El objetivo de este protocolo es utilizar imágenes en vivo para visualizar los efectos del daño oxidativo en la localización y dinámica de las estructuras subcelulares en los ovarios de Drosophila.
Las imágenes en vivo de los ovarios Drosophila melanogaster han sido fundamentales para comprender una variedad de procesos celulares básicos durante el desarrollo, incluyendo el movimiento de partículas ribonucleoprotein, localización de ARNM, movimiento de orgánulo y dinámica citoesquelético. Hay varios métodos para la toma de imágenes en vivo que se han desarrollado. Debido al hecho de que cada método consiste en diseccionar los ovarioles individuales colocados en medios o aceite de halocarbono, el daño celular debido a la hipoxia y/o manipulación física inevitablemente ocurrirá con el tiempo. Un efecto aguas abajo de la hipoxia es aumentar el daño oxidativo en las células. El propósito de este protocolo es utilizar imágenes en vivo para visualizar los efectos del daño oxidativo en la localización y dinámica de las estructuras subcelulares en los ovarios de Drosophila después de la inducción de daño celular controlado. Aquí, utilizamos peróxido de hidrógeno para inducir daño oxidativo celular y dar ejemplos de los efectos de tal daño en dos estructuras subcelulares, mitocondrias y partículas clu bliss. Sin embargo, este método es aplicable a cualquier estructura subcelular. Las limitaciones son que el peróxido de hidrógeno sólo se puede añadir a los medios acuosos y no funcionaría para imágenes que utilizan aceite de halocarbono. Las ventajas son que el peróxido de hidrógeno está disponible y barato, actúa rápidamente, sus concentraciones se pueden modular, y el daño oxidativo es una buena aproximación del daño causado por la hipoxia, así como el daño general del tejido debido a la manipulación.
Múltiples factores de estrés celular diferentes pueden surgir durante el cultivo experimental y la manipulación de los tejidos ex vivo, incluyendo choque de calor, estrés oxidativo, estrés osmótico, estrés nutricional, y condiciones de toxicidad. La imagen en vivo es una poderosa herramienta utilizada para visualizar los cambios en tiempo real en los tejidos ex vivo después del tratamiento experimental y la manipulación. Las disecciones y manipulación de tejidos finos toman práctica, y la cantidad de tiempo desde la disección hasta la toma de imágenes puede variar dependiendo de la experiencia. La razón para desarrollar este método se basa en la preocupación de que la preparación de tejido para imágenes en vivo puede causar estrés celular durante la disección y la preparación por imágenes. Esto podría ser particularmente problemático para los procesos sensibles a los cambios en el metabolismo celular y los niveles de oxígeno disponibles, como la función mitocondrial. Si bien tener una muestra paralela de tipo salvaje es un control importante, todavía existe la posibilidad de que algunos o todos los cambios observados en las estructuras subcelulares podrían deberse al daño o al estrés celular por disección y no reflejan la fisiología normal o el tratamiento o mutación que se está estudiando.
Para abordar este problema potencial, utilizamos la adición de peróxido de hidrógeno durante las imágenes en vivo con el fin de inducir daño oxidativo celular1. El propósito de este método es inducir daño a los tejidos con el fin de monitorear el efecto en las estructuras subcelulares. Este protocolo es útil para dos propósitos: 1) determinar si los cambios en la localización subcelular de la estructura de interés se deben al estrés causado por la disección inexperta y 2) una vez que el investigador confía en las técnicas de disección descritas para monitorear el efecto del estrés controlado en la estructura de interés. Aquí mostramos dos ejemplos de cómo el aumento del daño oxidativo causa cambios en dos estructuras subcelulares, mitocondrias y partículas Clu bliss. Para ello, utilizamos el ovario de Drosophila, que es un modelo común para los estudios de imágenes en vivo. El primer ejemplo examina la localización mitocondrial. En nuestra experiencia, la localización mitocondrial normal en las células germinales femeninas es altamente sensible a las perturbaciones y puede actuar como un presagio del estrés celular. Las mitocondrias en las células germinales femeninas de Drosophila normalmente se dispersan uniformemente a lo largo del citoplasma2. La adición de peróxido de hidrógeno hace que los orgánulos se deslocalicen rápidamente y se agrupe de manera similar a varias mutaciones3,4,5. El segundo ejemplo son las partículas bliss formadas por Clueless (Clu). Clu es una ribonucleoproteína que se difunde a lo largo del citoplasma; sin embargo, también forma partículas asociadas a mitocondrias en condiciones celulares óptimas5. Debido a que la presencia de partículas Clu depende de condiciones celulares saludables, las hemos llamado partículas “bliss”3,5,6. La adición de peróxido de hidrógeno hace que estas partículas se dispersen rápidamente y se vuelvan homogéneas en el citoplasma5. En el transcurso de nuestros estudios, hemos observado cambios en la localización de ambas estructuras subcelulares, pero sólo después de realizar estudios de imágenes en vivo podríamos apreciar plenamente el efecto del estrés celular y el daño oxidativo en la localización y dinámica de las mitocondrias y partículas bliss.
La utilidad de este protocolo como una adición a métodos ya establecidos o alternativos depende de varios factores. En primer lugar, el protocolo de imágenes debe ser apto para la adición de fármacos. Si la muestra se monta bajo un cubrecoches y en aceite de halocarbono, este método no sería posible7. H2O2 adición causa un rápido aumento en el daño oxidativo, por lo tanto, este escala de tiempo puede no ser apropiado. El daño oxidativo puede considerarse como un proxy para la hipoxia; sin embargo, puede ser demasiado duro o demasiado generalizado para funcionar como un control adecuado para el daño de ciertos componentes subcelulares. Por último, para los experimentos de imágenes que duran horas, como los que siguen un proceso de desarrollo, la adición de H2O2 puede ser demasiado fuerte (porejemplo, 8). Probar una curva de concentración puede superar esta limitación.
Este protocolo podría ser una adición útil como control de artefactos debido a la disección de ovarios y la incubación de tejidos para cualquier experimento de imágenes en vivo. Los pasos críticos son similares a los que se encuentran para otros protocolos de imágenes en vivo. Aprender a diseccionar ovarios drosophila enteros toma práctica; sin embargo, esta habilidad generalmente se puede aprender bastante rápido con las herramientas de disección adecuadas. Más difícil de dominar es extirpar el músculo envolviendo los ovarios y cadaovariole 13. Esto debe hacerse para asegurar que las contracciones musculares no interfieran con la adquisición de imágenes. Si el uso de agujas de tungsteno afilado para ello no resulta exitoso, el germarium en la punta del ovariole se puede agarrar con fórceps y el ovariole extraído de la vaa de músculo. Sin embargo, esta técnica es problemática si se van a examinar las primeras etapas de desarrollo porque pueden dañarse. Otro paso clave es no desalojar los ovarioles que descansan en la parte inferior del plato al añadir H2O2. Un aspecto adicional importante es compartido por todas las imágenes en vivo: el investigador debe asegurarse de que la estructura de interés esté fluorescentemente bien etiquetada antes del tratamiento. Los platos utilizados aquí(Tabla de Materiales)se utilizan comúnmente para imágenes en vivo; sin embargo, cualquier plato o tobogán con un tubo de cubierta de vidrio en la parte inferior o incluso un gran tubo de cubierta de vidrio debe funcionar siempre y cuando la caída de los medios pueda ser cubierta para evitar la evaporación de los medios. Si bien utilizamos un microscopio en particular, cualquier microscopio invertido con un objetivo de ampliación suficiente para ver la estructura subcelular en cuestión y una cámara conectada que tenga suficiente resolución y velocidad de captura de imágenes debe funcionar.
Mientras que nuestro laboratorio está principalmente interesado en la función mitocondrial, este método podría ser útil examinando la dinámica y localización de cualquier estructura subcelular u orgánulo, como el núcleo, citoesqueleto o reticulum endoplasmático. Sin embargo, este método tiene limitaciones. Con el fin de añadir peróxido de hidrógeno, el tejido debe estar en un medio acuoso. Un método alternativo para la toma de imágenes en vivo es utilizar aceite de halocarbono, que ha sido fundamental para describir muchos procesos importantes en Drosophila ovarioles incluyendo el primer ejemplo de movimiento dinámico de GFP en un organismo modelo7,14. Además, la adición de peróxido de hidrógeno a los medios de comunicación causa daño oxidativo de propagación amplia que puede ser un insulto demasiado general al tejido para ser informativo para el proceso celular de interés, particularmente para experimentos más largos que examinan el desarrollo. Aunque puede que no sea factible realizar experimentos que requieran visualizar la célula durante largos períodos de tiempo debido a este daño oxidativo rápido, extenso y probablemente irreversible, hemos visto que el tratamiento agudo de peróxido de hidrógeno que hemos descrito es aplicable a la mayoría de las etapas de la ogénesis, ya que somos capaces de ver los mismos efectos en la mayoría de las etapas dentro del período de tiempo de diagnóstico por imágenes. Dado el bajo costo y la facilidad del protocolo, puede ser un control útil para los daños y se puede utilizar como tratamiento antes de la fijación y el etiquetado de anticuerpos también.
En nuestras manos, el tratamiento H2O2 imita los cambios en la mislocalización mitocondrial y la dispersión de partículas Clu bliss que vemos en varios mutantes de Drosophila. También imita los resultados que vemos para los nuevos investigadores en las técnicas de disección de aprendizaje de laboratorio. Por lo tanto, este método reveló claramente que la preparación de la muestra y el estrés celular general pueden conducir a cambios inesperados y previamente inexplicables en la mislocalización mitocondrial y la presencia de partículas bliss. Al avanzar en esta técnica, las concentraciones de peróxido de hidrógeno podrían modularse utilizando una concentración mayor o menor. Si se observa un efecto celular usando una concentración más baja, es posible que el fenotipo de estrés pueda ser reversible reemplazando el medio por el de Complete Schneider. Diferentes factores estresantes celulares como la hidración de clorofenilo de cianuro de carbonilo (CCCP), arsenita o choque térmico simple podrían resultar útiles para el estrés celular general para otras estructuras subcelulares. Dado que las imágenes en vivo de los tejidos ex vivo requieren manipulación e incubación manual en diferentes medios, este control debe ser una adición útil para asegurar que cualquier observación esté lo más cerca posible de la fisiología normal.
The authors have nothing to disclose.
Nos gustaría agradecer al Dr. Jeremy Smyth por el apoyo a las imágenes y a Ann C. Shenk por ilustraciones, producción y videografía. Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (1R01GM127938 a R.T.C.).
Active dry yeast | Red Star® | ||
CO2 gas | 99.9% purity | ||
CO2 pad | |||
Dissecting microscope, Nikon SMZ645 model | Nikon | ||
Dissecting needles – PrecisionGlide needles | BD | 305165 | B-D 21G1 size |
Dissecting needles – PrecisionGlide syringes | BD | 309657 | Luer-Lok tip, 3 mL size |
Dissecting needles – tungsten wire | Electron Microscopy Sciences | 73800 | |
Dumont #5 forceps (2 pairs) | Fine Science Tools | 11251-10 | |
NI-150 High Intensity Illuminator | Nikon Instruments Inc. | ||
Gibco Fetal Bovine Serum, Heat Inactivated | Fisher Scientific | 10082-147 | |
Gibco Schneider's Drosophila Media | Sigma-Aldrich | 21720-024 | |
Hydrogen peroxide solution, 30% (w/w) in H2O | Sigma-Aldrich | H1009 | |
Insulin from bovine pancreas | Sigma-Aldrich | I6634 | |
Spinning disk microscope | Nikon | Equivalent scopes may also be used | |
Lonza BioWhittaker Antibiotics: Penicillin-Streptomycin mixtures | Fisher Scientific | 17-602E | |
MatTek Corporation Glass Bottom Dishes, 35 mm | Fisher Scientific | NC9344527 | |
Micropipettes and tips of appropiate size | Eppendorf | ||
Microcentrifuge tubes, 1.7 mL | VWR | 87003-294 | |
Tetramethylrhodamine, Ethyl Ester, Perchlorate (TMRE) | AnaSpec | AS-88061 | |
w[1118] | Bloomington Drosophila Stock Center | 5905 | Wild-type flies |
y w; clu[CA06604] | Available upon request. | Clu::GFP trap flies |