Los ritmos circadianos son ciclos endógenos de aproximadamente 24 h que regulan una amplia gama de procesos fisiológicos, metabólicos y celulares mediante mecanismos moleculares conservados del reloj biológico1,2. Los modelos de sincronización in vitro proporcionan un entorno experimental controlado para investigar estos mecanismos y se han convertido en herramientas valiosas para estudiar la regulación circadiana en condiciones normales y patológicas, incluida la exposición a contaminantes ambientales y otras perturbaciones experimentales25. El protocolo presentado aquí describe un flujo de trabajo práctico para sincronizar células cultivadas mediante un choque sérico, recolectar muestras de curso temporal utilizando una estrategia de muestreo escalonado y cuantificar la expresión génica circadiana mediante qRT-PCR. Este flujo de trabajo es particularmente adecuado para estudios que requieren perfiles de expresión génica temporal mientras se minimizan los desafíos logísticos asociados con la recolección de muestras durante la noche. Varios pasos críticos determinan el éxito y la reproducibilidad de este protocolo. Es esencial un control adecuado de la confluencia celular, la privación de suero, la duración del choque sérico y las condiciones de sincronización, ya que una sincronización inadecuada puede resultar en una ritmicidad débil o indetectable14. La densidad constante de siembra celular, la preparación de todas las placas experimentales a partir de la misma suspensión celular y condiciones de cultivo idénticas en los conjuntos experimentales escalonados reducen aún más la variabilidad técnica. La calidad del ARN, la síntesis de ADNc, la validación de cebadores y la selección de genes de referencia estables también son determinantes importantes para obtener resultados confiables de qRT-PCR. Como ocurre con cualquier protocolo de sincronización circadiana, puede ser necesario optimizar estos parámetros al adaptar el flujo de trabajo a diferentes tipos celulares o condiciones experimentales.
Aunque el choque de suero es uno de los métodos de sincronización más ampliamente establecidos en la biología circadiana4,26, no es universalmente óptimo para todas las aplicaciones experimentales. Enfoques alternativos de sincronización, incluyendo el tratamiento con dexametasona, la estimulación con forskolina, el arrastre por temperatura y los sistemas basados en reporteros, pueden ser más apropiados dependiendo del modelo biológico y del objetivo de investigación14. Estos métodos deben considerarse complementarios más que competitivos, ya que cada uno posee ventajas y limitaciones distintas. El choque de suero proporciona un equilibrio práctico entre simplicidad experimental, accesibilidad y reproducibilidad, sin requerir instrumentación especializada ni sistemas de reporteros genéticamente codificados. No obstante, los investigadores deben considerar cuidadosamente la influencia potencial del estímulo de sincronización sobre su sistema biológico y seleccionar el enfoque que mejor responda a su pregunta experimental. También se han descrito protocolos de choque de suero que omiten el paso de privación de suero y podrían representar alternativas adecuadas en contextos experimentales específicos27. La flexibilidad de este protocolo permite varias modificaciones y estrategias de solución de problemas. El diseño de muestreo escalonado se basa en placas de cultivo paralelas sincronizadas en momentos diferentes para generar fases circadianas complementarias (CT), evitando al mismo tiempo la recolección de muestras durante la noche. Para minimizar la variabilidad entre placas, prepare todas las placas a partir de la misma suspensión celular, siembre con densidades idénticas, mantenga condiciones de cultivo idénticas y realice la sincronización utilizando el mismo procedimiento experimental, diferenciándose únicamente en el momento de la sincronización. Aunque este enfoque no puede eliminar completamente la variación relacionada con el lote, minimiza la variabilidad técnica mientras reduce sustancialmente los desafíos logísticos asociados con el muestreo nocturno y preserva la capacidad de detectar ritmos circadianos biológicamente significativos. Aunque la estrategia de muestreo escalonado fue diseñada para minimizar la variabilidad técnica mediante el mantenimiento de condiciones de cultivo idénticas en todos los conjuntos experimentales, no se comparó directamente con un diseño convencional de muestreo continuo en el presente estudio. Estudios futuros podrían evaluar más a fondo la equivalencia de estos enfoques en modelos experimentales adicionales. Al adaptar este procedimiento a nuevos tipos celulares o condiciones experimentales, optimice la eficiencia de sincronización y evalúe posibles efectos de lote durante la validación del protocolo. Dependiendo del objetivo experimental, modifique el cronograma de sincronización ajustando los momentos de inicio de la sincronización o manteniendo un solo cultivo sincronizado con una ventana de muestreo reducida. Las estrategias de solución de problemas incluyen optimizar la duración del choque de suero, verificar la viabilidad celular y la confluencia antes de la sincronización, confirmar la calidad del ARN antes del análisis posterior y ajustar los intervalos de muestreo para mejorar la detección de ritmos circadianos. El presente protocolo fue validado en la línea celular hipotalámica embrionaria de ratón mHypoE-42 y, por lo tanto, debe optimizarse y validarse independientemente antes de su aplicación a otros modelos celulares. Aunque no se evaluó en el presente estudio, este protocolo se desarrolló basándose en optimizaciones previas en nuestro laboratorio utilizando otras líneas celulares (por ejemplo, células N2a y fibroblastos humanos), lo que respalda su posible aplicabilidad a diferentes modelos celulares. Asimismo, la estrategia de muestreo escalonado mejora sustancialmente la viabilidad experimental al permitir un muestreo circadiano completo durante el horario laboral habitual; sin embargo, los usuarios deben mantener condiciones experimentales idénticas en todas las placas de cultivo para minimizar posibles efectos de lote. Cuando se optimiza adecuadamente, este procedimiento proporciona un enfoque accesible y reproducible para investigar la expresión génica circadiana y evaluar intervenciones experimentales que alteren la función del reloj molecular en una amplia gama de aplicaciones de investigación.
A pesar de sus ventajas prácticas, este método tiene varias limitaciones. La estrategia de muestreo escalonado proporciona mediciones en puntos temporales discretos en lugar de un monitoreo continuo, lo que reduce la resolución temporal en comparación con los ensayos de reportero basados en fluorescencia o bioluminiscencia7. En consecuencia, puede disminuir la precisión en la estimación del período y la detección de pequeños cambios de fase u oscilaciones de baja amplitud. Además, el flujo de trabajo de muestreo basado en placas se vuelve cada vez más laborioso a medida que aumenta el número de tratamientos o condiciones experimentales, ya que se requieren placas de cultivo adicionales para cada condición. Entre las metodologías existentes, este flujo de trabajo ofrece una alternativa práctica a los sistemas basados en reporteros, incluidos los ensayos de luciferasa impulsados por cajas E (por ejemplo, Bmal1-Luc y Per2-Luc), que permiten el monitoreo en tiempo real de la actividad circadiana en células vivas28,29. Aunque los sistemas de reportero basados en fluorescencia y bioluminiscencia ofrecen alta resolución temporal y son particularmente útiles para el cribado de alto rendimiento de moduladores circadianos candidatos, requieren modificaciones genéticas estables, equipos especializados de detección y condiciones ambientales estrictamente controladas30, que pueden no estar disponibles en todos los laboratorios. Además, los sistemas de reportero generalmente están restringidos a constructos de reportero predefinidos y pueden requerir normalización respecto a señales constitutivas o a la abundancia celular, lo que limita la evaluación simultánea de múltiples genes o análisis moleculares posteriores. En contraste, el flujo de trabajo descrito aquí es compatible con múltiples aplicaciones posteriores, incluido el análisis cuantitativo de expresión génica y ensayos basados en proteínas, lo que lo convierte en un enfoque accesible y versátil para laboratorios que investigan la regulación molecular circadiana.
Tras la recolección de muestras y los análisis posteriores, es fundamental realizar una evaluación estadística adecuada para determinar si las oscilaciones observadas son estadísticamente significativas y biológicamente relevantes. En este protocolo, CircaCompare proporciona un marco robusto para estimar y comparar estadísticamente el MESOR, la amplitud y la fase mediante modelos de regresión basados en el cosinor23. A diferencia de los enfoques que evalúan únicamente la ritmicidad, CircaCompare permite comparaciones directas por pares de los parámetros circadianos entre grupos experimentales, facilitando la evaluación de los efectos de tratamientos, perturbaciones genéticas o alteraciones asociadas a enfermedades en el comportamiento circadiano. Este flujo de trabajo analítico complementa el protocolo de sincronización al proporcionar medidas cuantitativas estandarizadas para interpretar los cambios en la expresión génica circadiana. Como se muestra en los Resultados Representativos, la sincronización exitosa se indicó mediante los patrones esperados de expresión oscilatoria del ARN mensajero (mRNA) de Bmal1 y Per2 tras el choque sérico (Figura 2). En contraste, la exposición al Compuesto A provocó la pérdida de la ritmicidad estadísticamente significativa de Bmal1 (Figura 3), lo que ilustra la utilidad de este flujo de trabajo para evaluar intervenciones experimentales que alteran la expresión génica circadiana. Una consideración importante al interpretar datos de expresión génica circadiana es la variabilidad biológica entre experimentos independientes. En este estudio, los resultados representativos se obtuvieron a partir de réplicas biológicas independientes realizadas en diferentes días y en diferentes pasajes celulares. En consecuencia, se espera cierto grado de variabilidad, que refleja variación biológica y no técnica. Por este motivo, los experimentos de sincronización deben incluir réplicas biológicas independientes y deben interpretarse en el contexto de la variabilidad biológica esperada del modelo celular bajo estudio. A pesar de esta variabilidad, se observó de forma consistente una ritmicidad estadísticamente significativa y la relación antifásica esperada entre Bmal1 y Per2. Además, las características circadianas, como la amplitud de oscilación, la fase, la longitud del período y la tasa de amortiguamiento, varían entre modelos celulares. Por lo tanto, el rendimiento de la sincronización debe evaluarse en el contexto del tipo celular específico bajo estudio, y no mediante comparación directa con modelos no relacionados.
Este flujo de trabajo es particularmente relevante para investigar el papel de los ritmos circadianos en los mecanismos de enfermedad y en las respuestas terapéuticas. Se ha implicado la alteración de la regulación circadiana en numerosas condiciones patológicas, incluyendo cáncer, trastornos metabólicos y enfermedades neurodegenerativas31,32. La capacidad de evaluar la expresión génica rítmica o la abundancia proteica in vitro proporciona un marco práctico para investigar estos procesos y para evaluar los efectos de intervenciones farmacológicas sobre el reloj circadiano molecular, el cual es cada vez más reconocido como un posible objetivo terapéutico14,33. Por ejemplo, este protocolo puede aplicarse para examinar cómo los moduladores candidatos influyen en la expresión génica circadiana en modelos celulares relevantes para enfermedades, tras una optimización y validación adecuadas. Es importante destacar que el propósito del presente trabajo no es promover el choque sérico como sustituto de otros métodos de sincronización ni sugerir su superioridad sobre enfoques alternativos. En cambio, este protocolo ofrece un flujo de trabajo detallado y reproducible para implementar una estrategia de sincronización ampliamente utilizada, recolectar muestras circadianas durante el horario laboral estándar mediante un diseño de muestreo escalonado y analizar la expresión génica rítmica con metodologías posteriores accesibles. Se prevé que este marco sea particularmente útil para laboratorios que establezcan experimentos circadianos o que busquen un flujo de trabajo práctico, reproducible y accesible para incorporar análisis temporales en modelos celulares existentes.