta resolución de poblaciones específicas de ICC pueden ser adquiridos sin contaminar las señales de otras poblaciones de CPI dentro del mismo tejido pero en planos anatómico distintos del foco (figura 2A)
CA2 + proyección de imagen de tipos específicos de células dentro de tejidos intactos o dentro de las redes de las células a menudo revela patrones complejos de transitorios de Ca2 + . Esta actividad requiere cuidadosos y profundo análisis y cuantificación para capturar toda la información sobre los eventos subyacentes y la cinética de estos eventos como sea posible. STM y PTCL análisis proporcionan una oportunidad para maximizar la cantidad de datos cuantitativos rindió de grabaciones de ...
Los autores no tienen nada que revelar.
La financiación fue proporcionada por el NIDDK, a través de DK41315 P01.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
ImageJ software | NIH | 1.5a | ImageJ software |
Volumetry | GWH | Volumetry 8Gd | Custom made analysis software |
Isoflurane | Baxter, Deerfield, IL, USA | NDC 10019-360-60 | |
Tamoxifen | Sigma | T5648 | |
GCaMP6F mice | Jackson Laboratory | Ai95 (RCL-GCaMP6f)-D | |
Kit-Cre mice | Gifted From Dr. Dieter Saur | c-Kit+/Cre-ERT2 | |
Ethanol | Pharmco-Aaper | SDA 2B-6 |
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