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La microscopía confocal de barrido se aplica para obtener imágenes de los eventos mitocondriales individuales en el corazón perfundido o los músculos esqueléticos en animales vivos. Monitoreo en tiempo real de los procesos mitocondriales individuales, como accesos repentinos superóxido y potencial de membrana fluctuaciones permite la evaluación de la función mitocondrial en un contexto fisiológicamente relevante y durante perturbaciones patológicas.
Mitocondria es un orgánulo intracelular crítico responsable de la producción de energía y la señalización intracelular en sistemas eucarióticos. La disfunción mitocondrial a menudo acompaña y contribuye a la enfermedad humana. La mayoría de los enfoques que se han desarrollado para evaluar la función mitocondrial y la disfunción se basa en in vitro o in vivo mediciones ex. Los resultados de estos experimentos han capacidad en la determinación de la función mitocondrial in vivo limitado. Aquí se describe un nuevo método que utiliza la microscopía confocal de barrido para la obtención de imágenes de los tejidos intactos en aminales en vivo, lo que permite la evaluación de la función mitocondrial solo de una manera en tiempo real en vivo. Primero, generamos ratones transgénicos que expresan el indicador dismutasa mitocondrial específica, la proteína fluorescente amarilla permutado circularmente (mt-cpYFP). Mt-cpYFP anestesiado ratón se fija en un adaptador de fase a medida y las imágenes con lapso de tiempo se toman fesde los músculos esqueléticos expuestas de la extremidad posterior. El ratón se sacrificó y posteriormente el corazón está configurado para perfusión Langendorff con soluciones fisiológicas a 37 ° C. El corazón perfundido se coloca en una cámara especial en la platina del microscopio confocal y se aplica una presión suave para inmovilizar el corazón y suprimir los latidos del corazón inducida artefactos de movimiento. Parpadea superóxido se detectan en tiempo real de imagen confocal en 2D a una frecuencia de un fotograma por segundo. La solución de perfusión puede ser modificado para contener diferentes sustratos de respiración u otros indicadores fluorescentes. La perfusión también se puede ajustar para producir modelos de enfermedades como la isquemia y la reperfusión. Esta técnica es un enfoque único para la determinación de la función de único mitocondria en tejidos intactos e in vivo.
Las mitocondrias juegan un papel central en la bioenergética celular, la señalización de los radicales libres, la homeostasis redox, la regulación de iones, y la determinación del destino celular 1,2. Las mitocondrias a menudo acompaña a la disfunción y la base de la patogénesis de las enfermedades 3-6. Especialmente en los sistemas musculares tales como el corazón y los músculos esqueléticos, la respiración mitocondrial proporciona la mayoría de ATP para apoyar la regulación oportuna de calcio intracelular y robusto 7,8 desarrollo de la fuerza. Estos músculos poseen un gran número de mitocondrias, que a menudo ocupan hasta un 20-40% del volumen total de células y son "fijos" entre miofilamentos 2.
A pesar de numerosos estudios, nuestra comprensión de la regulación de la función mitocondrial, específicamente in vivo y bajo condiciones fisiológicamente pertinentes, es limitada. Una de las razones es que la mayoría de los métodos desarrollados para la evaluación de la función mitocondrial depende de en VITRO o ex enfoques in vivo, tales como el control de la consumo de oxígeno de mitocondrias aisladas suplementado con sustratos artificiales, y la determinación indirecta de la función mitocondrial a través de la morfología (microscopía de electrones por ejemplo), actividad enzimática (por ejemplo, actividad de la aconitasa), o los niveles de ATP intracelulares 9-11 .
Recientemente, los pequeños indicadores fluorescentes de moléculas con un enriquecimiento relativo mitocondrial se han aplicado para proporcionar una visión de las señales mitocondriales, incluyendo el potencial de membrana, calcio y especies reactivas de oxígeno (ROS), en células intactas 11-13. Por otra parte, varios proteína fluorescente verde (GFP) y redox basado en indicadores de ROS se han desarrollado para lograr una evaluación más específica de la redox intracelular de ROS compartimentada o señales de 14-16. Entre esto, hemos desarrollado un indicador codificado genéticamente dismutasa, la proteína amarilla fluorescente circular permutada y targeted en las mitocondrias (mt-cpYFP) 17. mt-cpYFP puede ser excitado a 405 o 488 nm con dos picos de emisión a 515 nm. La emisión a 488 nm de excitación es específicamente sensible a superóxido como se muestra por el anterior in vitro e in vivo calibraciones 17,18. La emisión a 405 nm de excitación se utilizó como control interno (por favor refiérase a la Figura 1 de la Ref. 17 para obtener información detallada sobre la emisión y excitación espectros de mt-cpYFP en diversas condiciones). Con la imagen confocal de lapso de tiempo, este indicador detecta reventar eventos de producción de superóxido, llamados destellos superóxido, en las mitocondrias individuales de células intactas. Flash superóxido sirve como una función compuesta de la respiración mitocondrial, acompañamiento transitoria despolarización de la membrana mitocondrial y la producción de ROS 17-20. Recientemente, hemos generado las pan-tejido mt-cpYFP ratones transgénicos utilizando el vector pUC-CAGGS-mt-cpYFP 17,19 en C57/BL6 fondo y verificado las expresiones fuertessión de este indicador en el corazón, los músculos esqueléticos y otros tejidos (Figura 2). Los ratones transgénicos estará disponible para los investigadores académicos interesados previa solicitud y aprobación MTA por la Universidad de Washington.
En este estudio, se describe en la formación de imágenes in situ de destellos superóxido en corazón Langendorff perfundidos, así como formación de imágenes in vivo de eventos de flash en los músculos esqueléticos de MT-cpYFP ratones transgénicos anestesiados 17,19. Esta tecnología permite la monitorización en tiempo real de eventos de producción de ROS mitocondriales individuales en un estado fisiológicamente relevante o in vivo 21,22. También es factible utilizar el sistema para controlar otros parámetros mitocondriales individuales tales como el potencial de membrana y de calcio con indicadores fluorescentes apropiados. Evaluación Además, simultánea o paralela de la función mitocondrial con eventos intracelulares (por ejemplo, los transitorios de calcio) o la función del corazón (por ejemplo,. Fracción de eyección) se puede lograr. Perturbaciones patológicas, tales como la isquemia y la reperfusión, se pueden aplicar al corazón perfundido para evaluar el impacto del estrés sobre la función mitocondrial solo en el miocardio intacto.
1. Preparación experimental
2. Imagen confocal de los músculos esqueléticos en Vivo
3. Imagen confocal de corazón perfundido Ratón
4. Procesamiento de imágenes y análisis de datos
De acuerdo con este protocolo, formación de imágenes in vivo de eventos mitocondriales individuales se puede hacer en los músculos esqueléticos de ratones anestesiados, seguido de formación de imágenes en situ en el corazón perfundido (Figura 1). El ajuste óptimo de las condiciones de formación de imágenes se asegurará de imágenes claras de los tejidos musculares intactas y con resolución única mitocondria (Figura 2). TMRM se utiliza a menudo para verificar la ubicación de mt-cpYFP y debe mostrar un patrón de superposición completa con la señal mt-cpYFP (Figura 2). TMRM es un indicador disponible en el mercado para la medición del potencial de membrana mitocondrial en células intactas 23. Sus espectros se distinguen de la de cpYFP. Además, usando el método de excitación secuencial, las señales de emisión de TMRM y mt-cpYFP serán no interfieran entre sí 17. Imágenes representativas se muestran en la Figura 3 indican que solo Acco flash de superóxido mitocondrialmpanied por despolarización de la membrana se puede identificar en las imágenes de exploración 2D en serie, con un aumento transitorio de fluorescencia sobre las señales de fondo en ambos tejidos de músculo esquelético y el miocardio (Figura 3). Además de alta resolución, se requiere también la intensidad de fluorescencia adecuado. Esto puede lograrse mediante la modulación de la intensidad del láser y la ganancia en los canales de recogida. En general, la señal de fluorescencia basal de la célula se fija en un tercio a un cuarto de la intensidad máxima de la canal. Dado que el nivel de expresión de mt-cpYFP y la carga de TMRM puede variar entre los animales, puesta a punto de las condiciones de formación de imágenes se debe hacer para cada experimento. Ambas perturbaciones fisiológicas y patológicas, tales como sustratos metabólicos 17,19, estimulación eléctrica (Figura 4), 20-reperfusión isquémica 17, se han utilizado para demostrar que la actividad de flash superóxido responde a los cambios en el estado metabólico celular.
Figura 1. Ilustración esquemática de la imagen confocal de los músculos esqueléticos y de Langendorff corazón perfundido. El ratón transgénico que expresa MT-cpYFP se anestesia y los músculos esqueléticos en una de las extremidades posteriores están expuestos para formación de imágenes confocal. El corazón se perfunde a continuación, en el modo de Langendorff y la imagen confocal se llevó a cabo. El procesamiento de imágenes y análisis de datos con el software confocal y un programa a medida desarrollado.
Figura 2. Confocal de imágenes de las fibras musculares esqueléticas in vivo y el miocardio en el corazón perfundido. A. Imágenes representativas que muestran los músculos esqueléticos de no transgénicos (NTG) y mt-cpYFP transgénico (mt-cpYFP) ratón cargado con membrana mitocondrial indicador potencial, imágenes TMRM. B. representativas que muestran la myocardium de Ntg y mt-cpYFP ratones en Langendorff perfundidos corazón. Ex: longitud de onda de excitación. mt-cpYFP se excita a 405 y 488 nm con emisiones recogidas a 505-530 nm (azul) y de 505 a 530 nm (verde), respectivamente. TMRM se excita a 543 nm con emisiones recogidas en> 560 nm (rojo). Las barras de escala = 50 m.
Figura 3. Individuales parpadea superóxido mitocondriales detectados en los músculos esqueléticos in vivo y en el corazón perfundido. A. Imágenes representativas (panel superior) y trazas de cambio en función del tiempo de fluorescencia (mt-cpYFP a 405 y 488 nm de excitación y TMRM a 543 nm de excitación, panel inferior) muestra un solo destello dismutasa mitocondrial (resaltado por flechas de color naranja en el agrandamiento parte de las imágenes) en las fibras musculares esqueléticas. Tenga en cuenta la señal de mt-cpYFP aumentado (a 488 nm de excitación) se acompaña de una disminución de la señal TMRM. Imag B. Representantees (panel superior) y trazas de cambio de fluorescencia en función del tiempo (panel inferior) durante un solo flash de superóxido mitocondrial del miocardio perfundido. Las barras de escala = 50 micras. Haz clic aquí para ver más grande la figura .
Figura 4. El aumento de superóxido frecuencia de destello en el corazón perfundido por la estimulación eléctrica. El corazón se estimuló eléctricamente (de estimulación, 4 V y 2 Hz) durante 2 min. Los datos son la media ± SEM, n = 8 células. *:. P <0,05 frente Descansar Haga clic aquí para ver más grande la figura .
Imaging eventos mitocondriales individuales en animales vivos o en los órganos perfundidos tiene ventaja significativa sobre los métodos tradicionales de evaluación de la función mitocondrial 17,19,21,22,24,25. La técnica descrita aquí puede lograr en tiempo real en la determinación in situ de la función mitocondrial en una condición fisiológica real en la resolución subcelular. Esto es particularmente útil, cuando se combina con otras mediciones, para estudiar sistémicamente el papel de las mitocondrias en la función normal de un órgano o tipo de célula in vivo. Esta es una técnica complicada que combina la microscopía confocal y sofisticado sistema de perfusión con el control de varios parámetros. Sin embargo, esta técnica se ha utilizado para vincular el metabolismo de la glucosa todo el cuerpo con la función mitocondrial muscular 17,19,20 y actualmente está empleado por nosotros para estudiar la disfunción mitocondrial en las enfermedades del corazón.
El perfusio corazón Langendorffn sistema es compatible con la evaluación de la función cardíaca a través de la vigilancia de la presión del ventrículo izquierdo y la formación de imágenes intracelulares de Ca 2 + transitorios durante cada latido. Por otra parte, otros indicadores fluorescentes como MitoSOX o DCF pueden ser perfundidos para facilitar en las imágenes in situ de los niveles de ROS en el estado estacionario en el miocardio. Langendorff perfundidos corazón ha sido ampliamente utilizado para evaluar la respuesta del corazón a fisiológica (por ejemplo, estimulación β-adrenérgico por dobutamina) o patológica (por ejemplo, isquemia reperfusión) perturbaciones 26-28. Tales tratamientos pueden ser incorporados en el sistema de imagen confocal para evaluar la función mitocondrial solo en respuesta a las tensiones.
Las limitaciones de este método incluyen la selección de los tejidos / órganos que sean factibles para obtener imágenes de animales vivos. Tejidos superficiales tales como los músculos esqueléticos, estructuras subcutáneas y nervios superficiales son ideales para imagen confocal en vivo animal. Los órganos internos son técnicamente apropiado para imágenes de animales vivos, debido a los grandes daños al ratón mientras se expone el órgano. Sin embargo, los órganos internos se pueden configurar para la perfusión de órganos / cultura, tales como el corazón Langendorff perfundidos o cultivo de cortes de cerebro, si un entorno fisiológico mimético se puede mantener. Además, microscopio confocal de formación de imágenes tiene una profundidad efectiva de 30-50 micras, lo que permite la formación de imágenes de unas pocas capas de células debajo de la superficie del órgano. Es posible que este sistema se puede combinar con un microscopio de múltiples fotones, que tiene una profundidad de penetración mucho más alto (por ejemplo, hasta 1 mm) y se ha utilizado para evaluar la función mitocondrial en el corazón intacto 29. Movimiento artefacto es otro tema fundamental que debe ser considerado. Las mitocondrias en los músculos esqueléticos y miocitos cardíacos mostraron un mínimo movimiento durante la exploración. Por otra parte, inducida por los latidos del corazón-un artefacto de movimiento puede ser suprimida o eliminada por perfusión con blebbistatin unND aplicación de una suave presión sobre el corazón. En otros tipos de células, tales como las neuronas y los fibroblastos, las mitocondrias pueden sufrir movimientos constantes y dramáticos. Durante el procesamiento y análisis de imágenes, cualquier cambio de señal debido a artefactos de movimiento deben ser cuidadosamente identificadas y excluidas.
Desafíos adicionales de esta técnica incluyen el mantenimiento de la condición adecuada durante todo el experimento, los controles positivo y la interpretación de datos. Para imágenes músculo esquelético en ratones anestesiados, la superficie muscular expuesta sumergir en tampones fisiológicos en todo momento. Los signos vitales del ratón, tales como la respiración deben ser monitoreados durante todo el experimento. Para los estudios del corazón perfundido, se requieren oxigenación adecuada, control de la temperatura y suministro de sustrato. Se recomiendan controles positivos para verificar el estado y la capacidad de respuesta de los tejidos. Para ello, los ratones pueden ser inyectados con insulina o glucosa y corazones perfundidos puede ser estimular eléctricamentecionados o perfusión de isoproterenol. El aumento de los flashes superóxido deben ser observados después de estos tratamientos (Figura 4) 19,20. Además, se toman las imágenes con lapso de tiempo cuando el artefacto de movimiento se suprime mediante la inhibición de los latidos del corazón, que produce las condiciones sub-fisiológicos debido a la carga de trabajo disminuye. Por lo tanto, el experimento corazón perfundido debe ser considerado como un mimético de cerca de la situación in vivo.
Por último, la técnica fue desarrollada utilizando un confocal Zeiss (LSM 510). Otro sistema confocal (por ejemplo, Nikon, Olympus o Leica) se puede utilizar si el sistema cumple con los siguientes requisitos: (1) tiene el modo de exploración de cuadros de lapso de tiempo, (2) tiene una velocidad de muestreo de 1 seg / marco, y (3) puede alcanzar una resolución mitocondria individual (por ejemplo, 1 m x 2 m). El software de un sistema confocal por lo general permite el procesamiento de imágenes simple y análisis, tales como la definición de la salida de ROI y la intensidad de fluorescencia con TIME etiquetas. Alternativamente, el software Image J se puede utilizar tanto para análisis de imagen y de cálculo de parámetros de flash.
En resumen, la formación de imágenes de eventos mitocondriales individuales tales como flashes superóxido en los músculos esqueléticos en vivo o en el corazón perfundido es un enfoque único para la determinación en tiempo real de la función mitocondrial. Esta técnica es un avance significativo sobre las mediciones tradicionales in vitro y proporcionará una evaluación más precisa de la función mitocondrial y su relación con los procesos celulares / funciones bajo condiciones fisiológicas reales.
Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.
Los autores desean agradecer a los Dres. Heping Cheng, Huiliang Zhang y Stephen Kolwicz por sus valiosos comentarios y apoyo técnico en el desarrollo de este método. Este estudio fue apoyado por subvenciones del NIH y el Bono de Desarrollo Científico de la Asociación Americana del Corazón para WW.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
REAGENTS | |||
Blebbistatin | Toronto Research Chemicals | B592500 | |
CaCl2 | Acros Organics | AC34961-5000 | |
EDTA | Fisher Scientific | BP120-500 | |
D-Glucose | Sigma-Aldrich | G8270-1 | |
HEPES | Sigma-Aldrich | H7006-500 | |
KCl | Sigma-Aldrich | P9541-1 | |
MgCl2•6H2O | Fisher Scientific | BP214-500 | |
MgSO4•7H2O | Sigma-Aldrich | M1880-1 | |
NaCl | Fisher Scientific | BP358-212 | |
NaH2PO4 | Sigma-Aldrich | S8282-500 | |
NaHCO3 | Sigma-Aldrich | S6014-1 | |
Pyruvate | Sigma-Aldrich | P2256-25 | |
TMRM | Invitrogen | T-668 | |
EQUIPMENT | |||
Confocal Line Scanning Microscope (LSM 510 Meta, Zeiss), software version 4.2 SP1 including "Physiological Analysis" module. |
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