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I cambiamenti nella mobilitazione intracellulare del calcio dettano una vasta gamma di processi cellulari, inclusi cambiamenti nell'espressione genica e la modulazione delle risposte immunitarieinnate 1,2. I livelli di calcio intracellulari possono essere alterati tramite il rilascio da riserve di calcio intracellulari, come il reticolo endoplasmatico ei mitocondri 1,2,3. L'afflusso extracellulare di calcio nello spazio intracellulare può anche alterare il calcio citosolico sia attraverso il trasporto passivo cheattivo 2. L'imaging cellulare vivente della mobilizzazione del calcio viene analizzato principalmente da coloranti intracellulari o coloranti codificati geneticamente, GCaMP (Multimer/Proteina attivata dal calcio verde)4. Comuni in letteratura sono i coloranti coniugati con AM (acetossimetil), che permettono al colorante di penetrare nella membrana plasmatica 5,6,7,8. All'ingresso nella cellula, la parte AM viene spezzata da esterasi intracellulari endogene, e il colorante acquisisce una carica negativa, intrappolandolo nello spaziocitosolico 9. Grazie a questa carica acquisita, il colorante può essere pompato via dai canali anionici organici residenti nella membrana plasmica. Pertanto, viene aggiunto il probenecide, un inibitore dei trasportatori di efflusso di anioni organici, per prevenire l'efflusso cellulare del colorante e mantenere il segnale citosolicoottimale 10,11. Gli studi impiegano comunemente Fura-2 AM, un colorante ratiometrico, e Fluo-4AM, un colorante intensitometrico, per analizzare la segnalazione del calcio su linee cellulari stabili coltivate in un monostrato. Questo studio utilizza un protocollo adattato per l'imaging epifluorescente di colture multistrato coltivate all'interfaccia aria-liquido utilizzando il colorante calcio intensitometrico recentemente sviluppato, Cal-520 AM, che presenta una sensibilità aumentata rispetto a Fluo-4 AM. Pertanto, è adatto a visualizzare in modo robusto segnali sottili a risoluzione cellulare singola provenienti da colture epiteliali primarie complesse. La letteratura attuale è ricca di immagini vivi del calcio delle risposte di massa da linee cellulari stabili. Tuttavia, è ormai noto che in vivo i tessuti costituiscono un paesaggio cellulare diversificato che supporta diversi ruoli specifici per tipo cellulare nel mantenimento dell'omeostasitissutale 12,13,14,15. Nonostante questa conoscenza comune, i meccanismi con cui distinti tipi cellulari coordinano i segnali del calcio e regolano l'omeostasi degli ioni calcio restano sconosciuti. Pertanto, i metodi qui presentati permetteranno il rilevamento da parte di singola cellula della segnalazione calcica e miglioreranno la portata delle analisi a valle nei tessuti primari delle vie aeree.
Stiamo sfruttando i nostri modelli di coltura epiteliale primaria precedentemente pubblicati e rigorosamente validati dell'epitelio nasale umano come strumento per visualizzare il calcio citosolico di cellule vive in un modellobiologicamente rilevante 16,17,18. In breve, le cellule epiteliali sono isolate dalle spazzole nasali del paziente e vengono coltivate su una membrana semipermeabile su un poglio trans, sospesa all'interno di un pozzo di coltura per mantenere un'interfaccia aria-liquido (ALI). Questa interfaccia, abbinata a mezzi specializzati, è stata rigorosamente testata utilizzando tecniche ortogonali per la presenza di diversi tipicellulari 16,17,18. Inoltre, è stato dimostrato che i metodi attuali sono traducibili in colture bronchiali primarie che vengono coltivate in modo simile alle nostre colture nasaliprimarie 19.
Questo articolo introduce un metodo adattato per misurare e analizzare la segnalazione del calcio vivo a risoluzione cellulare singola in queste colture epiteliali primarie delle vie aeree. Queste colture multilivello sono difficili da visualizzare con la microscopia; Tuttavia, l'attuale configurazione ci permette di concentrarci in modo affidabile su singoli strati all'interno delle colture multistrato, permettendoci di rilevare la mobilitazione del calcio da questi specifici strati. Questa configurazione presenta diversi vantaggi, in quanto non richiede un sistema di perfusione, spesso costoso e difficile da adattare a meno che non vengano impiegati microscopi specializzati. È stata utilizzata la microscopia a epifluorescenza, che offre una risoluzione temporale migliorata rispetto all'imaging confocale. L'uso di diodi a emissione luminosa (LED) minimizza la fototossicità rispetto ai sistemi confocali basati su laser. Nel protocollo qui presentato sono utilizzati coloranti intensiometrici estrinseci poiché consentono cambiamenti rapidi e relativi del calcio in tutta la popolazione cellulare e sono compatibili con la maggior parte dei sistemi di microscopia a fluorescenza. Questo è vantaggioso rispetto ai coloranti ratiometrici comuni, che richiedono eccitazione ultravioletta profonda (UV) che non è disponibile su molti microscopi. Inoltre, GCaMP richiede trasfezione o trasduzione, che rafforza la tecnica per immagini più mirate del calcio in specifici tipi cellulari. A causa delle basse efficienze di trasduzione e trasfezione nelle colture epiteliali primarie, la tecnica è poco adatta al monitoraggio dell'intera popolazione cellulare.
Inoltre, questo studio ha sviluppato un software innovativo e specializzato basato su machine learning che consente la segmentazione di singola cellula basata su colorazione nucleare viva. Il software è quindi in grado di registrare i valori di intensità di fluorescenza per ogni cella nel tempo. Inizialmente è stata impiegata una linea cellulare epiteliale stabile (Calu-3) per l'ottimizzazione del metodo. Successivamente, questi metodi sono stati tradotti per studiare la mobilizzazione del calcio a singola cellula nelle colture epiteliali primarie. Variabili come la concentrazione del colorante di calcio e del probenecide, il tempismo dei passaggi di incubazione e l'impostazione per immagini sono state ottimizzate. Qui, la segnalazione del calcio viene registrata a una frequenza di 0,2 fps (fotogrammi al secondo), adatta per monitorare la segnalazione del calcio. Il frame rate può essere aumentato per misurare transitori di calcio piùrapidi 20. Le variabili ottimali sono state quindi applicate e ulteriormente ottimizzate in colture nasali primarie più complesse.