W niniejszym protokole przedstawiliśmy zaktualizowaną metodę obrazowania i analizy początkowych mikrodomen Ca2+ w pierwotnych limfocytach T myszy, opartą na wcześniejszych pracach naszej grupy1,13. Podejście to odegrało kluczową rolę w wyjaśnieniu udziału kanałów CRAC, takich jak ORAI1, STIM1 i STIM2, a także wewnątrzkomórkowych kanałów uwalniania Ca2+, takich jak RyR1, we wczesnych zdarzeniach sygnalizacyjnych Ca2+4.
Aby to zrobić, zbadaliśmy spontaniczne tworzenie się mikrodomen Ca2+ poprzez obrazowanie niestymulowanych pierwotnych limfocytów T myszy Orai1-/-, Stim1-/-, Stim2-/-, oraz Ryr1-/- i porównaliśmy je z pierwotnymi limfocytami T myszy WT. Analiza tworzenia się mikrodomen Ca2+ obejmowała prędkość narastania sygnału, amplitudę Ca2+ oraz liczbę sygnałów na płaszczyznę konfokalną. Co istotne, z wyjątkiem limfocytów T Stim2-/-, wszystkie limfocyty T KO wykazały znaczący spadek lokalnych sygnałów Ca2+ oraz obniżone podstawowe stężenie wolnego cytozolowego Ca2+ w porównaniu z komórkami WT. Doprowadziło nas to do wniosku, że tworzenie się mikrodomen Ca2+ jest ściśle powiązane z interakcją ORAI1, STIM1 i RyR14. Ponadto z powodzeniem zidentyfikowaliśmy i scharakteryzowaliśmy spontaniczne mikrodomeny Ca2+ w błonie plazmatycznej. Mikrodomeny Ca2+ te charakteryzowały się amplitudą Ca2+ wynoszącą 290 nm ± 12 nm. Zastosowanie podejścia z kodowaniem kolorystycznym sygnałów Ca2+ pozwoliło na wizualizację mikrodomen Ca2+ w całej komórce. Wyniki dodatkowo podkreśliły szybkie pojawienie się mikrodomen Ca2+, widoczne w ciągu milisekund, oraz zdolność tej metody do wykrywania sygnałów Ca2+ o czasie trwania kilku milisekund4. Spontaniczne mikrodomeny Ca2+ zostały później zidentyfikowane jako zależne od adhezji mikrodomeny Ca2+ (ADCM), które zależą nie tylko od SOCE, ale działają również poprzez kaskadę sygnałową FAK/PLC-γ/IP310 i z udziałem P2X49. Ponadto technika ta była kluczowa w potwierdzeniu, że oksydazy dualne 1 i 2 (DUOX1/2) są enzymami produkującymi NAADP21, a HN1L/JPT222 jest jednym z nowo odkrytych białek wiążących NAADP23.
Rysunek 2 przedstawia reprezentatywne przykłady mikrodomen Ca2+ w pierwotnych limfocytach T CD4+ po kontakcie z kuleczkami u myszy WT, a także P2x4-/- i P2x7-/- . Komórki obciążono barwnikami Ca2+ Fluo-4 AM oraz Fura Red AM i obrazowano z częstotliwością akwizycji 25 ms (40 klatek/s). Aby naśladować tworzenie synapsy limfocytów T, komórki stymulowano kuleczkami powlecznymi przeciwciałami anty-CD3/anty-CD28. Początkowe tworzenie się mikrodomen Ca2+ analizowano 1 s przed i do 15 s po kontakcie z kuleczką przy użyciu potoku DARTS. Po kontakcie z kuleczką w komórce WT zaobserwowano szybkie tworzenie się mikrodomen Ca2+ w pierwszej sekundzie po stymulacji w miejscu kontaktu z kuleczką (Rysunek 2A). Mikrodomeny Ca2+ te rozszerzały się następnie w całej komórce w ciągu kolejnych 15 s po kontakcie z kuleczką. W przeciwieństwie do komórki WT, komórki P2x4-/- i P2x7-/- (Rysunek 2B) wykazały zmniejszone tworzenie się mikrodomen Ca2+ po stymulacji kuleczkami, a w przypadku P2x4-/- również niższy poziom bazalny przed kontaktem z kuleczką. Te reprezentatywne znaleziska są zgodne z wcześniej opublikowanymi wynikami Brocka i wsp.9, wskazującymi na tworzenie się mikrodomen Ca2+ w limfocytach T WT bezpośrednio po kontakcie z kuleczką przez 15 s oraz słabsze sygnały na klatkę w komórkach P2x4-/- i P2x7-/-. Ponadto amplituda w komórkach P2x4-/- była znacząco zredukowana, co dodatkowo potwierdza rolę sygnalizacji purynergicznej w zależnych od adhezji mikrodomenach Ca2+.
Ponadto metoda ta może być również wykorzystana do wizualizacji początkowych mikrodomen Ca2+ w pierwotnych ludzkich limfocytach T CD4+ (Rycina 3). Podobnie jak w przypadku pierwotnych mysich limfocytów T, początkowe mikrodomeny Ca2+ są wywoływane w miejscu kontaktu z koralikiem. Jednak całkowita odpowiedź Ca2+ wydaje się przebiegać w innej skali czasowej w porównaniu z mysimi limfocytami T CD4+.
Ręczna analiza lokalnych sygnałów Ca2+ nie jest możliwa do zrealizowania, ponieważ jest ona bardzo żmudna i subiektywna, zależnie od badacza. W związku z tym opracowaliśmy wcześniej w środowisku MATLAB Simulink, z wykorzystaniem bibliotek do przetwarzania obrazów i optymalizacji, algorytm do postprocessingu13 służący do analizy lokalnych mikrodomen Ca2+.
Niedawno opracowaliśmy nowy, otwartoźródłowy potok postprocessingu o nazwie DARTS, służący do analizy mikrodomen Ca2+ w obrazowaniu żywych komórek o wysokiej rozdzielczości, wykorzystujący platformę programistyczną Python12. W ramach tego narzędzia można wybrać różne algorytmy dekonwolucji w zależności od preferencji użytkownika, przeprowadzić normalizację kształtu komórki w celu skompensowania morfologicznych zmian jej kształtu oraz zdefiniować parametry specyficzne dla mikroskopu i pomiaru (np. skalę, częstotliwość klatek, czas pomiaru) (Rycina 4).
Po wybraniu parametrów do analizy mikrodomen Ca2+, dla każdego pojedynczego pomiaru otwiera się drugie okno pop-up w celu zdefiniowania kontaktu z koralikiem (Rysunek 5). Aby zdefiniować kontakt z koralikiem, użytkownik może ręcznie przewijać plik tiff za pomocą suwaka i indywidualnie wybrać klatkę kontaktu z koralikiem. Kontakt z koralikiem jest zaznaczany poprzez kliknięcie w miejscu kontaktu (Rysunek 5, koralik i kontakt z koralikiem zaznaczone żółtą obręczą i strzałką), a następnie następuje wybór komórki. Krok ten należy powtórzyć dla każdej analizowanej komórki. Na koniec stosuje się zautomatyzowane postprocesowanie obrazu, a dane z wyników są podsumowywane i zapisywane w arkuszu kalkulacyjnym.

Rycina 1: Schemat przygotowania szkiełka do obrazowania. (A) Nanieść i rozprowadzić zarówno BSA, jak i PLL na szkiełku za pomocą drugiego szkiełka nakrywkowego. (B,C) W celu zbudowania komory przykleić gumowe pierścienie O-ring do szkiełka, używając smaru silikonowego. Należy upewnić się, że cały pierścień jest pokryty cienką warstwą smaru, aby zapewnić odpowiednią izolację komory. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 2: Reprezentatywne komórki wykazujące zależne od receptora limfocytów T mikrodomeny Ca2+ w pierwotnych mysich limfocytach T CD4+ typu dzikiego (WT) (A), P2x4-/- lub P2x7-/- (B). Limfocyty T CD4+ zostały wyizolowane metodą negatywną i załadowane barwnikami Fluo-4 AM oraz Fura Red, zgodnie z powyższym opisem. Limfocyty T analizowano przy użyciu potoku DARTS, co pozwoliło na uzyskanie obrazów komórek porównywalnych z wcześniej opublikowanymi wynikami9. (A) Pierwotny limfocyt T WT 1 s przed stymulacją kuleczkami pokrytymi przeciwciałami anty-CD3/anty-CD28 oraz do 15 s po stymulacji (pasek skali 5 µm), a także trójwymiarowy wykres powierzchniowy powiększenia z przedziału od 0 s do 0,65 s w regionie kontaktu z kuleczką (pasek skali 1 µm). (B) Górny rząd: reprezentatywny pierwotny limfocyt T P2x4-/- 1 s przed i do 15 s po stymulacji kuleczką. Dolny rząd: reprezentatywny pierwotny limfocyt T P2x7-/- 1 s przed i do 15 s po stymulacji kuleczką. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 3: Mikrodomeny Ca2+ w reprezentatywnej pierwotnej ludzkiej limfocycie T po stymulacji TCR. Pierwotne ludzkie limfocyty T CD4+ zostały wyizolowane z mononuklearnych komórek krwi obwodowej (PBMCs) metodą sortowania komórek aktywowanego fluorescencją (FACS) z warstw leukocytarnych i załadowane barwnikami Fluo-4 AM oraz Fura Red, zgodnie z powyższym opisem. Rysunek przedstawia pierwotną ludzką limfocyt T 1 s przed stymulacją kulkami powleczonymi przeciwciałami anty-CD3 oraz do 15 s po stymulacji (pasek skali 5 µm), a także 3D wykres powierzchniowy powiększenia z przedziału od 6,25 s do 7,5 s w regionie kontaktu z kulką (pasek skali 1 µm). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Graficzny interfejs użytkownika (GUI) programu DARTS. GUI jest podzielony na cztery obszary. W obszarze Input/Output należy podać informacje o surowych danych, w tym katalog źródłowy i konfigurację obrazów (dwa kanały w jednym pliku lub oddzielne kanały), a także katalog wyników. W obszarze Properties of Measurement należy opisać eksperyment wraz ze wszystkimi istotnymi informacjami, takimi jak skala (mikrony na piksel), częstotliwość klatek i odstęp między pomiarami w odniesieniu do później wyznaczonego punktu startowego. Następnie można złożyć potok przetwarzania składający się z kroków postprocessingu, normalizacji kształtu i właściwej analizy (detekcji mikrodomen i akumulacji danych dartboard). Na koniec ustawienia można zapisać w pamięci komputera lub wczytać z niej. Po skonfigurowaniu analizy należy kliknąć Start , aby przejść dalej. Aby dowiedzieć się więcej o konfiguracji, odwiedź stronę https://ipmi-icns-uke.github.io/DARTS/General/Usage.html. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rycina 5: Ręczne definiowanie kontaktów kulek. Jeśli podczas eksperymentu do komórek dodawane są kulki, należy ręcznie zdefiniować początkowy czas kontaktu kulki z badaną komórką oraz miejsce tego kontaktu. Odbywa się to poprzez przewijanie klatek za pomocą suwaka i znalezienie pozycji (x,y) w punkcie czasowym t. Aby automatycznie wypełnić pole informacji o kontakcie kulki, użytkownik klika w lewej połowie obrazu mikroskopowego w miejscu kontaktu kulki. Następnie, aby powiązać komórkę z kontaktem kulki, użytkownik klika w pozycji wewnątrz komórki, która ma kontakt z kulką. Informacje należy potwierdzić, wybierając ADD bead. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.