Ogólny schemat protokołu obejmującego cztery główne etapy przedstawiono na Rysunku 1. Wszystkie kroki opisano szczegółowo. Izolacja komórek, transdukcja i hodowla, a następnie obrazowanie konfokalne około 24 godziny później, stanowią następujące po sobie i obowiązkowe ramy czasowe. Konstrukcja wirusa powinna zostać przeprowadzona przed izolacją komórek, a następnie wykorzystana do transdukcji genetycznej.
1. Izolacja dorosłych miocytów serca z serca szczura
- Dorosłe samce szczurów linii Wistar o masie ciała około 250 g (wiek 6-12 tygodni) poddaje się znieczuleniu poprzez doszpikowe wstrzyknięcie 170 μl roztworu znieczulającego na 100 g masy ciała.
- Dodatkowo, aby zapobiec krzepnięciu krwi podczas operacji, wstrzykuje się roztwór cytrynianu (2 μl / g masy ciała).
- Należy przygotować zestaw do perfuzji Langendorffa. Wszystkie roztwory powinny być nasycone tlenem.
- Po znieczuleniu szczura zwierzę zostaje unieruchomione na stole operacyjnym, a górna część ciała zostaje zdezynfekowana 70% etanolem.
- Zwierzę zostaje uśmiercone poprzez przecięcie tętnicy szyjnej.
- Klatkę piersiową otwiera się za pomocą nożyczek. Serce i aorta powinny być teraz dostępne. Usuwa się osierdzie.
- Lodowaty roztwór A+ (5 ml) wstrzykuje się do obu komór za pomocą igły 26G, aby zatrzymać akcję serca i wypłukać krew.
- Aortę chwyta się kleszczykami i przecina na wysokości łuku aorty, dokładnie w miejscu pierwszego odgałęzienia.
- Serce zostaje usunięte z klatki piersiowej, a aortę mocuje się do kaniuli zestawu perfuzyjnego za pomocą pęsety i kleszczyków, aby umożliwić wsteczną perfuzję Langendorffa. Należy uważać, aby nie uszkodzić zastawek aorty.
- Serce należy przymocować za pomocą ligatury wokół aorty/kaniuli. Otwarte naczynia również muszą zostać podwiązane.
- Serce poddaje się wstecznej perfuzji nasyconym tlenem roztworem A+ w temperaturze pokojowej (23°C) przez 10 min pod ciśnieniem około 70 mbar. Należy upewnić się, że do aorty nie dostały się pęcherzyki powietrza.
- Roztwór perfuzyjny zostaje zmieniony na roztwór Liberase w temperaturze 37°C na około 25 min przy przepływie 4 ml/min za pomocą pompy perystaltycznej. Pod koniec perfuzji serce powinno mieć marmurkowy, biały wygląd. Czas trawienia może wymagać dostosowania do sytuacji lub stanu tkanki.
- Serce wyjmuje się z zestawu perfuzyjnego i umieszcza w szalce Petriego zawierającej roztwór A w temperaturze 37°C. Pozostałe naczynia i przedsionki zostają odcięte. Naczynia są usuwane, a przedsionki – jeśli jest to konieczne – są traktowane w inny sposób (poza zakresem niniejszego protokołu). Komory dzieli się na około 6 kawałków.
- Kawałki przenosi się do kolby Erlenmeyera o pojemności 100 ml zawierającej 20 ml roztworu A w temperaturze 37°C i lekko miesza w łaźni wodnej o temperaturze 37°C przez 5 min. Na koniec odrzuca się nadsącz.
- Opisaną powyżej procedurę powtarza się raz lub dwa razy. Nadsącz powinien stać się lekko mętny.
- Zwiększenie stężenia wapnia zewnątrzkomórkowego rozpoczyna się poprzez dodanie 20 ml roztworu B1/2 w temperaturze 37°C do komórek i tkanki pozostającej w pozostałości roztworu A w kolbie Erlenmeyera. Próbkę lekko wstrząsa się w łaźni wodnej o temperaturze 37°C przez dodatkowe 5 min. Następnie odrzuca się nadsącz.
- Dodaje się kolejne 20 ml roztworu B1/2. (Roztwór/nadsącz powinien teraz zawierać żywe komórki). Kroplę zawiesiny komórkowej przenosi się na szalkę Petriego i ogląda pod odwróconym mikroskopem do hodowli komórkowych. Jeśli komórki wykazują wysoką aktywność spontaniczną (skurcze), należy odczekać, aż przejdą w stan spoczynku.
- Ponownie odrzuca się nadsącz i dodaje 20 ml roztworu B1/2.
- Koniec plastikowej pipety Pasteura odcina się w taki sposób, aby kawałki tkanki mogły swobodnie przechodzić przez otwór podczas mieszania. Za pomocą płomienia wygładza się (stopi) ostre krawędzie.
- Następnie kawałki tkanki są delikatnie i ostrożnie triturywane. Kawałki tkanki powinny „rozpaść się” na pojedyncze komórki.
- Zawierający komórki nadsącz jest zlewany i rozcieńczany roztworem B do uzyskania pożądanej gęstości komórek, która zależy od rodzaju przeprowadzanych doświadczeń i powinna zostać określona empirycznie.
2. Konstrukcja adenowirusa do transdukcji białka fuzyjnego
Do produkcji adenowirusów wykorzystuje się system wektorów adenowirusowych Transpose-Ad firmy MP Biomedicals1. Niniejszy protokół rozpoczyna się od dostępnego i przetestowanego wektora wejściowego (pCR259) dla fluorescencyjnego białka fuzyjnego lub GEB s2.
- Ilość 10 ng wyżej wspomnianego początkowego wektora pCR259 zawierającego gen zainteresowania transformuje się za pomocą 100 μl kompetentnych komórek HighQ-1 Transpose-AD™ 294.
- Mieszaninę tę inkubuje się przez 20 min na lodzie, po czym przeprowadza się szok termiczny przez 45 s w temperaturze 42°C, a następnie przechowuje na lodzie przez kolejne 2 min.
- Dodaje się 900 μl nieaselektywnego medium LB i hoduje w temperaturze 37°C przy łagodnym wytrząsaniu przez 4 godziny.
- Wysiewa się 50 μl, 100 μl i 200 μl na płytki zawierające medium LB z chloramfenikolem (Cm, 20 μg/ml), ampicyliną (100 μg/ml), tetracykliną (15 μg/ml), X-Gal (280 μg/ml) i IPTG (40 μg/ml). (Bardziej intensywne i szybsze niebieskie barwienie jest możliwe przy użyciu droższego barwnika Bluo-Gal w stężeniu 300 μg/ml. Należy go stosować szczególnie wtedy, gdy nie posiada się dużego doświadczenia w rozpoznawaniu i rozróżnianiu kolonii niebieskich i białych).
- Hoduje się przez 24 godziny w temperaturze 37°C. Przechowuje się w temperaturze 4°C do czasu, aż możliwa będzie dokładna identyfikacja kolonii niebieskich. W przypadku trudności z decyzją, która kolonia jest naprawdę biała, wybiera się kilka kolonii i replikuje je na innej płytce zawierającej trzy antybiotyki, X-Gal i IPTG, a następnie pozostawia do wzrostu przez noc w temperaturze 37°C.
Uwaga) Komórki HighQ-1 Transpose-AD™ 294 zawierają dwa ważne plazmidy: szkielet adenowirusa (Transpose-Ad™ 294) oraz plazmid pomocniczy wykazujący ekspresję transpozazy, która pośredniczy w insercji genu zainteresowania do jego miejsc docelowych, zlokalizowanych w genie LacZ plazmidu Transpose-AD 294.
- Aby zidentyfikować pozytywne kolonie zawierające gen zainteresowania w szkielecie wirusa, przeprowadza się PCR kolonii zgodnie z opisem w sekcjach 2.7-2.9. Należy użyć starterów wektorowych flankujących wielomiejscowy region klonowania (forward 5'CCCAGTCACGACGTTGTAAAACG3', reverse 5'GCGGATAACAATTTCACACAGG3') i wykonać PCR kolonii dla kolonii 100% białych, używając jednej kolonii niebieskiej jako kontroli dla plazmidów Transpose-AD 294 bez wstawionego genu zainteresowania. Kolonie niebieskie dadzą krótki fragment PCR (~200 bp), kolonie zawierające gen zainteresowania wykażą duży produkt PCR (zależnie od długości genu zainteresowania), a kolonie z dwoma fragmentami są koloniami wielokomórkowymi i muszą zostać rozdzielone przed dalszym użyciem.
- Zgodnie z poniższą tabelą należy przygotować master mix.
- Wybiera się pojedynczą, 100% białą kolonię za pomocą autoklawowanego wykałaczką i najpierw wykonuje replikę tej kolonii na płytce LB z Cm.
- Przenosi się kolonię do mieszaniny PCR. Obraca się ją w mieszaninie PCR 3-4 razy, a następnie usuwa wykałaczkę, zanim wchłonie zbyt dużo mieszaniny PCR. Protokół PCR zależy od kb wstawki i użytej polimerazy. Temperatura przyłączania starterów wynosi 57°C i zaleca się zastosowanie 35 cykli.
- Hoduje się nocne kultury (medium LB z Cm) pozytywnych klonów i izoluje plazmidy za pomocą dostępnego komercyjnie zestawu bez kolumn wirowych, ponieważ siła odśrodkowa niszczy ogromny wektor wirusowy.
- Transformuje się 0,5 μg izolowanych plazmidów w 100 μl kompetentnych komórek DH5α. DNA inkubuje się z komórkami na lodzie przez 30 min. Szok termiczny przeprowadza się przez 45 s w 42°C, a następnie pozostawia na lodzie przez 2 min.
- Dodaje się 900 μl nieaselektywnego medium LB i hoduje w 37°C przy łagodnym wytrząsaniu przez 1 godzinę.
- Wysiewa się 50 μl na płytkę zawierającą medium LB z Cm, X-Gal i IPTG. Inkubuje się w 37°C przez 24 godziny.
- Wybiera się i replikuje do 20 kolonii 100% białych na oddzielnych płytkach z ampicyliną, tetracykliną i chloramfenikolem zawierających IPTG i X-Gal. Pozostawia się je do wzrostu przez noc w 37°C. Wybiera się kolonie, które są 100% białe, oporne na chloramfenikol oraz wrażliwe na ampicylinę i tetracyklinę.
- PCR kolonii (opcjonalnie): pozytywne klony można ponownie przetestować za pomocą PCR kolonii, aby sprawdzić, czy zawierają wstawkę.
- Wybiera się pojedynczą kolonię pozytywnego rekombinanta i hoduje w 600 ml medium LB z Cm.
- Izoluje się plazmid za pomocą zestawu do maksi-izolacji plazmidów.
- Trawi się 5 μg plazmidu enzymem Pac I przez dwie godziny w 37°C i zatrzymuje reakcję w 65°C przez 20 min.
- Całość trawienia koncentruje się w SpeedVac w temperaturze pokojowej przez 30 min do końcowej objętości 10 μl lub stosuje metodę ekstrakcji fenolowo-chloroformowej.
- Rozmraża się ampułkę zamrożonych komórek QBI-HEK 293 przy łagodnym wytrząsaniu w kąpieli wodnej o temperaturze 37°C. Zewnątrz ampułki płucze się 70% etanolem i postępuje się aseptycznie w sterylnej komorze z laminarnym przepływem powietrza.
- Przenosi się komórki do sterylnej probówki 15 ml, dodając kroplami 10 ml DMEM (+10% FCS) przy łagodnym wytrząsaniu, a następnie wiruje przez 10 min przy 250xg, abyt stworzyć pellet komórek.
- Odlewa się supernatant. Pellet resuspenduje się w 10 ml DMEM (+10% FCS) poprzez delikatne pipetowanie w górę i w dół.
- Wysiewa się do kolby 75 cm2 i dodaje do komórek 10 ml DMEM z 10% FCS. Inkubuje się przez noc w 37°C w inkubatorze z 5% CO2.
- Następnego dnia weryfikuje się gęstość komórek. Komórki QBI-HEK 293 powinny być pasażowane w stosunku od 1:10 do 1:20.
- Usuwa się medium z komórek i traktuje trypsyną (2 ml Trypsyny) przez 1-3 min. Dodaje się do komórek 10 ml DMEM i wiruje przy 250xg przez 10 min.
- Ostrożnie usuwa się medium i dodaje do komórek 10 ml świeżego medium, resuspenduje i przelicza komórki.
- Wysiewa się do sześciodotykowej płytki, podając do każdego dołka odpowiednio 2x105, 3x105, 4x105, 5x105 i 6x105 komórek. Inkubuje się płytkę w 37°C w inkubatorze CO2.
- Następnego dnia używa się dołka z 50% konfluencją do transfekcji skoncentrowanym trawieniem Pac I. Mamy dobre doświadczenia z transfekcją Lipofectamine 2000, ale odpowiednie powinny być również inne metody (takie jak transfekcja fosforanem wapnia).
- Wymienia się medium w dołku 3-4 h przed transfekcją, aby wprowadzić komórki w fazę wzrostu wykładniczego podczas procedury.
- Miesza się 5 μl Lipofectamine z 250 μl DMEM i inkubuje w temperaturze pokojowej przez 5 min.
- Mieszaninę Lipofectamine-Medium dodaje się do DNA (trawienie Pac I) i miesza, uderzając probkę reakcyjną o dłoń; nie mieszać poprzez pipetowanie. Mieszaninę inkubuje się przez 20 min w temperaturze pokojowej.
- Mieszaninę do transfekcji dodaje się do komórek i kołysze płytką, aby wymieszać. Inkubuje się w 37°C z 5% CO2. Wymienia się medium po 4-5 godzinach.
- Dwa dni po transfekcji pobiera się medium z komórek i przelewa je do świeżej kolby hodowlanej (75 cm2).
- Traktuje się komórki 500 μl trypsyny przez maksymalnie 5 min. Dodaje się do komórek 1 ml DMEM, pobiera całą mieszaninę i przelewa ją wraz z 17 ml świeżego medium (DMEM z FCS) do kolby hodowlanej. Hoduje się komórki w 37°C z 5% CO2 aż do pojawienia się efektów cytopatycznych (CPE). Patrz Rysunek 2, aby zobaczyć, jak powinny wyglądać CPE.
- Zbiera się komórki wraz z medium do probówki 50 ml i zamraża w -80°C. Rozbija się komórki za pomocą trzech cykli zamrażania i rozmrażania (-80°C/kąpiel wodna 37°C).
- Wiruje się przez 20 min przy 8000xg i 4°C. Supernatant odlewa się do naczynia o średnicy 100 mm, a pellet usuwa. Do przefiltrowania supernatantu używa się sterylnego filtra o rozmiarze porów 0,45 μm. Jest to pierwszy zapas wirusa (pasaż 1).
- Używa się 1/3 tego zapasu do transdukcji kolby 75 cm2 z komórkami QBI-HEK 293 o 70% konfluencji. Inkubuje się w 37°C i 5% CO2 do czasu pojawienia się CPE.
- Jeśli komórki wykażą CPE, zbiera się je i ekstrahuje wirusy w sposób opisany wcześniej. Jest to pasaż 2 wirusa.
- Powtarza się kroki 2.37 i 2.38 z wirusem pasażu 2 i tak dalej, aż amplifikacja wirusów pozwoli na uzyskanie wystarczającego zapasu. Wirus może być skoncentrowany za pomocą specyficznych probówek do wirowania (jednostka filtrująca Amicon Ultra-15 z membraną ultracel-100 od Millipore) i przechowywany przez kilka miesięcy w -80°C. Do przeliczenia cząstek infekcyjnych stosuje się test plackowy.
- Używa się wirusa pasażu 2 lub wyższego do transdukcji komórek i do dalszej amplifikacji wirusa.
3. Pierwotna hodowla komórkowa i transdukcja adenowirusowa
- Sterylne okrągłe szkiełka nakrywkowe o średnicy 20 mm umieszcza się w standardowych płytkach 12-dołkowych.
- 20 μl roztworu ECM rozprowadza się równomiernie na każdym szkiełku nakrywkowym. Nadmiar roztworu usuwa się. Suszenie powinno trwać minimum 1 h w temperaturze 37° C. Alternatywnie powłokę można suszyć przez noc (12 h) w temperaturze pokojowej.
- Każdy dołek wypełnia się 1 ml Medium M199 z dodatkami zawierającymi antybiotyki oraz ITS.
- Do każdego dołka dodaje się od 200 do 400 μl zawiesiny komórkowej (z kroku 1.21). Hodowla komórek odbywa się w temperaturze 37°C w inkubatorze z 5% CO2.
- Pozostawia się komórki do osadzenia, a po 1 h wymienia medium.
- Bezpośrednio po wymianie medium, odpowiednią ilość roztworu zawierającego wirusa (z pasażu 2 lub wyższego) miesza się poprzez delikatne kołysanie płytki.
- W przypadku długoterminowej hodowli medium wymienia się co 2 dni.
- Ekspresja GEB jest wykrywalna 24 godziny po transfekcji.
4. Obrazowanie konfokalne struktur podkomórkowych 3D i sygnałów Ca2+
Obrazowanie konfokalne można przeprowadzić na dowolnym mikroskopie konfokalnym. Jednakże eksperymenty z obrazowaniem wapnia wymagają szybkości akwizycji co najmniej na poziomie częstotliwości wideo (25-30 Hz). Ogranicza to dostępne technologie do skanerów wielowiązkowych (np. tarcza Nipkowa, skaner z przemieszczaną wiązką lub skaner z macierzą tysiąca wiązek) lub bardzo szybkich skanerów jednowiązkowych (np. skaner rezonansowy lub skaner z akustyczno-optycznym deflektorem (AOD)). Przegląd tych technologii znajduje się w Ref. 3. Obrazowanie subkomórkowe 3D wymaga napędu w osi z. W niniejszej procedurze zastosowano skaner z macierzą tysiąca wiązek (VTinfinity, VisiTech Int., Sunderland, UK).
- Mikroskop i urządzenia peryferyjne muszą zostać wprowadzone w tryb pracy. W przypadku lasera może to wymagać okresu rozgrzewania aż do osiągnięcia stabilnej mocy wyjściowej.
- Komórki należy przenieść do komory eksperymentalnej (transfer lamellki). Lamellki z komórkami są przenoszone do komory eksperymentalnej, po czym dodaje się 1mL roztworu Tyrode'a (zawierającego 1.8 mM wapnia zewnątrzkomórkowego).
- Komorę eksperymentalną należy umieścić na stole mikroskopu. Odpowiednio należy ustawić elektrody stymulujące, układ perfuzyjny oraz pozostałe urządzenia peryferyjne, np. kontrolę temperatury.
- Ostrość na komórkach zostanie ustawiona, a same komórki zostaną wybrane przy użyciu światła białego i/lub oświetlenia epifluorescencyjnego.
- Należy ustawić parametry akwizycji, takie jak moc lasera, czas ekspozycji itp., lub cały protokół eksperymentu.
- Można pozyskiwać serie czasowe i/lub obrazy z przekrojów Z (Z-section).
- W tak przygotowanym układzie można przeprowadzać zaawansowane pomiary wielomodalne z wykorzystaniem elektrofizjologii (patch-clamp) i/lub manipulacji optycznych, takich jak redystrybucja fluorescencji po fotowybielaniu (FRAP) lub uwalnianie substancji z klatek (uncaging), w tym fotoliza dwufotonowa.
- Analiza obrazu, a w szczególności rekonstrukcja 3D, jest wykonywana w dedykowanym oprogramowaniu analitycznym, takim jak Imaris (Bitplane AG, Zürich, Switzerland), VeloCity (Improvision, Coventry, UK) lub Arivis Browser (arivis GmbH, Rostock, Germany).
5. Reprezentatywne wyniki:
Końcowymi wynikami protokołu są sekwencje obrazów, które mogą zostać wykorzystane do dalszej ekstrakcji danych.
Przykładem jest badanie struktur i organelli subkomórkowych. Rysunek 3 przedstawia przykład trójwymiarowego rozmieszczenia aparatu Golgiego. W przeciwieństwie do mikroskopii elektronowej wszystkie badania można przeprowadzić na żywych komórkach.

Rycina 1: Ogólny przebieg głównych etapów eksperymentu.

Rysunek 2: Obraz po lewej przedstawia komórki Q-HEK w hodowli z konfluencją 90-95%, które nie zostały poddane transdukcji. Efekty cytopatyczne po transdukcji wirusowej pokazano w części prawej. Komórki zaokrąglają się i odrywają od dna płytki. W tych komórkach jądro zajmuje większą część komórki w wyniku aktywnej produkcji wirusa.

Rysunek 3: Miocyt serca dorosłego szczura transfekowany białkiem fuzyjnym YFP celującym w aparat Golgiego. Miocyty serca po adenowirusowym transferze genów (jeden dzień w hodowli) wykazują ekspresję fluorescencyjnego białka fuzyjnego. Panel A przedstawia pojedynczy przekrój konfokalny wykonany ze stosu z-stack. W panelu B przedstawiono tę samą komórkę po dekonwolucji z wykorzystaniem teoretycznej funkcji rozmycia punktowego (PSF). Ten obraz o zredukowanym rozmyciu służy następnie do renderowania komórki w celu uzyskania rekonstrukcji objętościowej 3D, jak pokazano w panelu C, lub rekonstrukcji powierzchniowej 3D (D). Pasek skali reprezentuje 10 μm.