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Method Article
Aqui, o estudo apresenta um protocolo para imagem de cálcio e estimulação de glicose das células β pancreáticas do peixe-zebra in vivo.
As células β pancreáticas sustentam a homeostase sistêmica da glicose produzindo e secretando insulina de acordo com os níveis de glicose no sangue. Defeitos na função das células β estão associados à hiperglicemia que pode levar ao diabetes. Durante o processo de secreção de insulina, as células β experimentam um influxo de Ca2+. Assim, a imagem do influxo de Ca2+ estimulado por glicose usando indicadores de cálcio geneticamente codificados (GECIs) fornece um caminho para estudar a função das células β. Anteriormente, estudos mostraram que ilhotas isoladas de peixe-zebra expressando GCaMP6s exibem atividade significativa de Ca2+ após estimulação com concentrações de glicose definidas. No entanto, é fundamental estudar como as células β respondem à glicose não isoladamente, mas em seu ambiente nativo, onde são sistemicamente conectadas, vascularizadas e densamente inervadas. Para esse fim, o estudo aproveitou a transparência óptica das larvas do peixe-zebra nos estágios iniciais de desenvolvimento para iluminar a atividade das células β in vivo. Aqui, é apresentado um protocolo detalhado para imagem de Ca2+ e estimulação de glicose para investigar a função das células β in vivo . Esta técnica permite monitorar a dinâmica coordenada de Ca2+ em células β com resolução de célula única. Além disso, este método pode ser aplicado para trabalhar com qualquer solução injetável, como pequenas moléculas ou peptídeos. Ao todo, o protocolo ilustra o potencial do modelo de peixe-zebra para investigar a coordenação das ilhotas in vivo e caracterizar como os componentes ambientais e genéticos podem afetar a função das células β.
As células β pancreáticas exibem a capacidade única de secreção de insulina em resposta à glicose. Após uma refeição rica em carboidratos, o açúcar no sangue aumenta e entra nas células β, onde é rapidamente metabolizado para produzir ATP. O aumento da razão intracelular de ATP/ADP leva ao fechamento dos canais de K+ dependentes de ATP, despolarizando a membrana celular e ativando os canais de Ca2+ dependentes de voltagem. O rápido aumento do Ca2+ intracelular estimula a secreção de grânulos de insulina pelas células β.
A imagem das células das ilhotas dentro do pâncreas intacto em camundongos é exigente e requer a exteriorização de todo o órgão. Uma alternativa poderosa para imagens in vivo não invasivas é transplantar ilhotas para a câmara anterior (AC) do olho de camundongos1. Ilhotas transplantadas para a CA de camundongos mimetizam um ambiente in vivo, permitindo estudos longitudinais e imagens de Ca2+ in vivo 2,3. No entanto, o processo de revascularização das ilhotas pode levar várias semanas após o transplante das ilhotas4. Assim, preservar o ambiente nativo original, onde as células β são vascularizadas e conectadas ao estado metabólico do organismo, e alcançar a resolução de imagem de célula única in vivo continua sendo muito desafiador e demorado.
Para superar essas limitações, os pesquisadores desenvolveram linhagens transgênicas de peixe-zebra expressando GECIs em células β, que permitem a visualização em tempo real do influxo de Ca2+ em células β 5,6,7,8,9. Usando essas ferramentas, descobriu-se que, em cultura de células, as células β do peixe-zebra mostram uma resposta conservada à glicose elevada, semelhante às ilhotas de camundongos e humanos. Além disso, a clareza óptica das larvas do peixe-zebra permitiu examinar a função das células β em seu ambiente nativo. É importante ressaltar que, já 4 dias após a fertilização (dpf), as células β da ilhota primária do peixe-zebra expressam marcadores de maturidade, como o ortólogo do peixe-zebra de urocortina3 (ucn3l) e mostram respostas in vitro à glicose na faixa fisiológica6. Além disso, a ilhota do peixe-zebra é densamente vascularizada e inervada10. A ablação genética das células β nesta fase leva à intolerância à glicose. Além disso, o peixe-zebra mostra respostas conservadas a agentes redutores de glicose, como insulina e sulfonilureias, mostrando que a ilhota primária é um tecido responsivo à glicose e conectado sistemicamente que controla os níveis de glicose. Essas características especiais tornam o peixe-zebra um modelo único para estudar a atividade das células β ilhotas in vivo11,12.
O protocolo para imagem de Ca2+ e injeção simultânea de glicose diretamente na circulação do peixe-zebra permite investigar a capacidade de resposta à glicose das células β in vivo. Esse protocolo permite a injeção de concentrações definidas de glicose em combinação com alta resolução temporal e espacial, que juntas revelam a resposta coordenada das células β à glicose e a presença de células β respondedoras in vivo13. Além disso, o protocolo pode ser adaptado a qualquer solução injetável, como compostos químicos ou pequenos peptídeos. No geral, esta metodologia ilustra a força do modelo de peixe-zebra para investigar a coordenação de β-células in vivo e caracterizar como os componentes ambientais e genéticos podem afetar a função das células β.
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As linhagens transgênicas previamente estabelecidas utilizadas neste estudo foram Tg(ins:GCaMP6s; cryaa:mCherry)6, Tg(ins:cdt1-mCherry; cryaa:CFP)14. Todos os experimentos foram realizados em conformidade com as leis da União Europeia e da Alemanha (Tierschutzgesetz) e com a aprovação dos Comitês de Ética da TU Dresden e da Landesdirektion Sachsen (números de aprovação: AZ 24D-9168,11-1/2013-14, TV38/2015, T12/2016 e T13/2016, TVV50/2017, TVV 45/2018 e TVV33-2019). Neste estudo, todas as imagens ao vivo in vivo e injeções de glicose, bem como procedimentos experimentais foram realizados com larvas de peixe-zebra que não excederam o estágio de 5 dias após a fertilização (dpf), conforme declarado na lei de proteção animal (TierSchVersV §14). De acordo com a diretiva da UE 2010/63/UE, o uso desses estágios anteriores do peixe-zebra reduz o número de animais experimentais, de acordo com os princípios dos 3Rs.
1. Preparação
NOTA: Este protocolo refere-se à imagem in vivo de Ca2+ da ilhota primária do peixe-zebra de Tg(ins:cdt1-mCherry; cryaa:CFP); Tg(ins:GCaMP6s; cryaa:mCherry) larvas transgênicas duplas. Nesses animais, o promotor da insulina impulsiona a expressão de cdt1-mCherry, que rotula os núcleos de células β individuais em fluorescência vermelha. GCaMP6s mostra mudanças na fluorescência verde em resposta aos níveis intracelulares de Ca2+ . A expressão específica dos GCaMP6s em células β permite a caracterização da capacidade de resposta à glicose de células individuais sem a interferência de outros tipos de células ou tecidos.
2. Montagem de larvas de peixe-zebra
NOTA: A Tg(ins:cdt1-mCherry; cryaa:CFP); Tg(ins:GCaMP6s; cryaa:mCherry) são tratados com 0,03% (20 μM) de 1-fenil 2-tioureia (PTU) para inibir a pigmentação a partir de 24 horas após a fertilização. A 4,5 dpf, anestesiar as larvas usando 0,04% da concentração final de Tricaína antes da montagem.
3. Injeção simultânea e imagem de Ca2+ de células β
NOTA: As larvas que apresentam gema excessiva no topo do pâncreas devido a um atraso no desenvolvimento não devem ser usadas para exames de imagem, pois os lipídios da gema interferem na qualidade da imagem. Além disso, baixas potências de laser são usadas (0,5% -5%) para evitar fotobranqueamento e fototoxicidade.
4. Quantificação de traços de fluorescência GCaMP para células β individuais
NOTA: Se o animal apresentar muito movimento, o filme pode ser estabilizado usando o plug-in FIJI Registro de série baseado em descritor (2d/3d + t)17.
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Usando este protocolo, a resposta à glicose de células β individuais em seu ambiente nativo foi caracterizada. Para isso, a larva do peixe-zebra é montada em uma placa de Petri com fundo de vidro. Usando um manipulador 3D, um capilar de vidro foi inserido na circulação, visando o VS (Figura 1 e Figura 2). Isso permite a injeção de volumes específicos de soluções com uma concentração definida. Simultaneamente, o infl...
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Neste protocolo, foi explorada a dinâmica de Ca2+ de células β em seu microambiente nativo com resolução de célula única. Isso é possível estimulando as células β peixe-zebra com uma injeção de glicose na circulação enquanto registra sua dinâmica de Ca2+ usando GCaMP6s.
O protocolo oferece três vantagens principais. Primeiro, os pesquisadores demonstraram que as células β do peixe-zebra mostram uma resposta coordenada ?...
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Os autores declaram não haver interesses financeiros concorrentes.
Nikolay Ninov recebeu financiamento do Centro de Terapias Regenerativas de Dresden na TU Dresden e do Centro Alemão de Pesquisa em Diabetes (DZD), bem como bolsas de pesquisa da Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) e do Grupo Internacional de Treinamento em Pesquisa (IRTG 2251), Estratégias Imunológicas e Celulares em Doenças Metabólicas. Somos gratos à Instalação de Microscopia de Luz do CRTD pelo apoio em todas as técnicas de imagem. Agradecemos ao Fish Facility do CRTD por toda a assistência técnica e apoio aos peixes.
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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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