Este protocolo describe un enfoque de ablación con láser de dos fotones llevado a cabo en larvas de pez cebra, que sirve como modelo para estudiar la regeneración ósea y los efectos de la respuesta inmune a la ablación.
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Este protocolo describe un enfoque de ablación con láser de dos fotones llevado a cabo en larvas de pez cebra, que sirve como modelo para estudiar la regeneración ósea y los efectos de la respuesta inmune a la ablación.
El pez cebra (Danio rerio) tiene una capacidad sobresaliente para regenerar diferentes órganos y apéndices. La regeneración ósea en el pez cebra se ha estudiado utilizando diferentes métodos, como la amputación de aletas, el desplume de escamas, la trepanación del cráneo y los enfoques microscópicos. Utilizando una configuración de escaneo láser confocal equipada con un láser de dos fotones, se desarrolló un método de ablación láser como paradigma de lesión para extirpar células formadoras de hueso (osteoblastos) en el opérculo en desarrollo de larvas de pez cebra. El método descrito aquí permite la ablación de células de manera precisa, ya que el área, la forma y la profundidad se pueden ajustar con precisión. Además, este método permite obtener imágenes de la zona antes y justo después de la ablación, de modo que se pueden analizar los efectos a corto plazo de la lesión. En este montaje experimental, se estudió la respuesta inmunitaria tras la ablación de osteoblastos en la zona lesionada. Se observó un aumento en el reclutamiento de macrófagos después de la ablación, lo que indica la relevancia de su presencia durante la regeneración ósea.
El pez cebra regenera diversos órganos como la retina, el cerebro, el corazón y el páncreas. Además, el pez cebra regenera elementos esqueléticos, por lo que se ha utilizado para estudiar la regeneración de aletas, escamas y calvarias (casquetes craneales)2. Se han utilizado diferentes paradigmas experimentales para estudiar la regeneración tisular y ósea, como la resección (amputación) de aletas, la fractura de aletas, la trepanación de cráneo 3,4, la criolesión 5,6 o la ablación genética 7,8,9. Recientemente, los enfoques de ablación láser han sido ampliamente utilizados en el pez cebra para estudiar la respuesta de curación y regeneración después de una lesión 10,11,12,13,14.
La ablación mediada por láser se ha utilizado en diferentes áreas de la investigación biológica, como la mecanobiología, la biología del desarrollo, la investigación de la regeneración y la cirugía tumoral 10,11,12,15,16,17,18,19. Existen varias metodologías de ablación láser, como el uso de láseres YAG (itrio y aluminio, granate), UV (ultravioleta) o 2p (dos fotones)20. La ablación láser permite la extirpación de células individuales o de grandes porciones de tejidos de una manera muy precisa, permitiendo el estudio de diferentes procesos, como la respuesta del sistema inmune a la ablación tumoral21 o durante la regeneración del opérculo del pez cebra. En este último ejemplo, la ablación se confirmó por la desaparición de la señal de fluoróforo nuclear y citoplasmático y la tinción de necrosis10,22.
Es bien sabido que la respuesta inmune innata y su cinética regulada son esenciales para una adecuada regeneración de los tejidos. Los neutrófilos y los macrófagos son las primeras células en ser reclutadas para el sitio de la lesión, donde desempeñan diferentes funciones, como la liberación de citocinas y factores de crecimiento, la eliminación de desechos celulares y la remodelación de la matriz extracelular23. Este reclutamiento y posterior funcionalización de macrófagos también se ha observado en las aletas de pez cebraamputadas 24 y en el opérculo en desarrollo, que fue sometido a una "nanodisección" láser que condujo a la ablación osteoblástica10. En este último experimento, se observó la recuperación del número de osteoblastos, el desarrollo normal del opérculo y el reclutamiento de células inmunitarias innatas (neutrófilos, macrófagos y células similares a los osteoclastos) en el área lesionada después de la ablación mediada por láser UV y láser de dos fotones10. Los experimentos en pez cebra en los que el sistema inmune fue suprimido farmacológicamente mediante el uso de glucocorticoides mostraron un deterioro de la regeneración ante una inmunidad mal regulada, apoyando el papel funcional del sistema inmune en la reparación de tejidos 3,10,25,26.
Aquí, se describe una metodología de ablación mediada por láser de dos fotones para estudiar la biología de la regeneración ósea en huesos de pez cebra en desarrollo. En particular, el efecto del abordaje de la ablación osteoblástica en el opérculo se muestra en términos de la respuesta inmunitaria, que se investiga mediante el seguimiento del reclutamiento de macrófagos en el sitio de ablación.
El protocolo de estudio recibió la aprobación de la Landesdirektion Sachsen, permisos números 25-5131/564/2, DD25-5131/450/4, 25-5131/496/56, DD25.1-5131/354/87. Las cepas de pez cebra utilizadas se mantuvieron de acuerdo con la legislación nacional y en condiciones estandarizadas como se describió anteriormente27,28. Los detalles de todos los reactivos y el equipo utilizado en el estudio se enumeran en la Tabla de Materiales.
1. Preparación de materiales y soluciones
2. Cría y recolección de embriones de pez cebra
NOTA: Aquí se utilizaron larvas dobles de pez cebra transgénicas que informaron la presencia de osteoblastos comprometidos [osterix:nGFP = Tg(Ola.Sp7:NLS-GFP)zf132]29 y macrófagos [mpeg:mCherry = Tg(mpeg:mCherry)gl23]30 (Figura 1A).
3. Incrustación de larvas en agarosa de bajo punto de fusión

Figura 1: Representación esquemática del procedimiento de incrustación. (A) Tg(osterix:nGFP) transgénico doble; Se utilizaron larvas de pez cebra con osteoblastos operculares marcados en verde y macrófagos marcados en rojo. (B) El flujo de trabajo del procedimiento de incrustación, como se describe en el paso 3 del protocolo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
4. Imagen in vivo de las larvas y ablación con láser
5. Recuperación de larvas e imágenes para monitorear el reclutamiento de células inmunitarias
6. Análisis de imágenes y análisis estadístico
La ablación con láser se realizó como se indica en el protocolo anterior. La señal GFP de los osteoblastos en el área ablacionada desapareció instantáneamente después de la ablación. Para estudiar la respuesta de la ablación osteoblástica en términos de respuesta inmune, se visualizó la presencia de macrófagos en larvas de 6 dpf antes y a 6 hpl. Antes de la ablación, se observaron muy pocos macrófagos en el área del opérculo10 (Figura 2). A 6 hpl, se detectó una fuerte acumulación de macrófagos en la región del opérculo ablacionado y un mayor número de macrófagos en el campo de visión, incluyendo el opérculo y el área que rodea al opérculo10 (Figura 2).

Figura 2: Reclutamiento de macrófagos a 6 hpl en larvas de pez cebra de 6 dpf. Área del opérculo sin ablación y a 6 hpl. Los osteoblastos operculares están marcados en verde, los macrófagos en magenta y el círculo discontinuo indica el área ablacionada con láser. Barra de escala: 50 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
También se analizó el reclutamiento de macrófagos en larvas de 4 dpf con opérculos mucho más pequeños a 4 hpl, observándose resultados similares (Figura 3). La cuantificación del número de macrófagos (fuera del sitio de ablación inmediata con láser) mostró un aumento dentro del marco de tiempo investigado (4,00 ± 2,37 macrófagos antes de la ablación frente a 7,00 ± 2,76 macrófagos a 4 hpl ) (Figura 3B). Asimismo, el área de macrófagos (medida en μm2, 785,8 μm2 ± 723,1 μm2 antes de la ablación frente a 1553 μm2 ± 869,9 μm2 a 4 hpl) aumentó (Figura 3C). Como los macrófagos a veces son difíciles de distinguir, se recomienda medir el área de los macrófagos en lugar del número de macrófagos, como se hizo aquí.

Figura 3: Reclutamiento de macrófagos a 4 hpl en larvas de pez cebra de 4 dpf. (A) Área del opérculo sin ablación y a 4 hpl. Los osteoblastos operculares están marcados en verde, los macrófagos en magenta y el círculo discontinuo indica el área ablacionada con láser. Barra de escala: 50 μm. (B) Cuantificación del número de macrófagos en el área del opérculo directamente antes (0 hpl) y después de la ablación (4 hpl). (C) Cuantificación del área de macrófagos (excluido el sitio de ablación láser). Pruebas t pareadas de una cola. Cada punto representa los datos de una larva, y se muestra la media ± SD, n = 6. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La ablación láser se ha aplicado en diversas disciplinas de la investigación biológica. En particular, ha sido útil como método para estudiar la regeneración de tejidos 10,11,12. Por ejemplo, el reclutamiento y los cambios fenotípicos de las células inmunitarias innatas se analizaron recientemente a lo largo del tiempo utilizando ensayos de ablación con láser UV o láser de dos fotones, junto con la recuperación de osteoblastos en el sitio de ablación con láser10. Se realizaron imágenes en vivo del reclutamiento de células inmunitarias hasta 12 h después de la lesión (HPL); Sin embargo, se pueden prever períodos de imagen más largos con los ajustes adecuados en la anestesia y la aprobación de las autoridades respectivas. En Geurtzen et al., los análisis se realizaron hasta varios días después de la ablación láser y ayudaron a definir el medio inflamatorio en el sitio de la ablación, así como a establecer el papel de apoyo de los macrófagos en la regeneración ósea10. Son concebibles muchas otras aplicaciones, como el estudio del papel de las especies reactivas de oxígeno liberadas33 tras la muerte celular en el tejido óseo.
Una de las ventajas de utilizar la ablación celular mediada por láser de dos fotones es la posibilidad de combinarla con imágenes confocales. El software utilizado aquí (ver Tabla de Materiales) se puede configurar en un modo (Modo de datos en vivo) en el que la obtención de imágenes y la ablación se producen consecutivamente, lo que acelera el proceso. Otra ventaja de la tecnología es la precisión de la ablación. El tamaño y la forma de la ablación se pueden ajustar fácilmente en el software de una manera muy precisa. En el entorno experimental que aquí se presenta, se eligió un área circular con un diámetro de 25 μm para la ablación. Sin embargo, otros experimentos de ablación en Drosophila emplearon ablaciones lineales de 25 μm con el fin de reducir la tensión tisular en el epitelio embrionario mediante el corte de las uniones celulares vecino-vecinas34. Esta precisión permite la ablación de un número específico y controlado de células, células individuales o incluso membranas celulares.
En particular, el tipo de lesión realizada con un láser de dos fotones no se asemeja a las lesiones y la muerte celular que ocurren naturalmente, lo que debe tenerse en cuenta en la investigación de la regeneración, pero también en otras disciplinas. En particular, las ablaciones con láser crean lesiones muy focalizadas al destruir completamente (quemar) las células en la región de interés20 con un daño mínimo en los tejidos circundantes, mientras que las lesiones mecánicas u otros tipos de lesiones tienden a afectar a varios tipos y capas de tejido a una escala más amplia. Esto puede conducir a múltiples consecuencias que involucran diferentes tipos de muerte celular (por ejemplo, necrosis, apoptosis, autofagia)35 y diferentes resultados regenerativos. Además, las reacciones a la ablación con láser pueden diferir en términos celulares y moleculares. Por ejemplo, se demostró que, aunque las células que rodean el sitio de la lesión láser pueden perder la integridad de la membrana plasmática, pueden sobrevivir al daño y restaurar la integridad36. La ablación láser también conduce a áreas de la matriz extracelular dañadas, que pueden ser el resultado de "explosiones térmicas" en el centro mismo del rayo láser aplicado y también de una fuerte exposición al calor en las células directamente vecinas10,37. Sin embargo, las células que rodean los sitios de ablación con láser muestran un mayor número de cuerpos apoptóticos, como se muestra para el tejido cardíaco ablacionado con láser38, y se desencadena una respuesta inmune, como se muestra aquí. Además de las diferencias descritas, otra limitación de los ensayos de ablación asistida por láser podría ser la profundidad a la que se puede realizar la lesión y el tamaño limitado de las muestras. Es posible que las estructuras ocultas en los especímenes gruesos no se ablacionen adecuadamente y sea difícil obtener imágenes del producto. Esto, sin embargo, dependerá en gran medida del microscopio y el láser utilizados, así como del objetivo y la incrustación.
Incrustar las larvas de manera que el opérculo se coloque muy cerca del fondo de vidrio del plato es esencial en caso de que se utilice una configuración invertida, como en el protocolo presentado. Además, es muy importante probar la temperatura de la LMA antes de aplicarla para cubrir las larvas (paso 3.4) ya que la agarosa caliente dañará las larvas. Para evitarlo, tome la alícuota LMA del termobloque temprano, por ejemplo, mientras retira los medios E3 sobrantes del plato con fondo de vidrio, y pruebe la temperatura, como en la piel de la muñeca. Se supone que la LMA está tibia pero no caliente.
Una vez que las larvas están cubiertas con LMA, es importante colocarlas rápidamente en la posición correcta antes de que la LMA comience a solidificarse. La posición lateral es la más fácil de lograr; En el estudio presentado, la posición deseada fue lateral con una ligera inclinación hacia el lado ventral. En caso de que el LMA se solidifique antes de que las larvas se coloquen correctamente, es posible eliminar el LMA (como en el paso 5.1) y repetir la incrustación. Del mismo modo, es importante que la zona que se va a fotografiar (y ablacionar con láser) esté lo más cerca posible del fondo de cristal de la antena para obtener la máxima calidad de imagen y ablación celular, aunque esto también dependerá de la distancia de trabajo del objetivo.
Es posible incrustar más de una larva en el mismo plato para la obtención de imágenes. Esto ahorrará tiempo y hará un mejor uso de la LMA. El número de larvas que se pueden incrustar dependerá de la experiencia del experimentador, pero se recomiendan de 3 a 5 larvas.
La ablación láser también se puede realizar con configuraciones microscópicas verticales que emplean lentes de inmersión. En este caso, es importante incrustar las larvas con una vista ligeramente ventral (desde arriba) para permitir una buena calidad de imagen y el éxito de la ablación láser del opérculo. Además, solo una capa delgada de LMA debe cubrir las larvas para permitir una buena excitación y detección de señales fluorescentes.
En este protocolo, se describe una configuración de ablación mediada por láser de dos fotones para osteoblastos como una metodología para realizar lesiones en huesos en desarrollo, específicamente en el opérculo. Este método se puede adaptar para extirpar células en otros huesos de pez cebra en desarrollo. Además, en general es un enfoque útil para estudiar la regeneración de los tejidos lesionados11,12. La facilidad para realizar ablaciones y cortes de tejidos de diferentes tamaños y formas permite su uso en diferentes configuraciones experimentales y campos de investigación 15,17,18,19,21,34. En conjunto, la ablación mediada por láser de dos fotones es un método muy adaptable, para diferentes tejidos, organismos e incluso entornos in vitro, y representa una herramienta importante en la investigación biológica.
Los autores no tienen nada que revelar.
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Alemana de Investigación (DFG) Transregio 67 (proyecto 387653785), la DFG SPP 2084 μBone (proyecto KN 1102/2-1) a FK. Este trabajo contó con el apoyo de la Instalación de Microscopía Óptica (proyecto DFG 413875620), una instalación central de la Plataforma Tecnológica CMCB de la Universidad Técnica de Dresde. Las obras de la Universidad Técnica de Dresde se cofinanciaron con ingresos fiscales basados en el presupuesto acordado por el Parlamento sajón (en lo sucesivo, «Landtag»).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Cloruro de calcio dihidratado, CaCl2· H2O | Carl Roth | 5239.1 | |
| Placa de cultivo celular, PS, 100/20 mm | Greiner Bio-one | 664160 | |
| Dumont #55 Foceps | FST | 11295-51 Forma de | punta recta, 11 cm, 0,05 x 0,02 mm |
| Placa Falcon de 6 pocillos | Corning | ||
| Plato de micropocillos con fondo de vidrio | MatTek | P35G-1.5-14-C | Plato de 35 mm, cubreobjetos n.º 1,5, diámetro de vidrio de 14 mm, |
| láser multifotónico Insight X3 | Spectra-Physics | ||
| Leica Application Suite | LAS X, Leica Microsystems | ||
| Agarosa de bajo punto de fusión | Biozyme | 840101 | Biozym Placa Agarosa |
| Sulfato de magnesio heptahidratado, MgSO4· 7H2O | Sigma-Aldrich | M5921 | |
| Jaulas de | de muchas variedades, p. ej. Tecniplast | ||
| Methyleneblue | Carl Roth | A514.1 | |
| MS-222 | SIGMA Aldrich | A5040 | |
| Cloruro de potasio, KCl | PanReac AppliChem 131494 | Cloruro | |
| de sodio, NaCl | Carl Roth | 3957.1 | |
| SP8 HALCÓN | Leica Microsystems | Equipado con un láser multifotónico Insight X3 y el software Leica Application Suite | |
| Aguja de disección de acero inoxidable | Bochem | 12010 | 140 mm |
| SZX16 | Olympus | Equipado con una base de iluminación LED SZX2-ILLTQ | |
| Armarios termostáticos TS - WTW | xilema | TS 608/2-i | Para incubación (embrión) |
| Transferencia pipeta, 3,5 mL | SARSTEDT | 861171 | 155 x 15 mm, LD-PE, transparente |
| Zeiss SteREO Discovery.V12 versión 4.7.1.0. | Zeiss | equipado con cámara Axiocam MRm y software AxioVision |
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