Questo protocollo descrive un modello di criolesione per indurre un danno profondo di diversi miomeri caudali nei pesci zebra adulti. Questo metodo fornisce un nuovo approccio per studiare la rigenerazione del muscolo scheletrico dopo una grave perdita di tessuto in vertebrati non mammiferi.
Il muscolo scheletrico subisce il rinnovamento e il ripristino dopo lesioni minori attraverso l’attivazione di cellule staminali simili a satelliti. Gravi lesioni della muscolatura spesso portano alla fibrosi negli esseri umani. Rispetto ai mammiferi, i pesci zebra possiedono una maggiore capacità innata di rigenerazione degli organi, fornendo un potente modello per studiare il ripristino dei tessuti dopo un esteso danno all’organo. Qui, viene descritto un modello di criolesione per indurre danni profondi a quattro miomeri del peduncolo caudale nel pesce zebra adulto. Una criosonda su misura è stata progettata per adattarsi alla forma del corpo e ferire in modo riproducibile la muscolatura laterale dalla pelle alla linea mediana. È importante sottolineare che l’integrità del corpo è rimasta intatta e i pesci hanno continuato la loro attività di nuoto. Le modifiche al muscolo scheletrico sono state valutate mediante colorazione istologica e colorazione a fluorescenza delle proteine sarcomeriche su sezioni di tessuto. Questo metodo aprirà nuove strade di ricerca volte a comprendere come la degenerazione del muscolo scheletrico induca risposte riparative e, quindi, la riattivazione del programma miogenico nel pesce zebra adulto.
Nei vertebrati, le parti danneggiate di vari tessuti subiscono il rinnovamento omeostatico e il restauro durante la durata della vita. Questa capacità di rinnovamento e ripristino dipende tipicamente dalla presenza di cellule staminali competenti o dalla capacità proliferativa delle cellule mature 1,2. Il muscolo scheletrico comprende miofibre post-mitotiche, che sono associate a cellule staminali locali, chiamate cellule satelliti 3,4,5,6. Pertanto, questo tessuto contiene fonti cellulari per la sigillatura efficiente di aree di continuità interrotta o per la riparazione di ferite minori. Tuttavia, maggiori perdite volumetriche nel muscolo scheletrico dei mammiferi sono spesso seguite da riparazioni non rigenerative, come la fibrosi7. I modelli animali potrebbero fornire nuove informazioni sui meccanismi biologici che promuovono la rigenerazione di organi ampiamente danneggiati.
Il pesce zebra è un organismo modello ben consolidato con un’elevata capacità rigenerativa. Il pesce zebra adulto può rigenerare una parte amputata della pinna caudale o l’apice resecato del ventricolo cardiaco 8,9,10,11. Inoltre, un metodo di criolesione è stato precedentemente applicato per studiare la rigenerazione delle pinne e del cuore nel pesce zebra12,13,14,15. Nel caso degli organi interni, il metodo della criolesione ha il vantaggio di indurre la morte cellulare senza interrompere l’integrità dell’organo, imitando così le condizioni fisiologiche16,17. I detriti tissutali vengono disintegrati dalla clearance naturale durante la guarigione delle ferite, seguita dai processi riparativi. Tuttavia, resta da stabilire se questo metodo possa essere applicato al muscolo scheletrico.
Nei pesci, la muscolatura laterale consente la flessione laterale del tronco durante il nuoto18. I muscoli scheletrici sono organizzati in unità metameriche, chiamate miomeri, che sono separate dal tessuto connettivo 5,19. I pesci zebra possono rigenerare il loro muscolo dopo piccole interruzioni tissutali, come quelle causate dall’ablazione laser o da una ferita da taglio 20,21,22,23,24, ma non è noto se i miomeri interi possano rigenerarsi dopo lesioni estese. Questa lacuna nella conoscenza è probabilmente dovuta alla mancanza di un modello di lesione adatto. Questo protocollo stabilisce un nuovo approccio per indurre lesioni estese del muscolo scheletrico, che abbracciano più miomeri. Il metodo di criolesione descritto si basa sul rapido congelamento e scongelamento delle miofibre con uno strumento in acciaio inossidabile preraffreddato. Nonostante gli ingenti danni, il benessere del pesce non è stato gravemente compromesso. Interi miomeri potrebbero essere ripristinati e, quindi, questo lavoro fornisce un nuovo sistema modello per studiare i meccanismi di rigenerazione della muscolatura nei pesci zebra adulti.
Il pesce zebra fornisce un organismo modello di vertebrato anamniote per studiare i meccanismi di rigenerazione muscolare. La maggior parte dei metodi di lesione esistenti, come l’ablazione laser o la ferita da arma da taglio, provocano una rottura tissutale relativamente minore20,21,22,23. Le resezioni maggiori sono state condotte sul muscolo extraoculare26. Tuttavia, questo approccio chirurgico sarebbe probabilmente meno appropriato per la muscolatura laterale a causa dei rischi per la salute del taglio della parete del corpo. Per evitare tali procedure invasive, questo protocollo descrive una forma più lieve di lesione che, tuttavia, provoca un profondo danno al peduncolo caudale. Questo approccio si basa su una manipolazione superficiale che consente di mirare in modo molto preciso alcuni miomeri su un lato del corpo. I punti di forza del modello di criolesione risiedono nella sua riproducibilità e capacità di produrre un’estesa degenerazione muscolare; Sulla base di questi punti di forza, questo modello fornisce un nuovo percorso per studiare come il corpo reagisce a una significativa perdita muscolare.
L’applicazione del freddo estremo porta a uno shock termico, che distrugge la membrana plasmatica e gli organelli nel tessuto muscolare interessato27. Di conseguenza, le miofibre danneggiate subiscono una morte cellulare “accidentale”28. Di conseguenza, il tessuto danneggiato può essere riassorbito da meccanismi naturali di rimozione della ferita. Il pesce zebra tollera bene la procedura di criolesione, poiché il tasso di sopravvivenza in questo studio era quasi del 100%, dato che la sonda preraffreddata era posizionata correttamente sul corpo per la durata esatta. Tuttavia, se la ferita è troppo estesa (ad esempio, se viene applicata troppa pressione o la durata della criolesione è troppo lunga), il pesce può mostrare movimenti aberranti di nuoto poco dopo la procedura e l’animale dovrebbe essere eutanasia come endpoint umano. Per altre specie ittiche, il tempo di esposizione alla criosonda deve essere regolato in base alle dimensioni del corpo.
Dopo la criolesione, il pesce può riprendere la sua attività di nuoto senza alcun sintomo di movimento anormale. Tuttavia, i pesci crioferiti nuotano meno dinamicamente dei pesci di controllo, il che indica alcune lievi menomazioni. Sarà necessaria un’ulteriore quantificazione del comportamento dei pesci in diversi punti temporali dopo la criolesione per determinare i cambiamenti temporali nelle prestazioni di nuoto.
L’effetto del metodo di criolesione su altri tessuti non muscolari del peduncolo caudale rimane da chiarire. Ovviamente, lo strato corporeo più esterno (cioè la pelle) è danneggiato dalla procedura. In questo contesto, il metodo della criolesione può fornire una nuova strategia per studiare la guarigione delle ferite, la rigenerazione delle incrostazioni e il ripristino del modello di pigmentazione. Inoltre, anche la vascolarizzazione e l’innervazione dei miomeri potrebbero essere influenzate dalla criolesione, e questi argomenti richiedono ulteriori indagini.
Il modello di criolesione è stato precedentemente utilizzato per studiare la rigenerazione del cuore del pesce zebra13,14,15,29. Questo metodo ha mostrato alcuni vantaggi rispetto al metodo di resezione ventricolare10 a causa della deposizione transitoria di una cicatrice ricca di collagene, che imita meglio la risposta di guarigione dell’infarto nell’uomo30. Sorprendentemente, il pesce zebra può rigenerare il loro cuore dopo più criolesioni31. È interessante notare che la criolesione è stata applicata anche alla pinna zebrafish, con conseguenti processi istolitici12. A differenza della classica amputazione delle pinne, il moncone criolesionato rimanente contiene un margine distorto con una miscela di materiale morto e cellule sane. Studi con entrambi gli organi zebrafish, il cuore e la pinna, hanno rivelato la potente capacità del pesce zebra di ripristinare i loro componenti funzionali originali anche dopo un esteso danno tissutale. Se il muscolo scheletrico criolesionato attiva un’interazione tra processi riparativi e rigenerativi giustifica studi futuri.
The authors have nothing to disclose.
Ringraziamo V. Zimmermann per la cura dei pesci, così come il Dr. Thomas Bise, la Dr. Catherine Pfefferli e Lea Gigon per l’avvio di questo progetto e i loro risultati preliminari. Questo lavoro è stato sostenuto dal Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica, numero di sovvenzione 310030_208170.
Program | |||
ImageJ | National Institutes of Health (NIH) | ||
Photoshop Version 23.5.3 | Adobe | ||
Material/ Equipment | |||
35/10 mm Petri Dish | Greiner Bio-one | Item No.: 627102 | |
Camera | Sony | / | HDR-PJ410 |
Cryostat | Histcom | HRA C50 | |
Formaldehyde ~36% | Sigma-Aldrich | 47630 | |
Macro 50 mm f/2.8 EX DG lens | Sigma | / | Discontinued lense |
Peel-A-Way Embedding Truncated Molds T8 | Polyscience, Inc. | 18985 | |
Slides Superfrost Plus | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
Sponge | any | any | flat sponge, c.a. 7cm x 3 cm x 1 cm |
Stainless steel cryoprobe | Custom-made | / | specifics in the article |
Sucrose | Sigma-Aldrich | 84100 | |
Surgical scissors | Any | / | |
TCS SP2 | Leica | / | Discontinoued product |
Tissue-Tek O.C.T. compound | Sakura Finetek | 4583 | |
Tricaine (Anestethic) | Sigma | E10521 | |
Dyes and Antibodies | |||
Dapi | Sigma | 10236276001 | Concentration: 1/2000 |
Phalloidin-Atto-565 (F-actin) | Sigma | 94072 | Concentration: 1 / 500 |
Tropomyosin (TPM1) | DHSB | CH1 | Concentration: 1 / 50 |
Recipies/Solutions | |||
1x PBS | 123 mM NaCl | Sigma | |
2.7 mM KCl | Sigma | ||
10 mM Na2HPO4 | Sigma | ||
1.8 mM KH2PO4 | Sigma | ||
AFOG solution | 3 g Fuchsin | Fisher Scientific | |
2 g Orange G | Sigma | ||
1 g Anilin blue | Fulka AG | ||
200 ml acifidied distilled H2O (pH 1.1) |