Questo protocollo fornisce istruzioni dettagliate per l'esecuzione di valutazioni della ferritinofagia ad alto rendimento basate sull'immunofluorescenza in fibroblasti umani primari di origine cutanea.
Articolo metodologico
Questo protocollo fornisce istruzioni dettagliate per l'esecuzione di valutazioni della ferritinofagia ad alto rendimento basate sull'immunofluorescenza in fibroblasti umani primari di origine cutanea.
Le mutazioni nel gene dell'autofagia WDR45/WIPI4 sono la causa della neurodegenerazione associata al beta-propulsore (BPAN), un sottotipo di malattie umane note come neurodegenerazione con accumulo di ferro cerebrale (NBIA) a causa della presenza di depositi di ferro nel cervello dei pazienti. I livelli intracellulari di ferro sono strettamente regolati da una serie di meccanismi cellulari, tra cui il meccanismo critico della ferritinofagia. Questo articolo descrive come la ferritinofagia può essere valutata in fibroblasti umani primari di origine cutanea. In questo protocollo, utilizziamo condizioni di modulazione del ferro per indurre o inibire la ferritinofagia a livello cellulare, come la somministrazione di bafilomicina A1 per inibire la funzione lisosomiale e i trattamenti con citrato di ammonio ferrico (FAC) o deferasiox (DFX) per sovraccaricare o esaurire il ferro, rispettivamente. Tali fibroblasti trattati vengono quindi sottoposti a imaging ad alto rendimento e all'analisi quantitativa di localizzazione basata su CellProfiler di ferritina endogena e marcatori autofagososomali/lisosomiali, qui LAMP2. Sulla base del livello di ferritina autofagosomica/lisosomiale, si possono trarre conclusioni sul livello di ferritinofagia. Questo protocollo può essere utilizzato per valutare la ferritinofagia in fibroblasti primari derivati da pazienti BPAN o in altri tipi di cellule di mammifero.
Le proteine WIPI (WD-repeat interacting with phosphoinositides) sono effettori PI3P evolutivamente conservati con ruoli distinti nell'autofagia1. Le quattro proteine WIPI umane (da WIPI1 a WIPI4) si ripiegano in β-eliche a sette pale con due regioni evolutivamente conservate in cui amminoacidi omologhi e invarianti si raggruppano su siti opposti dell'elica. Un sito è allineato con la regione di legame del fosfoinositide nella pala dell'elica 5 e nella pala 6. L'altro sito è allineato con la regione di interazione proteina-proteina in cui le WIPI si associano a membri distinti del meccanismo dell'autofagia o fattori regolatori dell'autofagia2.
WIPI4 funziona nel controllo della regolazione dell'autofagia guidata dall'energia e a livello di controllo delle dimensioni dell'autofagosoma3 nascente in crescita. Una mutazione nel gene WIPI4 , nota come WDR45, è la causa della neurodegenerazione associata al beta-propulsore (BPAN), un sottotipo di neurodegenerazione con accumulo di ferro cerebrale (NBIA) nei pazienti umani che è caratterizzata da un alone di ferro ipointenso nella substantia nigra e nel globus pallidus4. La presenza di depositi anormali di ferro nei pazienti con BPAN provoca danni neuronali che si traducono in encefalopatia, ritardo dello sviluppo globale, convulsioni e, infine, parkinsonismo, demenza e spasticità5.
L'omeostasi del ferro è strettamente regolata da molteplici meccanismi cellulari, con la concentrazione di ferro citosolico controllata dai livelli di espressione e dalla funzionalità dei trasportatori di ferro, dei trasportatori di ferro e delle proteine di stoccaggio del ferro6 . La concentrazione di ferro citosolico, a sua volta, determina se sono coinvolte vie di degradazione come la ferritinofagia7 o la clearance proteasomica della ferritina8 ossidata.
Durante la ferritinofagia, la ferritina viene reclutata selettivamente negli autofagosomi dal recettore cargo NCOA4 e mirata alla degradazione lisosomiale in risposta a bassi livelli intracellularidi ferro 7. Dato il ruolo di WIPI4 nella regolazione delle dimensioni delle membrane autofagosomiali3, è ragionevole prevedere che la perdita di questa specifica funzione possa influenzare il sequestro selettivo della ferritina negli autofagosomi e, quindi, la ferritinofagia. Lo studio di questo passaggio chiave nel metabolismo del ferro può aprire le porte a opzioni terapeutiche per i pazienti con BPAN; Tuttavia, i protocolli comunemente usati per studiare la ferritinofagia nelle cellule umane sono in fase di sviluppo solo ora.
Questo articolo descrive un metodo ad alto rendimento basato sulla fluorescenza per valutare la ferritinofagia nelle cellule umane. L'applicazione di questo test alle cellule BPAN derivate da pazienti può fornire preziose informazioni su come la ferritinofagia differisce rispetto alle cellule umane sane e può servire come punto di riferimento per comprendere i meccanismi molecolari alla base di questa rara malattia umana.
1. Coltura e semina delle cellule primarie
2. Trattamenti
3. Fissazione e colorazione
4. Imaging automatizzato mediante microscopia confocale a scansione laser
5. Analisi delle immagini ad alto rendimento
6. Analisi dei dati
I fibroblasti primari derivati dalla pelle umana (F-CO-60) provenienti da donatori sani (Figura 1A) sono stati preparati per le valutazioni della ferritinofagia utilizzando il trattamento con baflomicina A1 seguita da immunocolorazione della ferritina endogena e LAMP2, analisi automatizzata delle immagini e analisi basata su CellProfiler (Figura 1B).
La colocalizzazione della ferritina endogena e della LAMP2 è aumentata dopo che la degradazione lisosomiale della ferritina è stata bloccata dall'aggiunta di bafilomicina A1, coerentemente con la sua capacità di inibire gli enzimi V-ATPasi lisosomiale e, quindi, di bloccare la ferritinofagia7 (Figura 2). Inoltre, il riconoscimento cellulare basato su software, così come il riconoscimento della ferritina e del LAMP2, sono mostrati come esempio (Figura 2).
A questo proposito, va notato che la pipeline di CellProfiler qui descritta è estremamente versatile e può essere adattata a letture aggiuntive e/o alternative, ad esempio per valutare gli effetti di alcune mutazioni BPAN sulla crescita cellulare, sui mitocondri o su altri organelli nel contesto di sistemi funzionali di marcatori a singola cellula.

Figura 1: Panoramica sperimentale. Rappresentazione grafica di (A) il processo di ferritinofagia e (B) il flusso di lavoro sperimentale per valutare la ferritinofagia in fibroblasti umani primari di origine cutanea, come descritto in questo protocollo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Immagini rappresentative. I fibroblasti umani primari di origine cutanea in terreno di controllo (condizioni alimentate) in (A) assenza o (B) presenza di bafilomicina A1 sono stati sottoposti a un'analisi di immunofluorescenza indiretta utilizzando anticorpi anti-ferritina e anti-LAMP2, mentre i nuclei cellulari sono stati colorati con DAPI. Vengono presentate immagini di fluorescenza esemplari acquisite con l'automazione della microscopia a scansione laser confocale (barre di scala: 10 μm). Cambiamenti nell'abbondanza e nella colocalizzazione di ferritina e LAMP2 possono essere osservati in seguito all'inibizione lisosomiale in seguito alla somministrazione di bafilomicina A1. Viene inoltre visualizzata l'analisi basata su CellProfiler, che mostra le sovrapposizioni di immagini derivate dal software di riconoscimento cellulare (viola), nuclei (blu), ferritina (verde), LAMP2 (rosso) e punti di co-localizzazione ferritina/LAMP2 (giallo). (C) Sezioni dell'immagine ingrandite (barra di scala = 10 μm). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Tabella 1: Le impostazioni della microscopia a scansione laser confocale utilizzate in questo studio. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Tabella 2: Le impostazioni numeriche di CellProfiler utilizzate in questo studio. Clicca qui per scaricare questa tabella.
File supplementare 1: La pipeline CellProfiler utilizzata in questo studio. Clicca qui per scaricare questo file.
File supplementare 2: visualizzazione della pipeline CellProfiler (vedere File supplementare 1) con screenshot acquisiti in ordine consecutivo (vedere la tabella 2). Clicca qui per scaricare questo file.
Questo metodo, che utilizza la microscopia a fluorescenza automatizzata combinata con l'analisi delle immagini basata su CellProfilerad accesso aperto 9 per valutare la localizzazione intracellulare dei fattori chiave della ferritinofagia, è stato progettato per fornire informazioni preziose sull'efficacia della clearance della ferritina lisosomiale attraverso l'autofagia selettiva, nota come ferritinofagia7. Questo protocollo consente la gestione di grandi set di campioni con più linee cellulari e trattamenti simultanei e la valutazione delle letture desiderate, come i numeri di ferritina punta e i numeri di ferritina puntina in colocalizzazione con LAMP2, che è un tipico marcatore lisosomiale per la valutazione del flusso di ferritinofagia. Tuttavia, va sottolineato che un'analisi accurata e automatizzata delle immagini dipende dalla qualità dell'immagine, che, a sua volta, dipende dalla specificità degli anticorpi e dall'imaging ottimale. Pertanto, l'analisi delle immagini basata su software deve essere eseguita solo con immagini di alta qualità.
La modulazione dei livelli di ferro nelle cellule può fornire preziose informazioni sui meccanismi che vengono attivati per regolare l'omeostasi del ferro nel contesto della malattia. Questo articolo descrive un metodo per studiare le malattie da BPAN in cellule derivate da pazienti trattate con agenti ferro-caricanti e ferro-chelanti. Deferasiox (DFX) è un noto chelante del ferro ampiamente utilizzato nel campo10. Dopo l'applicazione, intrappola il ferro libero nel citoplasma e innesca una risposta cellulare alla carenza di ferro. Poiché lo scopo di questo studio era quello di valutare la ferritinofagia, privare le cellule del ferro era un modo semplice per promuovere la degradazione della ferritina attraverso l'autofagia come meccanismo di compensazione per ricostituire il pool di ferro cellulare. Il citrato ferrico di ammonio (FAC), al contrario, viene utilizzato per caricare le celle con ferro. Le cellule attivano la sintesi della ferritina in risposta a concentrazioni eccessive e, quindi, tossiche di ferro citosolico11. Il citrato di ammonio ferrico, quindi, favorisce la sintesi della ferritina e l'intrappolamento del ferro all'interno degli eteropolimeri della ferritina, che possono, a loro volta, attivare la ferritinofagia.
Per studiare il flusso ferritinofagico, in questo protocollo, coloriamo selettivamente i protagonisti del processo - ferritina e lisosomi (qui marcati da LAMP2) - e valutiamo la loro colocalizzazione. Un'alta percentuale di puncta colocalizzanti è indicativa di un'efficace degradazione lisosomiale della ferritina. Per massimizzare le informazioni recuperate da tali esperimenti, è possibile utilizzare coloranti aggiuntivi o anticorpi marcatori.
Da notare che questo metodo presenta sfide tecniche. I fibroblasti primari derivati da diversi donatori umani possono proliferare e crescere in modo diverso in vitro. Quindi, per risultati comparabili, cellule diverse dovrebbero essere seminate nello stesso passaggio. Pertanto, si consiglia di eseguire un esperimento di test prima di procedere con questo protocollo per esaminare i tempi di raddoppio delle cellule o delle linee cellulari che si intendono utilizzare.
Questo metodo non si limita allo studio della ferritinofagia; Semplicemente cambiando i trattamenti e gli anticorpi utilizzati, può essere riproposto per valutare varie altre vie selettive di autofagia; ad esempio, la mitofagia può essere esaminata utilizzando CCCP come induttore di stress mitocondriale e gli anticorpi optineurin, LC3 e LAMP2 per la colorazione12.
Nel complesso, la combinazione di acquisizione automatizzata di immagini e analisi CellProfiler costituisce un potente strumento per la valutazione funzionale ad alto rendimento di singoli fibroblasti umani. Ciò è particolarmente rilevante per lo studio delle malattie umane, per le quali l'analisi e il confronto di ampie coorti di cellule derivate da pazienti e cellule sane derivate da donatori sono di grande interesse.
Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.
Questo lavoro è stato finanziato dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Fondazione tedesca per la ricerca) Project-ID 259130777 - SFB 1177 (progetto E03). La Figura 1 è stata creata utilizzando BioRender.
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Linee cellulari | |||
| Fibroblasti umani primari derivati dalla pelle | Biopsia cutanea, donatore umano sano, Biobanca Clinica Universitaria Tü bingen, Approvazione etica 389/2019BO2 | F-CO-60, passaggio 9 | |
| Trattamenti di coltura cellulare | Concentrazione finale (composto) | ||
| Terreno di controllo | DMEM 10%FCS | (solo DMSO) | |
| Terreno di controllo + bafilomicinaA1 | DMEM 10%FCS | 100 nM bafilomicina A1 | |
| Terreno di controllo + deferasiox (DFX) | DMEM 10%FCS | 30 µ M DFX | |
| Mezzo di controllo + DFX + bafilomicinaA1 | DMEM 10%FCS | 30 µ M DFX, 100 nM bafilomicina A1 | |
| Terreno di controllo + citrato di ammonio ferrico (FAC) | DMEM 10%FCS | 0,05 mg/mL FAC | |
| Terreno di controllo + FAC + bafilomicinaA1 | DMEM 10%FCS | 0,05 mg/mL FAC, 100 nM bafilomicina A1 | |
| Materiale | |||
| Albumina [BSA] Frazione V | AppliChem | A1391 | |
| Alexa 488 capra a-coniglio | Life Technologies | A-11008 | |
| Alexa 546 capra a-topo | Life Technologies | A-11003 | |
| Bafilomicina A1 | Sigma Aldrich | 196000 | |
| BioLite Colture cellulari trattate con piastre da 10 cm | Thermo Scientific | 130182 | |
| DAPI | AppliChem | A4099 | |
| Deferasiox (ICL-670) | Selleckchem | S1712 | |
| DMEM Glutamax | Gibco | 31966 | |
| DMSO | AppliChem | A3672 | |
| DPBS senza calcio né magnesio | Gibco | 14190094 | |
| Siero fetale bovino (FCS) | Gibco | 10437-028 | |
| Citrato di ammonio ferrico (FAC) | Merck | F5879 | |
| Anti-FERRITIN (Milza umana) | Rockland | 200-401-090-0100 | |
| LAMP2 (H4B4) | Santa Cruz | Sc-18822 | |
| Paraformaldeide (PFA) | Sigma-Aldrich | 441244 | |
| PBS 10x Dulbecco' s | AppliChem | A0965 | |
| PenStrep (1,00U/mL penicillina, 100 mg/mL streptomicina) | Life Technologies | 15140-122 | |
| Tripsina-EDTA (0,05%) con fenolo rosso | Gibco | 25300 | |
| Tween20 | AppliChem | A4974 | |
| 96 piastre con fondo in vetro a 96 pozzetti #0 | Cellvis | P96-0-N | |
| Solution | |||
| 3,7% paraformaldeide (PFA) | PFA disciolto in PBS, pH 7,5 | ||
| Bafilomicina A1 100 mM stock | Bafilomicina A1 diluita in DMSO | ||
| Citrato di ammonio ferrico (FAC) 100 mg/mL stock | FAC diluito in acqua distillata doppia autoclavata | ||
| PBS/T | PBS, integrato con il 10% di Tween20 | ||
| PBS/T + BSA | PBS, integrato con 10% Tween20, 1% BSA | ||
| Software | |||
| CellProfiler 4.2.4 | https://cellprofiler.org/ | ||
| GraphPad Prism | Dotmatics | ||
| Microsoft Excel Versione 16.50 | Microsoft Office Plus 365 |