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A estimulação mecânica induzida por cálcio Propagação de Ondas em monocamadas de células: O Exemplo de Bovinos endotélio corneano

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DOI:

10.3791/50443

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16 de julho de 2013

 ,  , 
1Department of Cellular and Molecular Medicine, Laboratory of Molecular and Cellular Signaling, KU Leuven

Neste artigo

Resumo

Intercelular Ca 2 +-Ondas são conduzidos por canais de junção gap e hemichannels. Aqui, descrevemos um método para medir intercelular Ca 2 +-Ondas em monocamadas de células em resposta a um estímulo mecânico de uma única célula local e sua aplicação a investigar as propriedades e regulação dos canais de junções gap e hemichannels.

Resumo

Comunicação intercelular é essencial para a coordenação dos processos fisiológicas entre as células de uma variedade de órgãos e tecidos, incluindo o cérebro, o fígado, a retina, na cóclea e vasculatura. Em condições experimentais, intercelular Ca 2 +-ondas pode ser obtida através da aplicação de um estímulo mecânico para uma única célula. Isto conduz à libertação das moléculas sinalizadoras intracelulares de IP 3 e Ca 2 + que iniciam a propagação do Ca 2 + onda concêntrica a partir da célula estimulada mecanicamente para as células vizinhas. As principais vias moleculares que controlam intercelular Ca 2 + propagação de ondas são fornecidos por canais de derivação lacuna através da transferência direta de IP 3 e por hemichannels através da liberação de ATP. A identificação e caracterização das propriedades de regulação e das diferentes isoformas de conexinas e pannexin como canais de junções de hiato e hemichannels são permitidas pelo quantification da disseminação intercelular do Ca 2 + onda, siRNA, e o uso de inibidores dos canais de junções de hiato e hemichannels. Aqui, nós descrevemos um método para medir intercelular Ca 2 + onda em monocamadas de células endoteliais da córnea primárias carregado com Fluo4-AM em resposta a um estímulo mecânico controlado e localizado provocado por uma deformação aguda de curta duração, da célula como resultado de tocar na membrana celular com uma micropipeta de vidro controlada por micromanipulador com um diâmetro de ponta de menos de 1 um. Descrevemos também o isolamento de bovinos células endoteliais corneanas primários e sua utilização como sistema modelo para avaliar a atividade Cx43-hemichannel como a força orientada para intercelular Ca 2 +-ondas através da liberação de ATP. Finalmente, discute-se a utilização, vantagens, limitações e alternativas deste método no contexto do canal de junção gap e pesquisa hemichannel.

Introdução

Comunicação intercelular e de sinalização são essenciais para a coordenação dos processos fisiológicos em resposta aos agonistas extracelulares no tecido e nível de 1,2-órgão inteiro. A maneira mais direta de comunicação intercelular é criado pela ocorrência de junções. Junções são placas de canais de junção gap, que são canais protéicos formados pelo acoplamento cabeça-de-cabeça de dois (Cx) hemichannels conexina de células adjacentes 3,4 (Figura 1). Junções de hiato permitir a passagem de pequenas moléculas de sinalização, com um peso molecular de menos de 1,5 kDa, incluindo Ca 2 + ou de IP 3 5, causando modulação e Ca 2 + de libertação a partir das reservas intracelulares das células vizinhas 6 (Figura 2). Canais de junções são fortemente regulados por intra e intermolecular interações proteína e por processos de sinalização celular, como modificação redox efosforilação 7. GJS facilitar a resposta coordenada de células conectadas, agindo assim como um sincício elétrica e química. Por exemplo, a propagação do potencial de acção cardíaca entre os miócitos atriais e ventriculares é mediada pelos canais GJ baseados Cx 85. Cxs não só tem um papel como canais de junções de hiato, mas também formar hemichannels desemparelhados, funcionando desse modo como os canais de membranas de forma semelhante aos canais de iões regulares 8-10 (Figura 1). Hemichannels participar na sinalização parácrinas entre células vizinhas por controlar a troca de iões e moléculas de sinalização entre o ambiente intra-e extracelulares.

Em muitos tipos de células (como células epiteliais, células osteoblásticas, astrócitos, células endoteliais, etc) e órgãos (como o cérebro, o fígado, retina, cóclea e na vasculatura), intercelular Ca 2 +-ondas são fundamentais para a coordenação das respostas multicelulares 11. Aumentos nos níveis de Ca2 + intracelular em células de um determinado não estão limitados a esta célula, mas para propagar as células vizinhas adjacentes, estabelecendo assim uma intercelular Ca 2 + onda 12,13. Estes intercelular Ca 2 +-ondas são importantes para a regulação fisiológica normal de camadas de células como um sincício e sua desregulação tem sido associado com os processos patofisiológicos 11. No endotélio corneano e epitélio, diferentes grupos 14-24, incluindo o nosso próprio 25-33, estudou os mecanismos e as funções de comunicação intercelular. Em células não-excitáveis, como as células endoteliais corneanas, dois modos distintos de comunicação intercelular ocorrer 28,29, nomeadamente lacuna juncional comunicação intercelular e comunicação intercelular parácrina. Gap juncional comunicação intercelular envolve uma troca direta de moléculas de sinalização via junções gap 7. Gap junccomunicação intercelular internacional é fundamental para a manutenção da homeostase do tecido, controle da proliferação celular, e estabelecer uma resposta sincronizada ao estresse extracelular 10,34,35. Em uma série de patologias, acoplamento junção gap é reduzida devido à Cxs com defeito, e vem afetando lacuna juncional comunicação intercelular 36. Isto enfatiza a importância ea influência do fosso juncional comunicação intercelular em organismos multicelulares. Em contraste com a abertura juncional comunicação intercelular, a comunicação intercelular parácrina não é dependente de aposição célula-célula, uma vez que implica a libertação de mensageiros extracelulares difusíveis (Figura 2). Diferentes tipos de moléculas sinalizadoras são libertadas no meio extracelular pelas células de sinalização. A molécula é então transportado para a célula alvo, onde é detectado por uma proteína receptor específico. Subsequentemente, o complexo receptor de sinal induz uma resposta celular, queé terminada por remoção do sinal, ou inactivação de dessensibilização. Lançamentos lipofílicos mensageiros de sinalização extracelular penetrar a membrana e agem sobre os receptores intracelulares. Em contraste, os mensageiros hidrofílicas não atravessar a membrana plasmática da célula responder, mas actuar como um ligando que se liga a proteínas receptoras expressas na superfície, que então retransmitem o sinal para o ambiente intracelular. Três grandes famílias de proteínas receptoras de superfície celular participar neste processo: canais de íons ligados, enzyme-linked e proteína G ligada. A molécula mensageira libertados podem actuar sobre os receptores da mesma célula (autócrino), sobre as células-alvo, em estreita proximidade (parácrina), ou nas células alvo distantes que exigem que o sistema circulatório (endócrina).

Em muitos tipos de células, incluindo endotélio corneano 28,29, o ATP é um dos principais factores parácrinos, hidrofílicos que conduzem à propagação intercelular da Ca2 +-ondas 37-40. During deformação mecânica, a hipoxia, a inflamação ou a estimulação por vários agentes, o ATP pode ser libertado a partir de células saudáveis ​​41-44, em resposta à tensão de corte, estiramento, ou inchaço osmótico 44,45. Mecanismos de libertação de ATP diferentes têm sido postulada, incluindo exocitose vesicular 44 e uma multiplicidade de mecanismos de transporte, tais como a cassete (ABC) transportadores de ligação a ATP, canais dependentes da voltagem aniónica plasmalemmal 46 canais dos receptores P2X7, 47,48, bem como conexina hemichannels 49-52 e pannexin hemichannels 43,49,53. O ATP extracelular pode ser rapidamente hidrolisado para o ADP, AMP e adenosina 54,55 por ectonucleotidases que estão presentes no ambiente extracelular. O ATP extracelular liberado e seu metabólito ADP 56 vai se espalhar por meio de difusão. A interacção subsequente destes nucleótidos com receptores purinérgicos nas células vizinhas tem sido implicada na propagation intercelular de Ca 2 +-ondas 28,37,51. Duas classes diferentes de receptores purinérgicos estão presentes: adenosina é o principal ligando natural para P1-purinoceptors, enquanto ambos purina (ATP, ADP) e pirimidina (UTP, UDP) nucleótidos actuar em mais purinoceptors P2-57.

Comunicação intercelular pode ser investigada por vários métodos, tais como a carga raspagem, a transferência de corantes, uncaging locais de agonistas como IP3 e Ca 2 +, estimulação mecânica, etc. Aqui descrevemos o estudo de Ca 2 + de propagação da onda induzida por estimulação mecânica de uma única célula. A vantagem de se estudar Ca 2 + de propagação da onda de estimulação mecânica é que ela fornece uma ferramenta fácil de quantificar a propagação do Ca 2 + onda ao longo do tempo e que permite comparar quantitativamente diferentes pré-tratamentos das células. Nas endotélio corneano, estes intercelular Ca 2 +-ondas permitir um coresposta coordenada a partir da monocamada, actuando por este meio como um possível mecanismo de defesa do endotélio corneal não regenerativos ajudando o endotélio para suportar tensões extracelular durante a cirurgia intra-ocular, ou por exposição a mediadores inflamatórios, durante a rejeição imunológica ou uveíte 58,59.

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Protocolo

1. Isolamento de células endoteliais da córnea

Antes de começar: Isole as células dos olhos frescos, obtidos a partir de um matadouro local, logo que possível após a enucleação dos olhos. Certifique-se de que foi submetida à enucleação de uma vaca máximas de 18 meses de idade, cinco minutos após o abate e preservados em solução salina equilibrada de Earle - solução de iodo a 1% a 4 ° C durante o transporte para o laboratório.

  1. Pegue o olho de Solução Salina Balanceada do Earle - solução de iodo 1% e colocá-lo em uma placa de Petri (100 x 20 mm).
  2. Esteriliza-se o olho com uma solução contendo etanol a 70% e lavagem com solução salina equilibrada de Earle contendo 1% de iodo.
  3. A partir deste passo, trabalhar em uma capa estéril. Dissecar cuidadosamente a córnea do olho e coloca-se numa placa de Petri (35 x 10 mm), contendo solução salina equilibrada de Earle, com a camada de células epiteliais voltada para cima. Remova cuidadosamente qualquer sti tecido da íris remanescentell fixada na córnea, se necessário.
  4. Transferir a córnea para a Solução Salina Equilibrada de Earle contendo um outro prato de Petri com a camada de células endoteliais para cima e lavar duas vezes com Solução Salina Balanceada de Earle.
  5. Transferir a córnea, com a camada endotelial voltada para cima para uma ampulheta, o qual é um prato em forma de taça, e cobri-lo com um meio de crescimento. O meio de crescimento constituído por Meio de Eagle Modificado por Dulbecco contendo glucose 25 mM, 10% de soro fetal bovino, 6,6% de L-glutamina, 2,5 ug / ml de anfotericina-B e 1% de mistura de antibiótico-antimicótico contendo 10.000 unidades / ml de penicilina, 10.000 ug / ml de estreptomicina, e 25 ug / ml de anfotericina B.
  6. Remover o meio com uma pipeta de aspiração.
  7. Aplicar 300 ul de uma solução de tripsina (0,5 g / L) para a camada endotelial da córnea (todos os passos que incluem a tripsina são feitas usando a mesma concentração).
  8. Coloque a ampulheta contendo a córnea em uma placa de Petri coberta e colocá-lo no incubator durante 30 min a 37 ° C e 5% de CO 2.
  9. Raspe as células endoteliais da córnea de distância com um incêndio polido gancho em forma de pipeta de Pasteur de vidro numa câmara estéril.
  10. Chupam a solução contendo as células endoteliais e adicioná-lo para frascos de cultura (25 cm 2), contendo 4 ml de meio de cultura.
  11. Aplicar 300 l de meio de crescimento para a córnea e repetir o desbaste, e adicionar a solução contendo as células endoteliais para o balão de cultura.
  12. Repetir esta etapa final (1,11) mais uma vez.
  13. Coloque a frascos de cultura contendo as células endoteliais corneanas no meio de crescimento na incubadora a 37 ° C e 5% de CO 2.
  14. Após dois dias, adicionar 6 mL de meio de cultura.
  15. Recarregar o meio de crescimento a cada segundo dia.

2. Cultura de Células

  1. Remover o meio de cultura e lava-se as células duas vezes com Solução Salina Balanceada de Earle, quando for atingida a confluência (dentro About 10 dias após o isolamento).
  2. Adicionar 1,5 ml de solução de tripsina às células para separar os e colocar o balão na incubadora (37 ° C, 5% CO2) durante 3-4 min.
  3. Adicionar 12 ml de meio de crescimento. Pipeta as médias de três vezes dentro e fora para dispersar as células e contagem das células.
  4. Semente as células com uma fração variável dependendo da densidade celular e colocá-los na incubadora. Prepara duas lâminas bem septadas (com uma área de 4,2 cm2), com uma contagem de células de 165.000 células (densidade de 39.286 células por cm2). Preparar 80 centímetros 2 frascos de cultura de uma nova passagem a uma densidade de 6,250 por cm 2, e adiciona-se meio de cultura fresco a um volume total de 25 ml.
  5. Atualizar o meio a cada dois dias.
  6. Confluência da camada de células é alcançada após 3 a 4 dias. Usar células para experimentos.
  7. Quando a confluência da camada de células nos frascos é atingido, repetir os passos 2.1 a 2.6. Culturas de células até a passagem 2 pode ser usado fou experimentação.

3. Estimulação mecânica para induzir ondas de cálcio

  1. Carregar as células na lâmina câmaras com 10 pM de Fluo-4 AM no salino tamponado com fosfato durante 30 min a 37 ° C, agitando suavemente.
  2. Remover o Fluo-04:00 solução, lavar as células cinco vezes com solução salina tamponada com fosfato, incubar as células com solução salina tamponada com fosfato e deixar as células durante pelo menos 5 min à temperatura ambiente antes da medição.
  3. Excite a 488 nm com laser de argônio e uso divisor de feixe HFT 488, recolher a emissão de fluorescência em 530 nm usando um filtro de emissão longpass LP 505, definir o pinhole, no mínimo. Use uma imersão objetiva de 40X petróleo (Air, 1,2 NA). Em experimentos com ARL-67156, use uma objetiva de 10X (Air, 0,3 NA).
  4. Procurar um campo em que as células estão confluentes no microscópio confocal.
  5. Posição da pipeta de modo que é de 45 ° em relação à corrediça compartimentado e tocando a membrana celular.Provocar uma pequena estimulação mecânica (≈ 1 seg) para uma única célula. A estimulação mecânica consiste numa deformação aguda de curta duração, da célula ao tocar rapidamente inferior a 1% da membrana celular com uma micropipeta de vidro (diâmetro da ponta <1 mm) acoplado a um nanopositioner cristal piezoeléctrico, operado através de um amplificador que está montado um micro-manipulador. As micropipetas de vidro são feitos com um puxador de microeléctrodos. Certifique-se de que o nanopositioner é operado por uma tensão entre 0,2 e 1,5 V durante a estimulação mecânica. Uma tensão mais elevada do que 1,5 V pode resultar em danos nas células. Para cada tipo de célula e da condição, a tensão óptima para a estimulação mecânica sem danos das células deve ser cuidadosamente determinada mediante a aplicação de uma série de tensões a partir de baixo (0,2 V) a elevada (1,5 V) de tensão. A tensão é uma medida da força do estímulo uma vez que este determina a tensão de tensão mecânica e de tensão que são aplicados à membrana celular. Oforça da estimulação mecânica pode ser calculada multiplicando a tensão mecânica com a área. Uma vez que tanto a área (<3,14 mM 2) e a tensão mecânica é muito baixa, a força do estímulo mecânico é baixa. (Note-se que quando uma célula é danificada, as fugas de fluorescência para fora da célula e a célula torna-se escura.)
  6. Medir as mudanças espaciais em [Ca 2 +] i após a estimulação mecânica com o microscópio confocal.
  7. Coletar e armazenar as imagens.
  8. Desenhar uma região poligonal de interesse para definir a área de superfície total de células que respondem (área activa, AA), utilizando o software do microscópio confocal.

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Resultados

Todos os experimentos são executados em conformidade com todas as diretrizes, regulamentos e agências reguladoras e do protocolo que está sendo demonstrado é realizada sob a orientação e aprovação do comitê de cuidados com os animais e uso da KU Leuven.

Em células endoteliais da córnea de bovino (BCEC), para junções de hiato funcionais e ambos são expressos lacuna juncional comunicação intercelular e comunicação intercelular parácrina contribuir significativamente para a comunicação intercel...

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Discussão

Neste artigo, nós descrevemos um método simples de medir intercelular Ca 2 + de propagação de ondas em monocamadas de células endoteliais corneanas bovinas primárias, fornecendo uma estimulação mecânica localizada e controlada usando uma micropipeta. Mecanicamente estimuladas células respondem com um aumento local intracelular IP3 e Ca 2 +, ambos os quais são moléculas de sinalização intracelular que conduzem essenciais intracelular de Ca 2 + de propagação de onda 11,67.<...

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Divulgações

Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

O trabalho de investigação realizado em laboratório foi apoiada por doações da Fundação de Pesquisa - Flandres (FWO; números concessão G.0545.08 e G.0298.11), o Programa Interuniversitário poloneses Atração (Ciência Política belga; número de concessão P6/28 e P7/13) e está inserida em uma comunidade de investigação FWO apoiado. CDH é uma bolsa de pós-doutorado da Fundação de Pesquisa - Flandres (FWO). Os autores são muito gratos a todos os membros atuais e antigos do Laboratory of Molecular and Cellular Signaling (KU Leuven), Dr. SP Srinivas (Indiana Escola de Optometria University, EUA), o laboratório de Dr. Leybaert (Universidade de Ghent) e de Dr. Vinken (VUB), que proporcionou discussões úteis, procedimentos otimizados ou estavam envolvidos no desenvolvimento de ferramentas para o estudo de hemichannels conexina.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Solução salina balanceada de Earle (EBSS)Sondas Invitrogen-Gibco-Molecular (Karlsruhe, Alemanha)14155-048
IodoSigma-Aldrich (Deisenhofen, Alemanha)38060-1EA
Meio de Eagle Modificado de Dulbecco (DMEM)Sondas Invitrogen-Gibco-Molecular (Karlsruhe, Alemanha)11960-044
L-glutamina (Glutamax)Sondas Invitrogen-Gibco-Molecular (Karlsruhe, Alemanha)35050-038
Anfotericina-BSigma-Aldrich (Deisenhofen, Alemanha)A2942
Mistura antibiótica-antimicóticaSondas Invitrogen-Gibco-Molecular (Karlsruhe, Alemanha)15240-096
Sondas Invitrogen-Gibco-Molecular de Tripsina (Karlsruhe, Alemanha)25300-054
DulbeccoSondas PBSInvitrogen-Gibco-Molecular (Karlsruhe, Alemanha)14190-091
Fluo-4 AMInvitrogen-Gibco-Molecular Probes (Karlsruhe, Alemanha)F14217
ARL-67156 (6-N, N-Dietil-b, g-dibrometileno-D-ATP) Sigma-Aldrich (Deisenhofen, Alemanha)A265
Apirase VISigma-Aldrich (Deisenhofen, Alemanha)A6410
Apyrase VIISigma-Aldrich (Deisenhofen, Alemanha)A6535
Gap26 (VCYDKSFPISHVR)Síntese
Gap27 (SRPTEKTIFII)síntese
(SRGGEKNVFIV)Síntese
siRNA1 Cx43 (sentido: 5'GAAGGAGGAGGAACU-CAAAdTdT) O siRNA recozido foi adquirido em Eurogentec (Luik, Bélgica)
siRNA2 Cx43 (sentido: 5'CAAUUCUUCCUGCCGCAAUdTdT) O siRNA recozido foi comprado na Eurogentec (Luik, Bélgica)
Embaralhamento de siRNA: sequência embaralhada de siCx43-1 (sentido: 5'GGUAAACG-GAACGAGAAGAdTdT) O siRNA recozido foi comprado na Eurogentec (Luik, Bélgica)
TAT-L2 (TAT- DGANVDMHLKQIEIKKFKYGIEEHGK)Thermo Electron (Ulm, Alemanha)
TAT-L2-H126K/I130N (TAT-DGANVDMKLKQNEIKKFKYGIEEHGK) Thermo Electron (Ulm, Alemanha)
Duas lâminas de vidro com câmaraLaboratório-Tek Nunc (Roskilde, Dinamarca)155380
Microscópio confocal Carl Zeiss Meditec (Jena, Alemanha)LSM510
Piez– nanoposicionador de cristal elétrico (Piezo Flexure NanoPositioner)PI Polytech (Karlsruhe, Alemanha)P-280
HVPZT-amplificadorPI Polytech (Karlsruhe, Alemanha)E463 HVPZT-amplificador
Tubos de vidro (substituição de vidro 3,5 nanolitros)World Precision Instruments, Inc. Sarasota, Flórida, EUA4878
Micr– extrator de leitura Zeitz Instrumente (München, Alemanha)WZ DMZ-Universal Extrator
de peptídeos personalizadosPeptídeo de controle de de peptídeos personalizadode peptídeos personalizados

Referências

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