本文介绍了一种分离和培养小鼠腹腔肥大细胞的实验方案。同时,我们还描述了两种用于其功能表征的方法:一种是通过荧光成像检测细胞内游离Ca2+浓度的变化,另一种是基于比色法定量释放的β-己糖胺酶来评估脱颗粒反应的实验方法。
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本文介绍了一种分离和培养小鼠腹腔肥大细胞的实验方案。同时,我们还描述了两种用于其功能表征的方法:一种是通过荧光成像检测细胞内游离Ca2+浓度的变化,另一种是基于比色法定量释放的β-己糖胺酶来评估脱颗粒反应的实验方法。
肥大细胞(MCs)作为免疫系统的一部分,在抵御多种病原体以及启动过敏免疫反应中发挥关键作用。通过高亲和力IgE受体(FcεRI)与表面结合的IgE发生交联,以及其他多个受体的刺激,可激活肥大细胞,引发细胞内游离Ca2+浓度([Ca2+]i)升高,从而促进炎症和过敏介质的释放。鉴定参与这些信号通路的分子组分,对于理解肥大细胞功能的调控机制至关重要。本文描述了一种通过腹腔灌洗分离小鼠结缔组织型肥大细胞并培养腹腔肥大细胞(PMCs)的实验方案。利用该方法培养来自不同基因敲除小鼠模型的肥大细胞,是鉴定参与肥大细胞信号通路蛋白的有效手段。此外,我们还介绍了一种单细胞Fura-2成像技术的实验方案,该技术是定量检测肥大细胞中Ca2+信号的重要方法。基于荧光的[Ca2+]i监测是一种可靠且常用的技术,可用于研究包括钙库操纵性钙内流在内的Ca2+信号事件,后者对肥大细胞的活化尤为重要。在肥大细胞脱颗粒分析方面,我们描述了一种β-己糖苷酶释放实验。释放到培养基中的β-己糖苷酶含量被视为肥大细胞中三种不同分泌亚群的脱颗粒标志物。通过微孔板比色法,利用显色底物与β-己糖苷酶发生反应,可方便地定量检测其含量。该技术高度可重复、成本低廉,且无需特殊设备。总体而言,本方案可获得高产量的肥大细胞,这些细胞表达典型的肥大细胞表面标志物,具有典型的形态学和表型特征,并在Ca2+成像和脱颗粒实验中对分泌刺激剂表现出高度可重复的反应。
肥大细胞(MCs)在先天性和获得性免疫反应中发挥重要作用。具体而言,肥大细胞参与杀灭病原体(如细菌和寄生虫),并可降解潜在的有毒内源性肽或毒液成分(综述见Galli et al. 20081)。肥大细胞在先天免疫和适应性免疫中的生理功能目前仍存在激烈争论。因此,针对不同肥大细胞缺陷型小鼠模型的研究中出现的大量数据差异,迫切需要对肥大细胞在过敏反应之外的免疫学功能进行系统性重新评估2。成熟的肥大细胞主要定位于皮肤、肺和肠道等组织和器官中,通常在血液中仅少量存在。肥大细胞来源于造血前体细胞,例如肥大细胞祖细胞,并在几乎所有血管化组织的微环境中完成其分化和成熟过程1。T细胞来源的因子白细胞介素(IL)-3可选择性促进小鼠多能性肥大细胞群体从其造血祖细胞存活、增殖和分化3。干细胞因子(SCF)由组织中的结构细胞产生,在肥大细胞的发育、存活、迁移和功能中起关键作用4。单个肥大细胞的特性可能因其合成和储存不同蛋白酶或蛋白聚糖的能力而有所差异。在小鼠中,根据解剖定位、形态以及肝素和蛋白酶含量的不同,可将所谓的结缔组织型肥大细胞与黏膜型肥大细胞区分开来5。
在肥大细胞(MCs)中,胞质游离Ca2+ ([Ca2+]i)浓度的升高对于抗原及多种分泌刺激物诱导的脱颗粒、二十碳烯酸类物质的生成,以及细胞因子的合成和转录因子的活化均至关重要6。这些刺激的主要下游靶点是磷脂酶C,它可将磷脂酰肌醇4,5-二磷酸水解为二酰甘油(DAG)和肌醇1,4,5-三磷酸。DAG激活蛋白激酶C,而IP3则促使内质网释放Ca2+ 离子。这些储存池的耗竭会激活质膜Ca2+通道介导的Ca2+ 内流,从而引发储存操作性钙进入(SOCE)。该过程通过内质网中的Ca2+感受器——基质相互作用分子1(Stim1)与Orai1的相互作用而触发7,同时也涉及质膜上瞬时受体电位经典型(TRPC)通道蛋白的激活(综述见Freichel et al. 20148)。
为了研究这些通道的生理功能,通常采用多种药理学方法(如通道阻断剂的应用)或遗传学手段。在后者中,可通过靶向 mRNA(敲低)或对基因组 DNA 进行全局性或组织特异性编辑来实现蛋白表达的抑制9 删除编码通道孔形成亚基的外显子(基因敲除)。目前可用于这些通道且具有足够特异性的阻断剂十分有限。此外,敲低方法需要通过有效性的严格对照来谨慎验证其效果, 例如,蛋白质印迹分析,并且在许多情况下受到针对目标通道蛋白的特异性抗体无法获得的限制。因此,基因敲除小鼠模型的使用仍被视为此类分析的金标准。一种优选的 体外 用于研究MC功能的模型是培养可分离的PMCs 离体 作为完全成熟的群体(而非正在分化的肥大细胞) 体外 从, 例如骨髓细胞10与常用于研究肥大细胞功能的骨髓来源肥大细胞(BMMCs)相比 体外,FcεRI 的刺激以及 β-己糖胺酶的释放分别在肥大细胞中增加了 8 倍和 100 倍。本文中,我们描述了一种小鼠肥大细胞分离与培养的方法,该方法能够获得 培养2周后,可获得大量纯化的结缔组织型肥大细胞,足以用于后续分析。
尽管基因编码的钙指示剂在开发和应用方面已取得最新进展,但其使用仍受限于将基因递送至靶细胞的困难,特别是在原代培养的肥大细胞(MCs)等高度特化的细胞中。此外,用于细胞内钙离子浓度([Ca2+]i)检测的这类荧光指示剂仍缺乏具有高动态范围的比率型染料。因此,目前进行比率型[Ca2+]i检测的首选方法仍然是使用荧光染料"Fura-2"11。
目前,评估肥大细胞(MC)活化和脱颗粒最常用的方法是检测β-己糖胺酶活性。β-己糖胺酶是一种过敏介质,是肥大细胞颗粒成分之一,与组胺以恒定比例从肥大细胞中共释放12。通过该酶与特异性底物的反应,可简便且准确地测定β-己糖胺酶活性,该反应生成可定量的显色产物,可在微孔板比色法中轻松检测。本文报道了该技术在分析原代肥大细胞(PMC)对多种刺激物产生脱颗粒反应中的应用。
高亲和力质膜IgE受体(FcɛRI)在肥大细胞(MCs)中的聚集会激活一条多功能的细胞内信号通路,导致分泌性颗粒内容物释放到周围的细胞外空间。除特异性抗原外,许多其他刺激物也可激活肥大细胞,释放多种免疫调节介质,例如补体过敏毒素(如,C3a和C5a)13、血管收缩肽内皮素1(ET1)14,以及多种阳离子物质和可引发假性过敏反应的药物(如,依卡替班)15,这些物质通过与MRGPRX2结合发挥作用16。相较于FcɛRI介导的细胞内信号通路,MRGPR诱导肥大细胞脱颗粒所涉及的细胞内信号通路目前仍知之甚少;自该受体被鉴定以来16,相关通路才在过去几年中开始受到深入研究17。目前,MRGPRX2激活后介导钙离子内流的质膜离子通道仍不明确。因此,本文还重点探讨了由MRGPR激动剂刺激所引发的肥大细胞内钙信号转导及脱颗粒过程。
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所有动物实验均按照德国实验动物护理与使用法律法规进行(已由卡尔斯鲁厄地区委员会正式批准)。
1. 腹腔灌洗法分离与培养PMC
| 1 | 冰 |
| 2 | 10 mL 注射器 |
| 3 | 27 G 针头 |
| 4 | 20 G 针头 |
| 5 | 泡沫塑料块和固定针 |
| 6 | 收集管(50 mL 塑料离心管) |
| 7 | 70% 乙醇 |
| 8 | RPMI 培养基(预冷并置于冰上) |
| 9 | PMC 培养基:RPMI 培养基 + 20% FCS(胎牛血清)+ 1% 青霉素-链霉素溶液(Pen-Strep) |
| 10 | 杜尔贝科磷酸盐缓冲液 - DPBS(不含 Ca2+ 和 Mg2+) |
| 11 | 培养瓶(25 cm) |
| 12 | 生长因子储备液(IL-3:1 μg/μL;SCF:2.5 μg/mL) |
| 13 | 血清移液管(10 mL) |
| 14 | 无菌移液器吸头(20–200 µL) |
| 15 | 血细胞计数板 |
| 16 | 台式离心机 |
| 17 | 剪刀和镊子 |
| 18 | 小鼠用 CO2 麻醉室 |
| 19 | 开放式无菌操作台 |
| 20 | 封闭式无菌操作台 |
| 21 | 细胞培养箱(37 °C 和 5% CO2) |
| 22 | 移液器(20–200 µL) |
表1:步骤1所需材料。
2. PMCs 中细胞内游离钙浓度的荧光测定
| 1 | PMC(12–15 天龄)1 × 106 个细胞/mL |
| 2 | Concanavalin A |
| 3 | Fura-2 AM |
| 4 | Pluronic F-127 20% 溶液 |
| 5 | 圆形盖玻片;直径 25 mm;1 号 |
| 6 | DNP-HSA(二硝基苯酚-人血清白蛋白)储备液 |
| 7 | 抗 DNP 抗体(IgE)储备液 |
| 8 | 平底培养板(12 孔) |
| 9 | Compound 48/80 储备液 |
| 10 | Cover Well 成像培养皿 |
| 11 | 血细胞计数板 |
| 12 | 移液器吸头(20–200 µL) |
表2:步骤2所需材料。
3. 肥大细胞中β-己糖胺酶释放量的测定
| 1 | PMC(12–15 天龄)1 × 106 个细胞/mL |
| 2 | 抗 DNP 抗体(IgE)储备液 |
| 3 | DNP-HSA 储备液 |
| 4 | 化合物 48/80 储备液 |
| 5 | 离子霉素 |
| 6 | 96 孔板,V 形底 |
| 7 | 96 孔板,平底 |
| 8 | 塑料离心管(15 mL) |
| 9 | 血清移液管 |
| 10 | 细胞培养箱(37 °C 和 5% CO2) |
| 11 | 台式离心机 |
| 12 | 用于光密度测定的酶标仪 |
| 13 | 多通道移液器(20–200 μL) |
| 14 | 血细胞计数板 |
表3:步骤3所需材料。

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通过腹腔灌洗法从3只野生型小鼠(C57BL/6N)中分离出肥大细胞前体(PMCs),并在补充有20%胎牛血清(FCS)、1%青霉素-链霉素以及生长因子(含10 ng/mL IL-3和30 ng/mL SCF)的RPMI培养基中,于37 °C、5% CO2的无菌湿润环境中进一步培养。在细胞分离后的第2天和第9天更换培养基。使用透射光微分干涉差(DIC)成像技术分析细胞形态(见图1A, B)。细胞对比度和颗粒性显示细胞活力良好。在此条件下培养2周后,获得数量为1.5 × 107的均一细胞群体。对细胞进行FITC标记的抗IgE抗体和PE标记的抗c-Kit抗体共染色后,流式细胞术分析显示,98.6%的细胞为FITC阳性,99.8%的细胞为PE阳性(图1C)。98.5%的培养细胞同时表达FITC和PE双阳性(图1...
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肥大细胞(MC)模型可成功用于研究肥大细胞脱颗粒、趋化、黏附,以及阐明参与肥大细胞活化的细胞内信号转导通路。一些研究人员使用人源肥大细胞模型,例如永生化细胞系(LAD2 和 HMC1),或来源于脐带血前体细胞(CD133+)及外周血前体细胞(CD34+)的人肥大细胞。另一些研究人员则偏好啮齿类动物肥大细胞模型,例如永生化细胞系(大鼠嗜碱性白血病细胞 RBL-2H3 肥大细胞系)或原代培养模型(小鼠骨髓来源肥大细胞 BMMCs、腹腔来源肥大细胞 PMCs)。小鼠原代肥大细胞可用于分析多种"基因敲除"小鼠模型中的肥大细胞功能,这是探索特定基因及其编码蛋白生理功能的金标准方法。由于目前缺乏具有足够选择性和效力的药理学工具,该方法在研究肥大细胞活化过程中信号转导机制方面尤为宝贵18。小鼠 PMCs 属于结缔组织表型,具有成熟的形态和高度颗粒化特征。它们不仅像 BMMCs 一样对 FcεRI 的抗原交联反应良好,还可被内皮素-1 或化合物 48 等多种其他受体激动剂激活。然而,PMCs 的产量通常显著低于 BMMCs,通常不足以进行 Western 印迹或其他需要大量细胞的技术操作。...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者谨此感谢 Julia Geminn 在肥大细胞制备与培养方面的技术支持。本工作由跨区域合作研究中心(TR-SFB)152 项目资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| RPMI 培养基 | Thermo Scientific | 21875034 | |
| DPBS | Sigma-Aldrich | 14190144 | |
| FCS | Thermo Scientific | R92157 | |
| IL-3 | R&D Systems | 403-ML | |
| SCF | Thermo Scientific | PMC2115 | |
| 刀豆蛋白 A | Sigma-Aldrich | C2272 | |
| Fura-2 AM | Thermo Fischer Scientific | F1221 | |
| Pluronic F-127 | Sigma-Aldrich | P2443 | |
| DNP-HSA | Sigma-Aldrich | A6661 | |
| 抗 DNP 抗体 | Sigma-Aldrich | D-8406 | |
| 青霉素-链霉素溶液(Penstrep) | Thermo Scientific | 15140122 | |
| 化合物 48/80 | Sigma-Aldrich | C2313 | |
| 4-(1,1,3,3-四甲基丁基)苯基-聚乙二醇 | Sigma-Aldrich | X100 | |
| 4-硝基苯基 2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-吡喃葡萄糖苷 | Sigma-Aldrich | N9376 | |
| CoverWell 成像腔室 | Sigma-Aldrich | GBL635051 | |
| 96 孔板,V 型底 | Corning | 3896 | |
| 96 孔板,平底 | Greiner Bio-One | 655180 | |
| 配备 "i-control" 软件的微孔板读板仪 | Tecan | Nano Quant, infinite M200 Pro | |
| 平底板 | Greiner Bio-One | 655180 | |
| 离子霉素 | Sigma-Aldrich | I9657 | |
| 50 mL 塑料离心管 | Sarstedt | 62.547.254 | |
| 培养瓶(25 cm²) | Greiner Bio-One | 69160 | |
| 圆形盖玻片;ø 25 mm;No. 1 | Menzel | CB00250RA1 | |
| 血细胞计数板 | VWR | 631-0696 | |
| 倒置显微镜 | Zeiss | Observer Z1 | |
| Fluar 40x/1.3 油镜物镜 | Zeiss | 440260-9900 | |
| HC Fura 2 滤光片组 | AHF | H76-521 | |
| CCD 相机 | Zeiss | AxioCam MRm | |
| 单色光源系统 | Sutter Instruments | Lambda DG-4 | |
| 成像采集程序 | Zeiss | AxioVision 4.8.2 | |
| 重力供液溶液施加系统 | 定制 | 4 通道 | |
| 15 mL 塑料离心管 | Sarstedt | 62,554,502 | |
| 台式离心机 | Heraeus | Megafuge 1.0R |
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