Metodologia
Opis mikroskopu
Eksperymenty z obrazowaniem żywych komórek przeprowadzono przy użyciu systemu Epi-Fluorescence TE-FM zamontowanego do odwróconego mikroskopu Nikon Eclipse TE300. Mikroskop jest wyposażony w stół grzewczy. Do mikroskopu podłączono cyfrową czarno-białą kamerę CCD Cool Snap HQ (Roper Scientific) oraz optyczny zmieniacz filtrów LAMDA 10-2 (Sutter Instrument Company). Długości fal wzbudzenia i emisji są regulowane za pomocą kół filtrowych sterowanych przez kontroler kół filtrowych Lamba 10-2, Sutter Instruments Co. Czas ekspozycji 500 ms powinien być wystarczający do wizualizacji RFP lub GFP w żywych komórkach. Sterowanie sprzętem oraz akwizycja obrazów są realizowane za pomocą oprogramowania Metamorph. W niniejszym badaniu wybrano następujące zestawy filtrów: S480/20x, S525/40m oraz S565/25x, S620/60m odpowiednio dla GFP i RFP; podwójny filtr dichroiczny EGFP/DsRed, Chroma Technology. Koło filtrowe to może pomieścić do sześciu zestawów filtrów. Mikroskop jest wyposażony w kontroler stołu Prior Proscan z joystickiem. Wszystkie te akcesoria sprzętowe mogą być sterowane za pomocą oprogramowania Metamorph. Mikroskop jest również wyposażony w mikromanipulatory do utrzymywania mikropipet.
A. Pomiar migracji komórek dendrytycznych ukierunkowanej na leukotrien B4
Wykorzystując opisane powyżej ustawienia mikroskopu, opracowaliśmy metody śledzenia migracji komórek dendrytycznych skierowanej przez ligand w czasie rzeczywistym. Do mikroskopu przymocowano dwa mikromanipulatory (Narishige). Nagrano chemotaksję komórek dendrytycznych pochodzących z szpiku kostnego myszy (BMDCs) w kierunku gradientu LTB4. W niniejszym opracowaniu opisujemy metody przygotowania mikropipet przy użyciu wyciągacza mikropipet, napełniania mikropipety ligandem oraz konfiguracji eksperymentu chemotaksji na podgrzewanym stoliku mikroskopu w celu monitorowania kierunkowej migracji komórek. Metodę tę można zastosować do badania skuteczności różnych chemoatraktantów w indukowaniu migracji, a także wpływu inhibitorów chemotaksji na żywe komórki. Izolacja BMDCs21 z myszy została opisana w kilku publikacjach, w tym w JoVE22.
1. Przygotowanie BMDC
- Wysiać komórki BMDC (po 10 dniach hodowli) na szalki Fluoro z dnem z lamellką i pozostawić do wzrostu na 16 hr przed eksperymentem.
- Przemyć komórki 3 mL 1X PBS co najmniej 2 razy (poprzez dodanie 3 mL 1X PBS do szalki i odessanie buforu).
- Dodać 2 mL 1X PBS do szalki. Komórki są teraz gotowe do eksperymentu. Przed rozpoczęciem badania przechowywać komórki w inkubatorze w temperaturze 37 °C.
Przygotowanie mikropipety z załadowanym ligandem:
- Zamocuj szklane kapilary (Glass standard, 0.75 mm x 0.4 mm; 6", Cat# 625500, A.M. Systems, INC) w pionowym wyciągarze do mikropipet (Narishige International USA, Inc).
- Utrzymuj temperaturę 52 °C i pozwól szkłu stopić się i rozciągnąć, aby utworzyć ostre końcówki.
- Zamocuj pipetę w uchwycie do mikropipet.
- Wygładź szorstkie krawędzie mikropipety za pomocą mikrokuźni Micro forge M-900 (Narishige International USA, Inc), obserwując proces pod mikroskopem.
- Przygotuj co najmniej 10-20 pipet na każdy eksperyment.
Uwaga: Mikropipety można również nabyć od World Precision Instruments (μ TIP, T1801TW1F).
- Przenieś odpowiednie stężenie ligandu (w niniejszym eksperymencie 500 μL 100 nM LTB4) do probówki typu Eppendorf o pojemności 1 mL, zanurz końcówkę mikropipety w roztworze i pozwól mu wpłynąć do wnętrza mikropipety (napełnianie wsteczne).
- Pobierz 1 mL ligandu do strzykawki (strzykawka tuberkulinowa 1 cc) i powoli wprowadź ligand do mikropipety od góry, używając igły Micro-Fill (MF 28G-5, World Precision Instruments).
- Podłącz dren, który ściśle przylega do pipety, oraz dren łączący z igłą (21 G 11/2) zamocowaną do strzykawki 1 mL wypełnionej ligandem.
- Następnie ostrożnie przenieś wypełnioną ligandem mikropipetę na stolik mikroskopu i zamocuj ją w mikromanipulatorach.
- Wywieraj lekki nacisk tłokiem strzykawki, aby upewnić się, że ligand powoli uwalnia się z końcówki.
- Umieść płytkę z niedojrzałymi BMDC pod mikroskopem na podgrzewanym stoliku (37 °C).
- Zdejmij pokrywkę naczynia fluoro.
- Ustaw ostrość na komórki, używając obiektywu imersyjnego 60X.
- Ostrożnie opuść załadowaną ligandem pipetę w pobliże komórek, korzystając z manualnego manipulatora grubego ustawienia „Coarse Manual Manipulator MN-188NE”.
- Ustaw precyzyjnie położenie pipety za pomocą hydraulicznego mikromanipulatora precyzyjnego „Hydraulic Fine Micromanipulator MN-188 NE”.
- Wywieraj lekki nacisk tłokiem strzykawki, aby upewnić się, że ligand uwalnia się do naczynia.
- W oprogramowaniu Metamorph ustaw parametry akwizycji obrazu w polu jasnym (czas naświetlania 10 ms) co 15 s przez 2 h.
- Monitoruj postęp migracji w kierunku ligandu co 30 min.
- Jeśli komórki zgromadzą się zbyt gęsto przy końcówce pipety, zmień położenie końcówki na płytce, aby kontynuować eksperyment migracyjny.
B. Pomiar oddziaływań między GPCR (BLT1) a białkiem cytozolowym (β-arrestyną) oraz ich translokacji w żywych komórkach
1. Przygotowanie konstruktów plazmidowego DNA
Szczegóły dotyczące konstruktów plazmidowych DNA opisano w pracy Jala et al. (2005)18.
2. Transfekcja ludzkiego BLT1-RFP i β-Arrestyny-GFP do komórek RBL-2H3
- Hodować komórki linii Rat Basophilic Leukomia (RBL-2H3) (konfluencja 60–70%) w temperaturze 37 °C w atmosferze uwilgotnionej (95% powietrza, 5% CO2) jako kultury monowarstwowe w pożywce wzrostowej (DMEM uzupełniony o 15% FBS, 2 mM L-glutaminy, 100 U/mL penicyliny i 100 μg/mL streptomycyny) w kolbach T75.
- Odczepić komórki z naczyń/kolb, stosując 6 mL trypsyny z EDTA (0,05% trypsyny, 0,53 mM EDTA) i inkubując przez 5 min w temperaturze 37 °C w atmosferze uwilgotnionej (95% powietrza, 5% CO2). Delikatnie potrząsać kolbami, aby monitorować stopień odczepienia komórek.
- Dodać 6 mL pożywki wzrostowej do kolby zawierającej 6 mL trypsyny z EDTA i zebrać komórki, mieszając je poprzez wielokrotne pipetowanie w górę i w dół. Przenieść komórki do probówek typu Falcon o pojemności 15 mL.
- Policzyć komórki za pomocą hemocytometru, odmierzyć 4 x 106 komórek do probówek do wirowania o pojemności 15 mL, wirować przy 480g przez 3 min i resuspendować w 200 μL pożywki do transfekcji (DMEM, 20% FBS, 50 mM HEPES). W przypadku planowania 3 transfekcji, przygotować odpowiednią liczbę komórek i objętość pożywki do transfekcji.
- Przygotować plazmidy do transfekcji o stężeniu co najmniej 1,5 μg/μL. Plazmid DNA przygotowujemy za pomocą zestawu QIAGEN Maxi DNA plasmid kit. Dodać pojedyncze lub oba plazmidy DNA kodujące ludzkie BLT1-RFP (25 μg) i β-arrestin1-GFP (15 μg) do sterylnych kuwet do elektroforezy (Bio-Rad # 16552088) z przerwą między elektrodami wynoszącą 0,4 cm.
- Przenieść 200 μL powyższych resuspendowanych komórek do kuwet zawierających hBLT1-RFP, β-arrestin1-GFP lub oba plazmidy jednocześnie i delikatnie wymieszać za pomocą sterylnej pipety 1 mL.
- Pozostawić powyższe kuwety w temperaturze pokojowej przez 10 min.
- Przeprowadzić elektroporację komórek w urządzeniu Gene Pulser II przy napięciu 250 v i pojemności 500 μF.
- Po elektroporacji pozostawić komórki w temperaturze pokojowej przez 10 min.
- Wziąć 1 mL zwykłej pożywki wzrostowej i zmieszać ją z elektroporowanymi komórkami w kuwetach.
- Rozdzielić 300 μL tej mieszaniny do 35 mm szklanych naczyń hodowlanych z dnem (Fluoro dish, World Precision Instruments) zawierających 2 mL zwykłej pożywki wzrostowej i inkubować przez 1 h w temperaturze 37 °C w atmosferze uwilgotnionej (95% powietrza, 5% CO2). Pozwolić komórkom przytwierdzić się do dna naczynia.
- Po 1 h inkubacji wymienić pożywkę na zwykłą pożywkę wzrostową i pozwolić im rosnąć w temperaturze 37 °C w inkubatorze z atmosferą uwilgotnioną (95% powietrza, 5% CO2) przez 18–24 h.
3. Obrazowanie żywych komórek
Pozyskiwanie obrazów
- Po 18-24 h przemyć komórki 2 lub 3 razy 2 mL ciepłego medium RPMI bez czerwieni fenolowej zawierającego 10 mM HEPES, pH 7,55 (dodać 2 mL ciepłego medium bezpośrednio na płytkę, a następnie odessać medium; powtórzyć 2 lub 3 razy). Dodać 1,8 mL ciepłego medium RPMI bez czerwieni fenolowej zawierającego 10 mM HEPES.
- Umieścić 30 mm szklane naczynia hodowlane z dnem z lamellki zawierające komórki RBL-2H3, przetransfekowane hBLT1-RFP i β-arrestin1-GFP, na podgrzewanym stoliku mikroskopu (37 °C).
- Nabyć obrazy komórek przy powiększeniu 600x, używając obiektywu Nikon Plan Apo 60X/1.4 z aperturą numeryczną 60X do imersji olejowej (dostępnego w naszym systemie mikroskopowym).
- Nanieść jedną kroplę oleju na soczewkę obiektywu 60x i ustawić ostrość na komórkach przy użyciu zwykłego światła przechodzącego w polu jasnym, dotykając dna płytki.
- Aby monitorować fluorescencję przetransfekowanych białek, przełączyć z pola jasnego (światło przechodzące) na filtr fluorescencyjny (filtr RFP w celu obserwacji receptora lub GFP w celu obserwacji β-arrestin1).
- Za pomocą filtra RFP wybrać jasną i zdrową komórkę, która wykazuje ekspresję hBLT1-RFP na powierzchni komórki, i zarejestrować obraz.
- Następnie przełączyć na filtr GFP, upewnić się, że β-arrestin-GFP jest eksprymowany w cytoplazmie i zarejestrować obraz. Następnie nadać obu obrazom kolory pseudobarwne przed rozpoczęciem rejestracji obrazów żywych komórek w trybie time-lapse, aby upewnić się, że nie występuje przenikanie fluorescencji (bleed-through) między kanałami RFP a GFP.
- Po wyborze komórki ustawić parametry zgodnie z celem badania za pomocą oprogramowania (w tym przypadku oprogramowania Metamorph).
- W niniejszej demonstracji obrazy 16-bitowe są pozyskiwane przy binningu kamery ustawionym na 1 X 1, w połączeniu z obiektywem Nikon Plan Apo 60X/1.4 z aperturą numeryczną 60X do imersji olejowej.
- Rejestrować jednocześnie obrazy fluorescencyjne dla fluorochromów RFP i GFP w odstępach czasu 30 s (jeśli translokacja/interakcje zachodzą zbyt szybko, można skrócić odstępy czasowe), korzystając z kół filtracyjnych sterowanych oprogramowaniem Metamorph.
- Czas ekspozycji kamery ustawiono na 1000 msec dla RFP i GFP. (Ustawić konkretne czasy ekspozycji zgodnie z intensywnością fluorescencji RFP i GFP).
- Najpierw rejestrować obrazy przez 1 min bez dodawania ligandu, co służy jako punkt czasowy 0.
- Po 1 min dodać 200 μL ligandu (z roztworu stokowego 10 μM do stężenia końcowego 1 μM), nie poruszając płytką ani nie zmieniając pozycji komórek.
- Obrazy fluorescencyjne są zbierane przez 60 min po dodaniu ligandu i zapisywane jako obrazy TIFF z nazwami plików w kolejności rosnącej.
- Wszystkie te pliki mogą zostać przekształcone w pliki stosem (stack files) z poszczególnymi lub połączonymi obrazami fluorescencyjnymi z sygnaturami czasowymi przy użyciu oprogramowania.
Przetwarzanie obrazów oraz kwantyfikacja fluorescencji białek i ich lokalizacji
- Należy zarejestrować obrazy pustego medium (bez komórek) przy użyciu filtrów fluorescencyjnych RFP i GFP i zapisać je jako obrazy tła. Obrazy te posłużą do odjęcia tła od rzeczywistych obrazów danych uzyskanych powyżej.
- Należy przygotować stos obrazów (stack) oddzielnie dla obrazów RFP i GFP.
- Należy wybrać/zdefiniować poszczególne obszary (powierzchnia vs cytozol) w celu pomiaru intensywności fluorescencji RFP i GFP (translokacja BLT1 i β-arrestin).
- Należy wykreślić wartości intensywności fluorescencji jako funkcję czasu. Wykres ten dostarczy informacji o kinetyce translokacji danej cząsteczki.
Reprezentatywne wyniki
A. Pomiar migracji komórek dendrytycznych indukowanej leukotrienem B4
Metoda opisana w niniejszym protokole została wykorzystana do określenia migracji komórek dendrytycznych w kierunku leukotrienu B4 (Rycina 1 i załączone wideo 1)21. Podobną metodologię można zastosować do określenia zdolności chemotaktycznej żywych komórek w odpowiedzi na konkretny ligand.

Rysunek 1. Migracja komórek dendrytycznych pochodzących z szpiku kostnego myszy w kierunku 100 nM LTB4.
Film 1. Migracja żywych komórek BMDC w kierunku LTB4. Kliknij tutaj, aby obejrzeć film.
B. Pomiar oddziaływań i translokacji GPCR (BLT1) oraz białka cytozolowego (β-arrestyny) w żywych komórkach
Po zakończeniu tej procedury można uzyskać następujące informacje na temat zdarzeń sygnalizacyjnych GPCR.
- Lokalizacja GPCR, białek cytozolowych oraz jądra komórkowego (Rysunek 2).
- Indukowana ligandem interakcja powierzchniowych GPCR (w tym przypadku BLT1) z białkiem cytozolowym (w tym przypadku β-arrestyną) (Rys. 3).
- Kinetyka internalizacji receptorów oraz translokacja β-arrestyny do błony, a następnie jej internalizacja wraz z receptorami (Rysunek 4) (Jala et al. 2005)18.
- Można określić zależny od liganda status aktywacji receptora w żywych komórkach (dołączone wideo 2) oraz wyznaczyć krytyczne motywy lub procesy uczestniczące w aktywacji receptora (Jala et al. 2005)18.

Rycina 2. Ekspresja BLT1-RFP (A), β-arrestin-GFP (B) oraz pNuc-CFP (C) w komórkach RBL-2H3. Na panelu D przedstawiono połączony obraz kolorowy.

Rysunek 3. Translokacja receptora i β-arrestyny indukowana ligandem. Przedstawiono profil intensywności fluorescencji w komórkach.

Rycina 4. Kinetyka internalizacji receptorów i translokacji β-arestyny po dodaniu 1 μM LTB4. Intensywności fluorescencji mierzono w funkcji czasu w obrębie błony komórkowej oraz w cytozolu komórki.
Wideo 2 Obrazowanie na żywo komórek wykazujących ekspresję BLT1-RFP i β-arrestin-GFP po dodaniu 1 μM LTB4. Kliknij tutaj, aby obejrzeć wideo