本方案采用免染色方法,通过激光显微切割技术在人死后小脑的新鲜冷冻组织中可视化并分离浦肯野细胞。本方案的目的是获得足量的高质量RNA,用于RNA测序。
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本方案采用免染色方法,通过激光显微切割技术在人死后小脑的新鲜冷冻组织中可视化并分离浦肯野细胞。本方案的目的是获得足量的高质量RNA,用于RNA测序。
激光捕获显微切割(LCM)是一种有利的工具,可从异质组织中收集细胞学和/或表型相关的细胞或区域。所捕获的产物可用于多种分子生物学方法,以分离蛋白质、DNA或RNA。然而,从死后人脑组织中保存RNA尤其具有挑战性。LCM常用的可视化技术需要组织学或免疫组织化学染色步骤,而这些步骤可能进一步降解RNA。因此,我们设计了一种无染色的LCM可视化方案,旨在保持死后人脑组织中RNA的完整性。由于浦肯野细胞体积较大且具有特征性位置,是实现无染色可视化的理想候选细胞。小脑皮层具有明显的分层结构,各层在细胞密度上存在差异,因此在高倍显微镜下易于识别,是理想的形态学模型。浦肯野细胞是位于颗粒细胞层与分子层之间的大型神经元:颗粒细胞层由大量小型神经元密集排列而成,而分子层的细胞体则较为稀疏。由于这种独特的结构,无染色可视化方法在此具有可行性。其他具有类似表型特征的器官或细胞系统也同样适用该方法。本无染色方案采用乙醇固定新鲜冷冻组织,并使用二甲苯去除脂质,以提高高倍光学显微镜下的形态学可视性。该方案不适用于其他固定方法,专为使用紫外(UV)-LCM系统捕获的新鲜冷冻组织样本设计。本文中,我们提供了一套完整的操作流程,包括新鲜冷冻的死后人脑小脑组织切片与固定,以及通过UV-LCM分离浦肯野细胞后进行RNA纯化,同时保持RNA质量以满足后续RNA测序的要求。在我们的实验条件下,该方案可在无需染色试剂的情况下实现优异的细胞可视化效果,并获得高质量的RNA(RNA完整性数值≥8),完全满足转录组分析实验的需求。
激光捕获显微切割(LCM)是一种有价值的研究工具,可分离具有病理学意义的细胞,用于后续以分子为导向的分析评估。在这些异质性组织样本中进行分子分析,并将其与病理学和临床数据相关联,是评估生物学研究转化意义的必要步骤1。在分析来自RNA的基因表达数据时,强烈推荐使用冷冻组织切片,因其可获得高质量且最大量的RNA2。已有充分证据表明,高质量和高产量的RNA对于获得有意义的RNA测序数据至关重要3。然而,在使用新鲜冷冻的死后组织RNA进行LCM时,RNA降解是一个主要挑战,因为降解在死亡后立即发生,其程度受组织采集方法相关多种因素的影响4,5。此外,当需要染色技术以识别组织学细节和细胞鉴定时,RNA降解会进一步加剧。特殊的染色技术,如苏木精与伊红(hematoxylin & eosin)、尼氏染色(Nissl stain)、免疫荧光和免疫组织化学,有助于将细胞与周围间质区分开来,但已被证明会降解RNA并改变转录表达谱6。因此,本实验室建立了一套严格的方案,专门用于在LCM分离浦肯野神经元后,对死后人小脑组织中的RNA进行保存,以用于RNA测序。
在对新鲜冷冻组织进行激光显微切割(LCM)处理时,固定方法对RNA和组织完整性均可能产生不同程度的影响。福尔马林固定是形态学保存的标准方法,但会引起交联反应,可能导致RNA断裂并干扰后续的RNA扩增7。乙醇固定则是RNA提取更理想的替代方案,因其属于凝固性固定剂,不会诱导交联反应1。为了增强组织形态的可视化效果,二甲苯是最佳选择,因为它能够去除组织中的脂质成分。然而,在LCM中使用二甲苯存在已知局限性:组织容易脱水变脆,导致激光捕获时发生组织碎片化7。此外,二甲苯具有挥发性和毒性,必须在通风橱中规范操作。尽管如此,已有研究表明二甲苯在增强组织可视性的同时,仍可较好地维持RNA的完整性8。因此,本实验方案的核心在于采用70%乙醇进行固定和乙醇脱水,随后经二甲苯孵育以获得清晰的组织形态。
需要注意的是,基于激光的显微切割系统有多种不同类型,它们在速度、精度和RNA质量方面已显示出差异。红外(IR)激光捕获显微切割和紫外(UV)激光束显微切割系统是两种几乎同时出现的新型LCM平台8。IR-LCM系统采用一种"接触式系统",通过将透明热塑性膜直接放置在组织切片上,利用红外激光的聚焦脉冲使目标细胞选择性地黏附到膜上。相比之下,UV-LCM系统是一种"非接触式系统",其聚焦激光束可切割组织中特定的细胞或区域;根据目前两种商用平台的配置(分别采用倒置或正置显微镜设计),组织可通过激光诱导的压力波克服重力弹射进入收集装置,或依靠重力自然落入收集装置。UV-LCM系统的主要优势包括细胞获取速度更快、非接触方式避免污染,以及由于激光束直径更小而实现更精确的切割9。本实验方案专为UV-LCM系统设计,尚未在IR-LCM系统中进行测试。在任一种UV-LCM系统中,当将细胞累积至收集帽时,不宜使用可增强显微镜下细胞清晰度的盖玻片,因为细胞将无法进入收集帽。因此,为了增强组织可视化效果,我们比较了不透明收集帽与液体填充收集帽的使用效果,其中不透明收集帽专为在UV-LCM系统中实现显微观察时充当盖玻片而设计。而液体填充收集帽可能存在操作困难,因其内部液体容易蒸发,需在显微镜操作过程中频繁补充。时间成为影响RNA稳定性的关键因素,因为捕获的组织会立即溶解7。
本实验室研究伴有原发性震颤(ET)及相关小脑神经退行性疾病患者死后小脑的神经病理学改变。我们已证实,与对照组相比,ET病例中存在以浦肯野细胞为中心的形态学改变,包括浦肯野细胞数量减少、树突退化增加以及多种轴突改变,由此我们提出,浦肯野细胞变性是ET发病机制中的核心生物学特征10,11,12,13。转录谱分析已被广泛应用于多种神经系统疾病,以探索变性细胞改变的潜在分子基础。然而,来自异质性样本(如脑组织区域)的转录谱可能有效掩盖低丰度转录本的表达,和/或削弱仅在少数受影响细胞(如小脑皮层中的浦肯野细胞)中发生的分子变化的检出能力。例如,小脑皮层中浦肯野细胞的数量远远少于丰富的颗粒细胞,比例约为1:3000;因此,要有效靶向其转录组,必须对这些神经元进行特异性分离。小脑皮层具有不同细胞密度和细胞大小的明确分层结构。这种细胞架构非常适合在新鲜冷冻组织样本中进行可视化观察,无需使用含染料的染色试剂。理论上,本方案也可适用于其他具有类似显著组织结构的组织类型。
本方案专为人类死后小脑中浦肯野细胞的可视化而设计。针对多种组织的固定、染色可视化以及RNA保存,已有大量适用于红外激光捕获显微切割(IR-LCM)和紫外激光捕获显微切割(UV-LCM)的实验方案。在设计UV-LCM实验时,研究人员应根据起始材料和终末材料的需求和要求,对方案进行个性化优化。本文结合了多种LCM方案的优点,提出一种改进方法,可在无需使用含染料的染色试剂的情况下,实现死后人脑小脑中浦肯野细胞的有效可视化,并制备高质量RNA用于转录组测序。
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本方案中使用的所有人类样本均在获得知情同意后获取,并已通过哥伦比亚大学和耶鲁大学的机构审查委员会(IRB)批准。
注意:本实验方案的全部操作均应遵循严格的RNA操作规范,即始终佩戴手套,所有工作表面均需使用RNase去污染剂清洁,所有实验器材和试剂均须无RNA、DNA及核酸酶。
1. 在开始激光显微切割前检测组织 RNA 的完整性
注意: RNA质量检测可通过多种方法进行。应确保检测整个切片来源的RNA,以获得能够代表样本的RNA完整性数值(RIN)。
2. 准备激光捕获显微切割切片前的步骤
3. 使用无RNase水和高质量乙醇配制固定液
注意:所有溶液均需在每次实验前新鲜配制。确保已完成步骤 1.1 中的载玻片架清洗程序。所有溶液均在载玻片架中配制。
4. 准备冷冻切片机以进行组织切片
5. 组织切片
6. 组织固定/无染色可视化
7. 可选步骤——玻片保存
8. 解冻保存的载玻片以供使用
9. 浦肯野细胞的激光捕获显微切割:
注意:本实验方案部分仅讨论与捕获浦肯野细胞以进行后续RNA测序相关的具体操作。本部分假设使用者已熟悉紫外激光显微切割仪及其配套软件的操作。
10. 激光显微切割后RNA的收集
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本方案详细说明了为紫外激光显微切割(UV-LCM)制备新鲜冷冻的死后人脑组织的步骤。由于高精度切割新鲜冷冻脑组织较为困难,本文对冷冻切片机切片过程提供了详尽的说明和注释。最关键的注意事项是,新鲜冷冻组织温度极低,需要较长时间才能适应冷冻切片机内较高的温度。此步骤不可仓促进行,其在本方案成功与否中的核心作用再怎么强调也不为过。若组织在冷冻切片机中未得到妥善处理,则后续识别特定细胞或感兴趣区域的尝试将极为困难,甚至无法实现。
经过冷冻切片和规定的干燥时间后,组织即可用于激光显微切割(LCM)。在显微镜下观察时,使用5倍和10倍物镜可清晰看到小脑的细胞层。图1展示了仅用乙醇固定的组织(图1A)以及乙醇固定后经二甲苯孵育的组织(图1B...
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本文所述方案经过专门优化,旨在为紫外激光显微切割(UV-LCM)提供一种无需染色即可清晰显示形态学差异组织的方法。该方法在增强组织可视化的前提下,最大限度地保持RNA完整性,以适用于后续的直接RNA测序。能够准确区分不同细胞类型并进行捕获,从而获得尽可能均一的细胞群体,这对于解析人体组织中不同的分子特征至关重要15。在本方案中,组织选择尤为关键,因为未使用任何抗原或染料特异性试剂,因此不适用于需要此类特异性识别的研究。尽管这是本方案的局限性,但其所获得的组织可视化效果和RNA完整性在其他实验设计中仍具有显著优势。目前已有多种其他方案采用不同的染色方法,专门用于紫外或红外激光显微切割(UV-和IR-LCM),以期在染色的同时保护RNA完整性。然而,大多数现有方法至少包含一种染色剂或抗原特异性试剂6,16,17,或仅针对特定细胞类型或器官类型设计(且非人源尸检组织)18
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者谨向纽约脑库(The New York Brain Bank)、Jean Paul Vonsattel 博士和 Etty Cortés 博士致谢,感谢他们在切割和保存用于本实验的冷冻人脑组织样本方面提供的帮助。作者谨向慷慨捐献脑组织用于持续开展特发性震颤研究的个人致以诚挚谢意。Faust 博士和 Martuscello 博士谨向哥伦比亚大学病理学与细胞生物学系致谢,感谢其持续的支持和核心研究空间的提供。作者谨感谢美国国立卫生研究院(NIH)R01 NS088257(Louis/Faust)项目为本研究提供的经费支持。激光显微切割(LCM)图像在哥伦比亚大学赫伯特·欧文综合癌症中心共聚焦与特种显微镜共享资源平台完成,该平台由美国国立卫生研究院资助项目 #P30 CA013696(国家癌症研究所)支持。作者谨感谢 Theresa Swayne 和 Laura Munteanu 在特种显微镜技术方面持续提供的协助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| MembraneSlide NF 1.0 PEN | Zeiss | 415190-9081-000 | 适用于组织的膜片。我们不推荐使用玻璃载玻片。 |
| AdhesiveCap 500 Opaque | Zeiss | 415190-9201-000 | 不透明盖帽仅用于增强倒置显微镜下的可视化效果 |
| RNase Away | Molecular BioProducts | 7005-11 | 其他RNase去污染产品也可使用。工作前用于清洁所有表面。 |
| 200 Proof Ethanol | Decon Laboratories | 2701 | 若使用其他乙醇,需确保其高纯度。对组织固定至关重要。 |
| Xylenes (Certified ACS) | Fisher Scientific | X5P-1GAL | 若使用其他二甲苯,需确保其高纯度。对组织可视化至关重要。 |
| UltraPure Distilled Water | Invitrogen | 10977-015 | 其他无RNA/DNA/核酸酶的水也可使用。仅用于乙醇稀释。 |
| Slide-Fix Slide Jars | Evergreen | 240-5440-G8K | 任何载玻片架或玻片罐均可使用。使用前必须清洁。用于切片后固定。 |
| Anti-Roll Plate, Assy. 70 mm 100 μm | Leica Biosystems | 14041933980 | 防卷板类型取决于冷冻切片机的型号及其在载物台上的安装位置。不同冷冻切片机要求各异。 |
| Diethyl pyrocarbonate (DEPC) | Sigma Aldrich | D5758-50mL | 任何供应商的DEPC均可使用。请按照说明进行水处理。 |
| Kimwipes | Fisher Scientific | 06-666A | Kimwipes可从任何供应商订购,尺寸不限。用于清洁显微镜和冷冻切片机。 |
| Tissue-Plus O.C.T. Compound | Fisher Scientific | 23-730-571 | 任何品牌的OCT均可接受。组织不会包埋于OCT中,仅用于将组织固定在“样品头”上。 |
| Edge-Rite Low-Profile Microtome Blades | Thermo Scientific | 4280L | 刀片类型取决于冷冻切片机型号。不同冷冻切片机要求各异。 |
| Leica Microsystems 3P 25 + 30MM CRYOSTAT CHUCKS | Fisher Scientific | NC0558768 | 样品头类型取决于冷冻切片机型号。不同冷冻切片机要求各异。任一尺寸均可使用。 |
| RNeasy Micro Kit (50) | Qiagen | 74004 | 激光显微切割(LCM)后RNA提取所必需。RLT裂解缓冲液对从不透明盖帽中收集捕获细胞至关重要。 |
| RNeasy Mini Kit (50) | Qiagen | 74104 | 用于LCM前组织切片样本的RNA提取,以检测起始组织的RNA完整性。 |
| RNase-Free DNase Set | Qiagen | 79254 | DNase可去除所有DNA,从而获得纯化的RNA群体。确保DNase现配现用。 |
| 2-Mercaptoethanol | Sigma Aldrich | M6250-100ML | 购买体积由用户自行决定。必须加入RLT缓冲液以实现细胞裂解。可抑制RNase活性。 |
| Globe Scientific Lot Certified Graduated Microcentrifuge Tube (2 mL) | Fisher Scientific | 22-010-092 | 任何2 mL、无RNase、无DNase、无人类DNA且无热原的离心管均可使用。 |
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