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* Estos autores han contribuido por igual
Los nanotubos de túnel (TNT) son principalmente nanotubos de membrana de actina F abiertos que conectan las células vecinas, facilitando la comunicación intercelular. La característica notable que distingue a los TNT de otras protuberancias celulares es la naturaleza flotante de los nanotubos entre las células. Aquí, caracterizamos los TNT mediante la construcción de una vista de volumen 3D de imágenes confocales de pila z.
Descubrimientos recientes han revelado que las células realizan una transferencia intercelular directa y de largo alcance a través de conductos de membrana de actina a nanoescala, a saber, "nanotubos de túnel" (TNT). Los TNT se definen como extensiones de membrana abiertas rodeadas de bicapa lipídica que median la continuidad entre células vecinas de diámetros que oscilan entre 50 nm y 1 μm. Los TNT se demostraron inicialmente en células neuronales, pero estudios sucesivos han revelado la existencia de TNT en varios tipos de células y enfermedades, como enfermedades neurodegenerativas, infecciones virales y cáncer. Varios estudios se han referido a nanoestructuras de membrana cerradas y acopladas eléctricamente entre células vecinas como TNT o estructuras similares a TNT.
La elucidación de la ultraestructura en términos de continuidad de la membrana en el punto final es técnicamente desafiante. Además, los estudios sobre la comunicación célula-célula son desafiantes en términos de la caracterización de TNT utilizando métodos convencionales debido a la falta de marcadores específicos. Los TNT se definen principalmente como protuberancias de membrana abiertas basadas en actina F. Sin embargo, una limitación importante es que la actina F está presente en todos los tipos de protuberancias, lo que dificulta la diferenciación de los TNT de otras protuberancias. Una de las características notables de los TNT basados en actina F es que estas estructuras flotan entre dos células sin tocar el sustrato. Por lo tanto, los distintos TNT teñidos con actina F se pueden distinguir convenientemente de otras protuberancias como los filopodios y las neuritas en función de su flotación entre las células.
Recientemente hemos demostrado que la internalización de la β amiloide oligomérica 1-42 (oAβ) a través de endocitosis dependiente de actina estimula la quinasa-1 activada por p21 activada (PAK1), que media la formación de TNT que contienen actina F coexpresados con fosfo-PAK1 entre las células neuronalesSH-SY5Y. Este protocolo describe un método de análisis de volumen 3D para identificar y caracterizar TNT a partir de las imágenes capturadas de la pila z de protuberancias de membrana inmunoteñidas con actina F y fosfo-PAK1 en células neuronales tratadas con oAβ. Además, los TNT se distinguen del desarrollo de neuritas y excrecencias neuronales basadas en conductos de membrana inmunoteñidos con tubulina F-actina y β-III.
Los nanotubos de túnel (TNT) son conductos de membrana basados principalmente en actina F, principalmente abiertos, y desempeñan un papel vital en la transferencia intercelular de carga y orgánulos1. La característica única de los TNT es que conectan las células vecinas sin ningún contacto con el sustrato; Tienen más de 10-300 μm de longitud y sus diámetros varían entre 50 nm a 1 μm 2,3. Los TNT son estructuras transitorias, y su vida dura entre unos pocos minutos y varias horas. Los TNT se demostraron por primera vez en células neuronales PC121; Posteriormente, numerosos estudios demostraron su existencia en varios tipos celulares in vitro e in vivo 4,5. Varios estudios han revelado la importancia patológica de los TNT en diversos modelos de enfermedades, como enfermedades neurodegenerativas, cáncer e infecciones virales 6,7,8.
Las heterogeneidades estructurales de los TNT han sido demostradas por varios estudios en diversos sistemas celulares9. Las diferencias se basan en la composición del citoesqueleto, el mecanismo de formación y los tipos de carga transferidos10. Principalmente, se considera que la continuidad de membrana abierta y positiva para actina F que se cierne entre dos células vecinas y transfiere orgánulos consiste en TNT11. Sin embargo, la falta de claridad o diversidad observada en la formación de TNT se suma a la dificultad en el desarrollo de marcadores específicos de TNT. Por lo tanto, es difícil identificar estructuras de TNT por métodos de detección convencionales y distinguir nanotubos de membrana en términos de protuberancias abiertas y cerradas12. Sin embargo, la característica de los TNT de flotar como protuberancias de membrana de actina F entre dos células es relativamente más fácil y más factible de identificar utilizando técnicas de imagen convencionales. Otras protuberancias celulares basadas en actina, como los filopodios y los filopodios dorsales, no pueden flotar entre dos células distantes, particularmente cuando las células son fijas. Cabe destacar que las neuritas en desarrollo cerradas, acopladas eléctricamente, a menudo se denominan estructuras similares al TNT13.
Se sabe que la actina F juega un papel importante en la formación de TNT, y varios estudios han demostrado que el inhibidor de la actina F citocalasina D inhibe la formación de TNTs14,15. En contraste, los inhibidores de los microtúbulos no tienen ningún efecto sobre la formación de TNT16. En las últimas 2 décadas se han producido varios informes sobre el importante papel que desempeñan los TNT en la propagación de la patología y la resistencia tumoral y la terapia17. Por lo tanto, existe una demanda interminable de mejores técnicas para la caracterización de TNT.
La falta de marcadores específicos de TNT y la diversidad en morfología y composición citoesquelética dificultan el desarrollo de un método único de caracterización. Algunos estudios han utilizado técnicas automatizadas de detección de imágenes y cuantificación de TNT18,19. Sin embargo, hay varias ventajas del actual método de análisis manual de volumen 3D sobre el análisis automático de imágenes para la detección y cuantificación de TNT. A menudo, los ojos humanos entrenados pueden detectar estas nanoestructuras flotantes más fácilmente que un método automatizado de detección de imágenes. Además, los métodos de detección automática podrían ser difíciles de implementar en laboratorios que carecen de experiencia en algoritmos. El presente método podría ser ampliamente adoptado por los investigadores debido a su precisión y reproducibilidad.
En un estudio reciente, demostramos que oAβ promueve la biogénesis de TNTs en células neuronales a través de un mecanismo de endocitosis mediado por PAK1, dependiente de actina12. oLos TNT inducidos por Aβ también expresan PAK1 activado (o fosfo-PAK1). Desarrollamos un método de reconstrucción de imágenes de vista de volumen 3D para distinguir TNT inmunoteñidos con oAβ, F-actina y fosfo-PAK1. Las neuritas en desarrollo β-III positivas para tubulina a menudo se asemejan a estructuras flotantes similares al TNT20. Por lo tanto, distinguimos aún más los TNT basados en actina F de las neuritas β-III tubulina positivas y otras protuberancias similares al TNT. Las imágenes de vista de volumen 3D se han utilizado para identificar TNT sobre la base de sus características de flotar sobre el sustrato y permanecer conectado entre dos células vecinas. Este artículo describe la identificación y detección de conductos de membrana que contienen actina o TNT utilizando imágenes confocales de pila z y, finalmente, la cuantificación manual de las estructuras identificadas a partir de imágenes de reconstrucción de vista de volumen 3D. El método presentado no puede distinguir los TNT propios de final abierto de las estructuras similares al TNT de extremo cerrado; este método ayuda a identificar TNT en cultivo celular 2D in vitro en un sustrato plano. Sin embargo, el método es fácil de implementar y reproducir y puede ser ampliamente utilizado para la cuantificación precisa de TNT basados en actina y para distinguirlos de las neuritas y las estructuras similares al TNT positivas para β-tubulina.
NOTA: Las células SH-SY5Y cultivadas en medios DMEM/F-12 se diferenciaron con ácido retinoico 10 μM durante 7 días y se trataron con oligómeros oAβ de 1 μM durante 2 h a 37 °C (5% deCO2). Después del tratamiento, las células se fijaron con la solución fijadora de Karnovsky y se inmunotiñeron dos veces con el anticuerpo fosfo-PAK1 (Thr423) / PAK2 (Thr402) y faloidina de unión a actina F. Más tarde, se tomaron imágenes confocales de la pila z utilizando un microscopio de barrido láser confocal. Los TNT se cuantificaron mediante conteo manual y se distinguieron de otras protuberancias neuritas / células mediante la construcción de imágenes de vista de volumen 3D e identificando las estructuras a partir de su característica de flotar entre dos células sin tocar el sustrato (Figura 1).
1. Cultivo celular y diferenciación
2. Preparación de oligómeros de amiloide-β1-42 (oAβ) para tratar células neuronales
3. Inmunotinción de F-actina y activado-PAK1 para la caracterización de TNTs
4. Inmunotinción de F-actina y tubulina β-III para distinguir los TNT de las neuritas
5. Imagen con microscopía confocal
6. Análisis de imágenes confocales z-stack para identificar y cuantificar TNTs
7.3D reconstrucción de imágenes z-stack para caracterizar TNTs
Aquí, identificamos y caracterizamos TNT inducidos por oAβ en células neuronales SH-SY5Y mediante la construcción de vistas de volumen 3D a partir de imágenes confocales de pila z (Figura 1). Las células fueron doblemente inmunoteñidas con actina F y fosfo-PAK1. Se analizaron imágenes confocales de pila z de células inmunoteñidas para identificar TNT (Figura 2). Además, se analizaron imágenes DIC para verificar que las estructuras de TNT teñidas con...
Varios investigadores en las últimas 2 décadas han estado tratando de entender y caracterizar la estructura de TNTs18. La falta de marcadores específicos dificulta el progreso, y existe una creciente demanda de un método conveniente y estandarizado que se pueda utilizar para identificar, caracterizar y cuantificar los TNT. Los TNT se definen como conductos de membrana basados en actina F que flotan entre dos células. Los estudios han demostrado que las neuritas en desarrollo β positivas para...
Los autores no tienen ningún conflicto de intereses que revelar.
D.K.V y A.R agradecen a la Academia Manipal de Educación Superior por la beca TMA Pai. Agradecemos a la Junta de Investigación de Ciencia e Ingeniería de la India por SERB-SRG (#SRG/2021/001315), así como al Consejo Indio de Investigación Médica de la India (# 5/4-5 / Ad-hoc / Neuro / 216 / 2020-NCD-I) y al fondo intramuros de la Academia Manipal de Educación Superior, Manipal, India. Agradecemos a la instalación confocal de JNCASR (Centro Jawaharlal Nehru para la Investigación Científica Avanzada, India) y a B. Suma por la microscopía confocal en JNCASR.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
35 mm dish with 14 mm well size made of #1.5 cover slip | Cellvis | D35-14-1.5-N | Imaging dish used to seed cells for staining experiments |
Aβ (1-42) 1 mg | AnaSpec | #64129 | Oligomers of amyloid beta to treat the cells |
Alexa flour 488 Goat Anti-rabbit IgG (H+L) | Invitrogen | A11070 | Secondary antibody for phospho-PAK1 |
Biological Safety Cabinet | Thermo Scientific (MSC Advantage) | 51025411 | Provide aspetic conditions duirng cell culture |
CO2 Incubator | Thermo Electron Corporation (Heraeus Hera Cell 240) | 51026556 | For growing cells at or near body temperature |
Confocal Laser Scanning Microscope | ZEISS (Carl Zeiss) | LSM 880 | Able to generate three-dimensional images of large specimen at super-resolution |
DABCO [1,4-Diazobicyclo-(2,2,2) octane] | Merck | 8034560100 | Anti-bleaching reagent |
DAPI (4′,6-diamidino-2-phenylindole) | Sigma | D9542-1MG | Neuclear stainer |
DMEM media | Gibco | 11965092 | Used for the preparation of 100uM of Aβ (1-42) |
DMEM/F12 (1:1 mixture of DMEM and Ham’s F12) | Gibco | 12500062 | Culture media for SH-SY5Y |
DMSO (Dimethyl sulphide) Cell culture grade | Cryopur | CP-100 | Cell culture grade used as dissolving agent for Retinoic acid |
DMSO (Dimethyl sulphide) Molecular grade | Himedia | MB058 | Used as one of the dissolving agent for the lyophilized Aβ (1-42) |
Fetal Bovine Serum | Gibco | 16000044 | Major supplement for Culture media (US origin) |
Formalin Fixative (Neutral buffered 10%) | Sigma Aldrich | HT5014-120ML | Component in the Karnovsky's fixative solution |
Glutaraldehyde (Grade I, 25% in H2O) | Sigma | G5882 | Component in the Karnovsky's fixative solution |
HFIP (1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol ) solution | TCI | H024 | Used to dissolve Aβ (1-42) 1 mg |
Image Processing/ Analysis Software: FIJI (ImageJ) | National Institute of Health (NIH) | Used to process/analyze the images and to differentiate the TNTs from neurites using its plugin named "volume viewer". | |
Lyophilizer | Christ, Alpha | 2.4 LDplus | 0.05 mg aliquots of Aβ (1-42) can be stored in -20 °C after lyophilization only |
Penicillin-Streptomycin-Neomycin Mixture | Thermo fisher Scientific | 15640055 | Antibiotic mixture |
Phalloidin-iFlor 555 | Abcam | ab176756 | F-actin binding stain |
Phospho-PAK1 (Thr423) /PAK2 (Thr402) [Rabbit] | CST | #2601 | Primary antibody |
Polyclonal Antibody to Tubulin Beta 3 (TUBb3) | Cloud clone | PAE711Hu01 | Primary antibody |
Retinoic acid | Sigma-Aldrich | R2625-50MG | Differentiating reagent |
Saponin | Merck | 8047-15-2 | Detergent used in the Incubation buffer in immunostaining |
Water bath sonicator (Quart, Drain valve Heater) | Ultrasonic Cleaner | 3.0 L/3.2 | Sonicator used to dissolve Aβ (1-42) stock, after DMSO adding to it during the preparation of 100 µM Aβ (1-42) |
ZEN Microscopy software | ZEISS (Carl Zeiss) | Imaging software to acquire confocal microscopy images with smart automation |
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