本文介绍一种单细胞蛋白质组学方法,通过质谱流式细胞术分析外周全血样本中免疫表型及功能(细胞内细胞因子诱导)的变化。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
方法文章
* These authors contributed equally
本文介绍一种单细胞蛋白质组学方法,通过质谱流式细胞术分析外周全血样本中免疫表型及功能(细胞内细胞因子诱导)的变化。
细胞因子在自身免疫性疾病发病机制中发挥关键作用。因此,为阐明导致自身耐受破坏并引发自身免疫的精确机制,众多研究聚焦于细胞因子水平的检测。迄今为止的研究方法主要集中于免疫系统某一特定方面(单一或少数几种细胞类型或细胞因子),无法对复杂的自身免疫性疾病进行全局性评估。尽管基于患者血清的研究为理解自身免疫提供了重要见解,但无法确定所检测到的失调细胞因子的具体细胞来源。一种全面的单细胞方法可在多种免疫细胞亚群背景下评估细胞因子的产生情况, "内在的" 患者特异性的血浆循环因子在此进行描述。该方法能够监测患者特异性的免疫表型(表面标志物)和功能(细胞因子),无论是在其天然状态下 "内在致病性" 疾病状态,或存在治疗剂时(体内 或 离体).
自身免疫性疾病是导致发病率和死亡率升高的主要原因之一,影响着全球3%至8%的人口。在美国,自身免疫性疾病是年轻和中年女性(年龄<65岁)的主要死亡原因之一1,2。自身免疫性疾病具有多样化的临床表现和复杂的免疫学基础机制。这种异质性在不同疾病中表现明显,例如类风湿关节炎(RA)中的关节受累和多发性硬化症(MS)中的神经系统病变。然而,这种异质性在同一疾病内部也同样显著,以系统性红斑狼疮(SLE)为例:部分患者表现为肾脏病理改变,而另一些患者则出现血液系统或关节受累3。
自身免疫性疾病的潜在免疫病理发生机制与临床异质性相似,涉及多种天然免疫和适应性免疫细胞亚群的自身活化与过度活化,以及同时发生的细胞因子产生失调。尽管细胞因子在自身免疫性疾病发病机制中起着关键作用,但明确其在疾病机制中的具体作用仍具挑战性。细胞因子具有多效性(一种细胞因子可对不同类型细胞产生多种效应)、冗余性(多种细胞因子可产生相同效应)、双向性(同一种细胞因子在不同条件下可发挥促炎或抗炎作用)以及可塑性(细胞因子的功能可根据环境被塑造为与其"原始"功能不同的作用)4,5,6。因此,基于群体水平的研究方法无法区分相同"细胞因子环境"下不同细胞的异质性反应。同样,仅关注免疫系统某一特定方面(单一细胞类型或细胞因子)的研究设计,也无法全面评估复杂自身免疫性疾病中所有相关组分的整体情况。尽管基于患者血清的研究为理解自身免疫提供了重要见解,但其无法确定所检测到的失调细胞因子的具体细胞来源。
最近,我们开发了一种单细胞蛋白质组学方法,可同时评估多种免疫细胞类型,并检测其在患者特异性微环境中的多种细胞因子变化 "致病的" 外周全血中循环的血浆因子。此处描述的工作流程采用完整的外周全血样本,而非分离的外周血单个核细胞(PBMCs)。外周全血是研究全身性免疫介导疾病最具生理相关性的样本类型,包括1)常参与自身免疫性疾病的非单个核血细胞即、中性粒细胞、血小板)以及2)血浆中的循环因子,如核酸、免疫复合物和具有免疫激活作用的细胞因子。为了捕获 "内在致病性" 细胞因子产生失调,血液样本在采集后立即处理(T0,零时),并在37 °C(生理体温)孵育6小时后处理(T6,6小时时),孵育过程中加入蛋白质转运抑制剂,且不添加任何外源性刺激条件,以检测细胞因子的产生(累积量,T6-T0),该结果可反映 "内在的" 疾病状态(图1)。为了研究反映与疾病相关的免疫应答信号通路过度或不足激活的失调过程,外周血样本在体外施加可模拟疾病发病机制的刺激条件(如系统性红斑狼疮(SLE)情况下的Toll样受体(TLR)激动剂T6 + R848,即在37 °C孵育6小时,并加入1 µg/mL R848的蛋白转运抑制剂),以检测可反映对核酸应答的细胞因子产生情况(比较T0、T6与T6 + R848组) 图1)。为了研究现有治疗药物的免疫调节作用 离体,针对特定患者的精确免疫失调过程,外周血样本在相应的治疗浓度下用JAK抑制剂处理(此处为5 uM芦可替尼;T6 + 5R,即6小时加5 uM芦可替尼),以检测其变化 "内在的" 药物处理下的疾病状态(T0 对比 T6 对比 T6 + 5R) 图1选择JAK抑制剂用于本研究,是因为JAK抑制剂在治疗类风湿关节炎(RA)等自身免疫性疾病方面已显示出良好的疗效。
为了同时评估上述在多种免疫细胞亚群中失调的过程,按照前述方法处理系统性红斑狼疮(SLE)患者和健康对照者的外周血样本,并通过质谱流式细胞术进行分析。质谱流式细胞术(又称飞行时间质谱流式术)可实现超过40个参数的单细胞分析,且无需担心光谱重叠问题。7,8,9该技术利用可溶性金属离子形式的稀土金属同位素作为标签与抗体结合,取代荧光染料。10. 有关质谱流式细胞技术平台的更多细节(即, 调谐与校准、样品采集)可在 Leipold 中找到 等 和 McCarthy 等11,12 质谱流式技术的高维度特性能够以单细胞分辨率同时检测天然免疫和适应性免疫细胞亚群中的多种细胞因子材料表).
目前常规的临床和实验室指标在检测持续存在的疾病活动或对特定免疫调节剂的反应时,往往缺乏足够的敏感性或特异性13,反映出有必要更清晰地界定导致病情 flare-up 的潜在免疫变化。鉴于细胞因子失调在自身免疫性疾病中的普遍存在,近年来涌现出大量治疗方法,这些方法采用抗体或小分子抑制剂靶向作用于细胞因子或参与细胞因子生成调控的信号蛋白。本研究所描述的外周血分析方法基本形式为识别自身免疫性疾病患者特异性的失调细胞亚群及其异常细胞因子产生提供了一个平台,尤其适用于具有全身表现的疾病。该方法可实现治疗方案的个体化,因为能够识别出特定的失调细胞因子,并可对相应的治疗方案进行测试 离体 以评估其调节患者特异性疾病进程的免疫调节能力。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本文所描述的所有方法均已获得科罗拉多大学科罗拉多多重机构审查委员会(COMIRB)的批准。除非另有说明,以下所有操作均应在无菌细胞培养操作台中进行,并使用滤芯吸头及经过过滤的所有试剂。
1. 外周全血处理试剂的制备
2. 外周全血的刺激与处理(图1)
3. 裂解/固定血液细胞的条形码
4. 条形码标记的裂解/固定血液细胞染色及质谱流式细胞仪分析前准备
注意:每1X染色抗体滴度(每100 μL染色反应含1 μL抗体)通常可染色3–4 × 106个细胞。因此,当所有条形码标记的样本合并至同一管中时,必须按比例增加抗体用量。若20个条形码样本总计为30 × 106个细胞,而每个1X滴度可染色3–4 × 106个细胞,则条形码样本仅需使用10X滴度的抗体,相比之下,若对每个样本单独染色,则需要20X量的抗体(每个单独管使用1X)。每种抗体混合物的抗体浓度与细胞数量之间的比例应进行仔细滴定(本文未讨论)。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
图1 展示了外周血样本刺激与处理的工作流程,包括血液样本分装、刺激剂添加时间、蛋白转运抑制剂混合物的加入以及孵育时间,直至红细胞(RBC)裂解和固定。刺激剂的选择取决于所要评估的信号通路和细胞因子通路。例如,在本方案中,使用 Toll 样受体(TLR)激动剂来评估多种细胞类型的先天免疫感应机制。选取了代表性的细胞外激动剂(LPS,TLR4 激动剂)和内体激动剂(R848,TLR7/8 激动剂)。其他刺激剂包括佛波酯-12-肉豆蔻酸酯-13-乙酸酯(PMA)和离子霉素(PMAIONO),二者可作为 T 细胞激活剂。此外,也可使用特定细胞因子以及其他特异性 B 细胞和 T 细胞抗原作为刺激剂。
为了展示本方案中所述的实验方法,图2、图3和...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本文介绍一种新颖的单细胞蛋白质组学方法,可同时评估多种免疫细胞类型,并在患者特异性的"致病性"外周血浆循环因子环境中检测其多种细胞因子的改变。该方法以外周全血作为分析载体,采用质谱流式细胞术作为评估免疫细胞表型及功能异常的工具。该方法可广泛应用于人类和小鼠研究21,并可与其他免疫功能分析方法兼容,例如检测信号转导异常14。
用户应了解多个可能影响本实验成功与否的变量。根据我们的经验,血液样本应在采集后2 h内进行处理,以避免细胞内细胞因子的基础水平被诱导升高(数据未显示)。在等待处理期间,血液样本应保持在室温(25 °C)。血液样本可采集至肝素钠或EDTA管中,均不会干扰本实验所描述的检测。活细胞与死细胞的区分可通过质谱流式细胞术使用顺铂进行评估22。然而,在上述方案中,假设血液样本在采集后立即(或2 h内)处理,因此省略了此项评估。此外,即使样本处理有所延迟,由于未进行冷冻保存,也可省略活/死细胞的区分步骤。然而,我们仍建...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢 Aimee Pugh-Bernard 提供的学术指导和有益建议。本研究由 Boettcher 基金会 Webb-Waring 生物医学研究奖以及美国国立卫生研究院(NIH)授予 Elena W.Y. Hsieh 的项目编号 K23-1K23AR070897 资助。她还获得了 NIH 项目编号 K12-HD000850 的资助。 尤妮斯·肯尼迪·施赖弗 美国国家儿童健康与人类发展研究所、卢西尔·帕卡德儿童健康基金会、斯坦福大学临床与转化科学奖 UL1 TR001085 以及斯坦福大学儿童健康研究所
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 鲁索利替尼 | 圣克鲁斯 | SC-364729A | 储备浓度:10 mM;终浓度:5 μM |
| R848 | Invivogen | tlrl-r848-5 | 储备浓度:1 μ克/μL;终浓度:1 μg/mL |
| LPS-EK | Invivogen | tlrl-eklps | 储备浓度:1 μg/μL;终浓度:0.1 μg/mL |
| 无菌 PBS | Lonza | 17-516F | |
| 裂解/固定缓冲液 | BD生物科学 | 558049 | 储存浓度:5X;终浓度:1X(用ddH2O稀释) |
| BD Phosflow 破膜/洗涤缓冲液 I | BD生物科学 | 557885 | 储存浓度:10X;终浓度:1:10(用ddH2O稀释) |
| RPMI | Gibco | 21870-076 | |
| 叠氮化钠(NaN3) | Sigma-Aldrich | S-8032 | 储备浓度: >99.9%;终浓度:0.0002 |
| 蛋白质转运抑制剂(PTI) | eBiosciences | 00-4980-93 | 储备浓度:500倍;工作浓度:1倍 |
| DNA嵌 intercalator | Fluidigm | 201192B | 储备浓度:500 μM;终浓度:0.1 μM |
| 细胞染色液 | PBS + 0.5% BSA,0.02% NaN₃ | ||
| MaxPar 条形码通透缓冲液 | Fluidigm | 201057 | 储备浓度:10X;终浓度:1X |
| 20-plex Pd 条形码试剂盒 | Fluidigm | S0014 | 储备浓度:不适用;终浓度:不适用 |
| EQ TM 四元素校准微球 | Fluidigm | 201078 | 储备浓度:10X;终浓度:1X |
| 16% 无甲醇甲醛溶液 | 赛默飞世尔科技 | 28908 | 储备浓度:16%(w/v);终浓度:1.6%(w/v) |
| 无菌圆底聚苯乙烯管 | VWR | 60818-496 | 储存浓度:不适用;终浓度:不适用 |
| 聚丙烯簇状管 | Light Labs | A-9001 | 储备浓度:不适用;终浓度:不适用 |
| Helios CyTOF 仪器 | Fluidigm | Helios | 用于CyTOF分析的所有溶液必须无金属污染。配制任何溶液所用的ddH2O电阻率应至少达到18.0 MΩ·cm。Ω.cm. ddH2O 及任何自行配制的溶液应储存于未经高压灭菌的全新塑料瓶或玻璃瓶中。 |
| <强>名称 | <强>公司 | <强>货号 | <强>评论 |
| <强>用于质谱流式细胞术的抗体 | |||
| <强>表面标志物 | |||
| CD1c | Biolegend | L161 | 质量:161 |
| CD3 | BD | UCHT1 | 质量:144 |
| CD4 | Biolegend | SK3 | 质量:174 |
| CD7 | BD | M-T701 | 质量:149 |
| CD8 | Biolegend | SK1 | 质量:142 |
| CD11b | Fluidigm | ICRF44 | 质量:209 |
| CD11c | BD | B-ly6 | 质量:152 |
| CD15 | BD | HI98 | 质量:115 |
| CD14 | Biolegend | M5E2 | 质量:154 |
| CD16 | eBioscience/Thermo | B73.1 | 质量:165 |
| CD19 | 圣塔克鲁兹 | SJ25C1 | 质量:163 |
| CD21 | Biolegend | Bu32 | 质量:141 |
| CD27 | BD | L128 | 质量:155 |
| CD38 | Fluidigm | HIT2 | 质量:172 |
| CD45 总量 | Biolegend | HI30 | 质量:89 |
| CD45RA | Biolegend | HI100 | 质量:153 |
| CD56 | Miltenyi | REA196 | 质量:168 |
| CD66 | BD | B1.1/CD66 | 质量:113 |
| CD86 | Fluidigm | IT2.2 | 质量:150 |
| CD123 | Fluidigm | 6H6 | 质量:143 |
| CD278/ICOS | Biolegend | C398.4A | 质量:156 |
| CD179/PD1 | Biolegend | EH12.2H7 | 质量:162 |
| IgD | Biolegend | IA6-2 | 质量:146 |
| IgM | Biolegend | MHM-88 | 质量:151 |
| CXCR5 | BD | RF8B2 | 质量:173 |
| HLADR | Biolegend | L243 | 质量:167 |
| <强>细胞因子 | |||
| IL-1α | Biolegend | 364-3B3-14 | 质量:147 |
| IL-1β | Biolegend | H1b-98 | 质量:169 |
| IL-1RA | Santa Cruz | AS17 | 质量:157 |
| IL-6 | Biolegend | MQ2-13A5 | 质量:164 |
| IL-8 | BD | E8N1 | 质量:160 |
| IL-12/IL-23p40 | Biolegend | C8.6 | 质量:171 |
| IL-17A | Biolegend | BL168 | 质量:148 |
| IL23p19 | eBioscience/Thermo | 23dcdp | 质量:176 |
| MIP1β | BD | D21-1351 | 质量:158 |
| MCP1 | BD | 5D3-F7 | 质量:170 |
| IFNα | Miltenyi | LT27:295 | 质量:175 |
| IFNγ | Biolegend | 4S.B3 | 质量:165 |
| PTEN | BD | A2B1 | 质量:159 |
| TNFα | Biolegend | Mab11 | 质量:166 |
| <强>注意:若制造商标注为 Fluidigm,则该抗体为从 Fluidigm 购买的预偶联金属抗体;若制造商标注为 Fluidigm 以外的其他公司,则该抗体使用 MaxPar 多金属标记试剂盒自行偶联。 试剂盒(Fluidigm 货号:201300),按照制造商说明书操作。 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。