本逐步实验方案详细描述了用于评估hiPSC-ECs中炎症反应以及在生理流动条件下分析白细胞黏附的实验设置和数据分析方法。
本逐步实验方案详细描述了用于评估hiPSC-ECs中炎症反应以及在生理流动条件下分析白细胞黏附的实验设置和数据分析方法。
内皮细胞(ECs)通过在炎症刺激下上调白细胞表面的一系列促黏附受体,调控炎症反应,从而限制或促进白细胞向受损组织的募集。人群中个体间的炎症反应存在差异,而遗传背景可能影响这些差异。人诱导性多能干细胞(hiPSCs)已被证实是内皮细胞(hiPSC-ECs)的可靠来源,可提供无限扩增的细胞,同时保留供体的遗传特征及其任何遗传变异或突变。因此,hiPSC-ECs可用于构建供体特异性的炎症反应模型。通过在生理流动条件下测定白细胞与hiPSC-ECs的黏附情况,可模拟炎症反应。本逐步实验方案详细描述了评估hiPSC-ECs炎症反应以及分析生理流动条件下白细胞黏附的实验设置与数据分析方法。
炎症在多种病理状态中发挥关键作用,包括心血管疾病、神经退行性疾病、脓毒症以及药物不良反应(ADRs)。内皮细胞(ECs)通过在其表面诱导表达促黏附受体(如E-选择素、细胞间黏附分子-1(ICAM-1)和血管细胞黏附分子-1(VCAM-1)),在调控炎症反应中起着至关重要的作用1,2。已知不同组织中的微血管内皮细胞在炎症反应方面表现出异质性3,4。此外,遗传背景或特定的遗传状况可能导致个体间炎症反应的差异;因此,获取来自不同个体的内皮细胞具有重要意义。近年来研究表明,人诱导性多能干细胞(hiPSCs)5几乎可从任何个体获得,并可作为内皮细胞的一种可靠且可再生的来源6,7,8,9。因此,评估hiPSC来源的内皮细胞(hiPSC-ECs)中的炎症反应及白细胞募集不仅有助于特定遗传性疾病的建模,还可揭示个体间差异,并有望成为未来实现个体化医疗的重要工具。
流式实验为研究内皮细胞与白细胞相互作用提供了有力工具。微流控装置的技术进步使得能够精确控制特定血管床的剪切应力水平,从而重现生理性的流体流动条件。活细胞成像技术可实时监测白细胞捕获、滚动、爬行、黏附及跨内皮迁移等一系列级联事件。目前已开发出多种用于研究内皮细胞-白细胞相互作用的流式实验方法,但这些方法均使用原代内皮细胞(ECs)10,11,12,13。本文将详细描述在生理性流动条件下评估人诱导性多能干细胞来源的内皮细胞(hiPSC-ECs)对人白细胞黏附能力的实验方法。本实验流程中,我们介绍了使用促炎刺激因子(如肿瘤坏死因子α(TNFα))对hiPSC-ECs进行优化刺激的条件,以及细胞解离后接种至含有八个平行通道的微流控芯片中的操作步骤。我们还提供了一步一步的实验方案,包括在微流控芯片中用荧光标记的白细胞悬液对hiPSC-ECs进行灌注、活细胞成像,以及对黏附白细胞进行自动计数。
该方案可用于药物筛选、疾病建模和个体化再生医学中对hiPSC-ECs炎症反应的评估。
1. 溶液与试剂的配制
2. 微流控芯片的包被
3. hiPSC-ECs 的制备
注意:在本方案中,hiPSC-ECs 的分化、纯化、冷冻保存和复苏均按先前所述方法进行8。
4. hiPSC-ECs 的解离及接种至微流控芯片
5. 人白细胞的制备
注意: 本方案中使用了一种 commercially available 单核细胞系(THP-1)。也可选用外周血单个核细胞或中性粒细胞。外周血单核细胞和中性粒细胞的分离可采用标准方法11。本段所述所有步骤均须在细胞培养生物安全柜中进行。
6. 微流控泵的制备
7. 活体成像用微流控芯片的制备
8. 流动黏附实验与图像采集
9. 完成检测并清洗微流控泵
10. 贴壁白细胞计数
首先,应按照先前所述方法7检测hiPSC-ECs对促炎因子TNFα刺激的反应。TNFα处理12小时可诱导E-选择素上调,其表达高峰出现在处理开始后6小时。此外,ICAM-1在处理后6至12小时出现上调。尽管我们未观察到VCAM-1的预期上调,但在原代人脐静脉内皮细胞(HUVECs)中通常可观察到该现象。我们发现,TNFα处理过夜(12小时)最适用于白细胞黏附实验。
最佳的hiPSC-ECs解离应获得无细胞团块的单细胞悬液。 图2C 展示注射后 hiPSC-EC 的最佳密度。通常在注射后 15 分钟,hiPSC-EC 会附着在通道底部并开始铺展(图 2D注射后1小时,hiPSC-ECs沿通道形成铺展良好的单层,即可开始流动实验。图2E).
用荧光示踪剂标记白细胞有助于自动图像定量中的相差图像,因为它使细胞识别步骤更加容易,尤其是白细胞会黏附在内皮细胞单层上,软件通常难以区分不同类型的细胞。
免费的开源图像处理软件对于粘附白细胞的自动定量非常有用。本方案中描述的分析流程基于对白细胞荧光图像进行自适应阈值处理,以实现初始目标物的识别(图4A)。根据最小面积对已识别目标物进行筛选,还可进一步排除误识别的目标物,例如细胞碎片、自发荧光或任何其他非特异性荧光信号(图4C、D)。
一个具有八个平行通道的微流控芯片可用于比较两个独立组,例如由不同 hiPSCs 分化而来的内皮细胞(ECs),如来自健康供体或遗传病患者的细胞。此外,还可包括其他对照组,例如未处理的 ECs,或经 ICAM-1 阻断抗体预处理的 ECs。10,11一次可同时处理两到三个微流控芯片。为确保结论的可靠性,建议在不同日期至少进行三次独立的生物学重复实验。

图 1:流式实验用 hiPSC-ECs 和白细胞的制备。(A)使用促炎刺激物(TNFα)对 hiPSC-ECs 进行预处理。(B)hiPSC-ECs 酶法解离、离心及重悬的示意图。(C)微流控芯片通道包被(C,左)、注入 hiPSC-EC 悬液(C,中)以及 hiPSC-ECs 黏附后加入细胞培养基(C,右)的示意图。(D)白细胞洗涤步骤、用荧光染料 DiOC6 标记及重悬的示意图。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:含 hiPSC-ECs 的微流控芯片。(A)置于 10 cm 培养皿中的微流控芯片。(B)用于孵育的加湿培养室。(C, D, E)hiPSC-ECs 注入微流控通道后 0 min(C)、15 min(D)、1 h(E)的代表性图像。比例尺 = 200 µm。请点击此处查看该图的高清版本。

图3:活细胞成像与白细胞灌注实验装置示意图。(A, B)活细胞成像与流动实验装置的照片(A)和示意图(B):(1)倒置荧光显微镜,配备活细胞成像室(5% CO2,37 °C,湿度恒定),(2)微流控泵,(3)8通道分流装置,(4)用于显微镜控制与图像采集的计算机,(5)用于微流控泵控制的计算机。(C)微流控芯片,其中插入了8通道分流装置的管路,并固定在载物台支架中,安装于显微镜的电动载物台上。(D)流动实验主要步骤的示意图。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:贴壁白细胞的图像分析与自动检测。(A)图像处理软件的对话窗口,显示用于识别白细胞的指定设置。(B)图像处理软件的对话窗口,显示基于最小可接受表面积(SAmin = 70 px)对已识别对象设定的过滤条件。(C)正确识别白细胞并对小表面积(SA)非特异性对象进行过滤的示例(像素中的典型直径范围(最小值,最大值)=(9,15);过滤条件 SAmin = 70 px)。被接受的对象以绿色显示,被剔除的对象以紫色显示。(D)由于典型直径范围设置不当导致白细胞识别错误的示例(像素中的典型直径范围(最小值,最大值)=(3,15);过滤条件 SAmin = 70 px)。被接受的对象以绿色显示,被剔除的对象以紫色显示。请点击此处查看该图的放大版本。
本方案描述了在促炎刺激(如TNFα)作用下对hiPSC-EC进行处理的表征方法,以及通过活细胞成像和自动计数黏附白细胞,在流动实验中对白细胞黏附于hiPSC-EC的功能评估。
TNFα对hiPSC-ECs进行过夜刺激会导致细胞呈现伸长形态,这通常表明内皮细胞(ECs)处于活化的促炎表型。在优化阶段,应通过流式细胞术(FACs)7,8检测E-选择素、ICAM-1和VCAM-1的表达水平,并建议将原代人脐静脉内皮细胞(HUVECs)作为阳性对照纳入实验。
应达到最佳的hiPSC-ECs解离程度和接种密度,以形成融合的单层细胞,避免细胞团块和微通道堵塞。在灌注前必须立即重悬白细胞,以防止细胞沉淀,并在检测每条通道时保持浓度恒定。可使用人外周血白细胞(如单核细胞和中性粒细胞),也可使用已建立的单核细胞系(如THP-1或HL-60)作为替代。
在微流控装置的组装过程以及流式实验过程中,必须防止气泡滞留在微流控管路和通道中,因为气泡可能导致hiPSC-ECs和/或黏附的白细胞脱落。在微流控装置制备过程中采用液体与液体界面连接,或增加额外的洗涤步骤,有助于防止气泡产生。
建议由两名操作人员共同执行该方案,其中一人负责准备细胞,另一人同时准备微流控系统和流体实验。这可确保内皮细胞在处理前的固定时间窗口内接种至微流控芯片中,从而提高实验结果的准确性和可重复性。此外,这种方法还便于设置盲法实验,以避免结果出现偏差。
为了通过自动图像处理流程成功检测细胞,必须获取焦距准确、信噪比高且避免非特异性物体(如细胞团块)自发荧光的图像。至关重要的是正确设定需要识别的贴壁白细胞典型尺寸的最小值和最大值。可以使用 ImageJ 中的线性测量工具估算白细胞的典型大小。例如,在我们的分析中,我们采用的范围为 9–15 像素,对应物理尺寸为 10.3–17.1 µm(图 4C)。若使用错误的范围,例如 3–15 像素(3.4–17.1 µm),单个白细胞不会被识别为一个整体细胞,而是其部分区域被识别为多个独立对象(图 4D),从而导致被识别对象数量的错误统计。
使用所提供的自适应阈值方法,可检测到许多强度较低且表面积小于白细胞的物体。这可能是由于自发荧光或其他非特异性荧光信号所致。然而,这些非特异性物体如果其面积小于单个白细胞的典型面积,则可通过设定最小可接受表面积进行过滤(图4C)。
本文所述的流动实验可直接评估白细胞与内皮细胞单层的黏附,阐明这两种细胞类型之间的相互作用,但未考虑血管壁中存在的其他细胞类型(如周细胞),而这些细胞也可能参与调控白细胞的外渗过程15。将三维培养微环境与其他细胞类型整合,有望提高该系统的生理相关性。尽管存在这些局限性,本文描述的用于评估炎症反应的流动实验仍为hiPSC-ECs的基础表征及疾病建模应用提供了有价值的工具。
作者无任何利益冲突需要披露。
作者谨此致谢以下资助项目:欧洲研究理事会(ERCAdG 323182 STEMCARDIOVASC);荷兰器官芯片倡议项目,该计划为荷兰科学研究组织(NWO)引力计划,由荷兰政府教育、文化与科学部资助(024.003.001)。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Vena8 内皮+ 生物芯片 | Cellix Ltd | V8EP-800-120-02P10 | |
| Mirus Evo 纳米泵 | Cellix Ltd | MIRUS-EVO-PUMP | 1 台注射泵; 1 × VenaFluxAssay 软件; 1 套管路套装; 电源及电缆 |
| 8通道多路复用器 MultiFlow8 | Cellix Ltd | MIRUS-MULTIFLOW8 | |
| 加湿盒 | Cellix 公司 | HUMID-BOX | |
| Leica AF6000 荧光成像系统 | 徕卡显微系统 | ||
| 电子倍增电荷耦合器件相机 | Hamamatsu | C9100 | |
| 生物安全柜/层流罩 | 洁净空气 | ||
| CO2 细胞培养箱 | 松下 | MCO-170AICUV | |
| 离心 | 日立 | himac-CT6EL | |
| 手持移液器(P-10(10 mL),P-200(200 µL),P-1000(1,000 µL) | Gilson国际 | 4807 (10µl), 4810 (200µl), 4809 (1000µl) | |
| 无菌塑料移液管 | Greiner Bio-One | 606180(5 ml),607180(10 ml) | |
| 培养皿 | VWR/ Duran Group | 391-0860 | |
| 培养瓶(75 cm²)2) | CELLSTAR | 658,170 | |
| 离心管(15 mL) | CELLSTAR | 188271 | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
| 猪皮明胶,A型 | Sigma-Aldrich | G1890 | |
| 纤连蛋白(牛血浆) | Sigma-Aldrich | F1141 | |
| 磷酸盐缓冲液,无钙,无镁 | Life Technologies | 14190-169 | |
| 人内皮细胞专用无血清培养基 | Life Technologies | 11111-044 | |
| 人源 VEGF 165 IS,优级 | Miltenyi Biotec | 130-109-386 | |
| 人源 FGF-2,优级 | Miltenyi Biotec | 130-093-842 | |
| 牛源血小板贫乏血浆衍生血清 | 生物医学技术 | BT-214 | |
| 重组人TNF-α | Tebu-bio | 300-01A-A | |
| TrypLE Select | Life Technologies | 12563029 | |
| DiOC6(3) | Sigma-Aldrich | 318426 | |
| RPMI 1640 培养基 | Life Technologies | 21875-034 | |
| 2-巯基乙醇(50 mM) | Life Technologies | 31350010 | |
| FBS | Life Technologies | 10270-106 | |
| L-谷氨酰胺 | Life Technologies | 25030-024 | |
| 青霉素-链霉素(5,000 U/mL) | Life Technologies | 15070-063 | |
| 去离子水 | Life Technologies | 15230-089 | |
| 无水乙醇 | 默克 | 1.00983.2500 | |
| VCAM-1 | R&D 系统 | FAB5649P | |
| E-选择素 | R&研发系统 | BBA21 | |
| ICAM-1 | R&D 系统 | BBA20 | |
| 名称 | 公司 | 软件版本 | 评论 |
| CellProfiler | CellProfiler | 2.1.1 | |
| VenaFluxAssay 软件 | Cellix 公司 | 2.3.a |