Imaging subcellulare della manipolazione neuronale del calcio in vivo

Gli ioni calcio (Ca²⁺) sono vettori altamente versatili di informazioni in molti tipi di cellule. Nei neuroni, Ca²⁺ è responsabile del rilascio dipendente dall’attività dei neurotrasmettitori, della regolazione della motilità citoscheletrica, della messa a punto dei processi metabolici, nonché di molti altri meccanismi necessari per il corretto mantenimento e funzione neuronale ^1,2. Per garantire un’efficace segnalazione intracellulare, i neuroni devono mantenere bassi i livelli basali di Ca²⁺ nel loro citoplasma³. Ciò è ottenuto da meccanismi di manipolazione cooperativa di Ca 2+, incluso l’assorbimento di Ca²⁺ in organelli come il reticolo endoplasmatico (ER) e i mitocondri. Questi processi, oltre alla disposizione dei canali ionici permeabili al Ca 2+ nella membrana plasmatica, determinano livelli eterogenei di Ca²⁺ citoplasmatico in tutto il neurone.

L’eterogeneità di Ca 2+ durante il riposo e l’attivazione neuronale consente la regolazione diversificata e specifica della posizione dei meccanismi dipendenti da Ca^{2+ 1}. Un esempio degli effetti specifici della concentrazione di Ca 2+ è il rilascio di Ca²⁺ dall’ER attraverso i recettori dell’inositolo 1,4,5-trisfosfato (InsP₃). Bassi livelli di Ca²⁺ in combinazione con InsP₃ sono necessari per l’apertura del poro permeabile al calcio del recettore. In alternativa, alti livelli di Ca²⁺ inibiscono direttamente e indirettamente il recettore⁴. L’importanza dell’omeostasi del Ca 2+ per la corretta funzione neuronale è supportata da prove che suggeriscono che la manipolazione e la segnalazione intracellulare di Ca²⁺ è un passo iniziale nella patogenesi dei disturbi neurodegenerativi e dell’invecchiamento naturale ^5,6. In particolare, l’assorbimento e il rilascio anormali di Ca²⁺ da parte dell’ER e dei mitocondri sono legati all’insorgenza di disfunzioni neuronali nella malattia di Alzheimer, nel morbo di Parkinson e nella malattia di Huntington ^6,7.

Lo studio della disomeostasi di Ca 2+ durante l’invecchiamento naturale o la neurodegenerazione richiede l’osservazione longitudinale dei livelli di Ca²⁺ con risoluzione subcellulare in un organismo vivente e intatto in cui viene mantenuta l’architettura cellulare nativa (cioè la disposizione delle sinapsi e la distribuzione dei canali ionici). A tal fine, questo protocollo fornisce indicazioni sull’uso di due sensori Ca 2+ codificati geneticamente disponibili per la registrazione delle dinamiche Ca²⁺ in vivo con elevata risoluzione spaziale e temporale. I risultati rappresentativi acquisiti utilizzando il metodo descritto in C. elegans dimostrano come l’espressione di indicatori di Ca 2+ nel citoplasma o nella matrice mitocondriale di singoli neuroni possa consentire la rapida acquisizione di immagini fluorescenti (fino a 50 Hz) che illustrano la dinamica di Ca 2+ con la capacità aggiuntiva di discernere i livelli di Ca ²⁺ all’interno di singole strutture simili a spine e singoli mitocondri.