本文介绍了用于质谱流式细胞术分析的样本采集与处理方法。
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本文介绍了用于质谱流式细胞术分析的样本采集与处理方法。
质谱流式细胞术利用与重金属标签偶联的抗体,这一方法显著增加了可检测的参数数量,极大地拓展了深度分析的可能性,远超传统基于荧光的流式细胞术所能达到的范围。与任何新技术一样,存在若干关键步骤有助于确保可靠地生成高质量数据。本文提供了一项经过优化的实验方案,整合了多种用于质谱流式细胞分析样本处理的技术。文中所述方法将帮助使用者避免常见误区,通过减少实验变异性获得稳定可靠的结果,从而防止数据失真。为指导实验设计,本文还阐述了方案中可选或替代步骤背后的科学依据,以及这些步骤在揭示所研究生物系统新发现方面的有效性。最后,提供了代表性数据以展示采用本方案技术所能获得的预期结果。
细胞计量技术能够在大量细胞群体中对单个细胞水平的多种抗体靶标进行同时检测。在传统的基于荧光的流式细胞术中,可定量的参数数量受限于多种荧光染料发射光谱之间的光谱重叠,随着检测参数数量的增加,需要进行日益复杂的补偿计算。质量细胞术克服了这些限制,该技术通过飞行时间(TOF)质谱法检测和定量重金属标记的抗体,从而显著增加可同时采集的参数数量,并为每个单细胞提供高维度的蛋白质丰度谱型。
了解质谱流式细胞仪的基本工作原理对用户很有帮助,且可能对故障排查至关重要。有关质谱流式细胞仪调谐和运行的更详尽描述,请参见相关论文1。简而言之,细胞样本使用一组金属标记的抗体进行标记,这些抗体靶向细胞表面标志物、胞质蛋白、核蛋白、染色质结合蛋白或其他感兴趣的表位(图1i)。标记后的细胞通过手动进样逐个加载到仪器上,或使用自动进样器从96孔板中取样加载。加载的细胞通过雾化器注入,产生包裹细胞的液滴喷雾(图1ii)。该喷雾被定位,使细胞被氩等离子体炬电离。此电离过程生成由每个细胞所有组成原子构成的粒子云(图1iii)。当该粒子云向检测器移动时,四极杆质谱过滤器将低原子质量的原子与高质量离子分离。剩余的高质量离子继续进入检测器,在此每种同位素的丰度被定量(图1iv)。检测器收集的原始数据由质谱流式细胞仪软件分析,以识别细胞事件。对于每个识别出的细胞事件,各通道检测到的信号被定量并保存至输出的.fcs文件中。用于检测重金属标记抗体的质量通道之间光谱重叠极小,通常在0–4%之间,大多数重叠低于1%。由于通道间串扰极低,通常在分析前无需使用补偿矩阵对数据进行转换2。然而,在设计实验用抗体组合时应谨慎,确保高丰度表位的抗体不被分配至会对低丰度抗体所用通道产生信号干扰的质量通道,否则可能导致接收信号贡献的通道出现人为偏高的细胞群。
质谱流式细胞术分析的样本制备过程在很大程度上取决于所采集样本的类型以及待验证的实验假设。本文提供了两种获取不同类型细胞的实验方案示例:一种为人类胚胎干细胞,另一种为原代细胞(小鼠乳腺肿瘤上皮细胞分离物)。在启动质谱流式细胞术研究时,建议首先开展小规模的预实验,以确保所有拟使用的实验方案和抗体在研究者操作条件下均能正常工作。当使用定制偶联抗体时,这一步骤尤为重要,因为在抗体偶联过程中所涉及的部分还原反应可能会影响抗体的亲和力;因此,每种定制抗体均需通过实验进行经验性验证,以确保数据的准确性。其他需要考虑的因素包括:确定实验中拟使用的细胞表面抗体是否能在固定后仍识别其表位,或是否必须在活细胞上进行染色。某些固定方法可能会阻碍细胞表面抗体的正常染色,例如已知肽段-MHC复合物的染色即会受到此类影响3,4。对于某些抗体而言,可能必须在活细胞上进行细胞表面抗体染色,但这将排除在抗体标记前进行条形码标记(barcoding)的可能性,因为大多数条形码标记方法均在固定后进行5,尽管基于抗体的条形码标记方法6,7是一个例外。
在确定用于分析的细胞数量时,需要注意的是,加载到仪器上的细胞仅有部分会被检测并产生数据。这种损失主要源于雾化器在炬管处喷雾样品时的效率不足。具体的损失百分比取决于质谱流式细胞仪的设置和细胞类型,通常在50%至85%之间,因此在实验设计时应予以考虑。本方案已针对每样本2×106个细胞进行优化,但也可根据需要调整用于处理更小或更大的样本量。对于1×106至4×106范围内的样本量,本方案只需极少修改即可适用,但在同一实验中必须保持样本量的一致性。细胞数量的变化可能影响条形码标记和抗体染色的强度,因此在需要直接比较的样本之间,细胞数量应大致保持一致。
某些实验步骤,例如死细胞标记和DNA标记,在绝大多数甚至所有实验设计中都应进行。在仅分析表面标志物的实验中,可使用Rh103进行死细胞标记,但在需要透膜处理的实验中应避免使用Rh103,因为它会导致染色信号丢失。对于涉及透膜处理的实验,建议使用顺铂8,并尽可能联合使用识别裂解型PARP或裂解型Caspase的抗体,以检测凋亡细胞和死亡细胞。
样本条形码技术可减少抗体消耗、缩短检测时间,并消除样本间的变异9。条形码技术的原理是对所有细胞标记独特的、针对特定样本的编码,从而在后续分析中将每个细胞准确归类至其来源样本。完成条形码标记后,可在抗体染色前将样本混合,该步骤可确保所有样本经历一致的染色条件。为最大限度降低实验误差,建议对需要直接比较的样本进行条形码标记并合并处理。目前已有多种适用于质谱流式分析的样本条形码方法5,6,7,本文将介绍其中两种(见下文)。
利用目前可用的试剂,可以在多组样本的多重实验中定量检测38种抗体靶标,识别处于S期的细胞10,区分活细胞与死细胞8,以及测量细胞内的缺氧水平11。这种对大规模细胞群体获取高参数单细胞数据的能力,有助于更精确地分析高度异质性的细胞群体,并已产生多项新的生物学发现12,13,14,15,16。将由此产生的复杂数据提炼为可解释的信息,需要借助计算算法,包括密度归一化事件的生成树进程分析(Spanning Tree Progression of Density Normalized Events, SPADE)17和可视化t-随机邻域嵌入(viSNE)18。
本文介绍了质谱流式细胞术实验的设计与实施方法,并概述了质谱流式细胞术数据的基本分析方法。
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1. 细胞收获
2. 条形码标记
注意:虽然本文同时介绍了单同位素顺铂条形码和钯条形码的使用方法,但可根据实验需求独立使用其中一种,或完全不使用。
3. 细胞表面染色
注意:在固定之前,可对活细胞进行细胞表面染色。对于那些在固定后对其表位亲和力下降的抗体,此步骤可能是必要的。某些细胞样本在抗体标记前可能需要额外的封闭步骤,例如白细胞的Fc受体封闭,以降低背景信号。最佳封闭条件应根据具体的样本类型通过实验确定。
4. 细胞通透化与细胞内染色
5. 铱标记
6. 准备样品以进行采集
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本方案可广泛适用于多种培养细胞和原代细胞样本,仅需少量修改。根据实验需求,可在无需某些步骤(如条形码标记或细胞表面染色)时,以模块化方式执行该方案。若完整使用本方案,则可制备用于多重质谱流式分析的样本,实现死细胞排除、S期细胞群鉴定,并对多达38种抗体靶标进行定量检测。
本方案所述方法产生的预期结果(图2)如图3所示。数据采集后,可在质谱流式软件中根据校准微球的信号强度对信号强度进行归一化处理。归一化后,可使用任何具备流式细胞数据分析能力的软件手动进行初步数据处理,包括去除校准微球、圈选单细胞以及去除死细胞。去除校准微球可通过圈选 Ir191+ Ce140- 群体(图3A)手动完成,或使用基于 MATLAB 的算法20实现。通过在 Ir193 与事件长度(Event Length)的双轴图上设门(
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本文所述方案已成功用于多种培养细胞系(H1 和 H9 人胚胎干细胞、小鼠胚胎干细胞、MCF7、HEK 293、KBM5、HMEC、MCF10a)以及原代组织样本(小鼠骨髓、小鼠胚胎肝脏、小鼠成年肝脏、小鼠肿瘤)的处理。无论样本来源如何,任何能够解离为单细胞并同时保持细胞状态的组织均适用于质谱流式细胞术分析,但可能需要对方案进行一定优化。需要注意的是,特定的解离、固定和通透处理可能会影响某些表位,因此这些方法可能需要根据样本进行特异性优化。如果某个抗体信号较弱,可通过在活细胞上进行细胞表面标记、更换通透方法或缩短固定时间来改善信号强度。
在实验设计允许的情况下,在样本处理流程中引入条形码技术可确保样本在细胞浓度和抗体浓度水平上的一致性。如果不使用条形码,即使在样本处理过程中已尽可能严格控制条件,仍可能在不同样本之间引入抗体浓度和细胞浓度的微小差异。此外,由于不同样本中特定表位阳性细胞的比例可能存在差异,即使总体抗体浓度保持一致,有效抗体与表位的比例在不同样本间也可能必然不同,从而可能导致抗体染色结果的不一致。这些差异在单通道检测时通常较小,但在进行高参数实验时可能被显著放大,若在数据...
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作者无任何利益冲突需要披露。
Barton 实验室的工作得到了德克萨斯州癌症预防与研究所(CPRIT RP110471)资助项目的支持。本研究部分得到了美国国立卫生研究院分子遗传学培训项目资助的培训基金支持,该基金授予瑞安·L·麦卡锡(Ryan L. McCarthy),项目编号为 5 T32 CA009299。负责维护和运行质谱流式细胞仪的核心设施得到了德克萨斯州癌症预防与研究所资助(RP121010)以及美国国立卫生研究院核心资助(CA016672)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| mTeSR1 培养基试剂盒 | Stem Cell technologies | 05850 | 使用前于室温下回温 |
| DMEM F-12 | ThermoFisher | 11330-032 | 使用前在 37 °C 下预热 |
| Accutase | Stem Cell technologies | 07920 | 使用前在 37 °C 下预热 |
| 牛血清白蛋白 | Equitech | BAH62 | |
| 磷酸盐缓冲液 | Hyclone | SH30256.01 | |
| 皂苷 | Sigma-Aldrich | 47036 | |
| Cell ID Pt194 | Fluidigm | 提供浓度为 1 mM | |
| Cell ID Pt195 | Fluidigm | 提供浓度为 1 mM | |
| Cell ID Pt196 | Fluidigm | 提供浓度为 1 mM | |
| 顺铂 | Enzo Life Sciences | ALX-400-040-M250 | 可溶于 DMSO 至 25 mg/mL |
| Cell-ID 20-plex Pd 条形码试剂盒 | Fluidigm | 201060 | |
| 5-碘-2'-脱氧尿苷 | Sigma-Aldrich | I7125 | 可溶于 0.2 N NaOH 至 74 mg/mL |
| 铑 103 插入剂 | Fluidigm | 201103A | |
| 甲醇 | Fisher | BP1105-4 | 使用前于 -20 °C 冷却 |
| 叠氮化钠 | Sigma-Aldrich | S2002 | |
| 5 mL 圆底管 | Falcon | 352058 | |
| 5 mL 35 μm 滤帽管 | Falcon | 352235 | |
| EQ 四元素校准微珠 | Fluidigm | 201078 | |
| 透明质酸酶 I-S 型 | Sigma-Aldrich | H3506 | |
| 产气荚膜梭菌胶原酶 | Sigma-Aldrich | C9891 | |
| 一次性手术刀 #10 | Sigma-Aldrich | Z69239 |
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