我们介绍了利用荧光标记的髓鞘碎片和细胞内脂滴染色来评估原代小鼠骨髓来源巨噬细胞吞噬能力的方法。
我们介绍了利用荧光标记的髓鞘碎片和细胞内脂滴染色来评估原代小鼠骨髓来源巨噬细胞吞噬能力的方法。
骨髓来源的巨噬细胞(BMDMs)是一类成熟的白细胞,作为专业的吞噬细胞,在清除多种颗粒物质方面发挥关键的生理作用。正常情况下,BMDMs 被限制在中枢神经系统(CNS)之外,但在发生损伤后,它们可迅速浸润进入 CNS。一旦进入受损的中枢神经系统组织,BMDMs 即成为清除损伤来源的细胞碎片的主要细胞类型,包括大量富含脂质的髓鞘碎片。BMDM 浸润及其对髓鞘碎片的吞噬作用在中枢神经系统中引发的神经病理学影响复杂,目前尚未完全明确。本文所述的实验方案可用于直接 体外 在中枢神经系统损伤背景下对BMDMs的研究。本文涵盖了小鼠BMDM的分离与培养、髓鞘碎片的制备,以及评估BMDM吞噬髓鞘碎片能力的实验方法。这些技术可产生稳定且可量化的结果,无需大量专用设备或材料,同时可根据研究人员的具体需求进行灵活调整。
骨髓来源的巨噬细胞(BMDMs)是连接先天免疫系统与适应性免疫系统的重要环节。作为抗原呈递细胞(APCs),它们可通过抗原呈递和细胞因子释放与淋巴细胞进行通讯1,2,3。然而,作为专业的吞噬细胞,其主要功能是清除病原体、衰老细胞及细胞碎片1,4。在脊髓损伤(SCI)后,大量髓鞘碎片由负责中枢神经系统(CNS)轴突髓鞘形成的少突胶质细胞死亡而产生5。我们及其他研究团队已证实,髓鞘碎片的清除主要由浸润的BMDMs负责5,6,7。然而,在脊髓损伤部位,吞噬髓鞘碎片可能促使这些原本具有抗炎特性的细胞转变为促炎状态5,8,9。由于BMDMs在损伤脊髓中是神经炎症的关键介导者,因此成为重要的临床干预靶点。
为了帮助研究BMDMs在损伤脊髓中的作用,我们开发了一种 体外 用于直接研究BMDM对髓鞘碎片的反应。为提高生物学相关性,这些研究中使用了原代小鼠BMDM和新鲜分离的髓鞘碎片。因此,本文所述方法还包括原代小鼠BMDM的分离与培养,以及一种改良的蔗糖梯度法用于分离小鼠中枢神经系统来源的髓鞘碎片10,11,12髓鞘碎片可轻易用荧光染料羧基荧光素琥珀酰亚胺酯(CFSE)进行标记,以追踪其被骨髓来源巨噬细胞(BMDMs)的内化过程。CFSE 非常适用于此应用,因其无细胞毒性,且具有狭窄的荧光发射光谱,可与其他荧光探针进行多重标记。13,14吞噬作用发生后,髓鞘碎片中的脂质通过溶酶体转运,并以中性脂质形式包裹进入细胞内脂滴5为定量分析这种细胞内脂质蓄积,我们提供了一种经优化用于定量图像分析的油红O(ORO)染色方法。该染色方法简便,结果稳定且可重复,并可实现定量。15这些方法可在有限的专用设备条件下,促进对髓鞘碎片吞噬作用及脂质滞留的研究。
本文及第2节所述方法已获得佛罗里达州立大学机构动物照护与使用委员会(IACUC)批准,并遵循以下指南中规定的要求: 实验动物护理和使用的指南,8th 版本本方案中使用的所有动物在使用前均饲养于专用的实验动物设施中。无 在体 在动物处死前完成实验操作。动物数量根据实验需求确定,以平均细胞和髓鞘采集量为参考,以尽量减少使用数量。
注意:本实验方案描述了骨髓来源巨噬细胞(BMDMs)的制备(第1节)、荧光标记脑源性髓鞘碎片的制备(第2节)、分析髓鞘碎片吞噬作用的一般流程(第3节),以及分析髓鞘碎片脂质积累的一般流程(第4节)。试剂配制、细胞收获与操作、髓鞘收集与标记以及实验操作均应在层流生物安全柜中完成。
1. 原代骨髓来源巨噬细胞的制备
2. 荧光标记的脑源性髓鞘碎片的制备
注意:所有试剂可在 4 °C 下保存长达 1 个月。
3. 髓鞘碎片吞噬实验
注意: 以下是观察荧光标记髓鞘碎片吞噬作用的基本方法。其他处理和实验条件的添加需由研究人员自行优化。
4. 通过油红O染色法定量细胞内脂质
注意: 以下是观察细胞内髓鞘碎片来源脂质的基本方法。由于光谱重叠,不建议使用CFSE标记的髓鞘碎片对油红O染色进行荧光定量。其他处理方法和实验条件的添加需由研究者自行优化。
用CFSE标记的髓鞘碎片处理BMDM应能观察到明显的内化现象(图2)。虽然3小时的相互作用时间已足以使BMDM吞噬足够量的髓鞘碎片,从而实现稳定的下游检测,但在仅1小时的相互作用后即可观察到细胞内积累。然而,洗涤后仍可能有部分髓鞘碎片残留在细胞表面,这可能是由于洗涤不充分,或在吞噬早期阶段颗粒尚未完全内化所致。
尽管BMDM能够快速内吞髓鞘碎片,但在形成油红O可染脂滴之前,需要经过溶酶体加工处理。为证明这一点,将BMDM与髓鞘碎片共孵育90分钟,随后洗涤,并在固定和染色前继续培养不同时间(图3)。图4显示,从处理开始到中性脂质出现之间存在延迟。还应注意,脂质在培养过程中并不稳定。BMDM在脂滴形成后不久即开始代谢所积累的脂质。因此,我们建议在洗去未吞噬的髓鞘碎片后,至固定前的等待时间不超过24小时。
ORO 染色面积的定量分析可反映 BMDM 中髓鞘脂质代谢的速率(图 5)。经过 90 分钟的相互作用后,将细胞重新置于新鲜 CMCM 中继续培养。在更换新鲜培养基后的早期追踪阶段,BMDM 将吞噬的髓鞘碎片中的脂质组分代谢为可被 ORO 染色的中性脂质。在相互作用后的数小时内,ORO 阳性面积通常呈持续增加趋势。然而,24 小时后,BMDM 已经外排或代谢了大部分细胞内脂质。

图1:典型的骨髓来源巨噬细胞(BMDM)培养物。 初始时仅可见少量贴壁细胞。第3天时,去除所有非贴壁细胞。至第7天,可见成熟的骨髓来源巨噬细胞。比例尺 = 50 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2:BMDM髓鞘碎片吞噬实验的代表性图像。 细胞经1 mg/mL CFSE标记的髓鞘碎片处理1小时后,洗涤并用4%多聚甲醛固定。可在具备落射荧光功能的显微镜上使用标准GFP滤光片观察内化的髓鞘碎片。比例尺 = 50 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:油红O(ORO)实验设计示意图。 BMDM用1 mg/mL髓鞘碎片(1:100稀释)处理90分钟,随后洗涤,并在新鲜培养基中继续培养,之后进行固定。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:骨髓来源巨噬细胞在吞噬髓鞘碎片后的油红O染色。 在指定时间点用4%多聚甲醛固定后,对BMDM细胞进行油红O和Hoechst 33258染色。图中展示了各时间点的代表性图像。比例尺 = 100 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:ORO染色的定量图像分析。 为定量分析ORO染色,每个实验孔在20倍镜下拍摄5张图像,共检测3个孔。所有图像采集参数保持一致。误差线 = 标准误(SEM)(n=3)。请点击此处查看该图的高清版本。
本文所述实验步骤同时使用新鲜分离的粗制中枢神经系统髓鞘碎片和原代骨髓来源的巨噬细胞。为了减少动物使用量,建议在处死小鼠时同时采集脑组织和骨髓细胞。两名研究人员可协作同时制备两种材料。 alternatively,脑组织可在含抗生素的磷酸盐缓冲液(PBS)中保存于 -80 °C,以备后续进行髓鞘碎片的分离。根据我们的经验,在此条件下保存长达1个月,脑组织产生髓鞘碎片的能力不会出现明显下降。
CFSE 被用于标记髓鞘碎片,因其使用简便且荧光强度高。该染料在细胞内酯酶切除分子上的乙酸基团之前保持淬灭状态14。游离的琥珀酰亚胺酯基团随后可与伯胺发生反应,从而共价结合到细胞蛋白上14。虽然 CFSE 可通过标准的绿色荧光通道激发,但目前已有多种具有不同光谱特性的衍生物商业化供应。因此,可以设计一种类似的吞噬实验,使用多种荧光染料进行标记。还应注意,由于该染料可轻易穿过质膜,因此也可用于以类似标记髓鞘碎片的方式标记凋亡细胞19。此外,尽管本方法依赖于标准的图像分析,但在用户优化条件下,也可通过流式细胞术或高通量微孔板成像系统进行定量分析。
油红O(又称溶剂红27或苏丹红5B)是一种脂溶性染料,广泛用于组织学样本中中性脂质的染色。其深红色染料可通过明场显微镜和荧光显微镜对细胞内脂质进行可视化5,20。使用荧光显微镜可实现单通道成像,并对油红O染色的脂滴进行稳健的定量分析。尽管染色方法简单且高度可重复,但在样本制备过程中必须谨慎操作。关键在于不能使用基于酒精或酸的固定剂,因为它们可能溶解细胞内脂质,导致染色强度显著降低。此外,与任何定量图像分析一样,标准化的图像采集参数和充分的无偏采样至关重要。建议使用染色对照以校正样本的自发荧光。此类染色对照应与实验组处理完全相同,但不进行油红O染色,以测定背景自发荧光水平。即便如此,与其它脂质定量技术(如油红O提取法21)相比,我们的图像分析方法所需的优化更少,后者需要制备标准曲线,实验变异性更高,且必须破坏样本。基于图像的分析方法相较于传统的油红O提取法具有多项优势,包括非破坏性以及可与免疫染色兼容21,22。
最后,尽管上述操作步骤相对简单,但仍必须采用正确的无菌技术,因为巨噬细胞表达多种可识别病原体相关分子模式(PAMPs)的受体,例如内毒素脂多糖(LPS)23。与细菌污染物的相互作用将导致巨噬细胞活化,并可能显著改变其功能24,25。对于收集的髓鞘碎片,建议检测是否存在污染。鲎试剂变形细胞溶解物(limulus amebocyte lysate, LAL)检测等内毒素检测方法具有高灵敏度,此前已用于此类应用5,19。
巨噬细胞在健康和疾病中均发挥重要作用,然而骨髓来源巨噬细胞(BMDMs)在中枢神经系统损伤背景下的作用目前仍是研究的重要课题。通过采用此处描述的方法,研究人员可开始更深入地理解BMDMs对髓鞘碎片的吞噬机制。
作者谨此感谢佛罗里达州立大学医学院媒体专家 Glenn Sanger-Hodgson 在视频制作、剪辑和配音方面所做的全部工作。
本工作由美国国立卫生研究院(R01GM100474 和 R01GM072611)资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| DMEM | GE Healthcare Life Sciences | SH30243.01 | 高糖,含L-谷氨酰胺和丙酮酸钠 |
| 青霉素-链霉素溶液 | Corning | 30-002-CI | 100倍浓缩液 |
| 新生小牛血清(NCS) | Rocky Mountain Biologics | NBS-BBT-5XM | 源自美国 |
| NCTC clone 929 [L细胞,L-929,Strain L的衍生株] | ATCC | CCL-1 | 用于制备条件培养基的L929细胞系 |
| 24孔细胞培养板 | VWR | 10062-896 | |
| 细胞培养皿 | Greiner Bio-One | 639960 | 聚苯乙烯,145/20 mm |
| CFSE细胞增殖检测试剂盒 | Thermo Fisher | C34570 | 提供用于重悬的DMSO |
| 含Tris缓冲液的Fluoro-gel | Electron Microscopy Sciences | 17985-11 | |
| 油红O | Sigma Aldrich | O0625 | |
| 仪器 | |||
| 材料 | 公司 | 货号 | 备注 |
| 超速离心管 | Beckman Coulter | 326823 | 薄壁,聚丙烯,38.5 mL,25 × 89 mm |
| SW 32 Ti超速离心转子 | Beckman Coulter | 369650 | SW 32 Ti转子,摆桶式,钛合金 |
| 手持式旋转匀浆器 | Fisher Science | 08-451-71 |