El presente estudio describe metodologías basadas en la descelularización para visualizar y cuantificar la deposición de tejido adiposo intramuscular (IMAT) a través del volumen muscular intacto, así como cuantificar las métricas de los adipocitos individuales que componen IMAT.
La infiltración grasa es la acumulación de adipocitos entre las miofibras del músculo esquelético y es una característica destacada de muchas miopatías, trastornos metabólicos y distrofias. Clínicamente en poblaciones humanas, la infiltración grasa se evalúa mediante métodos no invasivos, como la tomografía computarizada (TC), la resonancia magnética nuclear (RM) y la ecografía (US). Aunque algunos estudios han utilizado la TC o la RM para cuantificar la infiltración grasa en el músculo del ratón, los costos y la resolución espacial insuficiente siguen siendo un desafío. Otros métodos para animales pequeños utilizan la histología para visualizar adipocitos individuales; Sin embargo, esta metodología adolece de sesgo de muestreo en patología heterogénea. Este protocolo describe la metodología para ver cualitativamente y medir cuantitativamente la infiltración grasa de forma exhaustiva a través del músculo intacto del ratón y a nivel de los adipocitos individuales mediante la descelularización. El protocolo no se limita a músculos específicos o especies específicas y puede extenderse a la biopsia humana. Además, las evaluaciones cualitativas y cuantitativas brutas se pueden realizar con equipos de laboratorio estándar a bajo costo, lo que hace que este procedimiento sea más accesible en todos los laboratorios de investigación.
La acumulación de adipocitos entre las miofibras dentro del músculo esquelético es una característica prominente de afecciones dispares, desde la diabetes tipo 2 hasta la sarcopenia y las lesiones musculoesqueléticas 1,2,3,4,5,6,7. La evaluación integral de este tejido adiposo intramuscular (IMAT) es fundamental para comprender la patogénesis de estas afecciones, ya que el depósito de IMAT está fuertemente correlacionado con la resistencia a la insulina 3,8,9,10 y una función muscular esquelética deficiente 11,12,13,14,15 . Aunque estas asociaciones se han observado durante décadas, los mecanismos asociados y el origen de la IMAT siguen siendo un área de intensa investigación. Esto se debe, en parte, a que la mayoría de los estudios que evalúan la infiltración grasa del músculo esquelético se han realizado en humanos, donde las investigaciones mecanicistas son limitadas16,17. Sin embargo, más recientemente, se han utilizado modelos de animales pequeños, incluidos ratones, para ayudar a identificar la regulación celular del desarrollo y la señalización de IMAT18,19,20. Este trabajo tiene como objetivo proporcionar una nueva herramienta para su uso con modelos de animales pequeños para visualizar y cuantificar cualitativamente la infiltración grasa del músculo esquelético.
Clínicamente en poblaciones humanas, la infiltración grasa se evalúa mediante métodos no invasivos, como la tomografía computarizada (TC)6,21, la resonancia magnética (RM)16,17,22,23 y la ecografía (US)17,24. Estas técnicas de imagen suelen identificar una región de interés definida (ROI) en un músculo y adquirir cortes de imagen dentro de esa región, aunque también se han empleado enfoques integrales25,26,27. Estos cortes de imagen se someten a una gradación cualitativa6 y se cuantifican a través del umbral de píxeles28. Enfoques similares se han utilizado anteriormente en animales29,30; sin embargo, son costosos y requieren acceso a sistemas de imágenes de animales pequeños. La resolución espacial a través del uso de TC y RM también presenta un problema importante, ya que no pueden delinear los adipocitos IMAT de las fibras musculares esqueléticas dentro de un vóxel y, en cambio, se basan en la separación subjetiva de las regiones musculares principales y las regiones IMAT31,32. Como tal, la incapacidad de identificar con precisión el tejido graso o muscular también presenta una cuantificación inexacta de cantidades representativas de estos tejidos.
Debido a estas limitaciones, las técnicas actuales para evaluar la infiltración grasa del músculo esquelético en modelos de animales pequeños se basan más comúnmente en la histología como una alternativa barata y accesible33,34. Los procedimientos de tinción estándar, que incluyen hematoxilina y eosina (H&E), aceite rojo O (ORO) e inmunotinción para marcadores de adipocitos como la perilipina, permiten una detección y visualización sencillas de los adipocitos que comprenden la infiltración de grasa dentro del músculo. Sin embargo, los enfoques histológicos rara vez son exhaustivos y, por lo general, la evaluación cualitativa o cuantitativa del IMAT se limita a una sola sección34. La extracción de lípidos también se ha utilizado para cuantificar los lípidos musculares totales35; sin embargo, esta técnica no distingue entre los depósitos de lípidos intramiocelulares (IMCL) y de tejido adiposo intramuscular (IMAT)36. En resumen, las metodologías actuales para visualizar y cuantificar la grasa en el músculo siguen estando limitadas ya sea por los costes financieros o por la detección específica de IMAT.
Aquí, describimos un método detallado para evaluar la infiltración grasa del músculo esquelético tanto mediante visualización cualitativa como cuantificación multiescala. Esta metodología emplea una técnica de descelularización simple que elimina las estructuras miocelulares, incluido el IMCL, pero mantiene intactas las gotas lipídicas más grandes derivadas de adipocitos IMAT. Se ha publicado la validación de la especificidad de esta técnica37, incluyendo el uso de la extracción de lípidos para mostrar la depleción del IMCL con la descelularización, la μCT para mostrar la retención del patrón IMAT con la descelularización y la histología para mostrar la distribución de tamaño similar de las gotas lipídicas de IMAT en comparación con las identificadas con la descelularización. Una vez descelularizados, los músculos se pueden teñir con colorantes solubles en lípidos para la visualización cualitativa del patrón y el alcance de la infiltración de grasa y/o la obtención de imágenes cuantitativas de gotas de lípidos IMAT individuales. Posteriormente, los colorantes se pueden extraer con isopropanol y la densidad óptica (DO) de la solución resultante se puede utilizar para estimar el volumen de lípidos IMAT. La validación rigurosa de esta técnica ha sido publicada en otro lugar37. En este artículo se proporciona un protocolo detallado para utilizar esta metodología con músculos de ratón y se proporcionan sugerencias para la solución de problemas para respaldar la adopción de este método en otras aplicaciones, como músculos de otras especies u otros tejidos.
Este manuscrito describe métodos para visualizar y cuantificar cualitativamente la infiltración grasa del músculo esquelético en modelos de animales pequeños que se pueden aplicar para comprender mejor la patogénesis del desarrollo y la expansión patológica del tejido adiposo intramuscular (IMAT). El uso de la descelularización del músculo entero y la tinción soluble en lípidos permite una metodología rentable, reproducible y sencilla para evaluar de forma exhaustiva la presencia de IMAT en los músculos completos.
La base de este protocolo es que la descelularización del músculo con SDS elimina los componentes celulares de las miofibras, incluidas las pequeñas gotas de lípidos de IMCL, pero preserva las grandes gotas de lípidos en los adipocitos intramiocelulares. La SDS se ha utilizado ampliamente42 en ingeniería de tejidos para descelularizar matrices. Los tejidos, como el músculo adiposo y el músculo esquelético, suelen requerir una disociación mecánica adicional y/o una extracción con alcohol para eliminar el lípido residual de los adipocitos42,43. Anteriormente hemos demostrado que esto se debe a que, si bien la descelularización con SDS elimina la IMCL, evita la gran gota de lípidos en los adipocitos37. Las imágenes del músculo intacto tetroxido de osmio antes y después de la descelularización con μCT verificaron que el patrón espacial de IMAT no se vio interrumpido por la descelularización. Además, la cuantificación de triglicéridos intramusculares en un músculo descelularizado con IMAT insignificante fue de ~5% de los valores musculares intactos, verificando la eliminación de IMCL. Por lo tanto, esta metodología retiene las gotas lipídicas de IMAT en su distribución anatómica original a través de una matriz muscular semitransparente.
La descelularización adecuada es el paso más crítico de este protocolo. Si la descelularización es incompleta, las gotas lipídicas de IMAT serán difíciles de visualizar y el IMCL residual causará una alta tinción de fondo con ORO o BODIPY (Figura 2). Los errores más comunes de los usuarios inexpertos son la cobertura inadecuada de SDS por músculo (dentro de cada pocillo), de modo que cada músculo no está completamente cubierto por la solución de SDS, no utilizar un balancín para agitar la solución durante la descelularización y no realizar cambios de solución con la suficiente frecuencia. En este manuscrito, hemos recomendado la cantidad de SDS necesaria por unidad de masa muscular, pero el usuario aún deberá asegurarse de que los músculos estén completamente cubiertos por soluciones, ya que cada músculo tiene una geometría única. También se recomienda a los usuarios que cambien las soluciones generosamente (hasta dos veces al día) para asegurarse de que la descelularización sea completa. Se ha logrado una tinción de buena calidad de las gotas de lípidos IMAT después de hasta 4 días de tratamiento con SDS. Para obtener resultados de tinción de ORO de alta calidad, también es importante una fijación adecuada y una preparación de la solución de ORO. Al igual que el tratamiento con SDS descrito anteriormente, se necesita una cobertura adecuada de una solución de formaldehído al 3,7% para cada muestra muscular. Si el músculo se retira del fijador demasiado pronto, las gotas de lípidos solo se tiñirán débilmente con ORO. Un total de 1-2 h debería ser suficiente, pero se recomienda la fijación durante la noche para garantizar que el fijador penetre en el centro del músculo y fije completamente todas las gotas de lípidos. Un desafío adicional con la tinción de ORO es que cuando la concentración de alcohol se reduce al 60%, comienza a formarse una partícula. Esta partícula puede depositarse en la superficie y atascarse en el borde del músculo. La mejor manera de evitar esto es hacer una nueva solución de trabajo para cada tinción y usar filtros de malla de 40 μm y 0,22 μm. Luego, mantener la agitación con el balancín y limitar el tiempo de tinción a 10 minutos ayudará a evitar que se asiente cualquier partícula que se forme. Si el problema persiste, hacer una nueva solución madre de ORO puede ayudar. Si algún artefacto permanece pegado a la superficie muscular descelularizada, se puede usar un microscopio estereoscópico, fórceps y tijeras quirúrgicas para extraer este artefacto. Si no se eliminan los artefactos, se afectará a la calidad de la imagen de los músculos y se sobrestimará el contenido de IMAT durante la parte de extracción de lípidos en preparación para la lectura de la OD.
En general, esta técnica es sencilla y ofrece varias ventajas sobre los métodos de referencia para visualizar y cuantificar la infiltración grasa del músculo esquelético. Las técnicas no invasivas, como la tomografía computarizada, la resonancia magnética y la ecografía, que se utilizan ampliamente en humanos y, a veces, en modelos animales, tienen una resolución espacial limitada y no pueden distinguir las gotas de lípidos de las fibras musculares. Por lo tanto, un píxel o vóxel de intensidad de señal intermedia se asigna como “músculo” o “grasa”, mientras que en realidad es probable que sea una mezcla de miofibras y adipocitos. Más comúnmente, la infiltración grasa en el músculo animal se evalúa mediante histología, con mayor frecuencia mediante ORO en criosecciones musculares. Sin embargo, esto generalmente solo se realiza en una sola sección representativa y es difícil de cuantificar debido a la dispersión de lípidos en la sección. Por el contrario, la tinción con ORO de todo un músculo descelularizado proporciona una evaluación completa de IMAT con costos y esfuerzo similares a los de la morfología intacta. Además, además de mejorar la visualización, la tinción ORO de la descelularización permite cuantificar la infiltración grasa mediante extracción lipídica. Para profundizar en las características de la infiltración grasa, se puede utilizar una tinción fluorescente, BODIPY, junto con la microscopía confocal. Esto permite la reconstrucción de gotas de lípidos IMAT individuales para mapear el paisaje 3D, lo que no es posible con la histología a menos que se analicen secciones a lo largo del músculo. Si bien un microscopio confocal no es un equipo de laboratorio estándar, es más probable que sea accesible en un entorno universitario o industrial que la resonancia magnética o la tomografía computarizada de animales pequeños. Además, gran parte de este proceso se puede automatizar, lo que reduce el costo de tiempo en comparación con la histología secuencial. La optimización de la configuración en el microscopio confocal es una consideración adicional para la tinción BODIPY. Estos son únicos para cada microscopio. El valor crítico es la intensidad del láser, que debe ser lo suficientemente alta como para detectar las gotas de lípidos en la superficie distante del músculo y, al mismo tiempo, no saturar la señal de las gotas de lípidos en el lado cercano. Debido a esto, se sugiere que el uso de la tinción BODIPY con microscopía confocal es más adecuado en los músculos más delgados, incluido el EDL o el diafragma.
Varias limitaciones de este enfoque merecen ser discutidas. En primer lugar, si bien se anticipa que esta técnica tiene una amplia aplicabilidad más allá de los modelos de lesión (cardiotoxina y glicerol) en ratones presentados aquí, las nuevas aplicaciones (por ejemplo, el modelo mdx) pueden requerir optimización, ya que el tamaño y la composición del músculo (por ejemplo, la fibrosis) podrían afectar la descelularización, lo que requeriría una mayor concentración de SDS o tiempos de incubación. Otros modelos de enfermedad con masa muscular alterada también requerirían el análisis de métricas absolutas y normalizadas (a la masa muscular) de infiltración grasa para determinar la cantidad absoluta de lípidos o el porcentaje de lípidos en relación con el volumen muscular para proporcionar una medida de resultado más significativa. Además, se prevé que esta técnica sea ampliamente aplicable a modelos animales más grandes y biopsias humanas, pero esto puede requerir una optimización para cada nueva aplicación. En segundo lugar, en esta estrategia, todo el músculo debe dedicarse a este ensayo y no puede utilizarse para evaluar otra característica patológica. Los estudios que tienen como objetivo evaluar los cambios longitudinales en el IMAT se realizan mejor con técnicas de imagen no invasivas y los estudios cuyo objetivo principal requiere el músculo para otros fines (histología, reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa, Western blot) se realizan mejor mediante la evaluación histológica, ya que el resto del músculo congelado se puede asignar a otros ensayos. Sin embargo, este ensayo es muy adecuado para combinarse con ensayos in vivo, como correr en cinta rodante o ensayos contráctiles ex vivo , ya que estas medidas pueden realizarse antes de la descelularización44. En tercer lugar, aunque el uso de la tinción BODIPY con microscopía confocal proporciona una visualización y cuantificación de alta resolución de las gotas de lípidos, no puede identificar de manera concluyente las gotas de lípidos como adipocitos individuales, ya que se elimina la membrana celular y se pierden las proteínas endógenas de los adipocitos. Los adipocitos multiloculares, que representan adipocitos inmaduros o un fenotipo “marrón/beige”, pueden identificarse como gotas de lípidos múltiples. Por último, el protocolo no funciona bien en el músculo previamente congelado. Estas limitaciones son probablemente más profundas en el caso de las biopsias humanas, ya que si bien toda la biopsia se puede descelularizar, no es probable que la distribución espacial de IMAT en la biopsia sea más representativa de todo el músculo que un corte histológico. Sin embargo, dado que esta técnica es relativamente insensible a las condiciones de manipulación de la biopsia no congelada (p. ej., horas en hielo en PBS), la biopsia podría dividirse posteriormente para varios ensayos, incluida una parte para la descelularización, lo que proporcionaría una mejor resolución de las gotas de lípidos individuales.
En conclusión, se ha desarrollado un método novedoso para el análisis cualitativo y cuantitativo de la infiltración grasa del músculo esquelético mediante la tinción y obtención de imágenes de los lípidos retenidos de las construcciones descelularizadas. Esta metodología ofrece mejoras con respecto a los enfoques de referencia, ya que permite obtener imágenes completas de la infiltración grasa tridimensional dentro del músculo y una cuantificación rápida y barata con tinción de ORO. Para mediciones más detalladas, una segunda tinción de BODIPY soluble en lípidos proporciona una cuantificación más detallada del número, el volumen y el patrón de distribución de las gotas lipídicas, según las imágenes de la microscopía confocal. Juntas, estas medidas proporcionan a los investigadores una forma de medir con precisión la infiltración de grasa del músculo esquelético a nivel de las gotas de lípidos individuales sin tomar muestras ni obtener imágenes no invasivas costosas.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo contó con el apoyo de R01AR075773 a GAM.
0.22 µm Syringe Filter | Fisher Scientific | SLGP033RS | |
1 mL LuerLock Syringes | Fisher Scientific | 14823434 | |
12 mm Coverslips | Fisher Scientific | 12545F | |
12 well plates | Fisher Scientific | 08-772-29 | |
24 well plates | Fisher Scientific | 08-772-1H | |
2-Propanol (Isopropanol) | Sigma Aldrich | I9516 | 0.5 mg/mL stock solution can be stored at room temperature for 1 month. Working solution must be made fresh. |
37% Formaldehyde Solution | Sigma Aldrich | 8187081000 | |
40 µm Mesh Filter | Fisher Scientific | 87711 | |
6 well plates | Fisher Scientific | 08-772-1B | |
96 well plates | Fisher Scientific | 08-772-2C | |
BODIPY 493/503 | Fisher Scientific | D-3922 | |
C57BL/6J Mice | Jackson Laboratory | 000664 | |
Confocal Imaging Dish | VWR | 734-2905 | |
Confocal Microscope | Leica | TCS SPEII | |
Dissecting/stereo Microscope | Zeiss | 4107009123001000 | |
Dissection scissors | Fine Science Tools | 14060-09 | |
Dumont #5 forceps | Fine Science Tools | 11254-20 | |
Ethanol | Fisher Scientific | 033361.K2 | |
ImageJ | NIH | ||
Matlab | Mathworks | ||
Oil Red O Powder | Sigma Aldrich | O0625 | |
Plate reader | Bio-tek | Synergy II | |
Rocker/Shaker | Reliable Scientific | 55D | |
Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) | Sigma Aldrich | L3771 | 1% Solution can be stored at room temperature for 1 month |
Transfer pipettes | Fisher Scientific | 137119D | |
Vannas spring scissors | Fine Science Tools | 15000-00 |