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Los cambios en la movilización intracelular del calcio dictan una amplia variedad de procesos celulares, incluyendo cambios en la expresión génica y la modulación de las respuestas inmunitariasinnatas. Los niveles intracelulares de calcio pueden alterarse mediante la liberación de reservas intracelulares de calcio, como el retículo endoplásmico y las mitocondrias 1,2,3. La entrada extracelular de calcio en el espacio intracelular también puede alterar el calcio citosólico tanto mediante transporte pasivo comoactivo 2. La imagen de células vivas de la movilización de calcio se analiza principalmente mediante colorantes intracelulares o colorantes codificados genéticamente, GCaMP (Multimer/Proteína activada por calcio verde)4. Comunes en la literatura son los tintes conjugados con AM (acetoximetil), que permiten que el tinte penetre en la membranaplasmática 5,6,7,8. Al entrar en la célula, la mitad AM es escindida por esterasas intracelulares endógenas, y el colorante adquiere una carga negativa, lo que lo atrapa en el espaciocitosólico 9. Debido a esta carga adquirida, el tinte puede ser bombeado por canales aniónicos orgánicos residentes en la membrana plasmática. Por ello, se añade probenecido, un inhibidor de los transportadores de eflujo de aniones orgánicos, para prevenir el flujo celular del colorante y retener la señal citosólicaóptima 10,11. Los estudios emplean comúnmente Fura-2 AM, un colorante ratiométrico, y Fluo-4AM, un colorante intensitométrico, para analizar la señalización de calcio en líneas celulares estables cultivadas en una monocapa. Este estudio emplea un protocolo adaptado para la imagen epifluorescente de cultivos multicapa cultivados en la interfaz aire-líquido utilizando el colorante calcio intensitométrico recientemente desarrollado, Cal-520 AM, que tiene una sensibilidad aumentada en comparación con Fluo-4 AM. Por tanto, es adecuado visualizar de forma robusta señales sutiles a una sola resolución celular a partir de cultivos epiteliales primarios complejos. La literatura actual es rica en imágenes de calcio vivo de respuestas masivas de líneas celulares estables. Sin embargo, ahora se sabe comúnmente que in vivo, los tejidos constituyen un paisaje celular diverso que sostiene diferentes roles específicos de cada tipo celular en el mantenimiento de la homeostasistisular 12,13,14,15. A pesar de este conocimiento común, los mecanismos por los cuales distintos tipos celulares coordinan señales de calcio y regulan la homeostasis de los iones calcio siguen siendo desconocidos. Por lo tanto, los métodos aquí presentados permitirán la detección unicelular de la señalización de calcio y aumentarán el rendimiento de análisis aguas abajo en tejidos primarios de las vías respiratorias.
Estamos aprovechando nuestros modelos de cultivo epitelial primario previamente publicados y rigurosamente validados del epitelio nasal humano como herramienta para obtener imágenes de calcio citosólico de células vivas en un modelo biológicamentemás relevante 16,17,18. En resumen, las células epiteliales se aíslan de los cepillos nasales del paciente y se cultivan sobre una membrana semipermeable de un transwell, que está suspendida dentro de un pozo de cultivo para mantener una interfaz aire-líquido (ALI). Esta interfaz, junto con medios especializados, ha sido rigurosamente probada mediante técnicas ortogonales para detectar la presencia de diferentes tiposcelulares 16,17,18. Además, se ha demostrado que los métodos actuales se pueden trasladar a cultivos bronquiales primarios que se cultivan de manera similar a nuestros cultivos nasalesprimarios 19.
Este artículo presenta un método adaptado para medir y analizar la señalización de calcio vivo a una resolución unicelular en estos cultivos epiteliales de las vías respiratorias primarias. Estas culturas multicapa son difíciles de visualizar mediante microscopía; Sin embargo, la configuración actual nos permite centrarnos de forma fiable en capas individuales dentro de los cultivos multicapa, lo que nos permite detectar la movilización de calcio de estas capas específicas. Este sistema tiene varias ventajas, ya que no requiere un sistema de perfusión, que a menudo es costoso y difícil de adaptar a menos que se empleen microscopios especializados. Se ha empleado la microscopía de epifluorescencia, que ofrece una mejor resolución temporal en comparación con la imagen confocal. El uso de diodos emisores de luz (LED) minimiza la fototoxicidad en comparación con los sistemas confocales basados en láser. Se utilizan tintes intensiométricos extrínsecos en el protocolo presentado aquí, ya que permiten cambios rápidos y relativos en el calcio en toda la población celular y son compatibles con la mayoría de los sistemas de microscopía de fluorescencia. Esto es beneficioso frente a los tintes ratiométricos comunes, que requieren excitación ultravioleta profunda (UV) que no está disponible en muchos microscopios. Además, GCaMP requiere transfección o transducción, lo que fortalece la técnica para una imagen de calcio más dirigida en tipos celulares específicos. Debido a la baja transducción y eficiencias de transfección en cultivos epiteliales primarios, la técnica es poco adecuada para monitorizar toda la población celular.
Además, este estudio desarrolló un software novedoso y especializado basado en aprendizaje automático que permite la segmentación de células individuales basada en tinción nuclear en vivo. El software es capaz de registrar los valores de intensidad de fluorescencia de cada célula a lo largo del tiempo. Inicialmente se empleó una línea celular epitelial estable (Calu-3) para la optimización del método. Luego, estos métodos se tradujeron para estudiar la movilización de calcio unicelular en cultivos epiteliales primarios. Se optimizaron variables como la concentración del tinte de calcio y del probenecido, el momento de los pasos de incubación, así como el montaje de imagen. Aquí, la señalización de calcio se registra a una tasa de 0,2 fps (fotogramas por segundo), lo cual es adecuado para monitorizar la señalización de calcio. La tasa de fotogramas puede aumentarse para medir transitorios de calcio másrápidos 20. A continuación, se aplicaron las variables óptimas y se optimizaron aún más en cultivos nasales primarios más complejos.