Este protocolo descreve uma abordagem de ablação a laser de dois fótons realizada em larvas de peixe-zebra, que serve como modelo para estudar a regeneração óssea e os efeitos da resposta imune à ablação.
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Este protocolo descreve uma abordagem de ablação a laser de dois fótons realizada em larvas de peixe-zebra, que serve como modelo para estudar a regeneração óssea e os efeitos da resposta imune à ablação.
O peixe-zebra (Danio rerio) tem uma excelente capacidade de regenerar diferentes órgãos e apêndices. A regeneração óssea em peixe-zebra tem sido estudada usando diferentes métodos, como amputação de barbatanas, arrancamento de escamas, trepanação de crânio e abordagens microscópicas. Usando uma configuração de varredura a laser confocal equipada com um laser de dois fótons, um método de ablação a laser foi desenvolvido como um paradigma de lesão para ablação de células formadoras de osso (osteoblastos) no opérculo em desenvolvimento de larvas de peixe-zebra. O método descrito aqui permite a ablação das células de maneira precisa, pois a área, a forma e a profundidade podem ser ajustadas com precisão. Além disso, esse método permite a obtenção de imagens da área antes e logo após a ablação, para que os efeitos de curto prazo da lesão possam ser analisados. Nesta configuração experimental, a resposta imune após a ablação de osteoblastos na área lesada foi estudada. Observou-se um aumento no recrutamento de macrófagos após a ablação, indicando a relevância de sua presença durante a regeneração óssea.
O peixe-zebra regenera diversos órgãos, como retina, cérebro, coração e pâncreas1. Além disso, o peixe-zebra regenera elementos esqueléticos, razão pela qual tem sido usado para estudar a regeneração de barbatanas, escamas e calvárias (calotas cranianas)2. Diferentes paradigmas experimentais têm sido utilizados para estudar a regeneração tecidual e óssea, como ressecção de nadadeiras (amputação), fratura de nadadeiras, trepanação craniana 3,4, crioleferimento 5,6 ou ablação genética 7,8,9. Recentemente, as abordagens de ablação a laser têm sido amplamente utilizadas em peixes-zebra para estudar a resposta de cicatrização e regeneração após lesões 10,11,12,13,14.
A ablação mediada por laser tem sido usada em diferentes áreas da pesquisa biológica, como mecanobiologia, biologia do desenvolvimento, pesquisa de regeneração e cirurgia tumoral 10,11,12,15,16,17,18,19. Existem várias metodologias de ablação a laser, como o uso de lasers YAG (granada de ítrio e alumínio), UV (ultravioleta) ou 2p (dois fótons)20. A ablação a laser permite a remoção de células individuais ou porções maiores de tecidos de maneira muito precisa, possibilitando o estudo de diferentes processos, como a resposta do sistema imunológico à ablação tumoral21 ou durante a regeneração do opérculo do peixe-zebra. Neste último exemplo, a ablação foi confirmada pelo desaparecimento do sinal do fluoróforo nuclear e citoplasmático e coloração de necrose10,22.
É bem conhecido que a resposta imune inata e sua cinética regulada são essenciais para a regeneração tecidual adequada. Neutrófilos e macrófagos são as primeiras células a serem recrutadas para o local da lesão, onde desempenham diferentes papéis, como liberação de citocinas e fatores de crescimento, remoção de detritos celulares e remodelação da matriz extracelular23. Esse recrutamento e subsequente funcionalização de macrófagos também foram observados em barbatanas de peixe-zebra amputadas24 e no opérculo em desenvolvimento, que foi submetido a 'nanodissecção' a laser levando à ablação de osteoblastos10. Neste último experimento, a recuperação do número de osteoblastos, o desenvolvimento normal do opérculo e o recrutamento de células imunes inatas (neutrófilos, macrófagos e células semelhantes a osteoclastos) para a área lesada foram observados após ablação mediada por laser UV e laser de dois fótons10. Experimentos em peixe-zebra nos quais o sistema imunológico foi farmacologicamente suprimido pelo uso de glicocorticóides mostraram um comprometimento da regeneração após imunidade desregulada, apoiando o papel funcional do sistema imunológico no reparo tecidual 3,10,25,26.
Aqui, é descrita uma metodologia de ablação mediada por laser de dois fótons para estudar a biologia da regeneração óssea no desenvolvimento de ossos de peixe-zebra. Em particular, o efeito da abordagem de ablação de osteoblastos no opérculo é mostrado em termos da resposta imune, que é investigada pelo monitoramento do recrutamento de macrófagos para o local da ablação.
O protocolo do estudo recebeu aprovação da Landesdirektion Sachsen, números de licença 25-5131/564/2, DD25-5131/450/4, 25-5131/496/56, DD25.1-5131/354/87. As linhagens de peixe-zebra utilizadas foram mantidas de acordo com a legislação nacional e sob condições padronizadas, conforme descrito anteriormente27,28. Os detalhes de todos os reagentes e equipamentos utilizados no estudo estão listados na Tabela de Materiais.
1. Preparação de materiais e soluções
2. Reprodução de peixe-zebra e coleta de embriões
NOTA: Larvas de peixe-zebra transgênicas duplas relatando a presença de osteoblastos comprometidos [osterix: nGFP = Tg (Ola.Sp7: NLS-GFP) zf132] 29 e macrófagos [mpeg: mCherry = Tg (mpeg: mCherry) gl23] foram usados aqui30 (Figura 1A).
3. Larvas incorporadas em agarose de baixo ponto de fusão

Figura 1: Representação esquemática do procedimento de incorporação. (A) Tg(osterix:nGFP) transgênica dupla; mpeg1:mCherry)29,30 larvas de peixe-zebra com osteoblastos operculares marcados em verde e macrófagos marcados em vermelho foram usados. (B) O fluxo de trabalho do procedimento de incorporação, conforme descrito na etapa 3 do protocolo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
4. Imagem in vivo das larvas e ablação a laser
5. Recuperação de larvas e imagens para monitorar o recrutamento de células imunes
6. Análise de imagem e análise estatística
A ablação a laser foi realizada conforme indicado no protocolo acima. O sinal GFP dos osteoblastos na área ablacionada desapareceu instantaneamente após a ablação. Para estudar a resposta da ablação de osteoblastos em termos de resposta imune, foi observada a presença de macrófagos em larvas de 6 dpf antes e em 6 hpl. Antes da ablação, muito poucos macrófagos foram observados na área do opérculo10 (Figura 2). Aos 6 hpl, foi detectado um forte acúmulo de macrófagos na região do opérculo ablacionado e um aumento do número de macrófagos no campo de visão, incluindo o opérculo e a área ao redor do opérculo10 (Figura 2).

Figura 2: Recrutamento de macrófagos a 6 hpl em larvas de peixe-zebra de 6 dpf. Área do opérculo sem ablação e a 6 hpl. Os osteoblastos operculares são marcados em verde, os macrófagos em magenta e o círculo tracejado indica a área de ablação a laser. Barra de escala: 50 μm. Clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.
O recrutamento de macrófagos também foi analisado em larvas de 4 dpf com opérculos muito menores em 4 hpl observando resultados semelhantes (Figura 3). A quantificação do número de macrófagos (fora do local de ablação imediata a laser) mostrou um aumento dentro do período de tempo investigado (4,00 ± 2,37 macrófagos antes da ablação versus 7,00 ± 2,76 macrófagos a 4 hpl) (Figura 3B). Da mesma forma, a área de macrófagos (medida em μm2, 785,8 μm2 ± 723,1 μm2 antes da ablação versus 1553 μm2 ± 869,9 μm2 a 4 hpl) aumentou ( Figura 3C ). Como os macrófagos às vezes são difíceis de distinguir, recomenda-se medir a área dos macrófagos em vez do número de macrófagos, como foi feito aqui.

Figura 3: Recrutamento de macrófagos a 4 hpl em larvas de peixe-zebra de 4 dpf. (A) Área do opérculo sem ablação e a 4 hpl. Os osteoblastos operculares são marcados em verde, os macrófagos em magenta e o círculo tracejado indica a área de ablação a laser. Barra de escala: 50 μm. (B) Quantificação do número de macrófagos na área do opérculo diretamente antes (0 hpl) e após a ablação (4 hpl). (C) Quantificação da área de macrófagos (local de ablação a laser excluído). Testes t unicaudais pareados. Cada ponto representa os dados de uma larva, e a média ± DP é mostrada, n = 6. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A ablação a laser tem sido aplicada em várias disciplinas da pesquisa biológica. Em particular, tem sido útil como método para estudar a regeneração tecidual 10,11,12. Por exemplo, o recrutamento e as alterações fenotípicas das células imunes inatas foram recentemente analisados ao longo do tempo usando ensaios de ablação a laser UV ou laser de dois fótons, juntamente com a recuperação de osteoblastos no local de ablação a laser10. Imagens ao vivo do recrutamento de células imunes foram realizadas até 12 h pós-lesão (hpl); no entanto, períodos de imagem mais longos podem ser previstos com ajustes apropriados na anestesia e aprovação das respectivas autoridades. Em Geurtzen e col., as análises foram realizadas até vários dias após a ablação a laser e ajudaram a definir o meio inflamatório no local da ablação, bem como a estabelecer o papel de suporte dos macrófagos na regeneração óssea10. Muitas outras aplicações, como estudar o papel da liberação de espécies reativas de oxigênio33 após a morte celular no tecido ósseo, são concebíveis.
Uma das vantagens do uso da ablação celular mediada por laser de dois fótons é a possibilidade de combiná-la com imagens confocais. O software usado aqui (consulte Tabela de Materiais) pode ser configurado para um modo (Modo de Dados ao Vivo) no qual a imagem e a ablação ocorrem consecutivamente, acelerando o processo. Outra vantagem da tecnologia é a precisão da ablação. O tamanho e a forma da ablação podem ser facilmente ajustados no software de maneira muito precisa. No cenário experimental aqui apresentado, uma área circular com diâmetro de 25 μm foi escolhida para ablação. No entanto, outros experimentos de ablação em Drosophila empregaram ablações lineares de 25 μm para reduzir a tensão do tecido no epitélio embrionário, cortando as junções celulares vizinhas34. Essa precisão permite a ablação de um número específico e controlado de células, células únicas ou mesmo membranas celulares.
Notavelmente, o tipo de lesão realizada com um laser de dois fótons não se assemelha a lesões e morte celular que ocorrem naturalmente, o que precisa ser lembrado na pesquisa de regeneração, mas também em outras disciplinas. Em particular, as ablações a laser criam lesões muito focadas, destruindo completamente (queimando) as células na região de interesse20 com danos mínimos nos tecidos circundantes, enquanto lesões mecânicas ou outros tipos de lesões tendem a afetar vários tipos e camadas de tecido em uma escala mais ampla. Isso pode levar a múltiplas consequências envolvendo diferentes tipos de morte celular (por exemplo, necrose, apoptose, autofagia)35 e diferentes resultados regenerativos. Além disso, as reações à ablação a laser podem diferir em termos celulares e moleculares. Por exemplo, foi demonstrado que, embora as células ao redor do local da lesão a laser possam perder a integridade da membrana plasmática, elas podem sobreviver ao dano e restaurar a integridade36. A ablação a laser também leva a áreas da matriz extracelular danificadas, que podem resultar de "explosões térmicas" no centro do feixe de laser aplicado e também de forte exposição ao calor nas células diretamente vizinhas10,37. No entanto, as células ao redor dos locais de ablação a laser mostram um número aumentado de corpos apoptóticos, como mostrado para o tecido cardíaco ablacionado a laser38, e uma resposta imune é desencadeada, como mostrado aqui. Além das diferenças descritas, outra limitação dos ensaios de ablação assistida por laser pode ser a profundidade na qual a lesão pode ser realizada e o tamanho limitado das amostras. Estruturas ocultas em espécimes espessos podem não ser adequadamente ablacionadas e a imagem será difícil. Isso, no entanto, dependerá muito do microscópio e do laser usados, bem como da objetiva e da incorporação.
Incorporar as larvas de forma que o opérculo seja colocado próximo ao fundo de vidro do prato é essencial no caso de uma configuração invertida ser usada, como no protocolo apresentado. Além disso, é muito importante testar a temperatura do LMA antes de aplicá-lo para cobrir as larvas (etapa 3.4), pois a agarose quente danificará as larvas. Para evitar isso, retire a alíquota LMA do termobloco mais cedo, por exemplo, enquanto remove a mídia E3 restante do prato com fundo de vidro e teste a temperatura, como na pele do pulso. O LMA deve ser quente, mas não quente.
Uma vez que as larvas estejam cobertas com LMA, é importante colocá-las rapidamente na posição correta antes que a LMA comece a solidificar. A posição lateral é a mais fácil de alcançar; No estudo apresentado, a posição desejada foi lateral com leve inclinação para o lado ventral. Caso a ML solidifique antes que as larvas sejam posicionadas corretamente, é possível remover a ML (como na etapa 5.1) e repetir a incorporação. Da mesma forma, é importante que a área a ser fotografada (e ablação a laser) esteja o mais próximo possível do fundo de vidro do prato para máxima qualidade de imagem e ablação celular, embora isso também dependa da distância de trabalho da objetiva.
É possível incorporar mais de uma larva no mesmo prato para obter imagens. Isso economizará tempo e fará melhor uso do LMA. O número de larvas que podem ser incorporadas dependerá da experiência do experimentador, mas 3-5 larvas são recomendadas.
A ablação a laser também pode ser realizada com configurações microscópicas verticais que empregam lentes de imersão. Nesse caso, é importante incorporar as larvas com uma visão ligeiramente ventral (de cima) para permitir uma boa qualidade de imagem e sucesso na ablação a laser do opérculo. Além disso, apenas uma fina camada de LMA deve cobrir as larvas para permitir uma boa excitação e detecção de sinais fluorescentes.
Neste protocolo, uma configuração de ablação mediada por laser de dois fótons para osteoblastos é descrita como uma metodologia para realizar lesões em ossos em desenvolvimento, especificamente no opérculo. Este método pode ser adaptado para ablação de células em outros ossos do peixe-zebra em desenvolvimento. Além disso, geralmente é uma abordagem útil para estudar a regeneração de tecidos lesados11,12. A facilidade de realizar ablações e cortes de tecidos de diferentes tamanhos e formas permite seu uso em diferentes arranjos experimentais e campos de pesquisa 15,17,18,19,21,34. Ao todo, a ablação mediada por laser de dois fótons é um método muito adaptável - para diferentes tecidos, organismos e até mesmo ambientes in vitro - e representa uma ferramenta importante na pesquisa biológica.
Os autores não têm nada a divulgar.
Este trabalho foi apoiado pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) Transregio 67 (projeto 387653785), o DFG SPP 2084 μBone (projeto KN 1102/2-1) para FK. Este trabalho foi apoiado pela Light Microscopy Facility (DFG project 413875620), uma instalação central da Plataforma de Tecnologia CMCB na TU Dresden. Os trabalhos na TU Dresden foram cofinanciados com receitas fiscais baseadas no orçamento acordado pelo Parlamento da Saxónia («Landtag»).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Cloreto de cálcio di-hidratado, CaCl2· H2O | Carl Roth | 5239.1 | |
| Placa de Cultura de Células, PS, 100/20 mm | Greiner Bio-one | 664160 | |
| Dumont #55 Foceps | FST | 11295-51 | Forma da ponta reta, 11 cm, 0,05 x 0,02 mm |
| Placa Falcon de 6 poços | Corning | 353502 | |
| Placa de micropoços com fundo de vidro | MatTek | P35G-1.5-14-C | Prato de 35 mm, Nº 1.5 Lamínula, Diâmetro de Vidro de 14 mm, Não Revestido |
| Laser multifotônico Insight X3 | Spectra-Physics | ||
| Leica Application Suite | LAS X, Leica Microsystems | ||
| Baixo ponto de fusão de agarose | Biozyme | 840101 | Biozym Plaque Agarose |
| Sulfato de magnésio heptahidratado, MgSO4· 7H2O | Sigma-Aldrich | M5921 | |
| Gaiolas | muitas variedades, por exemplo, Tecniplast | ||
| Methyleneblue | Carl Roth | A514.1 | |
| MS-222 | SIGMA Aldrich | A5040 | |
| Cloreto de potássio, KCl | PanReac AppliChem | 131494 | |
| Cloreto de sódio, NaCl | Carl Roth | 3957.1 | |
| SP8 FALCON | Leica Microsystems | Equipado com um laser multifotônico Insight X3 e software Leica Application Suite | |
| Agulha de dissecação de aço inoxidável | Bochem | 12010 | 140 mm |
| SZX16 | Olympus | Equipado com uma base de iluminação LED SZX2-ILLTQ | |
| Gabinetes termostáticos TS - WTW | xilema | TS 608/2-i | Para incubação (embrião) |
| Transferência pipeta, 3,5 mL | SARSTEDT | 861171 | 155 x 15 mm, LD-PE, transparente |
| Zeiss SteREO Discovery.V12 versão 4.7.1.0. | Zeiss | Equipado com câmera Axiocam MRm e software AxioVision |
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