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Method Article
* Questi autori hanno contribuito in egual misura
I nanotubi a effetto tunnel (TNT) sono principalmente nanotubi di membrana F-actina aperti che collegano le cellule vicine, facilitando la comunicazione intercellulare. La caratteristica notevole che distingue i TNT da altre protrusioni cellulari è la natura sospesa dei nanotubi tra le cellule. Qui, caratterizziamo i TNT costruendo una vista del volume 3D di immagini z-stack confocali.
Recenti scoperte hanno rivelato che le cellule eseguono un trasferimento intercellulare diretto, a lungo raggio, tramite condotti su nanometria, membrana di actina, vale a dire "nanotubi tunneling" (TNT). I TNT sono definiti come estensioni di membrana a doppio strato lipidico aperte che mediano la continuità tra cellule vicine di diametro compreso tra 50 nm e 1 μm. I TNT sono stati dimostrati inizialmente nelle cellule neuronali, ma studi successivi hanno rivelato l'esistenza di TNT in diversi tipi di cellule e malattie, come malattie neurodegenerative, infezioni virali e cancro. Diversi studi hanno fatto riferimento a nanostrutture di membrana chiuse e accoppiate elettricamente tra cellule vicine come TNT o strutture simili al TNT.
La spiegazione dell'ultrastruttura in termini di continuità della membrana all'endpoint è tecnicamente impegnativa. Inoltre, gli studi sulla comunicazione cellula-cellula sono impegnativi in termini di caratterizzazione dei TNT utilizzando metodi convenzionali a causa della mancanza di marcatori specifici. I TNT sono principalmente definiti come protrusioni di membrana aperte a base di F-actina. Tuttavia, una delle principali limitazioni è che la F-actina è presente in tutti i tipi di protrusioni, rendendo difficile differenziare i TNT da altre protrusioni. Una delle caratteristiche notevoli dei TNT a base di F-actina è che queste strutture si librano tra due cellule senza toccare il substrato. Pertanto, TNT distinti colorati con F-actina possono essere convenientemente distinti da altre sporgenze come filopodi e neuriti in base al loro librarsi tra le cellule.
Abbiamo recentemente dimostrato che l'internalizzazione dell'amiloide-β oligomerica1-42 (oAβ) attraverso l'endocitosi actina-dipendente stimola la chinasi-1 attivata da p21 attivata (PAK1), che media la formazione di TNT contenenti F-actina coespressi con fosfo-PAK1 tra cellule neuronali SH-SY5Y. Questo protocollo delinea un metodo di analisi del volume 3D per identificare e caratterizzare i TNT dalle immagini z-stack catturate di protrusioni di membrana immunocolorate con F-actina e fosfo-PAK1 in cellule neuronali trattate con oAβ. Inoltre, i TNT si distinguono dallo sviluppo di neuriti e escrescenze neuronali basate su condotti di membrana con tubazione tubulinica F-actina e β-III.
I nanotubi a effetto tunnel (TNT) sono condotti di membrana basati su F-actina, principalmente aperti e svolgono un ruolo vitale nel trasferimento intercellulare di carichi e organelli1. La caratteristica unica dei TNT è che collegano le cellule vicine senza alcun contatto con il substrato; Sono lunghi oltre 10-300 μm e i loro diametri variano tra 50 nm e 1 μm 2,3. I TNT sono strutture transitorie e la loro durata dura da pochi minuti a diverse ore. I TNT sono stati dimostrati per la prima volta nelle cellule neuronali PC121; Successivamente, numerosi studi hanno dimostrato la loro esistenza in diversi tipi di cellule in vitro e in vivo 4,5. Diversi studi hanno rivelato il significato patologico dei TNT in vari modelli di malattia, come le malattie neurodegenerative, il cancro e le infezioni virali 6,7,8.
Le eterogeneità strutturali dei TNT sono state dimostrate da diversi studi in vari sistemi cellulari9. Le differenze si basano sulla composizione del citoscheletro, sul meccanismo di formazione e sui tipi di carico trasferiti10. In primo luogo, la continuità di membrana aperta, F-actina-positiva che si libra tra due cellule vicine e trasferisce organelli è considerata costituita da TNT11. Tuttavia, la mancanza di chiarezza o diversità osservata nella formazione dei TNT aumenta la difficoltà nello sviluppo di marcatori specifici per TNT. Pertanto, è difficile identificare le strutture TNT con metodi di rilevamento convenzionali e distinguere i nanotubi di membrana in termini di sporgenze aperte e chiuse12. Tuttavia, la caratteristica dei TNT di librarsi come sporgenze della membrana F-actina tra due cellule è relativamente più facile e più fattibile da identificare utilizzando le tecniche di imaging convenzionali. Altre protrusioni cellulari basate sull'actina come la filopodia e la filopodia dorsale non possono librarsi tra due cellule distanti, in particolare quando le cellule sono fisse. Da notare, i neuriti in via di sviluppo chiusi, accoppiati elettricamente, sono spesso definiti strutture simili a TNT13.
È noto che la F-actina svolge un ruolo importante nella formazione del TNT e diversi studi hanno dimostrato che l'inibitore della F-actina citocalasina D inibisce la formazione di TNT14,15. Al contrario, gli inibitori dei microtubuli non hanno alcun effetto sulla formazione di TNT16. Gli ultimi 2 decenni hanno visto diversi rapporti sul ruolo significativo che i TNT svolgono nella diffusione della patologia e della resistenza e terapia tumorale17. Pertanto, c'è una domanda infinita di tecniche migliori per la caratterizzazione del TNT.
La mancanza di marcatori specifici di TNT e la diversità nella morfologia e nella composizione citoscheletrica rendono difficile lo sviluppo di un metodo unico di caratterizzazione. Alcuni studi hanno utilizzato tecniche di rilevamento automatico delle immagini e quantificazione del TNT18,19. Tuttavia, ci sono diversi vantaggi dell'attuale metodo di analisi manuale del volume 3D rispetto all'analisi automatica delle immagini per il rilevamento e la quantificazione dei TNT. Spesso, gli occhi umani addestrati possono individuare queste nanostrutture sospese più facilmente di un metodo di rilevamento automatico delle immagini. Inoltre, i metodi di rilevamento automatico potrebbero essere difficili da implementare nei laboratori privi di esperienza algoritmica. Il presente metodo potrebbe essere ampiamente adottato dai ricercatori grazie alla sua precisione e riproducibilità.
In uno studio recente, abbiamo dimostrato che oAβ promuove la biogenesi del TNT nelle cellule neuronali attraverso un meccanismo di endocitosi mediato da PAK1, actina-dipendente,12. I TNT indotti da oAβ esprimono anche PAK1 attivato (o fosfo-PAK1). Abbiamo sviluppato un metodo di ricostruzione dell'immagine con vista del volume 3D per distinguere i TNT immunocolorati da oAβ, F-actina e fosfo-PAK1. I neuriti in via di sviluppo positivi alla tubulina β-III assomigliano spesso a strutture sospese simili a TNT20. Quindi, abbiamo ulteriormente distinto i TNT a base di F-actina dai neuriti positivi alla tubulina β-III e da altre sporgenze simili al TNT. Le immagini 3D della vista del volume sono state utilizzate per identificare i TNT sulla base delle loro caratteristiche di librarsi sopra il substrato e rimanere connessi tra due celle vicine. Questo articolo descrive l'identificazione e il rilevamento di condotti a membrana contenenti actina o TNT utilizzando immagini confocali z-stack e, infine, la quantificazione manuale delle strutture identificate da immagini di ricostruzione della vista del volume 3D. Il metodo presentato non è in grado di distinguere i TNT propri aperti dalle strutture simili al TNT chiuse; questo metodo aiuta a identificare i TNT in coltura cellulare 2D in vitro su un substrato piatto. Tuttavia, il metodo è facile da implementare e riprodurre e può essere ampiamente utilizzato per la quantificazione precisa dei soli TNT a base di actina e per distinguerli dai neuriti e dalle strutture simili al TNT positivo alla β-tubulina.
NOTA: Le cellule SH-SY5Y coltivate in terreni DMEM/F-12 sono state differenziate con acido retinoico 10 μM per 7 giorni e trattate con oligomeri oAβ da 1 μM per 2 ore a 37 °C (5% CO2). Dopo il trattamento, le cellule sono state fissate con la soluzione fissativa di Karnovsky e doppiamente immunocolorate con anticorpo fosfo-PAK1 (Thr423)/PAK2 (Thr402) e falloidina legante la F-actina. Successivamente, sono state scattate immagini confocali z-stack utilizzando un microscopio a scansione laser confocale. I TNT sono stati quantificati mediante conteggio manuale e distinti da altri neuriti / protrusioni cellulari costruendo immagini di visualizzazione del volume 3D e identificando le strutture dalla loro caratteristica di librarsi tra due cellule senza toccare il substrato (Figura 1).
1. Coltura cellulare e differenziamento
2. Preparazione di oligomeri di amiloide-β1-42 (oAβ) per il trattamento delle cellule neuronali
3. Immunocolorazione di F-actina e PAK1 attivato per la caratterizzazione di TNT
4. Immunocolorazione della tubulina F-actina e β-III per distinguere i TNT dai neuriti
5. Imaging con microscopia confocale
6. Analisi di immagini confocali z-stack per identificare e quantificare TNT
7.3D ricostruzione di immagini z-stack per caratterizzare TNT
Qui, identifichiamo e caratterizziamo i TNT indotti da oAβ nelle cellule neuronali SH-SY5Y costruendo viste del volume 3D da immagini confocali z-stack (Figura 1). Le cellule sono state doppiamente immunocolorate con F-actina e fosfo-PAK1. Sono state analizzate immagini z-stack confocali di cellule immunocolorate per identificare i TNT (Figura 2). Inoltre, le immagini DIC sono state analizzate per verificare che le strutture TNT colorate con F-actina e fosfo-PA...
Diversi ricercatori negli ultimi 2 decenni hanno cercato di capire e caratterizzare la struttura dei TNT18. La mancanza di marcatori specifici ostacola il progresso e vi è una crescente domanda di un metodo conveniente e standardizzato che possa essere utilizzato per identificare, caratterizzare e quantificare i TNT. I TNT sono definiti come condotti di membrana a base di F-actina che si librano tra due cellule. Gli studi hanno dimostrato che i neuriti in via di sviluppo β-tubulina-positivi, vic...
Gli autori non hanno alcun conflitto di interessi da rivelare.
D.K.V e A.R ringraziano la Manipal Academy of Higher Education per la borsa di studio TMA Pai. Ringraziamo il Science and Engineering Research Board of India per SERB-SRG (#SRG/2021/001315), nonché l'Indian Council of Medical Research of India (#5/4-5/Ad-hoc/Neuro/216/2020-NCD-I) e il fondo intramurale della Manipal Academy of Higher Education, Manipal, India. Ringraziamo la struttura confocale del JNCASR (Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research, India) e B. Suma per la microscopia confocale in 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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