我们提供了一种用于神经细胞类型表面抗原和/或细胞内抗原流式细胞术分析的实验方案的详细描述。文中阐述了实验设计的关键要点、逐步的操作方法以及流式细胞术的基本原理,旨在帮助神经生物学家充分利用这一强大技术。
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我们提供了一种用于神经细胞类型表面抗原和/或细胞内抗原流式细胞术分析的实验方案的详细描述。文中阐述了实验设计的关键要点、逐步的操作方法以及流式细胞术的基本原理,旨在帮助神经生物学家充分利用这一强大技术。
流式细胞术已广泛应用于免疫学、血液学和肿瘤学中细胞群体的定义。本文详细描述了用于神经细胞类型中分化簇(CD)表面抗原及细胞内抗原流式细胞分析的实验方案。我们对方法步骤的逐步说明包括:神经细胞的收集 体外 培养物,可选的羧基荧光素琥珀酰亚胺酯(CFSE)标记步骤,随后使用偶联CD抗体进行表面抗原染色(例如, CD24、CD54)以及通过一抗/二抗或荧光标记的Fab片段(Zenon标记法)进行后续的胞内抗原检测。视频展示了其中最关键的实验步骤。此外,本文简要介绍了实验设计的基本原则、关键对照的设置以及流式细胞术分析的基础知识(包括目标细胞群的识别与碎片排除、设门策略、光谱重叠的补偿),旨在帮助神经生物学领域中对流式细胞术缺乏前期知识或专门训练的研究人员评估该技术的适用性,并更充分地利用这一强大方法。
流式细胞术已在免疫学、血液学和肿瘤学中得到广泛应用,通过细胞固有的散射特性、细胞表面抗原表达以及其他荧光参数来定义细胞群体1-3。我们对血液谱系发育及疾病的认识在很大程度上得益于该方法自首次应用以来的持续优化4,5。近年来,随着对流式细胞术定量能力及整体分析潜力的认识不断提高,其在干细胞研究中的应用日益广泛,有望在更短时间内推动产生同样深远的进展6。然而,将流式细胞术专门用于分析和分离神经细胞群体长期以来被认为具有挑战性。与天然处于悬浮状态的造血细胞不同,神经细胞通常来源于极为复杂的组织,其中可能包含胶质细胞及多种其他周围细胞,以及由具有突起的神经元构成的复杂网络。因此,神经生物学尚未在日常研究实践中充分发挥流式细胞术的多功能性。然而,只要能够制备出可行的单细胞悬液(已有针对此目的设计并优化的实验方案7),流式细胞术和荧光激活细胞分选(FACS)即可被视为神经生物学分析工具库中的重要组成部分8-11。

图1. 流式细胞术分析原理及流式细胞仪的组成部件 流式细胞仪包含三个主要系统:流体系统、光学系统和电子系统。悬浮液中的细胞以层流形式流动(样品来源于原代组织或 体外 通过鞘液的流体动力学聚焦作用,样品被限制在其中心核心区域。光学部件由激光器和光学滤光片组成,激光器用于照射细胞流,光学滤光片则将信号引导至相应的检测器。所检测到的光信号被转换为电子信号,随后由计算机处理,并在显示器上呈现,用于数据分析和设门。 请点击此处以查看此图的放大版本。
使用流式细胞术方法的研究人员至少应具备一些基本理论知识,包括了解流式细胞仪的构成组件(综述见12,13;另请参见 图1)。一束激光与包含悬浮细胞的流体射流在流体动力学聚焦下相交,细胞依次以“单列”形式通过激光束。当细胞(或其他任何颗粒)穿过激光时,会在检测点产生光散射。散射光可在激光传播方向的前方(前向散射,反映颗粒大小)以及与其方向垂直的方向(侧向散射,反映颗粒/细胞的颗粒度)被检测到。上述散射特性无需特定标记即可检测,因此未标记的样本(或细胞碎片、气泡等) 等等。)将在常用的双变量前向散射与侧向散射图(用于初始设门)上产生信号(事件)。通过使用针对相应激发和发射光谱的特定激光器和滤光片,可分析细胞对荧光标记物的阳性表达、强度水平或阴性情况。大多数流式细胞术应用主要集中于通过细胞表面抗原进行细胞表征。与造血细胞谱系不同,神经谱系在表面表位表达模式方面的界定仍相对有限。5利用表面抗原的一个优势在于,活细胞可直接用于细胞分选策略,例如流式细胞分选(FACS)。相比之下,细胞内抗原染色需要经过固定和透化步骤以实现表位与抗体的结合,从而无法保留细胞活性,限制了后续依赖活细胞的实验应用。值得注意的是,此类方法仍可兼容多种定量检测分析。14 以及用于RNA和蛋白质表达的下游分析15血液学、免疫学和肿瘤学通常联合使用十余种标志物来定义特定亚群16此外,质谱流式细胞术(CyTOF)目前可用于同时分析多达30个参数17,18.
用于神经干细胞应用以及原代培养14,19,20 细胞的异质性 体外 是一种常见现象21-23不代表目标感兴趣细胞群体的细胞是实验读数中一个潜在的混杂因素24,25方便的是,异质性细胞悬液中存在的不同细胞亚群具有独特(已知或尚待解析)的抗原表达谱,可利用这些特征来界定各种细胞群体。因此,流式细胞术在解析细胞异质性方面可发挥关键作用,从而促进生物医学应用体外 检测、细胞治疗)并通过关注最相关的子集来优化定量读出24,26近年来已鉴定出多种表面抗原组合,可用于定量和分离特定的神经细胞类型,其中包括使用CD133富集神经干细胞27CD15/CD24/CD29表面抗原组合用于分离神经干细胞、分化神经元及神经嵴细胞28 或使用 CD15/CD24/CD44/CD184/CD271 分选神经细胞和胶质细胞亚群25以及其他特征29,30除了神经元外,胶质细胞标记物还包括 A2B531CD4425,NG232 和GLAST33近期一项研究利用了中脑底板前体细胞标志物CORIN34,35 以富集帕金森病细胞移植范式中的多巴胺能前体细胞36CD分子不仅是标记物,而且是细胞间相互作用以及细胞对细胞外基质分子和生长因子信号产生应答能力的功能相关介质37进一步增强用于表征神经谱系发育的组合性CD抗原工具库的一种策略,是利用已知的细胞内标志物筛选并确定特定目标细胞类型的CD抗原组合。我们近期采用这一方法,鉴定了CD49f–/CD200高 组合表达模式作为从神经分化诱导多能干细胞培养体系中富集神经元亚群的新方法38在此,我们介绍并讨论后一种方案(及其可选的变体),该方案可同时结合表面染色与细胞内染色,用于通过流式细胞术鉴定神经细胞亚群。

图2. 实验方案选项的流程图。 该图示意性地展示了本实验方案所涉及的主要步骤。可选步骤(CFSE染料标记或细胞内抗原标记)以浅灰色方框表示。收获细胞后,在进行细胞表面染色前,必须评估神经细胞悬液的活力和细胞数量。除目标样本外,还需设置阳性对照和阴性对照。样本可用于流式细胞术分析和/或细胞分选实验。 请点击此处查看该图的放大版本。
尽管我们此前曾联合使用一抗和二抗进行细胞内染色38,但现在我们引入一种略有不同的方法,即通过荧光Fab片段(Zenon标记法)对一抗进行非共价标记,从而减少细胞操作步骤39。此外,为进一步体现本方案的灵活性,我们可选择在表面抗原染色前,使用羧基荧光素琥珀酰亚胺酯(CFSE)对其中一个实验亚群进行可选标记。这种CFSE预标记可在单个样品管内直接比较两种细胞系或实验条件(CFSE标记组 vs. 未标记组),减少孵育时间上的差异或细微偏差,并节省抗体用量。CFSE是一种成熟的荧光染料,广泛用于细胞示踪40、增殖分析41,42以及条形码实验43,44。最后,尽管实际分选步骤(如流式细胞分选、免疫磁珠分选或免疫贴壁分选)不属于本方案内容,但原则上,此处所述的收获与标记程序所获得的样品可用于基于表面抗原或细胞内标记的分选应用15,25,28。
本文旨在:总结一种可行的表面抗原染色方案25,28,总结一种用于检测细胞内靶标以及联合进行表面与细胞内抗原分析的方案38,介绍一种细胞内CFSE染料标记步骤41,45,作为神经细胞群体比较分析的实验选择,并总结流式细胞术分析的方法(包括适当的对照13,46、设门策略及数据呈现方式47)。
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1. 神经细胞收获
2. 使用CFSE进行细胞内染料标记(图3)

图3. 通过CFSE染料标记检测两种细胞系之间CD表面抗原表达的差异。 SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞预先用CFSE标记,以便后续与未标记的BJ成纤维细胞进行区分。混合样品(右侧面板)用表面标志物CD24或CD54(均偶联APC)共染色,结果显示由于CFSE染色的存在,两种细胞系易于区分(箭头 = SH-SY5Y;箭头末端 = BJ成纤维细胞)。大多数SH-SY5Y细胞表达CD24但不表达CD54(ICAM-1);相反,BJ成纤维细胞(CFSE阴性)对CD54呈阳性,而对CD24基本呈阴性。请点击此处查看该图的放大版本。
3. 细胞表面染色
| 试管编号 | 样本名称 | 抗原-荧光素 | 稀释比例 |
| 1 | 未染色细胞 | - | |
| 2 | 单染样本 | CD24-APC | 1:50 |
| 3 | 单染样本 | TUJ1-Alexa fluor 488nm | 1:2,000 |
| 4 | 双染样本 | CD24-APC | 1:50 |
| TUJ1-Alexa fluor 488nm | 1:2,000 | ||
| 5 | 单染样本(仅二抗) | Secondary only: Alexa fluor 488nm | 1:2,000 |
表1. 典型流式细胞术实验中应包含的试管列表。 本表格展示了一个最小样本管集合,用于本视频文章中描述的共染色实验。一个理想的实验需要包含所有必要的对照(阴性对照、阳性对照以及补偿对照),以便准确解读实验结果。
| 抗原 | 细胞类型 | 参考文献 |
| CD15 | 神经干细胞 | [28, 67] |
| CD24 | 神经元细胞 | [28, 68] |
| CD29 | 神经干细胞 | [28, 69, 70] |
| CD44 | 胶质细胞 | [25] |
| CD49f | 神经干细胞 | [38] |
| CD56 (NCAM) | 神经元细胞 | [71] |
| CD133 | 神经干细胞 | [27] |
| CD184 | 神经干细胞和胶质细胞 | [25] |
| CD200 | 神经元细胞 | [38] |
| CD271 | 神经嵴干细胞 | [25] |
| A2B5 | 胶质细胞 | [31] |
| CORIN | 多巴胺能前体细胞 | [35, 36] |
| FORSE1 | 神经干细胞 (NSC) | [72 ] |
| GLAST | 胶质细胞 | [33] |
| NG2 | 胶质细胞 | [32] |
表2. 神经细胞表面抗原的选择。 本表列出了在多种神经细胞类型中发现表达的细胞表面表位,用以说明目前用于表征神经谱系的细胞表面抗原种类日益丰富。需注意的是,此列表远未穷尽所有抗原,且其中大多数标记物也在其他多种神经及非神经细胞中表达。因此,需要联合使用多种标记物才能更准确地定义和分离特定的神经细胞亚群。
4. 固定与通透处理38
5. 胞内抗原染色38(图4)

图4. 表面蛋白与细胞内蛋白的共染色。 流式细胞术数据显示了基于一抗+二抗的细胞内染色与Zenon荧光素法细胞内染色结合表面染色的比较结果。y轴上的单独阳性信号(左上象限)和x轴上的单独阳性信号(右下象限)分别显示了针对MAP2和CD24染色的细胞。共染色后,MAP2和CD24的共同表达可见于右上象限(右侧面板)。使用Alexa Fluor 488(上方;AF488)与Zenon荧光素(下方)对MAP2进行标记的比较结果显示相似的染色效果。请点击此处查看该图的放大版本。
6. 流式细胞术分析
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本文所展示的实验方案具有多种应用方式(图2)。在最简版本(步骤1、3和6)中,该方案可作为细胞表面抗原简单染色的操作指南。 在更复杂的流程中,可结合多种胞内抗原进行共标记实验(可选步骤2和/或步骤4至5)。此外,CFSE标记步骤展示了该方法在细胞亚群标记与追踪研究中的实用性,适用于细胞间相互作用研究或流式细胞术条形码实验(步骤2)。通过(步骤2和/或3)获得的活细胞群体可用于细胞分选(FACS)及后续分析,包括分选后细胞培养。另一方面,联合进行胞内与表面抗原染色(步骤3至5)本身即可提供有效的分析读出结果。例如,识别特定神经细胞亚群上某些CD抗原的共表达情况(我们已在Turaç et al.38中应用此方法,用于鉴定神...
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本文所述方案已广泛应用于源自人类干细胞的神经细胞培养,同样也可适用于其他神经细胞来源,包括原代组织或神经细胞系。除了胚胎来源外,还可从成年脑的神经发生区域分离获得神经干细胞或前体细胞27。此外,流式细胞术和荧光激活细胞分选技术(FACS)可用于定量、分析和分离多种细胞群体,包括成熟神经元54、星形胶质细胞33、小胶质细胞55、少突胶质细胞56以及出生后脑组织中的内皮细胞57。
无论来源如何,每种细胞类型的固定和透化最佳条件均需通过实验确定,因为其中任一步骤过度进行均可能导致散射特性发生显著改变,从而影响流式细胞术的检测结果。该方案的效率还取决于透化后表面分子的稳定性。需要注意的是,不同的表面表位在操作过程中可能受到不同程度的影响。此外,例如使用胰蛋白酶替代物或Liberase-1进行酶法消化,可能会影响一系列细胞表面表位,但相较于使用Accutase或木瓜蛋白酶,其影响程度较轻7。
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作者声明不存在潜在的利益冲突。
本研究项目由德国研究基金会(DFG)的艾米·诺特计划(Emmy Noether-Program)资助,项目编号 PR1132/3-1。我们感谢弗莱堡大学穆勒-法恩贝格基金会(Müller-Fahnenberg Foundation)提供的额外支持。本研究部分得到了德国研究基金会卓越计划(卓越集群 GSC-4,施佩曼研究生院 Spemann Graduate School)的资助。
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| TrypLE Express | Life Technologies | 12604013 | |
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| 多聚甲醛 | Carl Roth | 335.3 | |
| 牛血清白蛋白(BSA)第五组分 | PAA Laboratories, Coelbe | K41-001 | |
| Tween-20 去垢剂 | Calbiochem | 655205 | |
| 羧基荧光素琥珀酰亚胺酯(CFSE) | eBioscience | 65-0850-84 | |
| DMSO | AppliChem | A1584 | |
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