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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Descriviamo un protocollo per la visualizzazione di esocitosi di insulina in isolotti intatti usando pHluorin, una proteina fluorescente verde sensibili al pH. Gli isolotti isolati sono infettati con l'adenovirus codifica pHluorin accoppiato per il vescicola carico neuropeptide Y. Questo consente il rilevamento degli eventi di fusione granello dell'insulina mediante microscopia confocale.
La secrezione dell'insulina svolge un ruolo centrale nell'omeostasi del glucosio in condizioni fisiologiche normali così come nella malattia. Attuali approcci per lo studio di esocitosi di granuli di insulina che utilizzare elettrofisiologia o microscopia accoppiato all'espressione di reporter fluorescenti. Tuttavia la maggior parte di queste tecniche sono stata ottimizzata per linee cellulari clonale o richiedono dissociando isolotti pancreatici. Al contrario, il metodo presentato qui consente per la visualizzazione in tempo reale di esocitosi di granuli dell'insulina in isolotti pancreatici intatti. In questo protocollo, descriviamo in primo luogo l'infezione virale di isolotti pancreatici isolati con l'adenovirus che codifica una pH sensibili proteina fluorescente verde (GFP), pHluorin, accoppiata al neuropeptide Y (NPY). In secondo luogo, descriviamo la rappresentazione confocale di isolotti di cinque giorni dopo l'infezione virale e come monitorare la secrezione di granuli di insulina. Brevemente, gli isolotti infetti sono collocati su un vetrino coprioggetto su una camera di imaging e imaged sotto un microscopio confocale laser-scanner verticale pur essendo continuamente irrorati con soluzione extracellulare contenente vari stimoli. Immagini confocal spanning 50 µm dell'isolotto sono acquisiti come Time-lapse registrazioni usando uno scanner veloce-risonante. La fusione dei granuli di insulina con la membrana plasmatica può essere seguita nel tempo. Questa procedura permette di testare una batteria di stimoli in un singolo esperimento è compatibile con sia il mouse che isolotti umani e possa essere combinata con vari coloranti per l'imaging funzionale (ad es., coloranti di calcio citosolico o potenziale di membrana).
L'insulina è prodotta dalle cellule beta delle isole pancreatiche ed è un regolatore chiave di glucosio metabolismo1. Morte o disfunzione delle cellule beta disturba l'omeostasi del glucosio e porta a diabete2. L'insulina è confezionato in granelli del denso-centro che vengono rilasciati in Ca2 +-modo dipendente3. Delucidamento com'è regolata la esocitosi di granuli di insulina è essenziale per comprendere appieno ciò che determina la secrezione di insulina e apre nuove strade per l'identificazione di nuovi bersagli terapeutici per il trattamento del diabete.
Esocitosi di insulina è stato studiato estesamente utilizzando approcci elettrofisiologici, come le misure di capacità di membrana e approcci al microscopio in combinazione con molecole fluorescenti. Misure di capacità di membrana hanno una buona risoluzione temporale e consentono registrazioni singola cella. Tuttavia, variazioni della capacità riflettono il netto cambiamento di superficie della cella e non acquisire gli eventi di fusione individuale o distinguere fusione di granello di insulina da altre vescicole secretorie non insulino-3. Approcci al microscopio, come microscopia di fluorescenza (TIRF) di riflessione interna totale o due fotoni in combinazione con sonde fluorescenti e proteine cargo della vescicola, forniscono ulteriori dettagli. Queste tecniche catturano singoli eventi esocitotico e anche le fasi pre- e post-esocitotico e possono essere utilizzate per studiare i modelli esocitotico in popolazioni di cellule3.
Reporter fluorescenti possono essere di tre tipi: 1) extracellulare, 2) citoplasmatici o 3) vescicolare. 1) extracellulare reporter sono elementi traccianti polari (ad es., destrani, solforodamina B (SRB), Lucifero giallo, pyranine) che possono essere introdotto attraverso l' ambiente extracellulare4. L'impiego di traccianti polari consente per l'indagine del poro di fusione in una popolazione delle cellule e cattura varie strutture intercellulari quali i vasi sanguigni. Tuttavia, non segnalano il comportamento del carico della vescicola. 2) citoplasmiche reporter sono sonde fluorescenti accoppiati a proteine di membrana-collegato che affrontano il citoplasma e sono coinvolte nella docking station ed esocitosi. Esempi includono i membri della famiglia di solubile N- ethylmaleimide-sensibile fattore allegato proteina recettore (rullante) che sono stati utilizzati con successo in Neuroscienze per lo studio del neurotrasmettitore release5. Tali proteine hanno più partner di legame e non insulina-granuli specifici. 3) vescicolare reporter sono sonde fluorescenti fuse a proteine cargo vescicolare che permettono per l'indagine del comportamento di carico specifico della vescicola. Insulina-granello carico specifiche proteine includono insulina, c-peptide, polipeptide amiloide dell'isolotto e NPY tra gli altri6,7. NPY è presente solo in insulina contenente granuli ed è co-pubblicato con l'insulina, che lo rende un ottimo partner per un reporter fluorescente8.
La fusione di diverse proteine fluorescenti di NPY è stato precedentemente impiegata per studiare vari aspetti dell'esocitosi in cellule neuroendocrine, quali il requisito di synaptotagmin specifiche isoforme9,10 e come la corso di tempo di rilascio dipende dal citoscheletro di actina e miosina II11,12. In questo studio, abbiamo scelto pHluorin come il reporter fluorescente, che è un GFP modificate che è non fluorescente a pH acido all'interno del nucleo denso granuli ma diventa brillantemente fluorescente sopra l'esposizione al pH neutro extracellulare13. Granuli di insulina matura hanno un pH acido inferiore a 5.5. Una volta che il granello si fonde con la membrana plasmatica e si apre, il carico è esposto al pH neutro extracellulare di 7,4, che consente di utilizzare il pHluorin di proteine pH sensibili come reporter7,14.
In considerazione della natura sensibile del pH di pHluorin e l'espressione selettiva di NPY nei granuli di insulina, il costrutto di fusione di NPY-pHluorin consente di studiare le varie proprietà di esocitosi di granuli di insulina. La consegna virale del costrutto fusione assicura efficienza di trasfezione alta e lavora sul primarie beta cellule o linee cellulari e isolotti isolati. Questo metodo utilizzabile anche come linea guida per lo studio di esocitosi in qualsiasi altro tipo di cellula con vescicole contenenti NPY. Può anche essere combinato con qualsiasi modello di topo transgenico per studiare gli effetti di determinate condizioni (atterramenti, sovraespressione, ecc.) su esocitosi. Questa tecnica è stato precedentemente utilizzata per caratterizzare i modelli spaziali e temporali del granello della secrezione dell'insulina in popolazioni di cellule beta in isolotti umani15.
il Comitato di etica animale dell'Università di Miami ha approvato tutti gli esperimenti.
1. virale infezione di intatto isolato umano o isolotti pancreatici del topo
2. Confocale Imaging di infettati isolotti
Nota: fare riferimento alla Tabella materiali per i materiali e le attrezzature necessarie per l'imaging confocale.
L'intero flusso di lavoro della tecnica è illustrata nella Figura 1. Brevemente, mouse o isolotti umani possono essere infettati con l'adenovirus codifica NPY-pHluorin e ripreso, dopo pochi giorni a cultura, sotto un microscopio confocale. Come granuli si fondono con la membrana plasmatica e Apri, un aumento di fluorescenza è osservato e possono essere quantificato (Figura 1). Per determinare se NPY-pHluorin è infatti uno strumento adatto per monitorare insulina granello dinamiche, isolotti infetti immunostained con gli anticorpi contro GFP e l'isolotto diversi ormoni insulina, somatostatina o glucagone. La maggior parte delle cellule che esprimono NPY-pHluorin (GFP positivo) erano cellule beta come hanno inoltre manifestato l'insulina (~ 90%; Figura 2A, 2B). Solo poche cellule alfa glucagone-positive o cellule delta di somatostatina-positivi erano GFP-etichettato (Figura 2B). D'importanza, nelle cellule infettate, la fusione di NPY colocalized con insulina (coefficiente di correlazione di Pearson di 0.61 ± 0,04 per GFP e insulina vs 0,21 ± 0.05 per GFP e glucagone e 0,07 ± 0.01 per GFP e somatostatina).
Abbiamo dimostrato che pHluorin è un sensore di pH efficace, come aumentando il pH intracellulare con 50mm NH4Cl ha provocato un > aumento del 500% la fluorescenza intracellulare (Figura 3A, 3B, Video 1). Il pH all'interno del granello aumenta al momento della fusione con la membrana plasmatica e l'apertura del poro di fusione, granuli contenenti NPY-pHluorin diventano visibili sulle condizioni che stimolano esocitosi di insulina come la depolarizzazione della membrana con KCl (Figura 4, video 2).
Singoli eventi secretivi in beta cellule all'interno di isolotti intatti possono essere visualizzati con imaging confocale time-lapse di isolotti di NPY-pHluorin infettata. Questi si verificano in risposta alla depolarizzazione della membrana diretto con KCl o parecchi altri stimoli fisiologici (Figura 4 e Figura 7, vedi sotto). La concentrazione di glucosio basale extracellulare (3 mM), poca attività secretiva è osservato. Tuttavia, la fusione di granuli con la membrana plasmatica viene attivato in risposta alla stimolazione con alto glucosio (16 mM) (Figura 5A, Video 3). Posizionando il ROIs con diverse dimensioni e in diversi settori, la cinetica della risposta dei granuli secretori possa essere paragonata che di singole celle o gruppi di cellule nelle immediate vicinanze (cluster) (figura 5B). Questo tipo di analisi attivato stabilito che: 1) i singoli eventi secretori sono molto sincronizzata e secrete entro pochi secondi dalla risposta media delle celle, e 2) le cellule beta in prossimità formare gruppi funzionali dell'attività sincronizzata.
Secrezione di insulina nel corpo si verifica in maniera pulsatile. Stimolando gli isolotti di NPY-pHluorin-infettati con la concentrazione di glucosio elevato per periodi prolungati (15-20 min) ha dato luogo a più impulsi (o burst) della secrezione (Figura 6, Video 4). Durante ogni impulso, singoli granuli si fondono con la membrana di plasma in modo sincronizzato come mostrato prima (Figura 5). Scoppi di attività secretiva possono essere visto ogni 3-4 min.
Aumenti transitori in fluorescenza in NPY-pHluorin contenenti granuli anche ha potuto essere osservati in risposta per l'agonista purinergico ATP (10 µM) o l'acetilcolina agonista muscarinico (ACh, 10 µM) (Figura 7), entrambi dei quali sono noti gli stimolatori di secrezione dell'insulina in isolotti umani. Come previsto, la depolarizzazione di membrana con KCl (30 mM) anche innescato esocitosi di granuli di insulina (Figura 5). Diversi stimoli possono essere applicati alla stessa preparazione dell'isolotto, purché gli isolotti sono lavati bene tra stimoli. Assicurarsi di modificare l'ordine di applicazione quando si ripete l'esperimento.

Figura 1. Uno schema che illustra l'analisi sviluppata. L'adenovirus che codifica un pH sensibili GFP (pHluorin) accoppiato al NPY furono prodotte e utilizzate per infettare mouse o isolotti pancreatici umani. Quattro-sei giorni dopo l'infezione, gli isolotti sono stati disposti su un vetrino coprioggetto e imaged sotto un microscopio confocale scansione laser verticale. Il costrutto di NPY-pHluorin è espresso in granuli di insulina in cellule beta. La fluorescenza è temprato a pH acido dei granelli insulina matura ma diventa luminoso su fusione di granuli con la membrana plasmatica e l'esposizione al pH neutro extracellulare di 7,4.

Figura 2. Il NPY Fusion costruire è espressa in granuli di insulina. (A) immagini Confocal di intatti isolotti umani infettati con NPY-pHluorin, immunostained per GFP (verde) e l'insulina (pannello di sinistra, rosso), somatostatina (medio, rosso) o glucagone (destra, rosso). I nuclei cellulari sono mostrati in blu (DAPI etichettato). Barre di scala = 10 µm. (B) quantificazione della frazione di cellule GFP-positive che contengono anche insulina (Ins), somatostatina (Soma) o glucagone (Glu). Indicato sono la media ± SEM, n = 5 isolotti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3. NPY-pHluorin è un sensore un efficace pH. (A) proiezione massima delle immagini confocal di un isolotto del mouse infettati con NPY-pHluorin in soluzione extracellulare contenente glucosio 3mm prima (pannello superiore, 3G) e in presenza di 50mm NH4Cl (pannello inferiore). Barra della scala = 100 µm. (B) traccia mostrando il cambiamento nell'intensità media di fluorescenza (unità arbitrarie) nell'intero isolotto indotta da NH4cl. Dashed line indica NH4Cl applicazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4. Granuli contenenti NPY-pHluorin diventano visibili una volta che si fondono con la membrana plasmatica e Open. Isletsinfected umana con l'adenovirus NPY-pHluorin erano incubated con la membrana plasmatica tingere di-8-ANEPP (rosso). Stimolazione dell'isolotto con KCl (30 mM) ha attivato una comparsa improvvisa e transitoria di fluorescente granuli alla superficie delle cellule (mostrata in verde). Immagini confocal di cellule all'interno di un isolotto umana vengono visualizzati nella prima risposta esocitotico (t = 0), durante (t = 3-9 s) e dopo (t = 12 s). Contrasto è stato regolato per rimuovere la fluorescenza di fondo verde. Barra della scala = 20 µm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5. Alto glucosio innesca NPY-pHluorin fusione con la membrana plasmatica. (A) massima proiezione delle immagini confocal di un isolotto umano intatto infettato NPY-pHluorin nella concentrazione basale del glucosio (glucosio 3G - 3 mM, pannello sinistro) o in alto glucosio (glucosio 16g - 16 mM, pannello di destra). Extracellulare soluzioni contenevano l'accampamento alzando agenti forskolin e IBMX (Vedi protocollo per dettagli). Barra della scala = 10 µm. (B) le tracce che mostra i cambiamenti nell'intensità media di fluorescenza (unità arbitrarie) nel verde del canale in ROIs collocato intorno singoli eventi secretivi (rosso, granello), cellule (verde) o ammassi cellulari (blu). Elevati del glucosio è stato applicato per 5 min dopo ~ 2,5 min in 3G. Valori di fluorescenza sono stati normalizzati al valore iniziale di fluorescenza (linea di base). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Nella figura 6. Eventi secretivi generano impulsi discreti della secrezione su alto glucosio. Tracce che mostra i cambiamenti nel dire l'intensità di fluorescenza (unità arbitrarie) in ROIs collocato intorno diverse celle all'interno di un isolotto umana intatta durante la stimolazione sostenuta con 16 millimetri di glucosio. Ogni colore rappresenta una singola cella. Burst di attività secretiva può essere visto ogni 3-4 min. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7. Fusione di NPY-pHluorin con la membrana plasmatica è innescato da noto stimolatori della secrezione dell'insulina. Tracce che mostra cambiamenti nell'intensità media di fluorescenza (unità arbitrarie) in ROIs collocato intorno secretivi singoli eventi in celle all'interno intatti isolotti umani indotti da KCl (30 mM), ATP (10 µM), alto glucosio (16G, 16 mM) e acetilcolina (Ach, 10 µM). KCl e ATP sono stati applicati nella concentrazione basale del glucosio (3 mM). Linee nere mostrano il granello medio e linee grigie riflettono valori SEM. Le tracce verdi mostrano la risposta delle cellule corrispondenti. Scala temporale orizzontale (2 min) si applica a tutti i grafici. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Video 1. NPY-pHluorin Adenovirus efficientemente infettare le cellule dell'isolotto e variazioni di pH di senso.
Isolotti del topo sono stati infettati per 4 giorni con l'adenovirus codifica NPY-pHluorin. Isolotti infetti sono stati disposti su un vetrino coprioggetto e montati sulla camera di imaging. Per aumentare il pH intracellulare, gli isolotti sono stati irrorati con 50mm NH4Cl aggiunto alla soluzione extracellulare contenente glucosio di 3 mM. Un veloce e forte aumento di fluorescenza può essere visto su NH4Cl applicazione. Barra della scala = 100 µm. Movie velocità = 5 fps. Durata totale del film è 90 s. per favore clicca qui per visualizzare questo video. (Tasto destro per scaricare.)

Video 2. Granuli contenenti NPY-pHluorin diventano visibili una volta che si fondono con la membrana plasmatica e aperta.
Isolotti umani infettati con l'adenovirus NPY-pHluorin sono stati incubati con la membrana plasmatica della tintura di-8-ANEPP. Stimolazione dell'isolotto con KCl (30 mM) ha attivato un'apparenza improvvisa e transitoria di granuli fluorescenti alla superficie delle cellule. Una proiezione massima di aerei confocale è mostrata. Contrasto è stato regolato per rimuovere la fluorescenza di fondo verde. Barra della scala = 20 µm. Movie velocità = 5 fps. Durata totale del film è di 60 s. per favore clicca qui per vedere questo video. (Tasto destro per scaricare.)

Video 3. Alto glucosio trigger esocitosi dei granuli che contengono NPY-pHluorin.
Fusione di NPY-pHluorin contenenti granuli viene attivato in risposta alla stimolazione con alto glucosio (16 mM). Nella concentrazione basale del glucosio extracellulare (3 mM), poca attività secretiva è osservato. Tuttavia, al momento di alto glucosio, granelli insulina transitoriamente appaiono sulla membrana plasmatica di cellule differenti in un isolotto in modo sincronizzato. Elevati del glucosio è stato applicato dopo ~ 2,5 min in 3G (16G etichetta viene visualizzata). Una proiezione massima di aerei confocale è mostrata. Barra della scala = 20 µm. Movie velocità = 10 fps. Durata totale del film è 7 minuti Clicca qui per visualizzare questo video. (Tasto destro per scaricare.)

Video 4. La stimolazione prolungata con alto glucosio attiva diverse raffiche di esocitosi.
Prolungata stimolazione con alto glucosio dà origine a molteplici impulsi di isolotti di secrezione, durante il quale compaiono transitoriamente granuli. Gli impulsi di attività secretiva possono essere visto ogni ~ 3-4 min aereo Confocal di un umano dell'isolotto è mostrato. Una combinazione di pseudocolor è stato applicato per l'intensità di fluorescenza. Barra della scala = 20 µm. Movie velocità = 30 fps. Durata totale del film è 20 min Clicca qui per visualizzare questo video. (Tasto destro per scaricare.)
Gli autori dichiarano che non hanno nessun concorrenti interessi finanziari.
Descriviamo un protocollo per la visualizzazione di esocitosi di insulina in isolotti intatti usando pHluorin, una proteina fluorescente verde sensibili al pH. Gli isolotti isolati sono infettati con l'adenovirus codifica pHluorin accoppiato per il vescicola carico neuropeptide Y. Questo consente il rilevamento degli eventi di fusione granello dell'insulina mediante microscopia confocale.
Gli autori ringraziano Marcia Boulina dalla funzione di memoria per un aiuto con i microscopi di imaging e DRI. Questo lavoro è stato supportato da NIH sovvenzioni 1K01DK111757-01 (JA), F31668418 (MM), DK111538 R01, R33 ES025673 e R56 DK084321 (AC).
| Microscopio confocale verticale a scansione laser | Leica Microsystems, Wetzlar, Germania | TCS-SP5 | include LAS AF, il software di acquisizione delle immagini |
| Camera di imaging Warner | instruments | RC-26 | |
| Piattaforma della camera di imaging | Warner instruments | PH-1 | |
| 22 x 40 vetrini coprioggetti | Daiggerbrand | G15972H | |
| Vacuum grasso siliconico | Sigma | Z273554-1EA Sistema di | |
| perfusione multicanale | Warner instruments | VC-8 | |
| Riscaldatore soluzione in linea singola | Warner instruments | SH-27B | |
| Regolatore di temperatura | Warner instruments | TC-324C | |
| Pompa di aspirazione peristaltica | Pharmacia | P-1 | |
| 35 mm Piastra di Petri, trattamento con coltura non tissutale | VWR | 10861-586 | |
| CMRL Medium, senza glutammina | ThermoFisher | 11530037 | |
| FBS, inattivato a caldo | ThermoFisher | 16140071 | |
| L-Glutammina 200 mM | ThermoFisher | 25030081 | |
| 5 M Soluzione di NaCl | Sigma | S5150 | |
| 3 M Soluzione KCl | Sigma | 60135 | |
| 1 M CaCl2 soluzione | Sigma | 21115 | |
| 1 M MgCl2 soluzione | Sigma | M1028 | |
| Albumina sierica bovina | Sigma | A2153 | |
| 1 M HEPES soluzione | Sigma | H0887 | |
| Filtro sottovuoto | VWR | 431098 | |
| D-Glucosio | Sigma | G8270 | |
| Bromidrato di poli-D-lisina | Sigma-aldrich | P6407 | |
| Di-8-ANNEP | ThermoFisher | D3167 | |
| 3-isobutil-1-metilxantina (IBMX) | Sigma | I5879 | |
| Forskolin | Sigma | F3917 |