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Les modifications de la mobilisation intracellulaire du calcium dictent une grande variété de processus cellulaires, notamment des modifications de l’expression génique et la modulation des réponses immunitairesinnées 1,2. Les niveaux de calcium intracellulaires peuvent être modifiés par la libération des réserves de calcium intracellulaires, telles que le réticulum endoplasmique etles mitochondries 1,2,3. L’afflux extracellulaire de calcium dans l’espace intracellulaire peut également modifier le calcium cytosolique par transport passifet actif 2. L’imagerie cellulaire vivante de la mobilisation du calcium est principalement analysée par des colorants intracellulaires ou des colorants génétiquement codés, GCaMP (Multimère/Protéine activée par le calcium vert)4. On trouve souvent dans la littérature les colorants conjugués AM (acétoxyméthyl), qui permettent au colorant de pénétrer la membraneplasmique 5,6,7,8. En pénétrant dans la cellule, la moitié AM est clivée par des estérases intracellulaires endogènes, et le colorant gagne une charge négative, ce qui le piége dans l’espacecytosolique 9. Grâce à cette charge acquise, le colorant peut être pompé par des canaux anioniques organiques résident dans la membrane plasmique. Par conséquent, le probénécide, un inhibiteur des transporteurs d’efflux d’anions organiques, est ajouté pour empêcher l’efflux cellulaire du colorant et conserver un signal cytosolique optimal10,11. Les études utilisent couramment Fura-2 AM, un colorant ratiométrique, et Fluo-4AM, un colorant intensitométrique, pour tester la signalisation calcique sur des lignées cellulaires stables cultivées en monocouche. Cette étude utilise un protocole adapté à l’imagerie épifluorescente de cultures multicouches cultivées à l’interface air-liquide en utilisant le colorant calcium intensitométrique récemment développé, Cal-520 AM, qui présente une sensibilité accrue par rapport au Fluo-4 AM. Ainsi, il est approprié de visualiser robustement des signaux subtils à une résolution cellulaire unique à partir de cultures épithéliales primaires complexes. La littérature actuelle est riche en imagerie calcique vivante des réponses en vrac provenant de lignées cellulaires stables. Cependant, il est désormais communément admis qu’in vivo, les tissus constituent un paysage cellulaire diversifié soutenant différents rôles spécifiques à chaque type cellulaire dans le maintien de l’homéostasietissulaire 12,13,14,15. Malgré cette connaissance commune, les mécanismes par lesquels des types cellulaires distincts coordonnent les signaux calciques et régulent l’homéostasie des ions calcium restent inconnus. Ainsi, les méthodes présentées ici permettront la détection unicellulaire de la signalisation calcique et augmenteront le débit des analyses en aval dans les tissus primaires des voies respiratoires.
Nous utilisons nos modèles de culture épithéliale primaire de l’épithélium humain précédemment publiés et rigoureusement validés comme outil pour imager le calcium cytosolique cellulaire vivant dans un modèle 16,17,18 plus pertinent sur le plan biologique. En résumé, les cellules épithéliales sont isolées des brosses nasales des patients et cultivées sur une membrane semi-perméable d’un transwell, qui est suspendu dans un puits de culture afin de maintenir une interface air-liquide (ALI). Cette interface, couplée à des milieux spécialisés, a été rigoureusement testée à l’aide de techniques orthogonales pour détecter différents typescellulaires 16,17,18. De plus, il a été démontré que les méthodes actuelles sont transférables à des cultures bronchiques primaires cultivées de manière similaire à nos cultures nasalesprimaires 19.
Cet article présente une méthode adaptée pour mesurer et analyser la signalisation calcique vivante à une résolution unicellulaire dans ces cultures épithéliales primaires des voies respiratoires. Ces cultures à plusieurs couches sont difficiles à visualiser à la microscopie ; Cependant, la configuration actuelle nous permet de nous concentrer de manière fiable sur des couches uniques au sein des cultures multicouches, ce qui nous permet de détecter la mobilisation du calcium provenant de ces couches spécifiques. Cette installation présente plusieurs avantages, car elle ne nécessite pas de système de perfusion, souvent coûteuse et difficile à adapter à moins d’utiliser des microscopes spécialisés. La microscopie à épifluorescence a été employée, offrant une meilleure résolution temporelle par rapport à l’imagerie confocale. L’utilisation de diodes électroluminescentes (LED) minimise la phototoxicité par rapport aux systèmes confocaux basés sur des lasers. Des colorants intensiométriques extrinsèques sont utilisés dans le protocole présenté ici car ils permettent des changements rapides et relatifs de calcium à travers toute la population cellulaire et sont compatibles avec la plupart des systèmes de microscopie à fluorescence. Cela est avantageux par rapport aux colorants ratiométriques courants, qui nécessitent une excitation ultraviolette profonde (UV) peu disponible sur de nombreux microscopes. De plus, la GCaMP nécessite une transfection ou une transduction, ce qui renforce la technique pour une imagerie calcique plus ciblée dans des types cellulaires spécifiques. En raison de la faible efficacité de transduction et de transfection dans les cultures épithéliales primaires, la technique est peu adaptée à la surveillance de l’ensemble de la population cellulaire.
De plus, cette étude a développé un logiciel spécialisé et innovant basé sur l’apprentissage automatique permettant la segmentation monocellulaire basée sur la coloration nucléaire vivante. Le logiciel est alors capable d’enregistrer les valeurs d’intensité de fluorescence pour chaque cellule au fil du temps. Une lignée cellulaire épithéliale stable (Calu-3) a été initialement utilisée pour l’optimisation des méthodes. Ensuite, ces méthodes ont été traduites pour étudier la mobilisation du calcium unicellulaire dans des cultures épithéliales primaires. Des variables telles que la concentration du colorant calcique et du probénécide, le moment des étapes d’incubation, ainsi que la configuration d’imagerie, ont été optimisées. Ici, la signalisation calcique est enregistrée à une fréquence d’images par seconde de 0,2 fps (images par seconde), ce qui convient à la surveillance de la signalisation calcique. Le taux d’images par seconde peut être augmenté afin de mesurer des transitoires calciques plusrapides 20. Les variables optimales ont ensuite été appliquées et optimisées davantage dans des cultures nasales primaires plus complexes.