本文介绍了一种从脐带血中分离前体B细胞亚群的实验方案。可从这些细胞中提取足量且高质量的核酸,并用于后续基于DNA或RNA的检测分析。
本文介绍了一种从脐带血中分离前体B细胞亚群的实验方案。可从这些细胞中提取足量且高质量的核酸,并用于后续基于DNA或RNA的检测分析。
脐带血中含有大量处于不同谱系分化阶段的造血祖细胞。我们已建立了一种分离前体B细胞的方法,可分离出分化过程中的四个不同阶段的前体B细胞。由于基因表达和表观遗传修饰具有组织特异性,因此区分不同组织和细胞类型对于识别可能导致疾病发生的基因组和表观基因组改变至关重要。该方法可适用于脐带血中任何分化阶段的各类细胞。
该方法包括四个主要步骤。首先,通过密度梯度离心法分离单个核细胞。其次,使用生物素偶联的抗体富集B细胞,这些抗体可识别并去除单个核细胞中的非B细胞。第三,用针对B细胞发育各个阶段特异性细胞表面蛋白的荧光标记抗体对B细胞进行荧光标记。最后,对荧光标记的细胞进行分选,并回收各个细胞亚群。所获得的细胞在数量和质量上均足以用于后续的核酸分析实验。
为了识别疾病中存在的异常,使用与疾病所影响的组织或细胞类型相对应的健康组织或细胞至关重要。原因之一在于,不同组织类型之间的表观遗传变异负责调控基因表达,并在正常人类发育过程中的细胞分化中起关键作用1,2。第二个原因是,异常的组织特异性基因调控可能对正常发育产生严重后果,并已被证实与多种疾病状态(包括癌症)的发生有关。因此,要更深入地理解涉及造血细胞的疾病,必须掌握健康造血细胞的相关知识。
骨髓中造血细胞的发育经历一系列系统性的事件,其特征是细胞表面标志物表达的变化3。针对成年受试者的研究表明,骨髓中通常仅含有少量前体B细胞4,5;而针对儿童受试者的研究显示,在5岁以下个体中,前体B细胞所占比例相对较高6。脐带血作为治疗血液系统疾病和恶性肿瘤的造血干细胞来源,可通过脐带血库便捷获取,且富含不成熟的B细胞和T细胞7,这些细胞正是包括白血病和淋巴瘤在内的多种疾病的靶细胞。
骨髓中的前体B细胞已被广泛进行表型分析8,9,可通过特定的细胞表面标志物进行定义,并利用这些标志物将细胞分选为不同的亚群。正常的B细胞分化过程在骨髓中经历一系列阶段,从最早的原B细胞开始,最终形成未成熟或初始B细胞。根据van Zelm等人的研究10,原B细胞的特征是表达CD34,而在向第2阶段(前B-I期)过渡时获得CD19的表达。第3阶段(前B-II期)细胞不再表达CD34,并开始表达胞质IgM。最后,第4阶段(未成熟B细胞)的一个标志性特征是表达表面IgM。本方案中描述的分选策略最初由Caldwell等人提出6,仅使用3种细胞表面标志物,显著降低了细胞分选实验的复杂性和成本。在他们的研究中,建立了CD45表达水平与B细胞分化阶段之间的关系。他们观察到骨髓中的B细胞对CD45的表达水平存在差异:高表达CD45的细胞对应于表达表面IgM的细胞(未成熟B细胞);中等水平表达CD45的细胞对应于表达胞质IgM的细胞(前B-II期细胞);低水平表达CD45的细胞则对应于不表达胞质IgM的细胞(前B-I期细胞)。本方案采用Caldwell等人开发的策略6,从脐带血中分离前体B细胞的不同亚群(图1),所获得的细胞可用于需要高质量核酸的下游实验,例如甲基化CpG岛回收分析(MIRA)11和定量实时PCR检测。该方法首先使用磁珠进行初步分离,去除脐带血中所有非B细胞,仅需使用3种抗体(CD34、CD19和CD45)进行染色。最终获得的细胞代表了B细胞分化的4个阶段:1)CD34+;CD19+(晚期原B细胞和早期前B-I期细胞);2)CD34-;CD19+;CD45low(晚期前B-I期细胞);3)CD34-;CD19+;CD45med(前B-II期细胞);4)CD34-;CD19+;CD45high(未成熟B细胞)。
1. 从脐带血中分离单个核细胞
| 试管 | 标签 | 用途 |
| 1 | 未染色 | 用于流式细胞术中归一化处理的未染色细胞 |
| 2 | 7AAD | 用于流式细胞术中确定细胞活力 |
| 3 | +++ | 包含将被分选的细胞 |
| 4 | 34+ | 用于收集 CD34+/CD19+(晚期原B-早期前B I)细胞 |
| 5 | 45low | 用于收集 CD34-/CD19+/CD45low(前B I)细胞 |
| 6 | 45med | 用于收集 CD34-/CD19+/CD45med(前B II)细胞 |
| 7 | 45high | 用于收集 CD34-/CD19+/ CD45high(未成熟B)细胞 |
用2% FBS包被4、5、6和7号管,并将所有管置于冰上。
2. 使用磁珠分选法从单个核细胞中改良分离B细胞
3. 抗体标记及细胞分选前准备
4. 使用 MoFlo XDP 流式细胞仪进行细胞分选
样本间的差异会影响细胞分选的成功率(表1)。成功率较高的样本中污染性碎片含量较低(图3A),而成功率较低的样本中污染性碎片含量较高(图3B)。若脐带血样本在采集后24小时内运送(优先选择隔夜送达),可在一定程度上控制样本间的差异。
通过流式分选获得的各个前体B细胞亚群的细胞数量充足且质量较高,可用于核酸提取。所提取的DNA质量高,可应用于后续分析。我们常规将此DNA用于MIRA11实验中以富集甲基化DNA(图4)。
| 脐带血库数据 | 分选效果差 | 分选效果好 |
| 含抗凝剂的工作血液体积(ml) | 110 | 104 |
| 白细胞 [103/μl] | 8.68 | 11.19 |
| 淋巴细胞 [103/μl] | 3.88 | 3.76 |
| 淋巴细胞百分比(%) | 44.70 | 33.6 |
| 红细胞 [106/μl] | 3.65 | 3.05 |
| 实验室内部数据 | ||
| Ficoll-Paque 分离后细胞数量 | 206 M | 309 M |
| MACS 分离后细胞数量 | 22 M | 16.5 M |
| 总事件计数(MoFlo XDP) | 30.57 M | 19.97 M |
| 细胞活力(%) | 98.00 | 98.00 |
| 位于淋巴细胞门内的细胞比例(%) | 17.00 | 50.00 |
| CD19+/CD34+ | ||
| 总细胞数 | 10959 | 48316 |
| 占总事件比例(%) | 0.04 | 0.24 |
| 分选效率 | 88% | 88% |
| CD19+/CD34-/CD45low | ||
| 总细胞数 | 16619 | 26941 |
| 占总事件比例(%) | 0.05 | 0.13 |
| 分选效率 | 89% | 87% |
| CD19+/CD34-/CD45med | ||
| 总细胞数 | 469745 | 507540 |
| 占总事件比例(%) | 1.54 | 2.54 |
| 分选效率 | 89% | 89% |
| CD19+/CD34-/CD45high | ||
| 总细胞数 | 1896062 | 2047142 |
| 占总事件比例(%) | 6.2 | 10.25 |
| 分选效率 | 91% | 90% |
表1. 代表性细胞分选统计结果。 第1-5行为脐血库提供的计数数据。其余行为本实验室收集的数据。差的分选样本中含有高水平的碎片以及淋巴细胞门内细胞比例较低。

图1. 实验流程图。 处理脐带血并使用Ficoll-Paque Plus分离单个核细胞。额外增加一步洗涤以去除污染的血小板。使用MACS人B细胞分离试剂盒(B-CLL)从单个核细胞中分离B细胞。该步骤利用生物素标记的单克隆抗体(CD2、CD4、CD11b、CD36、抗IgE和CD235a)去除所有非B细胞。回收的B细胞用CD19-APC、CD34-PE和CD45-FITC抗体标记,然后使用MoFlo XDP流式细胞仪分选,以获得前体B细胞亚群:CD19+/CD34+;CD19+/CD34-/CD45low;CD19+/CD34-/CD45med;以及CD19+/CD34-/CD45high。

图 2. 鉴定与分选细胞群体的设门策略。 红色箭头指示应用于后续图的设门。R4、R5、R6 和 R7 门表示被分选的细胞群体。a) 前向散射(FSC)与侧向散射(SSC)散点图,显示富集的淋巴细胞群体。R1:淋巴细胞门。b) 前向散射高度与宽度图,用于区分单细胞与双联体细胞。R2:单细胞门。c) CD19-APC阳性细胞分为CD34-PE阴性和阳性群体。R3:CD19+/CD34-门;R4:CD19+/CD34+门,表示目标分选群体。d) CD19+/CD34-细胞分为三个相对不同的CD45-FITC表达水平群体。R5 和 R6 分别代表 CD19+/CD34-/CD45low 和 CD19+/CD34-/CD45med 群体。R7:由于 CD19+/CD34-/CD45high 群体细胞数量较多,该分选门仅包含该群体的一部分。下游分析无需收集该群体的全部细胞。

图 3. a) 柱层析富集后杂质碎片水平较低。R1,淋巴细胞门。 b) 柱层析富集后杂质碎片水平较高。

图4. 从B细胞前体亚群中富集甲基化DNA。 a) 超声处理后从前体B细胞亚群中分离的DNA质量较高。文库构建时,DNA经超声处理至平均片段长度为200–600 bp。泳道1:Promega 100 bp DNA Marker(目录号#G2101);泳道2:从CD19+/CD34+细胞中提取的总DNA;泳道3:从CD19+细胞中提取的总DNA+/CD34-/CD45低 细胞;第4泳道:从CD19分离的100 ng DNA+/CD34-/CD45医学 细胞;第5泳道:从CD19分离的100 ng DNA+/CD34-/CD45高 细胞。使用Diagenode Bioruptor在高功率条件下对DNA进行超声处理,总时长为9分钟(开启30秒,关闭30秒)。DNA经柱纯化后,用含SYBR Green核酸染料的1%琼脂糖凝胶电泳检测。 b) 使用ActivMotif MethylCollector Ultra试剂盒进行MIRA后,通过SLC25A37(1-6)和APC1(7-12)的PCR检测以确认甲基化DNA的富集。&7:超声处理的基因组DNA(无MIRA);2&8: MIRA-CD19+/CD34+ DNA;3&9: MIRA-CD19+/CD34-/CD45低 DNA;4&10: MIRA-CD19+/CD34-/CD45医学 DNA;5&11: MIRA-CD19+/CD34-/CD45高 DNA;6&12:水对照。SLC25A37 的扩增倍数更高,证实前体B细胞亚群中甲基化DNA富集。
影响本方案成功与否的最关键因素是是否存在污染性杂质。若从脐带血库申请血液样本,应确保血液在采集后尽快运输。此外,被归类为淋巴细胞增多的样本含有较多的淋巴细胞;然而,这些样本中前体B细胞的数量不足,不应使用。为提高获得足够数量各前体亚群细胞的概率,我们建议起始脐带血量至少为85 ml。
需要注意的是,与成人外周血分离不同,在分离脐带血时,单个核细胞层常常被红细胞污染12。本方案包含一个额外的洗涤步骤,以去除污染的血小板。现有描述从脐带血中分离单个核细胞的方案常建议加入红细胞裂解步骤以去除不需要的红细胞。但我们不推荐此步骤,因为它会产生细胞碎片污染,并对细胞分选的成功率产生不利影响。
为了减少流式细胞术中需要区分的细胞数量,在细胞分选前必须进行B细胞富集。Miltenyi Biotec公司提供的B细胞分离试剂盒(B-CLL)配套方案已针对外周血优化,推荐每1000万个细胞使用10 μl B-CLL生物素标记抗体混合物。该步骤使用针对CD2(T细胞;NK细胞)、CD4(T细胞)、CD11b(粒细胞;单核细胞;巨噬细胞)、CD16(NK细胞;巨噬细胞;肥大细胞)、CD36(血小板)和CD235a(红系细胞)的抗体,以去除脐带血中的非B细胞。必须使用所述试剂盒,而非B细胞分离试剂盒II,因为前者含有针对原B细胞表面表达的CD43的抗体。在本方案优化过程中,我们发现总共使用40 μl B-CLL生物素标记抗体混合物足以获得良好的阳性细胞分选结果。此外,我们发现若B-CLL生物素标记抗体混合物用量仅增加5 μl,即会对细胞分选产生不利影响。因此,我们强烈推荐在单个核细胞总数为1.75亿至2.5亿时使用40 μl B-CLL生物素标记抗体混合物。若起始细胞数量较低或较高,可能需要相应调整试剂用量。
关于可用于区分B细胞亚群的标志物,目前存在大量相互矛盾的文献报道。这些差异大多可归因于一个事实:B细胞分化是一个持续进行的过程,细胞表面标志物的出现或消失是以渐进方式发生的,而非全或无的方式。在本实验方案中,采用CD34-/CD19+以及CD45+表达强度(低、中、高)来区分pre-BI、pre-BII和未成熟B细胞,其中CD45表达水平的升高对应于分化进程的推进6。某些研究将原B细胞(pro-B细胞)定义为CD19+/CD34+ 13,而另一些研究则表明原B细胞为CD19-/CD34+,而pre-BI细胞为CD19+/CD34+ 9,10。鉴于这些不一致,我们将CD19+/CD34+细胞定义为晚期原B细胞/早期pre-BI细胞。需要强调的是,该分选策略的建立旨在分离与急性淋巴细胞白血病相关病变细胞相对应的前体B细胞亚群。然而,具体采用何种分选策略,仍可根据研究关注的细胞亚型而灵活调整。
应根据可用分选细胞仪的性能来选择抗体-荧光染料组合。一般原则是:在您的检测组合中,最明亮的荧光染料应标记表达抗原最少的细胞群体,反之亦然。在检测双染色群体时,尤其是此类稀有事件,双联体区分(图2B)是设门策略中至关重要的环节。这可确保双阳性事件确实是单个细胞同时被两种抗体染色,而非两个单独染色的细胞相互黏附所致。
高速四路细胞分选必然会产生受控的气溶胶环境,因此活的人类细胞分选必须谨慎进行。已有发表的安全性和去污染指南可供参考,应在分选前查阅并实施14。分选前可能需要获得机构生物安全委员会或其等效机构的批准。分选完成后,应在废液容器中加入漂白剂,使其终浓度达到10%。同样,所有样品管路以及分选区域内的所有表面均应使用新鲜配制的10%漂白剂溶液彻底去污染。
总之,本方案提供了一种获取前体B细胞稀有群体的策略,也可经修改用于分离脐带血中其他稀有细胞群体,包括造血干细胞和未成熟T细胞。最近,已在晚期HIV感染个体的外周血中发现未成熟B细胞15。因此,该方法的应用范围不仅限于血液系统肿瘤的研究。最后,我们尚未对流式分选的细胞进行RNA提取;然而,该方法应可适用于RNA分析,但需注意在细胞分选过程中,应将细胞直接分选至Trizol或Qiagen公司RNeasy试剂盒中的RLT等适用于RNA保存的溶液中。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由美国国立卫生研究院(NCI R00 CA132784)资助,授予 K.T.。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| DPBS (1X) | Gibco by Life Technologies | 14190-144 | |
| Ficoll-Paque PLUS | GE Healthcare Bio-Sciences AB | 17-1440-03 | |
| LS 柱 | MACS Miltenyi Biotec | 130-042-401 | |
| MACS 多功能支架 | MACS Miltenyi Biotec | 130-042-303 | |
| MidiMACS 分离器 | MACS Miltenyi Biotec | 130-042-302 | |
| B 细胞分离试剂盒(B CLL) | MACS Miltenyi Biotec | 130-093-660 | |
| 胎牛血清 | ATLANTA Biologicals | S11195 | |
| 微量离心管(1.5 ml) | MIDSCI | SS1500 | |
| BD Pharmingen 7-AAD(7-氨基放线菌素 D) | BD Biosciences | 559763 | |
| BD Pharmingen APC 小鼠抗人 CD19 | BD Biosciences | 555415 | |
| BD Pharmingen PE 小鼠抗人 CD34 | BD Biosciences | 560941 | |
| CD45 FITC | BD Biosciences | 347463 | |
| autoMACS 冲洗液 | MACS Miltenyi Biotec | 130-091-222 | |
| MACS BSA 储存液 | MACS Miltenyi Biotec | 130-091-376 | |
| BD Falcon 5 ml 聚苯乙烯圆底管 | BD Biosciences | 352058 | |
| BD Falcon 50 ml 管 | BD Biosciences | 352098 | |
| PuraFlow 鞘液,8X | Beckman Coulter | CY30230 | |
| FlowCheck 校准微珠 | Beckman Coulter | 6605359 | |
| Ultra Rainbow 校准微珠 | Spherotech | URFP-30-2 | |
| ViroSafe 气溶胶抽滤滤器 | Beckman Coulter | ML01330 | |
| ABC 小鼠磁珠试剂盒 | Invitrogen | A-10344 | |
| 40 μm 细胞筛 | Fisher Scientific | 22363547 | |
| Fisher Scientific 血细胞计数板 | Fisher Scientific | 267110 | |
| 显微镜 | |||
| accuSpin Model 3R 台式离心机 | Fisher Scientific | 13-100-516 | |
| MoFlo XDP 流式细胞仪 | Beckman Coulter | ML99030 | |
| 气溶胶抽滤装置 | Beckman Coulter |