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Funcionalidade de células beta é importante para a homeostase de glicose sanguínea, que é avaliada em célula única resolução usando um repórter geneticamente codificado para o influxo de cálcio.
As células-beta do pâncreas respondem ao aumento das concentrações de glicose do sangue através da secreção da hormona insulina. A disfunção das células beta leva a hiperglicemia e consequências graves, com risco de vida. Compreensão de como as células-beta operam sob condições fisiológicas e que fatores genéticos e ambientais podem causar sua disfunção pode levar a melhores opções de tratamento para pacientes diabéticos. A capacidade de medir os níveis de cálcio em células-beta serve como um importante indicador da função de células beta, como o fluxo de liberação de insulina de gatilhos de íons de cálcio. Aqui descrevemos um protocolo para monitorar o influxo de cálcio glicose-estimulada em células-beta do zebrafish usando GCaMP6s, um sensor geneticamente codificado de cálcio. O método permite o monitoramento da dinâmica de cálcio intracelular com resolução de célula única em ex vivo montado ilhotas. A glicose-capacidade de resposta das células-beta dentro da mesma ilha pode ser capturado simultaneamente sob concentrações diferentes de glicose, que sugere a presença de heterogeneidade funcional entre as células-beta do zebrafish. Além disso, a técnica fornece a alta resolução temporal e espacial, que revela a natureza oscilatória o influxo de cálcio após estimulação de glicose. Nossa abordagem abre as portas para usar o zebrafish como um modelo para investigar a contribuição de fatores genéticos e ambientais para a função de células beta e disfunção.
Nossa glicose no sangue é mantida em uma estreita faixa, em grande parte devido a função do pâncreas endócrino. A função endócrina do pâncreas é executada por ilhotas de Langerhans, que contêm células secretoras de hormônio. As beta-células secretoras de insulina são responsáveis pela redução dos níveis de glicose sanguínea após uma refeição contendo carboidratos. A secreção de insulina inadequada de células beta pode resultar em diabetes1, que é caracterizada por glicemia alta sustentada. Tipo 1 e Diabetes tipo 2, que atualmente atinge mais de 400 milhões de pessoas no mundo, leva a morbidade e mortalidade2. Investigando os fatores moleculares e ambientais que contribuem para a disfunção da célula beta, entenderemos melhor como diabetes tipo 2 começa e progride. Além disso, a capacidade de diferenciar células estaminais humanas em células-beta funcional em vitro pode fornecer uma fonte de novas células-beta das terapias de reposição celular no Diabetes tipo 1. Para este fim, é importante estudar a função da célula beta e maturação em organismos-modelo genético a fim de obter o conhecimento necessário para fazer as células-beta funcionais em um prato.
Funcionalidade de células beta pode ser monitorada no nível de conjunto-ilhéu por quantificar a quantidade total de insulina secretada em resposta à glicose-estimulação. Esta abordagem cumulativa estuda o ilhéu como um único grupo de células sem diferenciação individual Propriedades da célula. No entanto, a análise das respostas de glicose de beta-células individuais revelou uma diversidade nas propriedades funcionais das células beta e a presença de heterogeneidade3. Para avaliar a função das células beta-individuais, é possível monitorar as alterações intracelulares que levam à secreção de insulina4. A secreção de insulina é precedida por uma entrada de glicose para as células-beta. A glicose que entra nas células-beta é rapidamente metabolizada a ATP. Altas concentrações de ATP intracelulares diminuem a probabilidade aberta de canais de íons de potássio sensíveis ao ATP levando a despolarização da célula beta. Despolarização abre os canais iônicos de cálcio voltagem-sensíveis e aumenta cálcio intracelular. Por sua vez, cálcio desencadeia a exocitose de insulina, que é liberada na circulação e reduz os níveis de glicose através da promoção da utilização de glicose5,6,7.
Várias estratégias foram aplicadas para investigar a função das células beta, incluindo monitoramento do potencial de membrana8, visualização directa de insulina-vesículas de exocitose9e quantificação de intracelular Ca2 + afluxo como um proxy para glicose-resposta10. Entre eles, imagem latente de intracelular Ca2 + fornece a vantagem da extrapolação da análise de várias células individuais dentro da mesma ilhéu11,12, permitindo a comparação direta da glicose-resposta entre beta-células individuais. Concentração de Ca2 + intracelular pode ser monitorada usando corantes fluorescentes sensíveis ao cálcio13 ou cálcio geneticamente codificado indicadores (GECIs)14. Considerando que o cálcio-indicador corantes falta especificidade de tipo de célula, GECIs pode ser expressa em um tipo específico de célula pelos promotores específicos. Além disso, a nova geração do GECIs, tais como GCaMP6, fornece a melhor relação sinal-ruído juntamente com mais rápido temporal dinâmica15. Aqui descrevemos o utilitário da novo-geração do GECIs, em particular GCaMP6s, Visualizar o cálcio em células-beta em resolução de célula única. Podemos aplicar esse método para o ilhéu primário zebrafish como nosso modelo de escolha. Durante o desenvolvimento embrionário, células-beta no Ilhéu do primário originam a dorsal e ventral do pâncreas botões16. A ilha principal está localizada em uma posição anatômica estereotipada dentro do pâncreas zebrafish, permitindo a sua fácil identificação e isolamento. Células-beta no Ilhéu do primário são necessárias para glicose-regulamento, conforme sua genética ablação leva à hiperglicemia17,18. Além disso, estas células-beta se tornar glicose responsivo durante o início do zebrafish desenvolvimento19. Este protocolo pode ser também aplicado a imagem latente as ilhotas secundárias, que se formam durante as fases pós-embrionárias. O protocolo permite a imagem beta-células ex vivo, em fases posteriores de desenvolvimento e sob as concentrações de glucose definidos.
Todos os procedimentos, incluindo assuntos animais foram aprovados pelo acto de bem-estar Animal e com a permissão do Landesdirektion Sachsen, Alemanha (AZ 24 – 9168.11 / 1/2013 / 14, T12/2016).
1. preparação
Nota: Este protocolo é para ex vivo por imagens do zebrafish ilhéu primário de duplo Tg transgénicos (ins:nls-Renilla-mKO2; cryaa:CFP); TG (ins:GCaMP6s; cryaa:mCherry) 19 zebrafish. Nesta linha de transgênicos, o promotor de insulina (ins) conduz a expressão específica de células beta de dois transgenes: nls-Renilla-mKO2, que marca o núcleo das células-beta com monomérico Kusabira laranja 2 (mKO2) fluorescência; e GCaMP6s15, que emite fluorescência verde em resposta ao aumento nos níveis de cálcio intracelular. A expressão de beta-pilha-específico de GCaMP6s permite estudar a glicose-capacidade de resposta das células-beta sem a interferência de alterações de cálcio em torno de tipos de células.
2. Zebrafish primária ilhéu dissecação e montagem
3. Ex Vivo ao vivo-imagem latente da intensidade de fluorescência GCaMP em ilhotas de Zebrafish primária
4. quantificação do traço de fluorescência GCaMP Beta-células individuais
Nota: Para localizar e quantificar as respostas das células-beta individuais para diferentes níveis de glicose, quantificar a intensidade de fluorescência GCaMP durante todo o período de imagem. Quantificação é realizada no celular resolução. Para isso, use FIJI20 para extrair os valores de intensidade de fluorescência GCaMP das imagens (etapas 4.1 – 4.6) e software de planilha ou R21 para realizar a análise (etapas 4.8 – 4,9).
Usando o protocolo descrito acima, foram analisadas as respostas de glicose das células-beta em um ilhéu de um zebrafish pós fertilização (dpf) de 45 dias. Para isso, a ilhota principal foi dissecada de um animal euthanized e montada no molde trombina fibrinogênio em um prato fundo de vidro. O ilhéu foi imerso em HBSS contendo glicose de 5 mM. A concentração de glicose foi aumentada de forma faseada de 10 mM e 20 mM. As respostas das células-beta para o aumento das concentrações de glicose foram gravadas. Finalmente, as células-beta foram despolarizadas usando 30 mM KCl (Figura 1). A despolarização usando KCl induz a entrada de cálcio nas células-beta saudáveis.
Usando a FIJI e um software de análise de dados, a intensidade de fluorescência GCaMP6s de beta-células individuais é extraída e normalizado (Figura 2). Como visto o rastreamento da intensidade de fluorescência, beta-células individuais exibem oscilações na GCaMP6s de fluorescência após estimulação de glicose, que para após estimulação de KCl. A técnica fornece uma resolução de celular de glicose-capacidade de resposta da célula beta- e uma janela em sua funcionalidade.
Figura 1: Ex vivo ao vivo-imagem latente do influxo de cálcio usando GCaMP6s em células-beta do zebrafish. Uma ilhota primária de Tg(ins:nls-Renilla-mKO2); TG(ins:GCaMP6s) zebrafish (45 dpf) foi montado no molde de fibrinogênio-trombina e incubada com glicose de 5 mM (basal). Células-beta foram rotuladas com um marcador vermelho nuclear, enquanto a fluorescência de GCaMP6s está presente no canal verde. O ilhéu foi estimulado com uma glicose-rampa consistindo de incubação sequencial com 10 mM e 20 mM D-glicose e despolarizada através da adição de 30 mM que KCl. setas marcam beta-células individuais, cuja actividade foi analisada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: normalizado GCaMP6s intensidade de fluorescência-traço beta-células individuais. Normalizado GCaMP6s fluorescência intensidade-rastreamento para as células-beta marcado com setas na Figura 1. O eixo x indica o tempo em segundos. No topo, barras mostram a concentração de glicose e de KCl no meio HBSS. O eixo y denota a intensidade de fluorescência normalizado durante a série de tempo. Por isso, intensidade da linha de base (F0) é calculada como a média intensidade durante incubação em glicose de 5 mM. Isto é subtraído os todo série de tempo dados (F - F0). A intensidade de linha de base é normalizada pela intensidade máxima exibida pela célula (F - F0) / (Fmáx- F0). O registo normalizado mostra uma resposta oscilatória das células beta à glicose, que estabiliza quando as células são despolarizadas com 30 mM KCl. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Aqui vamos demonstrar uma técnica para a quantificação de células beta glicose capacidade de resposta na resolução de célula única. Isto é possibilitado pela concentração de cálcio intracelular, utilizando um indicador de cálcio geneticamente codificado, GCaMP6s de monitoramento. A atividade de células beta é capturado ex vivo montando o Ilhéu em um molde de fibrinogênio-trombina. Uma etapa crítica do protocolo é a estabilidade do molde. Tempo suficiente deve ser dada para o fibrinogênio dissolver na solução HBSS. Sem isso, o molde não polimerizar-se suficientemente para fornecer estabilidade durante a sessão de imagens. Um ilhéu montado no molde de fibrinogênio-trombina e imersos em meios de cultura celular pode permanecer viável pelo menos uma semana (dados não mostrados). Alternativas para o molde de fibrinogênio-trombina, como agarose de baixo ponto de fusão, podem ser utilizadas para montar o ilhéu22. Outro parâmetro crítico é a dissecção da ilhota. Durante esta etapa, o tecido circundante a ilhota precisa ser removido sem ferir ou picar o ilhéu. Uma dissecação hábil vem com prática.
Uma limitação do protocolo de imagem é a restrição a um avião confocal de ilhota. Isso é feito para capturar a dinâmica do influxo de cálcio dentro beta-células individuais. Um Z-pilha através de toda espessura da ilhota leva à baixa de imagem velocidades e perda de sinal oscilatório de células individuais. Esta limitação pode ser melhorada usando meios mais rápidos de confocal de imagem tais como a microscopia de disco giratório, para permitir a captura a dinâmica de cálcio em 3 dimensões. Outra fronteira seria na vivo cálcio imagem12. A natureza transparente do zebrafish embrião ou o uso de cepas de pigmento-menos de zebrafish adultos23 poderia abrir a possibilidade para na vivo de imagens no futuro.
A imagem da atividade de células beta em alta resolução espacial e temporal permite investigar a heterogeneidade funcional entre beta-células individuais. Esta abordagem pode ajudar a lançar luz sobre a existência de sub-populações de células beta. Recentemente, vários estudos têm demonstrado a existência de sub-populações em células-beta nominalmente homogênea24,25,26. Ex vivo de imagem pode ser combinada com repórteres genéticos para caracterizar da resposta do subpopulação de glicose. Além disso, combinando a configuração de imagem com estimulação farmacológica pode permitir para rastreio de compostos que poderiam melhorar a funcionalidade de células beta.
Em resumo, a técnica aqui apresentada permite a quantificação e comparação entre a capacidade de resposta de glicose para beta-células individuais. Ele fornece uma janela direta para funções de células beta, um parâmetro importante no desenvolvimento do diabetes.
Os autores declaram não concorrentes interesses financeiros.
Agradecemos a membros do laboratório Ninov para comentários sobre o manuscrito, membros do centro para instalações de peixe e microscopia de Dresden de terapias regenerativas (poucos) para obter assistência técnica. N.N. é suportado pelo financiamento da DFG-poucos, Cluster de excelência no TU-Dresden, Fundação de pesquisa alemã (DFG) e o centro alemão para Diabetes pesquisa (DZD).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Transgenic Zebrafish line: Tg(ins:nls-Renilla-mKO2; cryaa:CFP); Tg(ins:GCaMP6s; cryaa:mCherry) | By request from authors | ||
Stereo microscope | ZEISS | 495015-0001-000 | SteREO Discovery.V8 |
Fluorescence lamp | ZEISS | 423013-9010-000 | Illuminator HXP 120 V |
Red Filter Cube | ZEISS | 000000-1114-462 | Filter set 45 HQ TexasRed |
Confocal Microscope | ZEISS | LSM 780 | |
Bovine fibrinogen | Sigma | F8630 | |
HBSS (Hanks' Balanced Salt solution) | ThermoFisher | 14025092 | |
Thrombin | Sigma | T4648 | |
D-Glucose | Sigma | G8270 | |
KCl | Sigma | P9333 | |
35 mm diameter glass-bottom dishes | ThermoFisher | 150680 | |
tricaine methane sulfonate | Sigma | E10521 | |
Fine Forceps | Fine Science Tools | 11445-12 | |
FIJI, using ImageJ Version: 2.0.0-rc-43/1.50e | https://fiji.sc/ | ||
R, version 3.2.4 | https://www.r-project.org/ | ||
RStudio | https://www.rstudio.com/ | ||
plotcelltrace.R | A custom script provided with the manuscript |
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