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Method Article
Aquí, el estudio presenta un protocolo para la obtención de imágenes de calcio y la estimulación de la glucosa de las células β pancreáticas del pez cebra in vivo.
Las células β pancreáticas mantienen la homeostasis sistémica de la glucosa mediante la producción y secreción de insulina de acuerdo con los niveles de glucosa en sangre. Los defectos en la función de las células β se asocian con la hiperglucemia que puede conducir a la diabetes. Durante el proceso de secreción de insulina, las células β experimentan una afluencia de Ca2+. Por lo tanto, la obtención de imágenes de la afluencia de Ca2+ estimulada por la glucosa utilizando indicadores de calcio codificados genéticamente (GECI) proporciona una vía para estudiar la función de las células β. Anteriormente, los estudios mostraron que los islotes aislados de pez cebra que expresan GCaMP6 exhiben una actividad significativa de Ca2+ tras la estimulación con concentraciones de glucosa definidas. Sin embargo, es fundamental estudiar cómo las células β responden a la glucosa no de forma aislada, sino en su entorno nativo, donde están conectadas sistémicamente, vascularizadas y densamente inervadas. Con este fin, el estudio aprovechó la transparencia óptica de las larvas de pez cebra en las primeras etapas de desarrollo para iluminar la actividad de las células β in vivo. Aquí, se presenta un protocolo detallado para la obtención de imágenes de Ca2+ y la estimulación de la glucosa para investigar la función de las células β in vivo . Esta técnica permite monitorizar la dinámica coordinada de Ca2+ en β celdas con resolución de una sola célula. Además, este método se puede aplicar para trabajar con cualquier solución inyectable, como moléculas pequeñas o péptidos. En conjunto, el protocolo ilustra el potencial del modelo de pez cebra para investigar la coordinación de los islotes in vivo y para caracterizar cómo los componentes ambientales y genéticos podrían afectar la función de las células β.
Las células β pancreáticas exhiben la capacidad única de secreción de insulina en respuesta a la glucosa. Después de una comida rica en carbohidratos, el azúcar en la sangre aumenta y entra en las células β, donde se metaboliza rápidamente para producir ATP. El aumento de la relación intracelular de ATP/ADP conduce al cierre de los canales de K+ dependientes de ATP, despolarizando la membrana celular y activando los canales de Ca2+ dependientes de voltaje. El rápido aumento de Ca2+ intracelular estimula la secreción de gránulos de insulina por parte de las células β.
La obtención de imágenes de las células de los islotes dentro del páncreas intacto en ratones es exigente y requiere la exteriorización de todo el órgano. Una potente alternativa para la obtención de imágenes in vivo no invasivas es el trasplante de islotes en la cámara anterior (CA) del ojo de ratones1. Los islotes trasplantados en el CA de ratones imitan un entorno in vivo, lo que permite estudios longitudinales e imágenes de Ca2+ in vivo 2,3. Sin embargo, el proceso de revascularización de los islotes puede llevar varias semanas después del trasplante de los islotes4. Por lo tanto, preservar el entorno nativo original, donde las células β están vascularizadas y conectadas al estado metabólico del organismo, y lograr la resolución de imágenes de una sola célula in vivo sigue siendo un gran desafío y requiere mucho tiempo.
Para superar estas limitaciones, los investigadores han desarrollado líneas transgénicas de pez cebra que expresan GECIs en β células, lo que permite la visualización en tiempo real de la afluencia de Ca2+ en las célulasβ 5,6,7,8,9. Utilizando estas herramientas, se encontró que en cultivo celular, las células β del pez cebra muestran una respuesta conservada a la glucosa elevada, similar a los islotes de ratón y humanos. Además, la claridad óptica de las larvas de pez cebra ha permitido examinar la función de las células β en su entorno nativo. Es importante destacar que, a partir de los 4 días después de la fertilización (dpf), las células β del islote primario del pez cebra expresan marcadores de madurez, como el ortólogo del pez cebra de urocortina3 (ucn3l) y muestran respuestas in vitro a la glucosa en el rango fisiológico6. Además, el islote del pez cebra está densamente vascularizado e inervado10. La ablación genética de las células β en esta etapa conduce a la intolerancia a la glucosa. Además, el pez cebra muestra respuestas conservadas a agentes reductores de glucosa como la insulina y las sulfonilureas, lo que demuestra que el islote primario es un tejido sensible a la glucosa y conectado sistémicamente que controla los niveles de glucosa. Estas características especiales hacen del pez cebra un modelo único para estudiar la actividad de las células β de los islotes in vivo11,12.
El protocolo para la obtención de imágenes de Ca2+ y la inyección simultánea de glucosa directamente en la circulación del pez cebra permite investigar la respuesta a la glucosa de la célula β in vivo. Este protocolo permite la inyección de concentraciones de glucosa definidas en combinación con una alta resolución temporal y espacial, que en conjunto revelan la respuesta coordinada de las células β a la glucosa y la presencia de células β de primera respuesta in vivo13. Además, el protocolo se puede adaptar a cualquier solución inyectable, como compuestos químicos o péptidos pequeños. En general, esta metodología ilustra la fortaleza del modelo de pez cebra para investigar la coordinación β células in vivo y caracterizar cómo los componentes ambientales y genéticos podrían afectar la función de las células β.
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Las líneas transgénicas previamente establecidas y utilizadas en este estudio fueron Tg(ins:GCaMP6s; cryaa:mCherry)6, Tg(ins:cdt1-mCherry; cryaa:CFP)14. Todos los experimentos se llevaron a cabo de conformidad con las leyes de la Unión Europea y Alemania (Tierschutzgesetz) y con la aprobación de los Comités de Ética de la Universidad Técnica de Dresde y de la Landesdirektion Sachsen (números de aprobación: AZ 24D-9168,11-1/2013-14, TV38/2015, T12/2016 y T13/2016, TVV50/2017, TVV 45/2018 y TVV33-2019). En este estudio, se realizaron todas las imágenes en vivo in vivo e inyecciones de glucosa, así como procedimientos experimentales con larvas de pez cebra que no superaron la etapa de 5 días después de la fertilización (dpf), según lo establecido en la ley de protección animal (TierSchVersV §14). De acuerdo con la directiva de la UE 2010/63/UE, el uso de estas etapas anteriores del pez cebra reduce el número de animales de experimentación, de acuerdo con los principios de las 3R.
1. Preparación
NOTA: Este protocolo se refiere a la obtención de imágenes in vivo de Ca2+ del islote primario del pez cebra de Tg(ins:cdt1-mCherry; cryaa:CFP); Tg(ins:GCaMP6s; cryaa:mCherry) larvas transgénicas dobles. En estos animales, el promotor de insulina impulsa la expresión de cdt1-mCherry, que marca los núcleos de las células β individuales en fluorescencia roja. GCaMP6s muestra cambios en la fluorescencia verde en respuesta a los niveles intracelulares de Ca2+ . La expresión específica de los GCaMP6 en las células β permite caracterizar la capacidad de respuesta a la glucosa de las células individuales sin la interferencia de otros tipos de células o tejidos.
2. Montaje de larvas de pez cebra
NOTA: El doble transgénico Tg(ins:cdt1-mCherry; cryaa:CFP); Tg(ins:GCaMP6s; Los embriones cryaa:mCherry) se tratan con un 0,03% (20 μM) de 1-fenil-2-tiourea (PTU) para inhibir la pigmentación a partir de las 24 h posteriores a la fecundación. A 4,5 dpf, anestesiar las larvas utilizando el 0,04% de la concentración final de Tricaína justo antes de la monta.
3. Inyección simultánea e imagen de Ca2+ de células β
NOTA: Aquellas larvas que tienen un exceso de yema en la parte superior del páncreas debido a un retraso en el desarrollo no deben usarse para la obtención de imágenes, ya que los lípidos de la yema interfieren con la calidad de la imagen. Además, se utilizan potencias láser bajas (0,5%-5%) para evitar el fotoblanqueo y la fototoxicidad.
4. Cuantificación de trazas de fluorescencia GCaMP para células β individuales
NOTA: Si el animal presenta demasiado movimiento, la película se puede estabilizar utilizando el plug-in FIJI Registro de series basado en descriptores (2d/3d + t)17.
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Utilizando este protocolo, se caracterizó la respuesta a la glucosa de las células β individuales en su entorno nativo. Para ello, la larva de pez cebra se monta en una placa de Petri con fondo de cristal. Utilizando un manipulador 3D, se insertó un capilar de vidrio en la circulación, dirigido al SV (Figura 1 y Figura 2). Esto permite la inyección de volúmenes específicos de soluciones con una concentración definida. A...
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En este protocolo, se exploró la dinámica de Ca2+ de las células β en su microambiente nativo con resolución de una sola célula. Esto es posible estimulando las células β del pez cebra con una inyección de glucosa en la circulación mientras registran su dinámica de Ca2+ utilizando GCaMP6s.
El protocolo ofrece tres ventajas principales. En primer lugar, los investigadores han demostrado que las células β del pez cebra muestran...
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Los autores declaran no tener intereses financieros contrapuestos.
Nikolay Ninov recibió financiación del Centro de Terapias Regenerativas de Dresde de la Universidad Técnica de Dresde y del Centro Alemán de Investigación sobre la Diabetes (DZD), así como becas de investigación de la Fundación Alemana de Investigación (DFG) y del Grupo Internacional de Formación en Investigación (IRTG 2251), Estrategias Inmunológicas y Celulares en Enfermedades Metabólicas. Agradecemos al Servicio de Microscopía Óptica del CRTD por el apoyo en todas las técnicas de imagen. Agradecemos a la Instalación de Peces en el CRTD por toda la asistencia técnica y el apoyo de los peces.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
35 mm diameter glass-bottom dishes | Mattek | P35G-1.5-14-C | We use this glass-bottom dish to mount the zebrafish larvae and perform confocal microscopy |
Blue-Green filter cube | ZEISS | 489038-9901-000 | Filter Set 38 HE |
Confocal Microscope | ZEISS | LSM 980 | |
D-(+)-Glucose | Sigma-Aldrich | G7528 | |
Excel (2016) | https://www.office.com/ | ||
Femtojet | Eppendorf | 5252000013 | This equipment is a pneumatic micropump, which allows precise volume delivery and is accompanied by a capillary holder. We use the micropump Femtojet (injection pressure between 500-1000 hPa; compensation pressure = 0 hPa; and delivery time = 1 second). |
Femtotips, glass capillaries ready to be used. | Eppendorf | 5242952008 | This are ready to use glass capillaries that can substitute the pulled-capillaries. |
FIJI, using ImageJ Version: 1.51c | https://fiji.sc/ | ||
Fluorescence lamp | ZEISS | 423013-9010-000 | Illuminator HXP 120 V |
Glass capillaries 3.5" | Drummonds Scientific Company | 3-000-203-G/X | We use these glass capillaries to prepare the injection capillaries by pulling them with a capillary -puller |
Injectman | Eppendorf | 5192000019 | This equipment allows for 3D manipulation of the capillary holder |
Low melting agarose | Biozym | Art. -Nr.: 840101 | We use the agarose to mount the zebrafish onto the glass-bottom dish |
Microloader tip for glass microcapillaries 0.5 – 20 µL, 100 mm | Eppendorf | 5242956003 | Long tips for loading the glass capillaries with the solutions |
Micro-tweezers | Dumont Swiss made | 0102-4-PO | We use the micro-tweezers to move the zebrafish larvae during the mounting and to cut off the tip of the glass capillary (eg. Dumont, size 4). |
Mineral oil | Sigma-Aldrich | M5904 | We use the mineral oil to calibrate the drop size to inject |
P-1000 Next Generation Pipette Puller | Science Products | P-1000 | We use this capillary puller to prepare the glass capillary using the Drumond capillaries. We use the P-1000 capillary puller with the following parameters: Heat: 650, Pull: 20, Vel: 160, Time: 200, Pressure: 500. |
PTU (1-phenyl-2-thiourea ) | Sigma-Aldrich | P7629 | We use this compound to inhibit pigmentation during zebrafish development |
Red Filter Cube | ZEISS | 000000-1114-462 | Filter set 45 HQ TexasRed |
Stereo microscope | ZEISS | 495015-0001-000 | SteREO Discovery.V8 |
Syringe filters, sterile. Pore size 0.2 µm | Pall Corporation | 4612 | We use these to filter all the solutions and prevent the capillary needle clothing |
Transgenic Zebrafish line:Tg(ins:cdt1-mCherry;cryaa:CFP); Tg(ins:GCaMP6s;cryaa:mCherry) | |||
tricaine methanesulfonate (MS222) | Sigma-Aldrich | E10521 | We use this compound to anesthetize the fish larvae |
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