炎症在缺血性脑卒中的发病机制中起着核心作用。越来越多的证据表明,炎症具有双重作用:一方面会加剧早期脑损伤,另一方面也参与后期的修复过程。本方案描述了从缺血脑组织中分离免疫细胞,并对其进行后续流式细胞术表型分析的方法。
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炎症在缺血性脑卒中的发病机制中起着核心作用。越来越多的证据表明,炎症具有双重作用:一方面会加剧早期脑损伤,另一方面也参与后期的修复过程。本方案描述了从缺血脑组织中分离免疫细胞,并对其进行后续流式细胞术表型分析的方法。
缺血性脑卒中会引发强烈的炎症反应,该反应始于血管内腔室,并涉及脑内常驻细胞的快速活化。这种炎症反应的关键机制之一是循环免疫细胞在趋化因子释放和内皮黏附分子表达增加的促进下,迁移至缺血脑组织。侵入脑组织的白细胞在早期继发性缺血性损伤中的作用已被广泛认知,但其在炎症终止及后期脑修复过程中的重要性直到最近才受到关注。
本文提供了一种高效分离缺血小鼠脑组织中免疫细胞的简单方案。经心脏灌注后,分离脑半球并进行机械性解离。随后使用Liberase 进行酶消化,并通过密度梯度(如Percoll)离心去除髓鞘和细胞碎片。该方案的一个主要优势在于采用单层密度梯度法,无需耗时的梯度制备过程,操作可靠。该方法可获得高度可重复的每侧脑半球细胞数量,且能够在同一个生物学重复样本中检测多个流式细胞术分析面板。对实验性脑卒中后侵入脑组织的白细胞进行表型鉴定与定量分析,有助于深入理解其在缺血性损伤与修复过程中所发挥的多重作用。
脑卒中会引发持续的炎症反应,这种反应在局部血流停止后迅速启动,并几乎涉及免疫系统的各个部分。该炎症反应的一个重要特征是免疫细胞按时间顺序向脑组织浸润,这一过程由脑内皮细胞活化、大量趋化因子分泌以及交感神经输出增强所驱动1-3。过去认为,炎症细胞浸润在缺血性脑卒中中是有害的,然而,先前设计用于无差别阻断白细胞向脑部迁移的多种治疗试验均未能产生可测量的临床获益4。近年来逐渐明确的是,单核细胞来源的细胞在最初促进缺血性损伤进展5的同时,也可能在炎症消退及后续组织修复过程中发挥关键作用6。
由于发现了单核细胞和巨噬细胞在表型和功能上的异质性,人们对单核吞噬细胞在炎症发生与消退过程中的作用有了显著深入的认识。在小鼠中,循环单核细胞可根据其表面淋巴细胞抗原6复合物(Ly-6C)的表达水平至少分为两个功能不同的亚群7。其中,Ly-6Chigh“炎症性单核细胞”已被明确证实对控制细菌感染至关重要8,但其在无菌性损伤中的作用仍存在争议。在缺血性脑卒中模型中,选择性清除CCR2+ Ly-6Chigh单核细胞会导致出血性梗死转化6;然而,采用相同的实验手段却可改善脑出血后的急性神经功能缺损9。类似地,在缺血性脑损伤中,不同亚群的T细胞被认为可能发挥有害10或保护性作用11,但相关数据仍存在矛盾12,13,亟需进一步研究。鉴于免疫系统复杂性的不断增加,深入理解各类免疫细胞在缺血性损伤与修复过程中的具体作用,对于将实验研究成果转化为针对卒中后炎症的治疗策略至关重要。
目前,分析细胞免疫反应最强大的工具是多色流式细胞术。它能够在炎症部位识别和定量各种免疫细胞亚群,而无需通过体内标记或基因操作对系统引入偏倚14。同时对细胞表面标志物以及细胞内细胞因子15或转录因子16进行抗体染色,还可进一步提供关于经表型鉴定的单个细胞功能状态的信息。然而,流式细胞术的主要缺点之一是需要制备单细胞悬液,因此会丢失细胞浸润的空间定位信息。尽管组织学方法非常适合获取空间分布信息,但其在单次实验中可用于鉴定特定组织内免疫细胞亚型的抗体数量有限。目前,需要结合多种表面标志物的表达与缺失情况,才能明确鉴定出稀有的免疫细胞亚群,尤其是在炎症过程中不同的单核细胞来源的细胞群体17。
本文介绍了一种利用简单的单层密度梯度法,从缺血后小鼠脑组织中高效分离大量白细胞的实验方案。所获得的细胞悬液可直接用于多维流式细胞术分析,也可进一步通过流式细胞分选或免疫磁珠分选进行富集,以开展高特异性的下游分析。本方法详细描述了经心脏灌注、脑半球的分离、脑组织解离为单细胞悬液、密度梯度离心去除髓鞘,以及用于流式细胞术分析的抗体染色等步骤。
所有动物实验必须符合动物护理的相应标准(例如,美国国立卫生研究院(NIH)出版的《实验动物护理和使用指南》(NIH出版号85-23,1996年修订版)以及须经相应的州级主管部门批准。
1. 试剂的准备
2. 大脑中动脉短暂阻断
注意:通过血管内缝线法进行短暂性大脑中动脉闭塞(MCAO),在12周龄雄性C57BL/6小鼠中按先前所述方法进行18。
3. 经心灌注与脑组织分离
4. 将脑组织解离为单细胞悬液
5. 密度梯度离心法去除髓鞘和细胞碎片
6. 流式细胞术分析的抗体染色
7. 通过计数微球进行绝对定量
8. 流式细胞术数据采集
注意:为了分析建议的抗体组合,所用流式细胞仪必须配备蓝色(488 nm)、红色(635 nm)和紫色(405 nm)激光器,并配备用于 FITC、PE、PerCP Cy5.5、PECy7、APC-Cy7 和 AmCyan 的滤光片。
采用左大脑中动脉短暂性线栓法(MCAO)在12周龄雄性C57BL/6小鼠中诱导脑缺血。假手术组插入线栓以阻塞左大脑中动脉后立即撤出,实现即刻再灌注。值得注意的是,常用脑卒中模型之间的细胞神经炎症反应存在显著差异19。在将动物实验结果外推至人类脑卒中复杂的病理生理过程时,必须充分考虑这一差异。
小鼠在大脑中动脉闭塞(MCAO)后24小时被处死,以分析早期免疫细胞向缺血性脑组织的浸润情况。通过密度梯度离心法获得的缺血半球(MCAO同侧;0.95 ± 0.25 × 10⁶)细胞计数与对侧半球(MCAO对侧;1.09 ± 0.30 × 10⁶)以及假手术小鼠同侧半球(假手术同侧;1.12 ± 0.18 × 10⁶,单因素方差分析,p = 0.524)相比无显著差异。通过台盼蓝排斥法测定的分离细胞存活率较高,且各组之间无显著差异(假手术组96.85 ± 0.60%,MCAO对侧97.12 ± 1.18%,MCAO同侧95.68 ± 2.04%,单因素方差分析,p = 0.253)。
通过流式细胞术分析确定了MCAO后24小时脑内浸润细胞的组成。图1以示意图形式展示了设门策略(A)以及代表性卒中动物的实际分析结果(B)。脑内浸润的白细胞定义为CD45high细胞,可与CD45int的小胶质细胞相区分。在CD45high细胞群体中,通过Ly-6G的表达鉴定出多形核中性粒细胞(PMN),而T淋巴细胞则被界定为CD45high CD3+细胞。其余的CD45high细胞则根据CD19(B淋巴细胞)和CD11b的表达进一步区分。CD11b+亚群进一步细分为Ly-6Chigh的“炎症性单核细胞”和一个Ly-6Clow群体,后者包括单核细胞、树突状细胞(DC)和巨噬细胞。
在卒中的急性期,髓系免疫细胞是脑部浸润的主要成分3,20。中性粒细胞在血管闭塞后迅速进入脑组织,并促进炎性单核细胞的外渗21。图2A显示了MCAO术后24小时,缺血半球与对侧半球及假手术组相比,Ly6-G+中性粒细胞比例的增加情况。相比之下,缺血半球中CD3+ T细胞的比例相较于健康脑组织较低。在CD11b+细胞群体中,脑缺血使平衡显著转向Ly-6Chigh炎性单核细胞占主导地位(图2B)。
除了相对分布外,还使用计数管根据 CD45 阳性事件来确定样本中免疫细胞亚群的绝对数量(图 3)。计数管中含有冻干小球,可释放已知数量的荧光微球。通过将细胞事件与微球事件进行比较,可确定样本中阳性细胞的绝对数量。为计算每侧大脑半球中 CD45high 白细胞的数量,使用以下公式:每侧大脑半球 CD45high 细胞数 = (CD45high 事件数 × 总计数微球数 / 样本微球事件数)×(总悬浮体积(100 µl)/ 样本体积(10 µl))。在 MCAO 术后 24 小时,梗死侧半球的总白细胞计数显著高于对侧半球及假手术组(图 3D,单因素方差分析,p = 0.0004)。不同免疫细胞亚群(PMN、T 细胞、B 细胞、Ly-6Chigh 和 Ly-6Clow 单核细胞)的数量可通过将其相对频率乘以相应样本中总的 CD45high 白细胞数而简便地计算得出。

图1. 流式细胞术的设门策略。(A)设门策略的示意图。(B)显示在大脑中动脉闭塞后24小时从小鼠脑组织中分离出的白细胞的流式细胞术分析结果。FSC:前向散射,PMN:多形核中性粒细胞,cDC:经典树突状细胞。请点击此处查看该图的放大版本。

图2. 免疫细胞亚群的鉴定。 大脑中动脉闭塞(MCAO)或相应假手术后24小时,同侧(ipsi)与对侧(contra)半脑中Ly-6G+中性粒细胞(A)、CD3+ T细胞(A)以及通过Ly-6C差异表达鉴定的单核细胞亚群(B)的相对分布。各细胞群的比例在设门区域中标示。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3. 通过计数微球定量脑部白细胞。(A)显示高度双阳性的微球门控区域。在单细胞群体中(B),可将CD45int的小胶质细胞与CD45high的白细胞区分开来(C)。为进行定量分析,将门控内CD45high事件的数量标准化至所计数的微球事件数量。注意,在大脑中动脉闭塞(MCAO)后24小时,同侧(ipsi)半脑的总白细胞(CD45high)数量显著高于对侧(contra)半脑及假手术组。**p <0.01,***p <0.001,采用单因素方差分析(one-way ANOVA)及Tukey事后多重比较检验。每组n = 4 - 6。FSC:前向散射。 请点击此处查看该图的放大版本。
| 荧光染料 | FITC | PE | PerCP | PC7 | APC-Cy7 | V500 |
| (Cy5.5) | ||||||
| 抗原 | CD45.2 | CD3 | Ly-6G | CD19 | Ly-6C | CD11b |
| 终浓度 [µg/ml] | 5 | 1 | 0.2 | 0.2 | 1 | 1 |
| 稀释倍数 | 1/100 | 1/200 | 1/1,000 | 1/1,000 | 1/200 | 1/200 |
| 克隆号 | 104 | 145-2C11 | 1A8 | 6D5 | AL-21 | M1/70 |
表1. 用于缺血性脑组织中免疫细胞鉴定的基础抗体组合。
本文介绍了一种在实验性脑卒中后从小鼠脑组织中分离白细胞的简单且有效的方法。该方法可稳定地从每个脑半球获得高度可重复的细胞计数,从而能够在同一个生物学重复样本中检测不同的流式抗体组合。
显然,若未能完全清除包括免疫细胞在内的血液,将导致对进入缺血脑组织的炎症细胞实际数量的误判。因此,在使用本方案时,务必特别注意进行彻底的经心灌注,以防止浸润的免疫细胞被非炎症性的循环白细胞污染。根据经验,使用钝针穿刺左心室可降低室间隔损伤的风险,否则将导致体循环灌注被绕过。灌注液从鼻孔流出 表明灌注压力过高,因此应避免流速 >10 ml/min。脑组织呈现苍白至白色表明灌注良好,而粉红色则提示灌注不良。
该方案的另一个关键步骤是高效解离脑组织,包括机械性破碎和酶消化。通过细胞筛网切碎组织对于提高蛋白酶的消化效率至关重要。然而,在匀浆组织时应避免施加过大压力,因为单核吞噬细胞极易发生自溶。22。对于酶消化,使用 Liberase TL 推荐使用由高纯度胶原酶I和II组成的混合酶液,其中含有低浓度的中性蛋白酶嗜热菌蛋白酶。与先前报道的分离方案直接比较14,22,23Liberase TL显著提高了活细胞的回收率 处理(K.M. 未发表数据)。与常用于从脑组织中分离免疫细胞的胶原酶相比,Liberase TL 内毒素含量极低。如果细胞需经分选用于后续分析,这一点尤为重要,因为高水平的内毒素可能改变免疫细胞的活化状态。24 并严重损害细胞培养结果25传统胶原酶的另一个缺点 不同批次间酶活性存在显著差异,这会危及实验结果的可重复性,因此需要为每一批次确定工作浓度26.
在成年大脑中,通过密度梯度离心去除髓鞘是后续应用(如流式细胞术或基因与蛋白质表达研究)不可或缺的步骤。该方案的一个主要优势在于采用单层密度法,无需耗时制备梯度液。此外,即使由经验较少的实验人员操作,该分离方案也能获得可靠的结果。该方法避免了使用密度相近的多层梯度,从而防止在加样过程中因扰动层间界面而影响分离效果。
根据表面标志物 CD45 的表达情况,该方案可从缺血性脑组织中分离出三大类主要细胞。其中绝大多数细胞属于 CD45 阴性群体,由神经元细胞、星形胶质细胞、室管膜细胞和内皮细胞组成。这类细胞的大量存在归因于单层密度梯度法,该方法主要旨在高效去除髓鞘和细胞碎片。此外,还存在 CD45int 代表常驻小胶质细胞的群体27可以从CD45区分高 主要包含侵入性的血源性白细胞的群体。然而,需要注意的是,活化的微胶质细胞可能表现出类似于血液来源的髓系细胞的表型和功能。因此,仅通过复杂的实验技术(如异体共生)28骨髓嵌合体29 或命运图谱分析30 在炎症期间能够清晰区分这两个群体。
流式细胞术中的数据分析通常局限于特定细胞群体的百分比分布。然而,在比较梗死半球与非梗死脑组织时,此类信息可能具有误导性,因为它未考虑缺血性损伤所改变的全脑白细胞总数。因此,为了全面了解卒中后炎性浸润的程度和表型,除了免疫细胞亚群的相对分布外,还应补充绝对细胞数量的测定。当按照本方案所述使用微珠时,必须精确移取固定体积的样本,以获得可靠的结果。此外,强烈建议采用反向移液法,以避免计数管中产生泡沫。产生的气泡会减少微珠的预期体积,从而导致样本中绝对CD45high白细胞计数被高估。
总之,本方案提供了一种简便且可靠的从脑组织中分离免疫细胞的方法,可作为解析缺血性脑卒中后炎症反应复杂性的有力工具。未来可应用于研究单核细胞亚群在缺血性脑炎症扩散与消退过程中随时间变化的作用。类似地,卒中后适应性免疫系统的作用目前仍知之甚少。通过流式细胞术分析表达亚群特异性转录因子或细胞因子的T细胞亚群 原位 可能有助于阐明其对中风后长期康复的影响,从而为开发新的治疗策略开辟有前景的途径。
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
作者感谢 Isabell Schulz 提供出色的技术支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
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| Hank's 平衡盐溶液 (HBSS) | Gibco/Life Technologies GmbH | 14175-129 | |
| 含钙/镁的 HBSS | Gibco/Life Technologies GmbH | 24020-091 | |
| Liberase TL | Roche Diagnostics GmbH | 5401020001 | |
| Percoll Plus | GE Healthcare Europe GmbH | 17-5445-01 | |
| 胎牛血清 | PAN Biotech | 3302-P101003 | |
| 台盼蓝 | Gibco/Life Technologies GmbH | 15250-061 | |
| Trucount | BD Biosciences | 340334 | |
| 磷酸盐缓冲液 | Biochrom AG | L 182-10 | |
| DNase I | Roche Diagnostics GmbH | 11284932001 | |
| CD11b Horizon V500 | BD Biosciences | 562128 | |
| CD16/CD32 | eBioscience | 14-0161 | |
| CD45.2 FITC | eBioscience | 11-0454 | |
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| Ly6G PerCP-Cy5.5 | BD Biosciences | 560602 | |
| 硅胶管,1 米 | World precision instruments | 503022 | |
| 精细虹膜剪,尖头 | Fine Science Tools | 14094-11 | |
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| 精细虹膜剪,尖头/钝头 | Fine Science Tools | 14028-10 | |
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| 移液管,10 ml | Sarstedt AG&Co | 861,254,025 | |
| 移液管,25 ml | Greiner Bio-One GmbH | 760180 | |
| 移液管,5 ml | Greiner Bio-One GmbH | 606180 | |
| 移液管,25 ml | Sarstedt AG&Co | 861,685,020 | |
| 移液管,5 ml | Sarstedt AG&Co | 861,253,025 | |
| 吸头,0.1 - 10 µl | Corning B.V.Life Sciences | 4840 | |
| 吸头,100 - 1,000 µl | Greiner Bio-One GmbH | 740290 | |
| 吸头,10 - 200 µl | Greiner Bio-One GmbH | 739296 | |
| 反应管,1.5 ml | Greiner Bio-One GmbH | 616201 | |
| 反应管,2 ml | Greiner Bio-One GmbH | 623201 | |
| 细菌培养皿,94 x 16 mm | Greiner Bio-One GmbH | 633180 | |
| Falcon 15 ml | Greiner Bio-One GmbH | 188271 | |
| Falcon 50 ml | VWR International GmbH (BD) | 734-0448 | |
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