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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Descreveremos um protocolo para visualização de exocitose de insulina em ilhotas intactas usando pHluorin, uma proteína verde fluorescente de sensíveis ao pH. Ilhotas isoladas estão infectadas com vírus adenoide codificação pHluorin juntamente com a carga de vesículas neuropeptide Y. Isto permite a detecção de eventos de fusão de grânulo de insulina por microscopia confocal.
A secreção de insulina desempenha um papel central na homeostase de glicose sob condições fisiológicas normais, bem como na doença. Abordagens atuais para estudar a exocitose de grânulos de insulina que ou usar eletrofisiologia ou microscopia acoplado à expressão de repórteres fluorescentes. No entanto, a maioria destas técnicas foram otimizada para linha celular clonal ou exige dissociando ilhotas pancreáticas. Em contraste, o método aqui apresentado permite a visualização em tempo real de exocitose de grânulos de insulina em ilhotas pancreáticas intactas. Neste protocolo, descrevemos primeiro a infecção viral de ilhotas pancreáticas isoladas com adenovírus que codifica uma pH sensíveis à proteína verde fluorescente (GFP), pHluorin, acoplada ao neuropeptídeo Y (NPY). Em segundo lugar, descrevemos o confocal imagens de Ilhéus cinco dias após a infecção viral e como monitorar a secreção de insulina do grânulo. Brevemente, os ilhéus infectados são colocados em uma lamela em uma câmara de imagens e fotografados sob um microscópio confocal laser de varredura vertical enquanto continuamente sendo perfundidos com solução extracelular que contém vários estímulos. Imagens confocal abrangendo 50 µm de ilhota são adquiridas como gravações de lapso de tempo usando um scanner rápido-ressonante. A fusão dos grânulos de insulina com a membrana plasmática pode ser seguida ao longo do tempo. Este procedimento também permite testar uma bateria de estímulos em uma única experiência, é compatível com mouse e ilhotas humanas e pode ser combinado com vários corantes para a imagem latente funcional (e.g., corantes de cálcio citosólico ou potencial de membrana).
Insulina é produzida pelas células beta das ilhotas pancreáticas e é um regulador chave da glicose metabolismo1. Morte ou disfunção das células beta perturba a homeostase de glicose e leva a diabetes2. Insulina é embalada em grânulos densos núcleos que são liberados em uma Ca2 +-dependente forma3. Elucidar como exocitose de grânulos de insulina é regulada é essencial para compreender plenamente o que determina a secreção de insulina e abre novos caminhos para a identificação de novos alvos terapêuticos para o tratamento da diabetes.
Exocitose de insulina tem sido estudado extensivamente usando abordagens eletrofisiológicas, tais como medidas de capacitância de membrana e abordagens microscópicas em combinação com moléculas fluorescentes. Medidas de capacitância de membrana têm boa resolução temporal e permitam gravações de célula única. No entanto, alterações na capacitância refletem a variação líquida de superfície da célula e não capturar eventos de fusão individuais ou distinguir a fusão de grânulo de insulina de outras vesículas secretoras não insulino-3. Abordagens microscópicas, tais como a microscopia de fluorescência (TIRF) reflexão interna total ou dois fotões em combinação com sondas fluorescentes e proteínas de carga de vesículas, fornecem detalhes adicionais. Estas técnicas capturar eventos os únicos e também as fases pré e pós-os e podem ser usadas para estudar os padrões em populações de células3.
Os repórteres fluorescentes podem ser de três tipos: 1) extracelular, 2) citoplasmática ou 3) vesicular. 1) extracelulares repórteres são marcadores polares (por exemplo, dextranos, sulforhodamina B (SRB), Lúcifer amarelo, pyranine) que podem ser introduzidos através do meio extracelular4. O uso de traçadores polares permite para a investigação dos poros em uma população de células de fusão e captura várias estruturas intercelulares, tais como os vasos sanguíneos. No entanto, eles não informam sobre o comportamento de carga de vesículas. 2) citoplasmáticos repórteres são sondas fluorescentes acopladas a proteínas de membrana-associado que enfrentam o citoplasma e são envolvidos no encaixe e exocitose. Exemplos incluem membros da solúvel N- proteà sensível fator acessório proteína receptor (SNARE) família que têm sido utilizados com sucesso em neurociência para o estudo de liberação de neurotransmissor5. Essas proteínas têm múltiplos parceiros de ligação e não são insulino-grânulo específico. 3) vesiculares repórteres são sondas fluorescentes fundidas às proteínas vesiculares de carga que permitem a investigação do comportamento de carga específicos vesículas. Proteínas de carga específica de insulina-grânulo incluem insulina, peptídeo-c, polipeptídeo amiloide ilhéu e NPY entre outros6,7. NPY somente está presente em insulina contendo grânulos e co é lançado com insulina, tornando-se um excelente parceiro para um repórter fluorescente8.
A fusão de diferentes proteínas fluorescentes para NPY foi anteriormente empregada para estudar vários aspectos da exocitose em células neuroendócrinas, tais como a exigência de synaptotagmin específico isoformas9,10 e como o tempo-curso de libertação depende o citoesqueleto de actina e miosina II11,12. Neste estudo, optamos por pHluorin como o repórter fluorescente, que é um GFP modificado que é não-fluorescente em pH ácido dentro do núcleo denso grânulo mas torna-se brilhantemente fluorescente após a exposição para o neutro pH extracelular13. Grânulos de insulina madura tem um pH ácido abaixo de 5,5. Uma vez que o grânulo funde-se com a membrana plasmática e abre, sua carga é exposta ao neutro pH extracelular de 7.4, permitindo o uso da pHluorin de proteínas sensíveis ao pH como repórter7,14.
Tendo em conta a natureza sensível do pH de pHluorin e a expressão seletiva de NPY nos grânulos de insulina, a construção de fusão NPY-pHluorin pode ser usada para estudar várias propriedades de exocitose de grânulos de insulina. A entrega viral da construção de fusão garante transfeccao de alta eficiência e trabalha na primária as células beta ou linhas de células, bem como sobre ilhotas isoladas. Esse método também pode ser usado como uma diretriz para o estudo de exocitose em qualquer outro tipo de célula com vesículas contendo NPY. Ele também pode ser combinado com qualquer modelo de rato geneticamente modificado para estudar os efeitos de certas condições (knockdowns, superexpressão, etc) na exocitose. Esta técnica tem sido usada anteriormente para caracterizar os padrões espaciais e temporais da secreção de insulina grânulo em populações de células beta nas ilhotas humana15.
Comitê de ética animal da Universidade de Miami tem aprovado todos os experimentos.
1. viral infecção de intactos isolados humana ou ilhotas pancreáticas Mouse
2. Imagem latente confocal de ilhotas infectado
Nota: consulte a Tabela de materiais para os materiais e equipamentos necessários para a imagem latente confocal.
O fluxo de trabalho inteiro da técnica é mostrado na Figura 1. Brevemente, o mouse ou ilhotas humanas podem ser infectadas com o vírus adenoide codificação NPY-pHluorin e fotografadas, após alguns dias na cultura, sob um microscópio confocal. Como grânulos se fundem com a membrana plasmática e aberto, um aumento na fluorescência é observado e pode ser quantificado (Figura 1). Para determinar se o NPY-pHluorin é realmente uma ferramenta apropriada para monitorar a dinâmica do grânulo de insulina, ilhotas infectadas foram immunostained com anticorpos contra GFP e a insulina de hormônios diferentes ilhéu, somatostatina ou glucagon. A maioria das células expressando NPY-pHluorin (GFP positivo) eram células beta como também expressaram insulina (~ 90%; Figura 2A, 2B). Apenas algumas células alfa glucagon-positivo ou células delta somatostatina-positivos foram rotulados de GFP (Figura 2B). Importante, em células infectadas, a fusão de NPY colocalized com insulina (coeficiente de correlação de Pearson de 0.61 ± 0,04 por GFP e insulina vs ± 0,21 0,05 para as boas práticas agrícolas e glucagon e 0,07 ± 0,01 para GFP e somatostatina).
Demonstrámos que o pHluorin é um sensor de pH eficaz, como aumentar o pH intracelular com 50mm NH4Cl resultou em um > 500% de aumento na fluorescência intracelular (Figura 3A, 3B, vídeo 1). À medida que o pH no interior do grânulo aumenta após a fusão com a membrana plasmática e a abertura dos poros fusão, grânulos contendo NPY-pHluorin se tornam visíveis a condições que estimulam a exocitose de insulina, como a despolarização da membrana com KCl (Figura 4, vídeo 2).
Único eventos secretoras em células-beta dentro de ilhotas intactas podem ser visualizados com imagem de Time-Lapse confocal de ilhotas de NPY-pHluorin infectado. Estas ocorrem em resposta à despolarização da membrana direto com KCl ou vários outros estímulos fisiológicos (Figura 4 e Figura 7, veja abaixo). A concentração de glicose extracelular basal (3 mM), observa-se pouca atividade secretora. No entanto, fusão de grânulo com a membrana plasmática é disparado em resposta à estimulação com a glicose alta (16 mM) (Figura 5A, vídeo 3). Colocando o ROIs com tamanhos diferentes e em diferentes áreas, a cinética da resposta de grânulos secretórios pode ser comparada com o de células individuais ou grupos de células nas proximidades (cluster) (Figura 5B). Este tipo de análise permitido determinar que: 1) os eventos secretoras individuais são muito sincronizado e secretado dentro de alguns segundos de resposta celular médio, e 2) as células beta nas proximidades formar grupos funcionais de atividade sincronizada.
A secreção de insulina no organismo ocorre de maneira pulsátil. Estimulando os ilhéus NPY-pHluorin-infectados com concentração elevada de glicose por períodos prolongados (15-20 min) deram origem a vários pulsos (ou explosões) de secreção (Figura 6, a-4). Durante cada pulso, grânulos individuais fundem com a membrana plasmática de forma sincronizada como mostrado antes (Figura 5). Picos de atividade secretora podem ser visto a cada 3-4 min.
Transiente aumenta em fluorescência em grânulos contendo também podem ser observados em resposta ao agonista purinérgicos ATP NPY-pHluorin (10 µM) ou a acetilcolina agonista muscarínico (ACh, 10 µM) (Figura 7), os quais são conhecidos estimuladores do secreção de insulina em ilhotas humanas. Como esperado, a despolarização da membrana com KCl (30 mM) também desencadeou exocitose de grânulos de insulina (Figura 5). Vários estímulos podem ser aplicados a mesma preparação ilhéu, enquanto os ilhéus são lavados bem entre estímulos. Certifique-se de alterar a ordem de aplicação quando repetir o experimento.

Figura 1. Um esquema ilustrando o ensaio desenvolvido. Adenovírus que codifica um GFP sensíveis ao pH (pHluorin) acoplado ao NPY foram produzidos e utilizados para infectar rato ou ilhotas pancreáticas humanas. Quatro a seis dias após a infecção, os ilhéus foram colocados em uma lamela e fotografados sob um microscópio confocal laser de varredura vertical. A construção do NPY-pHluorin é expressa em grânulos de insulina em células beta. Sua fluorescência é saciada em pH ácido de grânulos de insulina madura, mas torna-se brilhante sobre fusão de grânulo com a membrana plasmática e a exposição ao neutro pH extracelular de 7,4.

Figura 2. A fusão de NPY construir é expresso nos grânulos de insulina. (A) imagens Confocal de ilhotas humanas intactas infectado com NPY-pHluorin, immunostained de GFP (verde) e insulina (painel à esquerda, vermelho), somatostatina (médio, vermelho) ou o glucagon (direita, vermelho). Os núcleos celulares são mostrados em azul (DAPI rotulado). Barras de escala = 10 µm. (B) a quantificação da fração de células GFP-positivo que também contêm insulina (Ins), somatostatina (Soma) ou glucagon (Glu). São mostrado as média ± SEMs, n = 5 ilhotas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. NPY-pHluorin é um pH eficaz Sensor. (A) máxima projeção de imagens confocal de uma ilhota de rato infectado com NPY-pHluorin em solução extracelular que contém glicose 3 mM antes (painel superior, 3G) e na presença de 50mm NH4Cl (painel inferior). Barra de escala = 100 µm. (B) rastreamento mostrando a mudança na intensidade de fluorescência média (unidades arbitrárias) no Ilhéu do inteiro induzida por NH4CL. Dashed linha indica NH4Cl aplicativo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. Grânulos contendo NPY-pHluorin se tornam visíveis, uma vez que eles se fundem com a membrana plasmática e aberta. Isletsinfected humana com adenovírus NPY-pHluorin foram incubatEd com a membrana plasmática tingir di-8-ANEPP (vermelho). Estimulação do Ilhéu com KCl (30 mM) desencadeou uma aparência repentina e transitória de grânulos fluorescentes na superfície da célula (mostrado em verde). Antes da resposta os, são mostradas imagens confocal de células dentro de uma ilhota humana (t = 0), durante (t = 3-9 s) e depois (t = 12 s). Contraste foi ajustado para remover fluorescência verde de fundo. Barra de escala = 20 µm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5. Glicose alta desencadeia NPY-pHluorin fusão com a membrana plasmática. (A) máxima projeção de imagens confocal de um intacto ilhéu humano infectado com NPY-pHluorin na concentração de glicose basal (3 G - 3 mM de glicose, deixada o painel) ou em alta glicose (glicose 16G - 16 mM, painel direito). Soluções extracelulares continham o campo levantando agentes forskolin e IBMX (Veja o protocolo para obter detalhes). Barra de escala = 10 µm. (B) traços mostrando alterações em intensidades de fluorescência média (unidades arbitrárias) no canal da mancha verde no ROIs colocados ao redor de único eventos secretoras (vermelho, grânulo), células (verdes) ou aglomerados de células (azul). Glicose alta foi aplicado por 5 min depois de ~ 2,5 min em 3G. Valores de fluorescência foram normalizados para o valor inicial da fluorescência (linha de base). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6. Eventos secretoras geram pulsos discretos de secreção com a glicose alta. Traços mostrando alterações em significa intensidade de fluorescência (unidades arbitrárias) em ROIs colocados ao redor de diferentes células dentro de um ilhéu humana intacta durante a estimulação sustentada com glicose de 16 mM. Cada cor representa uma célula individual. Explosão de atividade secretora pode ser visto a cada 3-4 min. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7. NPY-pHluorin fusão com a membrana plasmática é desencadeada por estimuladores conhecido da secreção de insulina. Traços, mostrando as alterações na intensidade de fluorescência média (unidades arbitrárias) em ROIs colocados ao redor de eventos secretoras individuais em células dentro intactas ilhotas humanas induzidas por KCl (30 mM), ATP (10 µM), glicose elevada (16G, 16 mM) e acetilcolina (Ach, 10 µM). KCl e ATP foram aplicados na concentração basal de glicose (3 mM). Linhas pretas mostram o grânulo médio e linhas cinzas refletem SEM valores. Traços de verde mostram a resposta da célula correspondente. Escala de tempo horizontal (2 min) aplica-se a todos os gráficos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Vídeo 1. PHluorin-NPY adenovírus eficientemente infectam células das ilhotas e mudanças de pH de sentido.
Ilhotas de mouse foram infectadas por 4 dias com adenovírus codificação NPY-pHluorin. Ilhéus infectados foram colocados sobre uma lamela e montados na câmara de imagens. Para aumentar o pH intracelular, os ilhéus foram perfundidos com 50mm NH4Cl adicionado à solução extracelular que contém glicose de 3 mM. Um forte e rápido aumento na fluorescência pode ser visto em cima de NH4Cl aplicativo. Barra de escala = 100 µm. velocidade filme = 5 fps. Duração total do filme é 90 s. , por favor clique aqui para ver este vídeo. (Botão direito do mouse para fazer o download.)

Vídeo 2. Grânulos contendo NPY-pHluorin tornam-se visíveis, uma vez que eles se fundem com a membrana plasmática e aberto.
Ilhotas de humanas infectadas com o vírus adenoide NPY-pHluorin foram incubadas com a membrana plasmática tintura di-8-ANEPP. Estimulação do Ilhéu com KCl (30 mM) desencadeou uma aparência repentina e transitória de grânulos fluorescentes na superfície da célula. Uma projeção máxima de aviões confocal é mostrada. Contraste foi ajustado para remover fluorescência verde de fundo. Barra de escala = 20 µm. velocidade filme = 5 fps. Duração total do filme é de 60 s. , por favor clique aqui para ver este vídeo. (Botão direito do mouse para fazer o download.)

Vídeo 3. Glicose alta disparadores exocitose de grânulos contendo NPY-pHluorin.
Fusão de grânulos contendo NPY-pHluorin é disparado em resposta à estimulação com a glicose alta (16 mM). Concentração de glicose extracelular basal (3 mM), observa-se pouca atividade secretora. No entanto, a glicose alta, grânulos de insulina transitoriamente aparecem na membrana plasmática de células diferentes em um ilhéu de forma sincronizada. Glicose alta foi aplicada depois de ~ 2,5 min em 3G (16G rótulo aparece). Uma projeção máxima de aviões confocal é mostrada. Barra de escala = 20 µm. velocidade filme = 10 fps. Duração total do filme é 7 min. por favor, clique aqui para ver este vídeo. (Botão direito do mouse para fazer o download.)

Vídeo 4. Estimulação prolongada com alta glicose desencadeia várias explosões de exocitose.
Estimulação prolongada com glicose alta dá origem a vários pulsos de ilhotas de secreção, durante o qual grânulos aparecem transitoriamente. Pulsos de atividade secretora podem ser vistos todos os ~ 3-4 min. avião Confocal de uma ilhota humana é mostrada. Um esquema de pseudocolorida foi aplicado para a intensidade de fluorescência. Barra de escala = 20 µm. velocidade filme = 30 fps. Duração total do filme é 20 min. por favor, clique aqui para ver este vídeo. (Botão direito do mouse para fazer o download.)
Os autores declaram que têm sem interesses financeiros concorrentes.
Descreveremos um protocolo para visualização de exocitose de insulina em ilhotas intactas usando pHluorin, uma proteína verde fluorescente de sensíveis ao pH. Ilhotas isoladas estão infectadas com vírus adenoide codificação pHluorin juntamente com a carga de vesículas neuropeptide Y. Isto permite a detecção de eventos de fusão de grânulo de insulina por microscopia confocal.
Os autores graças a Marcia Boulina partir da DRI facilidade do núcleo para ajuda com os microscópios de imagem. Este trabalho foi financiado pelo NIH bolsas 1K01DK111757-01 (JA), F31668418 (MM), R01 DK111538, R33 ES025673 e DK084321 R56 (AC).
| Microscópio confocal vertical de varredura a laser | Leica Microsystems, Wetzlar, Alemanha | TCS-SP5 | inclui LAS AF, o software de aquisição de imagem |
| Câmara de imagem | Warner instruments | RC-26 | |
| Plataforma de câmara de imagem | Warner instruments | PH-1 | |
| 22 x 40 lamínulas de vidro | Daiggerbrand | G15972H | |
| Vacuum graxa de silicone | Sigma | Z273554-1EA | |
| Sistema de perfusão multicanal | Warner instruments | VC-8 | |
| Aquecedor de solução única | em linha Warner instruments | SH-27B | |
| Controlador de temperatura | Warner instruments | TC-324C | |
| Bomba de sucção peristáltica | Pharmacia | P-1 | |
| placa de Petri de 35 mm, VWR | 10861-586 | ||
| CMRL tratado sem cultura de tecidos Médio, sem glutamina | ThermoFisher | 11530037 | |
| FBS, inativado por calor | ThermoFisher | 16140071 | |
| L-Glutamina 200 | mM ThermoFisher | 25030081 | |
| solução de NaCl 5 M | Sigma | S5150 | |
| 3 M Solução KCl | Sigma | 60135 | |
| 1 M CaCl2 solução | Sigma | 21115 | |
| 1 M MgCl2 solução | Sigma | M1028 | |
| Albumina de soro bovino | Sigma | A2153 | |
| 1 M Solução HEPES | Sigma | H0887 | |
| Filtro de vácuo | VWR | 431098 | |
| D-Glucose | Sigma | G8270 | |
| bromidrato de poli-D-lisina | Sigma-aldrich | P6407 | |
| Di-8-ANNEP | ThermoFisher | D3167 | |
| 3-isobutil-1-metilxantina (IBMX) | Sigma | I5879 | |
| Forskolin | Sigma | F3917 |