我们描述了胸腺切片的制备方法,该方法结合流式细胞术可用于模拟发育中T细胞的阳性选择和阴性选择。胸腺切片还可适用于 原位 通过免疫荧光和双光子显微镜分析胸腺细胞迁移、定位及信号传导。
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我们描述了胸腺切片的制备方法,该方法结合流式细胞术可用于模拟发育中T细胞的阳性选择和阴性选择。胸腺切片还可适用于 原位 通过免疫荧光和双光子显微镜分析胸腺细胞迁移、定位及信号传导。
胸腺选择在独特且高度有序的胸腺微环境中进行,从而产生具有功能且对自身耐受的T细胞库。体外研究T细胞谱系承诺与发育的模型为此过程提供了宝贵的见解。然而,这些系统缺乏T细胞发育所必需的完整三维胸腺环境,因此对体内胸腺选择的模拟并不完全。通过使用提供完整胸腺微环境的原位模型,可在一定程度上克服与模拟T细胞发育相关的部分挑战。胸腺组织切片类器官培养技术是对现有原位技术的有力补充。胸腺切片可保持胸腺皮质与髓质区域的完整性,并为研究特定发育阶段的外源性胸腺细胞或成熟胸腺微环境内源性T细胞的发育提供了平台。鉴于每只小鼠可制备约20片胸腺切片,该方法在高通量实验的可扩展性方面具有独特优势。此外,胸腺切片制备相对简便,且可叠加来自不同遗传背景的不同胸腺亚群或其他细胞群体,进一步增强了该方法的灵活性。本文中,我们描述了一种胸腺切片制备、胸腺细胞的分离与叠加以及胸腺切片解离用于流式细胞术分析的实验方案。该系统还可用于研究非传统T细胞的发育,并可通过双光子显微镜观察胸腺细胞迁移、胸腺细胞-基质细胞相互作用以及与胸腺选择相关的TCR信号。
T细胞在胸腺中经历一系列发育中间阶段,在此过程中会遇到多个检查点,以确保产生功能正常且对自身抗原耐受的T细胞库1-3。阳性选择促进那些T细胞受体(TCR)能够以低至中等亲和力识别由皮质胸腺上皮细胞(cTEC)上的主要组织相容性复合物分子(MHC)提呈的肽段的胸腺细胞存活2,3。阴性选择和调节性T(Treg)细胞的发育则通过清除或转化那些对MHC提呈的自身肽段产生强烈反应的胸腺细胞,从而建立自身耐受2,4。表达TCR并成功通过选择过程的未成熟CD4+CD8+双阳性(DP)胸腺细胞,会分化为成熟的T细胞亚群,其中大多数为MHC I类限制性的CD8+细胞毒性T细胞或MHC II类限制性的CD4+辅助性单阳性(SP)T细胞,随后离开胸腺,进入次级淋巴器官执行效应功能1-3。
T细胞发育的复杂性还体现在发育中的胸腺细胞在整个基质细胞网络中的动态迁移和细胞间相互作用5-9。这些基质细胞在胸腺细胞发育过程中发挥着不同的作用,并在胸腺皮质区和髓质区之间呈差异性分布,而阳性选择和阴性选择分别发生于这两个区域10。尽管阳性选择主要发生在皮质区,但越来越多的证据表明,双阳性(DP)胸腺细胞会迁移至髓质区,并在分化为成熟T细胞之前继续依赖TCR信号,提示髓质区可能提供完成阳性选择及谱系分化所必需的额外信号11,12。此外,尽管存在表达并呈递组织限制性抗原的特化髓质胸腺上皮细胞(mTEC),从而促进自身反应性胸腺细胞的清除13,14,但大部分阴性选择实际上是由树突状细胞呈递广泛表达的自身肽段而在皮质区触发的15,16。因此,准确的T细胞发育模型必须具备高度组织化的胸腺微环境,包含完整的皮质和髓质区域,能够促进胸腺细胞与基质细胞之间的相互作用,并支持胸腺细胞在经历阳性与阴性选择过程中的迁移。
为了补充通过胸腺细胞的离体(ex vivo)分析来研究阳性选择和阴性选择的方法,研究人员已开发出多种T细胞发育的体外(in vitro)、原位(in situ)和体内(in vivo)模型17-22。在体外(in vitro)重现阳性选择一直极具挑战性,但将干细胞群体或T细胞前体与表达Notch配体(尤其是OP9-DL1/4细胞)的基质细胞共培养,能够支持T细胞谱系的定向分化以及有限的阳性选择,因此成为研究T细胞发育的重要体外模型23-25。然而,该系统的局限性在于这些细胞缺乏胸腺基质细胞所特有的肽类加工机制以及三维结构的胸腺微环境。
尽管在技术上更为繁琐, 原位 和 体内 胸腺选择模型可克服一些与之相关的障碍 体外 系统。胸腺器官再聚集培养(RTOC)包含明确配比的胸腺细胞与胸腺间质细胞18,26,27这些胸腺上皮细胞聚集体可维持MHC I类和II类分子的表达,并能支持常规T细胞两个亚群的发育,但仍缺乏明确的皮质和髓质结构。胎儿胸腺器官培养(FTOC)是一种常用的T细胞发育研究模型,可通过悬滴培养法将淋巴细胞耗竭的胸腺叶与胸腺细胞共培养,或通过向富含淋巴细胞的胸腺叶中注射胸腺细胞来接种,从而有效支持CD4+ 和 CD8+ 培养过程中T细胞随时间的变化18,28-31在胎儿胸腺叶培养的初期,mTEC数量较少,但根据培养条件的不同,随时间推移可能逐渐形成明确的皮质和髓质结构。需要注意的是,该模型可能更倾向于支持胎儿来源而非成体T细胞的发育。最后,在成年小鼠中进行胸腺内注射特定胸腺前体细胞虽在技术上具有挑战性,但明确可提供支持T细胞发育的微环境 T细胞发育 体内。这些 原位 和 体内 模型是研究T细胞发育的优秀工具,应根据具体实验情况决定是否使用。
然而,胸腺切片最近已成为研究胸腺选择的一种多功能且互补的模型 原位 能够容纳独特、复杂且通量通常更高的实验。胸腺切片保持了皮质区和髓质区的完整性,并提供了支持胸腺细胞在发育过程中迁移以及有效进行阳性选择和阴性选择的基质细胞框架11,32-39胸腺细胞亚群被添加至胸腺切片表面后,可迁移进入组织并到达其相应的微环境生态位34,37通过同源标记或荧光标记可将叠加的胸腺细胞与胸腺组织切片内源性细胞区分开来,并可在培养中维持数天。胸腺组织切片类器官培养可用于研究T细胞发育的多个方面,包括胸腺选择、胸腺细胞行为(迁移和细胞间相互作用)以及胸腺细胞定位等。鉴于每只小鼠可制备约20个胸腺切片,该方法的实验可扩展性通常优于其他方法。 原位 胸腺选择模型。尽管胸腺切片的制备需要使用振动切片机等专用设备,且由于细胞随时间推移发生死亡以及缺乏包被的膜结构,胸腺切片在培养中的存活时间有限,但胸腺切片仍为在成熟的胸腺微环境中分析同步化胸腺细胞群体的胸腺选择过程提供了优良模型。本文介绍胸腺切片的制备(包括胸腺的采集、胸腺叶的琼脂糖包埋及包埋组织的振动切片)、胸腺细胞的分离与覆加,以及胸腺切片的解离以进行流式细胞术分析。
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所有动物实验方案均经玛桑诺-罗斯蒙特医院研究中心动物护理委员会批准。
1. 小鼠胸腺的采集以制备胸腺切片和单细胞悬液
2. 胸腺叶的琼脂糖包埋与振动切片
3. 准备用于覆盖的胸腺细胞
4. 将胸腺细胞覆盖于胸腺切片上
5. 用于流式细胞术的胸腺组织切片解离
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胸腺切片支持对T细胞发育不同方面的分析,例如阳性选择和阴性选择。实验成功的关键在于胸腺切片的质量。 因此,应检查胸腺切片,以确保胸腺组织的完整性以及包围胸腺切片的琼脂糖完整无损(图1A)。当琼脂糖受损时,表面张力可能被破坏,导致迁移进入组织的胸腺细胞数量显著减少。因此,凡显示组织损伤或琼脂糖出现缺口/撕裂的胸腺切片均应弃用(图1B).
TCR 转基因(tg)小鼠常被用于研究胸腺选择,因为其每个胸腺细胞表面均表达一种明确且功能性的 TCR,使得阳性选择的发生频率高于多克隆细胞群体。为了捕获阳性选择的各个阶段,可将未经历选择的 TCR tg 胸腺细胞接种于胸腺组织切片之上,并通过流式细胞术随时间追踪成熟 CD4+ 或 CD8+ 单阳性(SP)T 细胞的发育过程40。来源于 MHC I 类限制...
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本文描述了一种制备胸腺切片的方案,并展示了通过流式细胞术分析在预选择阶段的MHC I类限制性TCR转基因胸腺细胞上高效进行阳性与阴性选择的代表性结果。该系统已被成功用于支持MHC II类限制性CD4+ T细胞从预选择双阳性(DP)胸腺细胞中的阳性选择32,并且在激动性抗原存在下,还可支持阴性选择及胸腺调节性T细胞(Treg)的发育11,12,36,38,39,43,44。本方案可进行修改,以研究在抑制剂、特定肽段、基因修饰的胸腺细胞或基质细胞群体存在或缺失条件下胸腺选择的过程。胸腺切片也适用于叠加除胸腺细胞亚群以外的其他细胞群体。例如,最近的研究表明,叠加在胸腺切片上的树突状细胞能够有效迁移进入组织,并支持阴性选择和Treg的发育39,43。迄今为止的研究均使用预选择的双阳性(DP)胸腺细胞或总胸腺细胞来研究阳性与阴性选择。尽管T细胞在胸腺切片中至少可发育4天,但如果希望使用更早期的前体细胞群体开展实验,则需注意该系统的局限性:由于细胞死亡以及缺乏包被膜结构,胸腺切片的质量在培养1至2天后即开始下降。
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
我们感谢 Marilaine Fournier 对手稿的评论以及 Josée Tessier 提供的技术支持。C57BL/6-Tg (OT-I)-RAG1 #4175 小鼠通过美国国家过敏与传染病研究所(NIAID)交换项目(NIH)获得。本研究得到了病童基金会和 CIHR-IHDCYN(NI15-002)的资助,CIHR-III(MOP-142254)的运行基金,以及来自魁北克健康研究基金会(FRQS)青年研究人员启动基金(Établissement de jeunes chercheurs)和霍舍维尔-罗斯蒙特医院基金会向 HJM 提供的启动资金支持。HJM 是魁北克健康研究基金会(FRQS)的初级一级学者、加拿大健康研究院(CIHR)新研究者(MSH-141967)以及科尔基金会早期职业转型奖获得者。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 振动切片机 | Leica Biosystems | VT1000S | |
| NuSieve GTG 琼脂糖 | Lonza | 50080 | 低熔点琼脂糖 |
| 包埋模具(截断型 - T12) | Polyciences | 18986 | 22 mm × 22 mm 方形,截断至 12 mm × 12 mm |
| 双刃切片刀 | Personna | 74-0002 | |
| 组织粘合剂 | 3M | 1469SB | |
| 0.4 µm 细胞培养小室插件 | BD Falcon | 353090 | 在测试的多个品牌中,该产品能最有效地使细胞保持在组织切片上方 |
| 杜氏磷酸盐缓冲液 | ThermoFisher | 21600-010 | |
| 含 L-谷氨酰胺的 RPMI-1640 培养基 | Wisent | 350-000-CL | |
| 胎牛血清 | Wisent | 080-110 | 经热灭活处理 |
| L-谷氨酰胺,200 mM | Wisent | 609-065-EL | |
| 青霉素/链霉素,100 倍浓度 | Wisent | 450-201-EL | |
| 2-巯基乙醇 | Alfa Aesar | A15890 | |
| 15 ml Tenbroeck 组织研磨器 | Wheaton | 357426 | |
| 尼龙筛网滤器 | Component Supply | U-CMN-255 | |
| 微量离心管样品研磨杵 | Bel-Art | F19922-0000 | |
| 40 µm 尼龙细胞筛 | BD Falcon | 352340 | |
| 不锈钢尖头镊子 | Dumont | RS-5047 | 细尖弯头镊子,尺寸为 0.17 × 0.10 mm |
| 微型镊子 | Dumont | RS-5090 |
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