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Method Article
* Estes autores contribuíram igualmente
Apresentado aqui é um protocolo para usar rastreamento de linhagem multicolorido e modelagem de vizinho mais próximo para identificar cardiomiócitos derivados clonalmente durante o crescimento e regeneração em camundongos. Essa abordagem é objetiva, funciona em diferentes condições de rotulagem e pode ser adaptada para incorporar uma variedade de pipelines de análise de imagem.
Ao substituir o miocárdio perdido ou disfuncional, a regeneração tecidual é uma abordagem promissora para tratar a insuficiência cardíaca. No entanto, o desafio de detectar a regeneração cardíaca genuína limita a validação de potenciais fatores regenerativos. Um método para detectar novos cardiomiócitos é o traçado de linhagem multicolorida com análise clonal. Experimentos de análise clonal podem ser difíceis de realizar, porque as condições de marcação muito esparsas carecem de sensibilidade para eventos raros, como proliferação de cardiomiócitos, e a marcação difusa limita a capacidade de resolver clones. Apresenta-se aqui um protocolo para realizar a análise clonal do coração de camundongo neonatal usando modelagem estatística de distribuições de vizinhos mais próximos para resolver clones de cardiomiócitos. Essa abordagem permite a resolução de clones em uma variedade de condições de marcação e fornece uma abordagem analítica robusta para quantificar a proliferação e regeneração de cardiomiócitos. Este protocolo pode ser adaptado a outros tecidos e pode ser amplamente utilizado para estudar a regeneração tecidual.
Uma característica histológica da insuficiência cardíaca é a perda de cardiomiócitos (MCs), seja após lesão, senescência ou apoptose1. A reposição do miocárdio perdido ou disfuncional por meio da regeneração tecidual representa uma estratégia terapêutica potencial para a cura de pacientes com insuficiência cardíaca. Nas últimas décadas, avanços seminais na biologia do desenvolvimento e regenerativa revelaram uma capacidade limitada do coração dos mamíferos de repor os CMs perdidos 2,3,4,5. Este trabalho emocionante levantou a possibilidade de que mecanismos de crescimento inatos possam ser implantados para regeneração. Como as respostas regenerativas inatas estão funcionalmente ausentes no coração de mamíferos adultos, métodos para melhorar a robustez do reparo endógeno são necessários para que a regeneração terapêutica do coração seja realizada.
Os mecanismos para a regeneração inata do coração parecem ser conservados entre as espécies. Após a lesão, os CMs pré-existentes proliferam para gerar novos CMs em peixe-zebra 6,7, tritões 8,9, camundongos 4,10, ratos11 e porcos12,13. Nesse sentido, muitos grupos estão buscando identificar mitógenos capazes de promover a cardiomiogênese. No entanto, esse trabalho é desafiador. Não apenas a tarefa de fazer com que os MCs de mamíferos adultos proliferem é assustadora, mas ser capaz de identificar eventos proliferativos raros é difícil 1,14. O desafio de identificar MCs de ciclo raros é agravado pela tendência dos MCs de mamíferos adultos de sofrerem preferencialmente endomitose. Por exemplo, após uma lesão no coração do camundongo, quase 25% dos CMs na zona de borda reentram no ciclo celular, mas apenas 3,2% dos CMs se dividem4. Como a maioria dos CMs cíclicos duplica seu genoma, mas não sofre citocinese, simplesmente testar um aumento no número de CMs cíclicos é ambíguo para a cardiomiogênese genuína. Assim, ensaios para incorporação de nucleosídeos por MCs ou para a presença de marcadores proliferativos em MCs podem não indicar inteiramente regeneração. À medida que surgem mais fatores candidatos à regeneração cardíaca, são necessários ensaios para identificar melhor a hiperplasia do MC.
A análise clonal por rastreamento de linhagem é uma abordagem valiosa para o ensaio de cardiomiogênese, pois permite a visualização direta das células e de sua progênie. As abordagens tradicionais para análise clonal envolvem a marcação rara de células únicas com um gene repórter. No entanto, o rastreamento de linhagem de cor única de células raras pode ser de valor limitado para eventos pouco frequentes, como a proliferação de CM, porque as chances de rotular um CM em proliferação são baixas15. Alternativamente, o rastreamento de linhagem multicolorida pode aumentar a sensibilidade para análise clonal16. Resumidamente, as células individuais são geneticamente marcadas com uma das várias proteínas fluorescentes aleatoriamente, de modo que as células em proliferação gerarão aglomerados de células de cores homogêneas que podem ser dissolvidas a partir de células fluorescentes vizinhas. Este método tem sido usado para rastrear o crescimento em uma variedade de órgãos e tem sido aplicado mais recentemente em estudos de regeneração cardíaca de mamíferos17,18. Embora o rastreamento de linhagem multicolorida possa detectar a expansão clonal de MCs em estágios embrionários e neonatais, as respostas regenerativas inatas não são facilmente detectadas no coração de camundongos adultos após lesão cardíaca17,19. Uma abordagem para aumentar a sensibilidade do rastreamento de linhagem multicolorida seria aumentar o nível de rotulagem e aumentar a probabilidade de visualização de eventos raros. No entanto, uma rotulagem mais ampla tem o custo de não ser capaz de distinguir células marcadas de forma semelhante como surgindo de um ancestral comum versus células que foram marcadas independentemente com o mesmo fluoróforo. Apresentado aqui é um protocolo que usa modelagem de vizinho mais próximo para identificar CMs clonalmente relacionados no coração de camundongos neonatais. Este método é imparcial, quantitativo e funciona em uma variedade de condições de rotulagem.
Todos os procedimentos para manusear camundongos, realizar cirurgias de sobrevivência e colher corações requerem a aprovação de um comitê institucional local de uso de animais.
1. Camundongos para análise clonal de CMs
2. Criolesão e marcação de cardiomiócitos
3. Colheita de corações e processamento para análise histológica
4. Exames por imagem
NOTA: As etapas abaixo se aplicam ao uso de um microscópio comercial (consulte a Tabela de Materiais) que possui um sistema de fluorescência de campo amplo vertical com cubos de filtro equipados para discriminar fluoróforos mCerulean, EGFP, mOrange e mCherry e software associado a essa configuração (consulte a Tabela de Materiais). As etapas adicionais variam dependendo do sistema de imagem exato usado.
5. Análise de imagens para identificação de CMs rotulados
6. Análise estatística
NOTA: As células que carregam o mesmo fluoróforo são uma mistura de células derivadas clonalmente (parentes) e células não relacionadas que sofreram um evento de recombinação aleatória para expressar o mesmo fluoróforo (não parentes). Com base em dados anteriores17, presume-se que as células parentes tenham uma proximidade física mais próxima do que as células não parentes que expressam o mesmo fluoróforo. Assim, as células parentes e não parentes podem ser diferenciadas com base em um limite de distância. No entanto, para determinar o limiar, as distribuições vizinhas mais próximas para células parentes e não parentes precisam ser desconvolvidas. Felizmente, as distribuições de vizinhos mais próximos para células não parentes podem ser estimadas avaliando os valores de vizinhos mais próximos de cada célula para a célula mais próxima que carrega um fluoróforo diferente. Aqui, a metodologia é apresentada para determinar estatisticamente uma distância limite para definir clonalidade e para atribuir uma probabilidade de parentesco entre as células.
Seguindo o protocolo para criolesão neonatal, deve-se produzir corações P21 com e sem lesão. Os corações criolesionados têm uma lesão bem circunscrita, enquanto a superfície dos corações simulados é lisa e homogênea. Em corações criolesionados, a área da lesão deve ser consistente de coração para coração. Após a microscopia, imagens semelhantes à Figura 1 devem ser obtidas. Observe que a resolução da imagem permite a identificação ...
O rastreamento de linhagem multicolorida é uma abordagem poderosa para identificar padrões de crescimento de órgãos com resolução de célula única. No entanto, uma grande limitação ao rastreamento de linhagem multicolorida é a necessidade de rotulagem esparsa de células, o que pode reduzir a sensibilidade para identificar eventos raros. Para órgãos como o coração com níveis notoriamente baixos de renovação de células parenquimatosas, isso pode levar a subestimar as res...
Os autores não têm nada a divulgar.
Este trabalho foi financiado por um R03 HL144812 (RK), um Prêmio Cientista Médico Strong Start da Duke University (RK), um Mandel Foundation Seed Grant (RK) e um T32 HL007101 Training grant (DCC). Além disso, gostaríamos de agradecer a Evelyn McCullough pela ajuda na criação de ratos e ao Dr. Douglas Marchuk e Matthew Detter pelos comentários e discussões úteis. Finalmente, gostaríamos de agradecer a Purushothama Rao Tata por gentilmente fornecer os ratos R26R-Rainbow .
Name | Company | Catalog Number | Comments |
#1.5 glass coverslip | FisherScientific | 12-544E | |
6-O prolene | Ethicon | 8706H | |
Anti-fade mounting medium | FisherScientific | 00-4958-02 | |
CO2 inhalational chamber | |||
Cold pack | |||
Cryomolds | VWR | 15160-215 | |
Cryoprobe | World Precision Instruments | 501313 | |
Filter cubes | |||
Gt(ROSA)26Sortm1(CAG-EGFP,-mCerulean,-mOrange,-mCherry)Ilw mice | |||
ImageJ software | https://imagej.net | ||
KCl 1M | FisherScientific | LC187951 | |
Leica CM3050 cryostat | |||
Liquid Nitrogen | |||
Microscissors, 6mm | World Precision Instruments | 14003 | |
Myh6-CreERT2 mice | The Jackson Laboratory | 005657 | |
Needler holder | World Precision Instruments | 14109 | |
Paraformaldehyde 4% | FisherScientific | AC416785000 | |
Phosphate buffered saline | |||
Python | https://www.python.org/ | ||
R | https://cran.r-project.org/ | ||
Rotating Shaker | |||
Stereoscope | |||
Sucrose 30% (wt/vol) | FisherScientific | BP220 | |
Surgical dissecting scissors | World Precision Instruments | 14393 | |
Syringe for tamoxifen | VWR | BD328438 | |
Tamoxifen, 20 μg | Sigma | T5648 | |
Tissue Freezing Media | VWR | 15148-031 | |
White Frosted/Plus slides | Globe Scientific | 1358W | |
Zeiss Axio Imager M1 upright widefield fluorescence system | |||
Zen 2.5 Blue software |
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