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Mudanças na mobilização intracelular do cálcio ditam uma grande variedade de processos celulares, incluindo alterações na expressão gênica e modulação das respostas imunesinatas. Os níveis intracelulares de cálcio podem ser alterados pela liberação de reservas intracelulares de cálcio, como o retículo endoplasmático e as mitocôndrias 1,2,3. O influxo extracelular de cálcio no espaço intracelular também pode alterar o cálcio citosólico tanto por meio de transporte passivo quantoativo 2. A imagem de células vivas da mobilização de cálcio é ensaiada principalmente por corantes intracelulares ou corantes geneticamente codificados, GCaMP (Multimer/Proteína Ativada por Cálcio Verde)4. Comuns na literatura são os corantes conjugados com AM (acetoximetil), que permitem que o corante permeie a membranaplasmática 5,6,7,8. Ao entrar na célula, a metade AM é clivada por esterases intracelulares endógenas, e o corante ganha carga negativa, que o prende no espaçocitosólico 9. Devido a essa carga ganha, o corante pode ser bombeado por canais anônicos orgânicos residentes na membrana plasmática. Portanto, o probenecida, um inibidor dos transportadores de efluxo de ânions orgânicos, é adicionado para prevenir o efluxo celular do corante e reter o sinal citosólicoideal 10,11. Estudos comumente utilizam Fura-2 AM, um corante ratiométrico, e Fluo-4AM, um corante intensitométrico, para testar sinalização de cálcio em linhagens celulares estáveis cultivadas em uma monocamada. Este estudo emprega um protocolo adaptado para imagem epifluorescente de culturas multicamadas cultivadas na interface ar-líquido, utilizando o recentemente desenvolvido corante intensitométrico de cálcio, Cal-520 AM, que apresenta sensibilidade aumentada em comparação com o Fluo-4 AM. Assim, é adequado visualizar robustamente sinais sutis em resolução celular única a partir de culturas epiteliais primárias complexas. A literatura atual é rica em imagens de cálcio vivo das respostas globais de linhagens celulares estáveis. No entanto, agora é amplamente conhecido que, in vivo, os tecidos constituem uma paisagem celular diversificada que suporta diferentes papéis específicos de tipo celular na manutenção da homeostasetecidual 12,13,14,15. Apesar desse conhecimento comum, os mecanismos pelos quais distintos tipos celulares coordenam sinais de cálcio e regulam a homeostase do íon de cálcio permanecem desconhecidos. Portanto, os métodos apresentados aqui permitirão a detecção de sinalização de cálcio por células únicas e aumentarão o débito das análises a jusante nos tecidos primários das vias aéreas.
Estamos utilizando nossos modelos de cultura epitelial primária previamente publicados e rigorosamente validados do epitélio nasal humano como ferramenta para imagear cálcio citosólico de células vivas em um modelo 16,17,18 mais biologicamente relevante. Resumidamente, as células epiteliais são isoladas das escovas nasais do paciente e cultivadas em uma membrana semipermeável em um poço trans, que fica suspenso dentro de um poço de cultura para manter uma interface ar-líquido (ALI). Essa interface, acoplada a meios especializados, foi rigorosamente testada usando técnicas ortogonais para a presença de diferentes tiposcelulares 16,17,18. Além disso, foi demonstrado que os métodos atuais são transferíveis para culturas brônquicas primárias que são cultivadas de forma semelhante às nossas culturas nasaisprimárias 19.
Este artigo apresenta um método adaptado para medir e analisar a sinalização de cálcio vivo em resolução de célula única nessas culturas epiteliais primárias das vias aéreas. Essas culturas multicamadas são difíceis de visualizar usando microscopia; No entanto, a configuração atual nos permite focar de forma confiável em camadas individuais dentro das culturas multicamadas, permitindo detectar a mobilização de cálcio dessas camadas específicas. Esse sistema tem várias vantagens, pois não requer um sistema de perfusão, que muitas vezes é caro e difícil de adaptar, a menos que microscópios especializados sejam empregados. A microscopia de epifluorescência tem sido empregada, oferecendo melhor resolução temporal em comparação com a imagem confocal. O uso de diodos emissores de luz (LEDs) minimiza a fototoxicidade em relação a sistemas confocais baseados em laser. Corantes intensiométricos extrínsecos são usados no protocolo apresentado aqui, pois permitem mudanças rápidas e relativas de cálcio em toda a população celular e são compatíveis com a maioria dos sistemas de microscopia de fluorescência. Isso é benéfico em relação aos corantes ratiométricos comuns, que requerem excitação ultravioleta profunda (UV) que não está disponível em muitos microscópios. Além disso, o GCaMP requer transfecção ou transdução, o que fortalece a técnica para imagens de cálcio mais direcionadas em tipos celulares específicos. Devido à baixa transdução e eficiência de transfecção em culturas epiteliais primárias, a técnica é pouco adequada para monitorar toda a população celular.
Além disso, este estudo desenvolveu um software inovador e especializado baseado em aprendizado de máquina que permite a segmentação de célula única baseada em coloração nuclear viva. O software então consegue registrar valores de intensidade de fluorescência para cada célula ao longo do tempo. Uma linha celular epitelial estável (Calu-3) foi inicialmente empregada para otimização de métodos. Depois, esses métodos foram traduzidos para estudar a mobilização de cálcio em células individuais em culturas epiteliais primárias. Variáveis como concentração do corante de cálcio e do probenecídio, o momento das etapas de incubação, bem como a configuração de imagem, foram otimizadas. Aqui, a sinalização de cálcio é registrada a uma taxa de quadros de 0,2 fps (quadros por segundo), o que é adequado para monitorar a sinalização de cálcio. A taxa de quadros pode ser aumentada para medir transientes de cálcio maisrápidos 20. As variáveis ótimas foram então aplicadas e otimizadas ainda mais em culturas nasais primárias mais complexas.