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CA2 + é um mensageiro intracelular onipresente que controla uma grande variedade de processos celulares, tais como músculo contração1,2, metabolismo3, célula proliferação3,4, factores de 5, estimulação da liberação de neurotransmissores no nervo terminais6,7e a ativação da transcrição no núcleo. 7 intracelular Ca2 + sinais muitas vezes tomam a forma de elevações transientes em citosólico Ca2 +, e estas podem ser espontâneos ou decorrentes de estimulação agonista, dependendo do tipo de célula8. Espacial, temporal e intensidade parâmetros intrínsecos ao Ca2 + sinais, tais como frequência, duração, propagação, velocidade e amplitude podem fornecer as informações biológicas necessárias para sinalização intracelular5, 7 , 9. citoplasmática Ca2 + sinais podem resultar do influxo de Ca2 + do espaço extracelular ou via Ca2 + lançamento do retículo endoplasmático (ER) através de canais de Ca2 + lançamento como receptores de ryanodine (RyRs) e receptores de inositol-tri-fosfato (IP3Rs)10. RyRs e IP3Rs podem contribuir para a geração de sinais de Ca2 + e a abertura concertada destes canais, o que combinado com vários Ca2 + influxo mecanismos pode resultar em uma miríade de Ca2 + padrões de sinalização que são formados pelos números e abrir a probabilidade de Ca2 + influxo canais, o perfil de expressão deCa 2 + lançamento canais, a proximidade entre o influxo de Ca2 + e canais de liberação e expressão e distribuição de Ca2 + proteínas recaptação e extrusão. CA2 + sinais podem assumir a forma de uniforme, duradouro, oscilações de alta intensidade global que pode durar vários segundos ou até minutos, propagação intracelulares e intercelulares Ca2 + ondas que podem atravessar distâncias intracelulares mais de 100 µm10,11,12,13,14,15,16, ou mais breves, espacialmente localizados eventos tais como Ca2 + sparks e Ca2 + sopros que ocorrem em dezenas de milissegundos prazos e espalhar a menos de 5 µm17,18,19,20.
Microscopia fluorescente tem sido usada amplamente para monitorar Ca2 + sinalização em células isoladas e cultivadas e em tecidos intactos. Tradicionalmente, estas experiências envolveram o uso de Ca2 + indicadores fluorescentes, ratiometric e não-ratiometric corantes como Fura2, Fluo3/4 ou Rhod2, entre outros 21,22,23. Estes indicadores foram projetados para ser permeável para as membranas celulares e depois ficam presos em células pela clivagem de um grupo éster via endógenas esterases. Vinculação de Ca2 + para os indicadores de alta afinidade causou mudanças na fluorescência quando as células e tecidos foram iluminados pelo apropriado comprimentos de onda da luz. O uso de célula permeável Ca2 + indicadores bastante reforçada a nossa compreensão de Ca2 + permitido resolução espacial e quantificação destes sinais que não era possível pela análise do Ca2 + sinais e sinalização em células vivas através de outros meios, tais como a eletrofisiologia. No entanto, o tradicional Ca2 + indicadores têm várias limitações, tais como fotobranqueamento que ocorre ao longo de períodos de gravação estendida24. Enquanto o indicador de Ca2 + novo corantes tais como Cal520/590 têm sinal melhorou muito a índices de ruído e a capacidade de detectar o local Ca2 + sinais25, problemas com o fotobranqueamento permanecem uma preocupação para alguns investigadores 26de27,,28. Fotobranqueamento precipitado também restringe a ampliação, a taxa de aquisição de imagem, e a resolução que pode ser usada para gravações, como o aumento de potência objectivo e taxas mais elevadas de aquisição de imagem exigem aumento de intensidade de luz de excitação que aumenta o fotobranqueamento.
Estas limitações do tradicional Ca2 + indicador corantes são exacerbados durante a gravação de Ca2 + sinais no local, por exemplo quando gravação intracelular Ca2 + sinais de tecidos intactos. Devido aos problemas acima, visualização de Ca2 + sinais em situ usando célula permeável Ca2 + indicadores tem sido limitada a ampliação de baixa potência e reduzidas taxas de captura de imagem, restringindo a capacidade de investigadores para gravar e quantificar o temporal ou espacialmente restrita subcellular Ca2 + sinais. Assim, tem sido difícil de capturar, analisar e apreciar a complexidade espacial e temporal de Ca2 + sinais, que pode ser importante na geração de respostas biológicas desejadas, conforme descrito acima. Análise de Ca2 + sinais de células no local normalmente se baseia em medições de intensidade simples de regiões selecionadas de interesse (ROI) dentro de um campo de visão (FOV). A escolha arbitrária do número, tamanho e posição de ROIs, dependentes do capricho do pesquisador, severamente pode influenciar os resultados obtidos. Assim como a tendência inerente com análise ROI, esta abordagem ignora grande parte da importante sinalização informação contida o FOV, como dinâmico Ca2 + eventos dentro de um arbitrariamente escolhida ROI são selecionados para análise. Além disso, a análise de ROIs falha fornecer informações sobre as características espaciais dos Ca2 + sinais observados. Por exemplo, pode não ser possível distinguir entre um aumento de Ca2 + resultante da propagação de uma onda de Ca2 + e um altamente localizadas Ca2 + liberam o evento de tabulações de Ca2 + sinais dentro de um ROI.
O advento da geneticamente codificado Ca2 + indicadores (GECIs) mudou radicalmente como Ca2 + imagem latente pode ser realizada em situ29,30,31,32,33 . Existem várias vantagens em usar GECIs sobre corantes. O mais importante talvez seja que a expressão de Lino pode ser executada de maneira específica de célula, que reduz a contaminação de fundo indesejados de células não turísticos. Outra vantagem do GECIs sobre indicadores de Ca2 + tradicionais é aquele fotobranqueamento é reduzido (como fluorescência e, consequentemente, fotobranqueamento só ocorre quando as células são ativas), em comparação com espécimes de corante-carregado, particularmente em alta ampliação e altas taxas de imagem capturam34. Assim, imagem latente com GECIs, tais como a série GCaMP de sensores optogenetic, proporciona a investigadores a capacidade de gravar breve, localizadas sub celular Ca2 + sinais em situ e investigar Ca2 + sinalização em células dentro deles ambientes nativos que não tem sido possíveis anteriormente. Para maximizar a recuperação de informações de tais gravações de alta resolução, análise espacial e temporal adequada dos sinais de Ca2 + é necessária. Deve-se notar que, enquanto o GECIs podem oferecer que algumas claras vantagens, estudos recentes têm revelado que Ca2 + imagem latente pode ser realizada com sucesso de grandes populações de diferentes classes neuroquímicas dos neurônios simultaneamente usando convencional CA2 + indicadores que não são geneticamente codificados para o animal,35. Esta abordagem usado post hoc imuno-histoquímica para revelar várias classes diferentes de neurônios disparando em alta frequência em rajadas sincronizadas e evitou o potencial que as modificações genéticas para o animal podem ter interferido com o fisiológico comportamento, o investigador procura entender35,36.
Os protocolos descritos neste trabalho facilitam a análise mais completa e quantificação de Ca2 + sinais gravado a partir de células no local usando uma combinação de mapa spatiotemporal (STM)-com base em análise e análise baseada em partículas. Os protocolos também descrevem como diferentes padrões de Ca2 + sinalização observados em células diferentes populações in situ podem ser analisadas de forma adequada. Para ilustração, o método examinará Ca2 + sinalização em uma população especializada de células no intestino, células intersticiais de Cajal (ICC). ICC são células especializadas no trato gastrointestinal (GI) que apresentam dinâmica intracelular Ca2 + sinalização, como visualizado utilizando camundongos expressando GCaMPs37,38,39,40, 41,,42. Transientes de CA2 + no ICC estão ligados à ativação de Ca2 +-ativado Cl– canais (codificados por Ano1) que são importantes na regulação da excitabilidade do músculo de liso intestinal células (SMCs)43, 44,,45. Assim, o estudo de Ca2 + sinalização em ICC é fundamental para a compreensão da motilidade intestinal. O intestino delgado murino oferece um excelente exemplo para esta demonstração, como existem duas classes de ICC que estão anatomicamente separadas e podem ser visualizadas de forma independente: eu) ICC estão localizados na área entre o músculo liso circular e longitudinal camadas, em torno do Plexo mioentérico (ICC-MY). Estas células servem como as células do marcapasso e geram a atividade elétrica conhecida como ondas lentas46,,47,,48,49; II) ICC também estão localizados entre um plexo rico nos terminais dos neurônios motores (plexo muscular profunda, assim, ICC-DMP). Estas células servem como mediadores das respostas a neurotransmissão motor entérica37,39,40,50. ICC-MY ICC-DMP são morfologicamente distintos e seus Ca2 + sinalização comportamentos radicalmente diferem para realizar suas tarefas específicas. ICC-MY são estreladas em forma e formar uma rede de células interconectadas através de lacuna entroncamentos51,52. CA2 + sinais em ICC-MY manifesto como breves e espacialmente localizados Ca2 + lançamento eventos que ocorrem em vários locais de forma assíncrona, através da rede de ICC-MY como visualizado dentro um FOV (fotografada com um objetivo X 60)38. Estes sinais assíncronos são organizados temporalmente em 1 segundo de clusters que, quando juntos, tabulados, elevar-se a um líquido 1 s celular aumento de Ca2 +. Estes sinais propagam de célula para célula dentro da rede da ICC e, portanto, organizam Ca2 + sinalização, gerados a partir de sites sub celulares, em uma tecido grande Ca2 + onda. Temporal de clustering e soma de Ca2 + sinais em ICC-MY foi denominado Ca2 + aglomerados transitória (CTC)38. CTC ritmicamente ocorre (por exemplo, é bastante semelhantes durações e períodos semelhantes entre CTC) 30 vezes por minuto no mouse. Por outro lado, ICC-DMP são células fusiformes em forma, alguns com processos secundários, que distribuem entre SMCs e processos nervosos varizes e não independentemente formam uma rede51,52. ICC-DMP forma junções com SMCs, no entanto e função dentro deste sincício maior, conhecido como o SIP sincício53. CA2 + sinais ocorrem em vários locais ao longo dos comprimentos de células, mas estes transientes não são arrastados ou temporalmente em cluster, como observado no ICC-MY37. CA2 + sinais no ICC-DMP ocorrem de forma estocástica, com intensidade variável, durações e características espaciais. Os protocolos abaixo, usando o exemplo do Ca2 + sinalização no ICC-MY e ICC-DMP, descrever técnicas para analisar a complexa sinalização em tipos específicos de células no local. Utilizamos o sistema de p Cre-Lox inducible para expressar GCaMP6f exclusivamente no ICC, após provocar a ativação da Cre Recombinase (Cre) conduzido por um promotor específico de ICC (Kit).