心肌细胞更新率的定量具有挑战性。本文所述方案通过实现对新生心肌细胞核生成及细胞核倍性的准确且灵敏的定量,为解决这一难题做出了重要贡献。
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心肌细胞更新率的定量具有挑战性。本文所述方案通过实现对新生心肌细胞核生成及细胞核倍性的准确且灵敏的定量,为解决这一难题做出了重要贡献。
尽管目前公认心脏在损伤后具有有限的心肌细胞再生能力,并且在正常衰老过程中存在低水平的心肌细胞更新,但对这些事件的定量仍然具有挑战性。部分原因在于该过程极为罕见,且多种细胞来源共同参与心肌的维持。此外,心肌细胞内的DNA复制常常导致细胞变为多倍体,而极少通过细胞分裂产生新的心肌细胞。因此,为了准确量化心肌细胞的更新,必须能够区分这些不同的过程。本文所述的方案采用长期核苷标记法,以标记所有因DNA复制而产生的细胞核,并结合细胞核分离及随后的PCM1免疫标记来鉴定心肌细胞核。该组合方法可实现对心肌细胞核群中核苷标记的准确且灵敏的识别。此外,通过4′,6-二脒基-2-苯基吲哚标记及细胞核倍性分析,可将新生成的心肌细胞核与在多倍化过程中掺入核苷的细胞核区分开来。尽管该方法无法控制心肌细胞双核化的影响,但其能够在考虑多倍化的基础上,快速且可靠地量化新生心肌细胞核。该方法具有多种下游应用,包括评估促进心肌细胞再生的潜在治疗手段,或研究心脏疾病对心肌细胞更新及倍性的影响。该技术还可与其它下游免疫组织化学技术兼容,从而实现对所有心脏细胞类型中核苷掺入的定量分析。
近年来,越来越多的证据表明心脏并非终末分化的有丝后器官,这一传统观点正受到挑战1,2。然而,心肌细胞更新与再生的定量分析仍然具有挑战性。
使用标准免疫组织化学技术精确鉴定罕见的心肌细胞生成现象存在诸多困难,已有大量文献报道3。此外,心肌细胞的细胞来源仍不明确,现有证据表明心肌细胞增殖以及干细胞分化均可能对此有贡献4-6。因此,依赖于已知心肌细胞前体表型的谱系示踪模型无法应用,而对包括心肌细胞在内的单一细胞群体进行增殖定量也是不恰当的。此外,心肌细胞可能发生核内复制但不伴随核分裂(导致多倍体心肌细胞),或发生核分裂但无胞质分裂(导致双核心肌细胞)7,8。准确量化心肌细胞更新依赖于区分这些事件与真正的新心肌细胞生成。这带来了独特的复杂性,因为心肌细胞中DNA复制及周期蛋白依赖性激酶的表达并不能特异性地反映真正的细胞分裂9,10。
为了辅助新生心肌细胞生成的定量分析,我们将一种已建立的细胞核分离技术与针对中心粒周围物质1(PCM1)的免疫标记方法相结合,用于心肌细胞核的鉴定,该方法由Bergmann 等7,11先前所述,并结合了新型的长期DNA标记与倍性分析方法。PCM-1是一种中心体蛋白,可在已分化的非增殖性心肌细胞的核表面富集。先前的研究表明,抗PCM-1抗体可特异性地标记心肌细胞核7,11,因此,多个独立研究团队已利用PCM1来鉴定心肌细胞1,12,13。此外,我们已证实,在TnT-cre转基因小鼠模型中,PCM1的表达定位于基因标记的心肌细胞核14(补充图1)。
本方案可准确且灵敏地鉴定小鼠心脏中新生成的心肌细胞核,无论其细胞来源如何(图1A 和 B),同时在分析中排除因多倍化导致的核苷标记干扰(图1C 和 D)。尽管该方法无法控制心肌细胞双核化的影响,但仍可快速、可靠地定量新生成的心肌细胞核,这对于准确量化心肌细胞更新至关重要。此外,该方法还提供了一种快速筛选工具,用于评估心肌细胞生成动力学中潜在变化。
尽管DNA标记通常使用5-溴-2′-脱氧尿苷(BrdU)作为胸苷类似物,但本文所述方案采用基于5-乙炔基-2'-脱氧尿苷(EdU)的检测方法,因其所需处理步骤更少,通量更高,且无需对DNA进行变性即可进行免疫检测,从而可与其他免疫染色方案兼容,显著拓展了该方法的潜在下游应用。

图 1:持续 EdU 脉冲标记可标记新生心肌细胞,无论其来源细胞类型。(A)EdU 在细胞分裂过程中被整合至心肌细胞的 DNA 中。心肌细胞群体的增殖将导致心肌细胞数量增加或替换,因此属于“有效”DNA 合成(有助于组织维持与修复)。(B)EdU 在心脏前体细胞分裂过程中被整合至其 DNA 中,并在这些细胞向心肌细胞谱系分化过程中保留在细胞内。此类干细胞分化同样会增加心肌细胞数量,从而有助于组织维持与修复。(C)心肌细胞可能发生“非有效”DNA 复制,导致心肌细胞倍性升高,这一过程与心肌细胞肥大及心肌重塑相关,但并不能替代丢失的心肌细胞。多倍体化过程不同于双核化,其结果是形成一个仅含单个细胞核的心肌细胞,该细胞核内包含四套或更多套同源染色体(>2N)。(D)在持续性细胞核脉冲标记后,本方案描述了通过 PCM1 表达来分离并鉴定心肌细胞核,以实现对心肌细胞倍性和 EdU 掺入的定量分析。PCM1 表达与 EdU 掺入通过流式细胞术检测。请点击此处查看该图的放大版本。
动物实验已获得纽卡斯尔大学伦理审查委员会的授权和批准。所有动物操作均遵循欧洲议会关于用于科研目的动物保护的 2010/63/EU 指令指南。
1. EdU 给药
2. 心脏的收获
3. 细胞核解离与心肌细胞核标记
注意:该细胞核解离及心肌细胞核标记方法改编自 Bergmann 的方案 等11 对所有注射了EdU以及注射生理盐水(无EdU对照)的样本执行此操作。参见 表1 有关执行这些步骤所需溶液的配制方法。
4. EdU 掺入的检测
| 试剂名称 |
| 1. 细胞裂解缓冲液 |
| 0.32 M 蔗糖 |
| 10 mM Tris-HCl (pH = 8) |
| 5 mM CaCl2 |
| 5 mM 醋酸镁 |
| 2.0 mM EDTA |
| 0.5 mM EGTA |
| 1 mM DTT |
| 2. 蔗糖梯度溶液 |
| 2.1 M 蔗糖 |
| 10 mM Tris-HCl (pH = 8) |
| 5 mM 醋酸镁 |
| 1 mM DTT |
| 3. 细胞核储存缓冲液 (NSB) |
| 0.44 M 蔗糖 |
| 10 mM Tris-HCl (pH = 7.2) |
| 70 mM KCl |
| 10 mM MgCl2 |
| 1.5 mM 精胺 |
表1:细胞核分离缓冲液成分。 本表列出了第3节(细胞核解离与心肌细胞核标记)中所用全部缓冲液的配方。
5. 流式细胞术分析
注意:按照先前所述方法7,11,15对分离的细胞核进行流式细胞术分析。

图2:心肌细胞EdU掺入率与倍性的门控策略。 (A根据前向散射(FSC)和侧向散射(SSC)将细胞核与碎片区分开来。B) 基于DAPI标记以及405/450/50高度与面积信号,创建线性门并识别单核细胞群。C荧光门控可实现心肌细胞核(PCM-1阳性)与非心肌细胞核(PCM-1阴性)从心脏组织中的分离。DDAPI信号强度用于确定DNA浓度,从而判断PCM1+心肌细胞群体的细胞核倍性。在小鼠中 >80%的心肌细胞核为二倍体(2n)。E荧光门控可将已掺入EdU的2N心肌细胞核(PCM+/EdU+ = 0.9%)与未掺入EdU的2N心肌细胞(PCM+/EdU-)分离开来。所有步骤详见方案5.0。示例来自mdx模型。-/y C57/BL10 背景小鼠 请点击此处查看该图的放大版本。
该方法可在控制多倍体化增加的前提下,定量检测心肌细胞核分裂导致的EdU掺入增加。我们此前利用基于BrdU的检测方法证明,在杜氏肌营养不良的mdx小鼠模型中,哺乳动物心脏在持续心肌细胞丢失的情况下会通过新生心肌细胞再生作出响应。我们已使用本文所述方法进一步验证了此前发表的研究结果,并展示了该实验方案的实用性。根据所描述的方案,成年(12周龄)mdx小鼠及对照bl10小鼠连续7天每日注射一次EdU,此前报道该方案可实现实验组之间的静态分析5,13。对EdU脉冲标记心脏进行免疫组织学分析,显示存在表达PCM1且掺入EdU的心肌细胞(图3A)。然而,免疫组织学方法获得的数据可能被误读,因为其他掺入EdU的细胞类型可能被错误鉴定为心肌细胞,这一点在补充图1A和B中有所示例。此外,免疫组织学方法无法区分多倍体化与核分裂。本方案中详述的流式细胞术分析能够快速定量mdx小鼠与对照小鼠中心肌细胞核分裂情况,同时排除因多倍体化而掺入EdU的细胞。与此前发表的数据相似13,分析结果显示,与同龄对照组相比,mdx小鼠心脏中新心肌细胞核的生成率显著升高(1.2% 对比 0.17%;图3B和C)。

图3:野生型和mdx心脏中EdU标记心肌细胞的定量分析。(A)来自40 µm厚mdx心脏切片的Z轴投影图像。表达PCM-1的心肌细胞核(绿色)已掺入EdU(红色)。黄色箭头指示EdU标记的心肌细胞。i和ii表示Z平面中单个EdU标记的心肌细胞。细胞核用DAPI染色(蓝色)。(B和C)分离细胞核的流式细胞术分析,显示来自12-13周龄野生型(C57/BL10)和mdx小鼠(mdx-/y,背景为C57/BL10)的代表性图谱。(B)显示DAPI荧光强度以及2N与>2N细胞核区分的直方图。(C)根据本实验方案所述方法分析得到的2N心肌细胞核群体中EdU掺入情况的图谱。所有小鼠在12周龄起连续给予EdU处理1周。请点击此处查看该图的高清版本。
补充图1:PCM-1是心肌细胞核的特异性标记物。根据所述方案,从通过将TNT-cre小鼠14与ROSAnT/nGcre敏感报告基因小鼠品系16杂交获得的双转基因小鼠中分离出细胞核。在此类小鼠中,由肌钙蛋白T(TNT)启动子驱动的cre激活可导致GFP的不可逆表达,并定位于细胞核内。使用同型对照(Iso)标记的细胞核可显示识别GFP阳性心肌细胞核群体的能力(488/530/30-A)。使用抗PCM1抗体标记细胞核(通过633-660/20-A检测的二抗)表明PCM1的表达与GFP阳性心肌细胞核群体高度相关。在本例中,由TNT启动子活性鉴定出的98.8%的心肌细胞核可被PCM1抗体标记。请点击此处下载补充图1。
补充图 2:利用免疫组织化学技术定量心肌细胞更新的挑战。(A)二维图像显示两个表达 PCM-1 的心肌细胞核(绿色),似乎也标记了 EdU(红色)。黄色箭头指示看似已掺入 EdU 的心肌细胞。这是因为在二维成像观察时,PCM1 表达与 EdU 标记出现明显的共定位所致。(B)该图像的三维投影显示,EdU 标记的细胞并非心肌细胞,而是覆盖在表达 PCM1 的心肌细胞核上方的非心肌细胞。实验使用 12 周龄的 C57/BL10 小鼠。请点击此处下载补充图 2A。请点击此处下载补充图 2B。
| 反应组分 | 反应次数 | |
| 2 | 5 | |
| PBS | 875 µl | 2.19 ml |
| 铜保护剂 | 20 µl | 50 µl |
| 荧光染料叠氮吡咯基 | 5 µl | 12.5 µl |
| 在4.1中配制的稀释反应缓冲液 | 100 µl | 250 µl |
| 总反应体积 | 1 ml | 2.5 ml |
表2:EdU标记混合液成分。第4部分(EdU掺入检测)实验步骤中所需的EdU标记混合液配方。
为了准确量化心肌细胞的更新与再生,相关实验必须能够区分真正的心肌细胞生成与非生产性DNA复制事件。目前许多研究仍简单地忽略这些非生产性事件,仅通过细胞周期蛋白、胞质分裂及细胞周期标志物的表达来量化心肌细胞增殖。迄今为止,仍缺乏一种能够在排除非生产性事件干扰的前提下,准确量化心肌细胞更新的单一方法。特别是心肌细胞多倍体现象仍难以被充分考量,其可占心肌细胞DNA复制事件的约65%13。因此,为协助准确量化心肌细胞生成,我们开发了一种实验方案,可在排除导致倍性增加的DNA复制事件的基础上,稳健地量化新生心肌细胞核的生成速率。尽管该方案无法区分新生心肌细胞的生成与心肌细胞双核化现象,但其可快速且准确地计算出心肌细胞生成的上限值(已计入倍性因素)。因此,该方案可作为一种筛选工具,用于评估疾病模型中心肌细胞生成与多倍化速率的潜在变化,或用于评价治疗手段的潜在效率。一旦通过本方案识别出新生心肌细胞核生成速率的变化,后续研究可进一步确定该变化是源于心肌细胞生成数量的改变,还是心肌细胞核化数量的变化,如先前研究所述2,13,17,18。这些后续分析包括在脉冲标记期间通过组织学方法量化心肌细胞核化动态,或分析EdU脉冲标记动物组织切片,以比较单核与多核心肌细胞群体中EdU的掺入情况。
由于心肌细胞更新率较低,本方案采用在7天内进行多次EdU注射。这也使得 "追逐" 所有潜在心肌细胞来源的心肌细胞生成情况,并允许对这一时间段内累积的心肌细胞核生成量进行定量分析。根据具体研究需求,该时间范围可进行调整,以适应预期的心肌细胞生成水平。为了准确量化EdU在心肌细胞核中的掺入情况,必须确保用于检测PCM-1反应性的二抗不会对细胞核产生非特异性标记。因此,建议开展额外的二抗滴定实验,以优化本方案中的这一环节,特别是在使用本方案未推荐的二抗时更应如此。本方案采用PCM-1表达来鉴定心肌细胞核。尽管PCM-1是已被公认的心肌细胞标志物,但仍可使用其他标志物对数据进行验证,例如特异性针对心肌肌钙蛋白T(cardiac Troponin T)的抗体,该蛋白已被证实部分定位于心肌细胞核1同样,可使用其他定位于细胞核的蛋白来鉴定和定量非心肌细胞群体中的EdU掺入。分析时必须排除所有正处于有丝分裂阶段的心肌细胞核,因为这些细胞中DNA合成的最终命运尚不明确,可能导致细胞分裂或倍性增加。PCM1在细胞周期的M期会发生解聚,因此正在进行有丝分裂的心肌细胞不会被PCM1表达所识别。此外,细胞周期S期的所有细胞核也应从后续分析中排除。这可通过设门排除DAPI荧光强度高于2N峰的细胞核实现,包括DAPI强度介于2N与4N峰之间的细胞核。
尽管目前越来越被接受的观点是心脏在正常衰老过程中以及急性损伤后具有替换心肌细胞的能力,但这种再生能力的来源及其程度仍存在争议。此外,已有研究报道了不同的心肌细胞更新速率1,7,20-22。这在一定程度上可能是由于准确识别和定量新生心肌细胞生成存在困难所致19。迄今为止,大多数研究仅依赖组织学分析,并通过检测包括肌节蛋白在内的胞质蛋白表达来鉴定心肌细胞,从而量化心肌细胞的更新与再生2,4,23,24。使用这些方法检测增殖标志物的表达,或如本研究中所示,检测胸苷类似物的掺入,都可能容易将其他心脏细胞类型误判为心肌细胞。虽然三维共聚焦成像技术有助于缓解这些问题,但这些方法成本高昂且耗时。有趣的是,本文所述方案显示,新生心肌细胞核的生成速率为每周0.17%。这一结果与其他基于流式细胞术的研究一致,后者显示每周更新率可达0.13%5。尽管根据这些数据推算年度更新率具有吸引力,并且在以往研究中已有尝试2,5,25,26,但这种外推并不恰当,因为心肌细胞的更新速率在整个动物生命周期中是动态变化的13。
该方法具有多种潜在应用,包括评估促进心肌细胞再生的潜在治疗手段,或研究心脏疾病对心肌细胞更新及心肌细胞多倍体化速率的影响。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由英国心脏基金会资助,项目编号 PG/13/69/30454。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.32 M 蔗糖 | Sigma | 84100 | |
| 10 mM Tris-HCl (pH = 8) | Sigma | T3253 | |
| 5 mM CaCl2 | Sigma | c5086 | |
| 5 mM 醋酸镁 | sigma | M-5661 | |
| 2.0 mM EDTA | Sigma | E5134 | |
| 0.5 mM EGTA | Sigma | 63779 | |
| 1 mM DTT | Sigma | D0632 | |
| 70 mM KCl | Sigma | P9541 | |
| 10 mM MgCl2 | Sigma | M8266 | |
| 1.5 mM 精胺 | Sigma | 85590 | |
| 同型兔 IgG- ChIP 级 | abcam | abc7415 | |
| 兔抗 PCM-1 抗体 | Sigma | HPA023374 | |
| Alexa Fluor 488 F(ab')2 片段山羊抗兔 IgG (H+L) 抗体 | Life technologies | A-11070 | |
| 细胞筛网 70 μm 和 100 μm | Fisher scientific | 11597522, 11517532 | |
| 玻璃Dounce匀浆器(40 ml)及大间隙研杵 | Sigma | D9188-1SET | |
| EdU (5-乙炔基-2’-脱氧尿苷) | Life technologies | A10044 | |
| Click-iT Plus EdU Alexa Fluor 647 流式细胞术检测试剂盒 | Life technologies | C10634 | 该试剂盒包含 实验所需的试剂、EdU反应缓冲液 、EdU固定剂、基于皂苷的通透化溶液以及EdU标记混合物所需的试剂。 |
| CyStain DNA 两步法试剂盒 | Sysmex Partec | 05 5005 | 该试剂盒包含 DAPI标记(DNA染色溶液)所需的试剂 |
| 探头式匀浆器,例如,TissueRuptor | Qiagen | 9001273 | |
| TissueRuptor 一次性探头 | Qiagen | 990890 | |
| 超速离心机 | Sorvall | ||
| Facscanto II | BD Biosciences | ||
| 超速离心管,薄壁,聚丙烯,38.5 ml,25 x 89 mm | Beckman Coulter | 326823 | |
| 牛血清白蛋白 | Sigma | A2153 |
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