本文介绍一种流式细胞术方案,仅使用两种荧光染料而非七种,即可鉴定人外周血中的CD4+和CD8+ T细胞、γδ T细胞、B细胞、NK细胞和单核细胞。采用该方法,可在大多数流式细胞仪上额外检测五个标记物。
方法文章
本文介绍一种流式细胞术方案,仅使用两种荧光染料而非七种,即可鉴定人外周血中的CD4+和CD8+ T细胞、γδ T细胞、B细胞、NK细胞和单核细胞。采用该方法,可在大多数流式细胞仪上额外检测五个标记物。
免疫细胞的鉴定在很大程度上依赖于多色流式细胞术,通过表面标志物的差异表达来识别不同亚群。构建传统的多色抗体组合需要高端仪器、定制标记的抗体以及精心的实验设计,以尽量减少光谱重叠。我们开发了一种多参数分析方法,仅使用两种荧光染料结合七种谱系标志物,即可鉴定外周血中的主要人类免疫细胞群体(CD4+ 和 CD8+ T 细胞、γδ T 细胞、B 细胞、NK 细胞和单核细胞)。该策略基于以下观察:每种细胞群体均以独特的组合方式持续表达谱系标志物。将此信息与抗体的精确滴定相结合,可使研究人员额外检测五个标志物,从而突破大多数流式细胞仪的光学检测极限。直接比较表明,除 NKT 细胞和 γδ T 细胞等少数群体外,本方法在鉴定外周血中绝大多数免疫细胞群体方面的准确性与经典的 "一种荧光染料对应一种标志物方法"相当,尽管后者在识别这些特定群体时仍更为精确。利用两种荧光染料组合七种标志物,可在价格适中的 6-10 色流式细胞仪上,甚至在资源有限地区的 2-3 色现场检测设备上,实现对复杂免疫细胞群体和临床样本的分析。高端仪器也可从该方法中获益,通过腾出额外的荧光通道实现更深入的流式细胞术分析。该方法还特别适用于细胞数量有限的临床样本中多个细胞群体的筛查。
流式细胞术是一种用于在每秒数千个事件的速率下对单个颗粒的多个参数进行分析的技术1。通过流式细胞术分析的样本包括但不限于细胞、微球、细菌、囊泡和染色体。流体系统将颗粒引导至检测点,在该位置每个颗粒依次与一个或多个激光束相交,同时记录多个参数以供进一步分析。前向散射光和侧向散射光由激光束的散射产生,分别用于识别目标群体并获取颗粒相对大小及其内部复杂性/颗粒度的信息。流式细胞术分析中的其他所有参数——构成了该分析中大部分数据——均来源于荧光染料标记的探针,这些探针可识别并结合到目标颗粒上的特定靶标。
流式细胞术是免疫学研究中用于鉴定和表征细胞群体的主要工具。为了剖析免疫系统的复杂性,多色检测方案不断优化,以增加可同时检测的标志物数量,从而实现对细胞群体的深度免疫表型分析1。这推动了功能更强大的仪器和荧光染料的开发,近年来高端流式细胞仪的荧光参数已超过20个。由于荧光染料的光谱重叠,这导致实验设计更加复杂,并且与定制抗体标记及熟练操作人员相关的成本也更高。在某些情况下,可通过为不同细胞群使用独立的标记物组合面板来降低复杂性和成本。然而,这种方法容易出错,会减少每个面板中的信息量,并且在细胞数量有限的样本中应用时可能较为困难。此外,增加标记物数量使得在荧光参数较少的仪器上难以进行深入的免疫表型分析。我们此前开发了一种染色方案,用于鉴定主要的人类免疫细胞群体(CD4+ 和 CD8+ T细胞、γδ T细胞、B细胞、NK细胞和单核细胞)在外周血单个核细胞(PBMCs)中的检测,通过结合七种谱系标记物,仅使用两种荧光染料,而非传统方法所需的七种荧光染料 "一种荧光染料对应一种标记物" 方法(www.hcdm.org)2,3. 我们最初的研究探索并验证了使用两种荧光染料联合标记七种标志物进行深度免疫表型分析的可行性。在本报告中,我们提供了一步一步的操作流程,用于分离和染色外周血细胞,重点介绍实际操作要点及染色过程中常见问题的解决方案,以确保染色成功。
本实验方案基于以下观察结果:谱系标记物在细胞表面具有恒定的表达水平,且每种细胞群体都具有独特的谱系标记物组合。在外周血单个核细胞(PBMCs)中,CD3的表达将免疫细胞分为两大类:CD3阳性的T淋巴细胞和CD3阴性细胞。在CD3阳性亚群中,可通过分别靶向CD4、CD8和γδ受体的抗体区分CD4+、CD8+和γδ T细胞。类似地,在CD3阴性亚群中,可分别利用抗CD19、抗CD56和抗CD14抗体唯一地鉴定B细胞、NK细胞和单核细胞。在传统的单荧光染料标记单个目标分子的方法中,抗CD3、抗CD4、抗CD8、抗CD14、抗CD19、抗CD56以及抗TCR γδ抗体需使用七种不同的荧光染料进行检测。我们的方法则将抗CD3、抗CD56和抗TCR γδ抗体组合使用同一种荧光染料(为方便起见标记为荧光染料A),而将抗CD4、抗CD8、抗CD14和抗CD19抗体组合使用另一种荧光染料(荧光染料B)。该策略的实现依赖于抗体滴定与抗原表达水平差异的结合。在荧光染料A中,CD4+和CD8+ T细胞均表现为抗CD3抗体阳性,但可在荧光染料B中通过最大化CD8信号的表达,并通过特异性滴定使CD4信号位于CD8阳性细胞与CD3阳性但CD4/CD8双阴性细胞之间,从而实现两者的分离。γδ T细胞的CD3表达水平高于CD4和CD8 T细胞,因此可被识别为CD3高表达4。通过在荧光染料A中使用抗TCR γδ抗体对γδ T细胞进行标记,可进一步增强该信号,从而改善CD3低表达T细胞与CD3高表达γδ T细胞之间的分辨。B细胞可在荧光染料A中表现为CD3-,在荧光染料B中表现为CD19+。为将CD3阴性的NK细胞与B细胞区分开,在荧光染料A中使用抗CD56抗体,其作用方式类似于抗CD3抗体。该方法可行的原因在于NK细胞表面CD56的表达水平远低于T细胞表面CD3的表达水平5。最后,单核细胞可通过前向散射与侧向散射的光信号特征结合在荧光染料B中CD14的表达情况进行鉴定。
利用两种荧光染料组合多达四种标记物的想法此前已有成功先例6,7,8,并已被应用于临床方案中以鉴定恶性淋巴细胞群体9。先前有研究也使用两种荧光染料组合了七种标记物(其标记物特异性与本研究方案中所用的不同),但该方法依赖于对每种抗体进行复杂标记,即使用不同数量的荧光染料10。相比之下,我们的方法采用市售抗体,可适配不同仪器配置,并能充分利用新一代聚合物荧光染料的优势。
该方法学的总体目标是拓展大多数流式细胞仪的光学检测能力,从而额外记录五个标记物,以研究复杂的细胞群体。因此,仅配备6-10种荧光染料的经济型流式细胞仪即可进行高级免疫学分析,而仅配备2-3种荧光染料的现场检测设备也可在资源有限的地区取得显著成果。高端仪器同样可从该方法中获益,通过使用额外的荧光染料实现更深入的流式细胞术分析,并构建可同时靶向多个细胞谱系的模块化流式细胞术检测 panel11。这种方法有望减少模块化免疫表型流式细胞术中所需的检测 panel 数量,从而降低实验成本、减少错误及操作时间。此外,该方法特别适用于细胞数量有限的临床样本。
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所有涉及人体材料的研究均经约翰斯·霍普金斯机构审查委员会根据《健康保险可携性和责任法案》批准。患者和对照样本均已去标识化。健康对照者的外周血单个核细胞(PBMCs)和血液均在知情同意后获取。
注意:本方案已在外周血细胞(新鲜或冻存分离)及全血中进行过测试。
1. 细胞准备
2. 细胞染色
注意:选择几乎没有光谱重叠的荧光染料组合对于减少一种荧光染料信号在另一荧光检测通道中的溢出(spillover)导致的数据扩散至关重要。为了实现对所有细胞亚群的最佳鉴定,应选用量子产率高的荧光染料,例如抗体组合 PE-BV421 和 PE-APC。
3. 抗体滴定
注意:抗体滴定是获得高质量、可重复数据最关键的步骤。抗CD3、-CD8、-CD14、-CD19和-TCR γδ抗体的滴定遵循标准流程,通过最大染色指数确定能够最佳分离阳性与阴性峰的抗体浓度13,14。应选择染色指数曲线上升阶段接近峰值或处于峰值的稀释比例(图1A-C)。抗CD4抗体的滴定应使CD4阳性群体的峰值位于CD3单阳性群体与CD3+/CD8+ T细胞之间,更靠近CD3单阳性信号,以便更好地区分CD8dim亚群(CD8+ γδ T细胞和NK T细胞)。同理,CD56抗体的滴定目标是将NK细胞中CD56+细胞的位置调整至CD3+与CD3-群体之间。
4. 门控策略
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介绍了一种仅使用两种荧光染料,对人外周血细胞进行七种谱系标志物(抗-CD3、-CD4、-CD8、-CD14、-CD19、-CD56 和 -TCR γδ 抗体)染色的流式细胞术实验的建立与分析方法。
以抗CD8和抗CD56抗体滴定为例,描述了代表性实验结果。针对每种抗体(本例中为抗CD8抗体),记录连续十次两倍稀释的数据,用于绘制染色指数曲线(图1A-C)。最佳抗体浓度由染色指数信号的最大值确定13,14。应选择染色指数曲线上升段接近峰值或处于峰值的稀释度。抗CD4和抗CD56抗体的滴定是将外周血细胞与双荧光染料组合中其他已预先滴定过的标记物共同染色完成的。对于抗CD4抗体,滴定目标是使抗CD4信号位于CD8+/CD3+双阳性信号与CD3单阳性细胞群之间(
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本文所展示的方案具有较高的灵活性,且对染色缓冲液、温度以及外周血细胞制备方法的改变不敏感,这主要归因于细胞表面谱系标记物的高表达水平。获得高质量、可重复数据最关键的步骤是抗体滴定。值得注意的是,由于抗体滴定应在流式细胞分析 panel 建立时常规进行,因此该步骤不会为本研究采用的双荧光染料方法额外增加实验操作时间。抗 CD3、CD8、CD14、CD19 和 TCR γδ 抗体的滴定遵循标准操作流程,即通过最大染色指数确定能够最佳区分阳性与阴性峰的抗体浓度。13,14应选择染色指数曲线上接近峰值或上升支靠近峰值处的稀释度(图1A- C)。另一方面,需要对抗-CD4和抗-CD56抗体进行临时滴定。抗-CD4抗体的滴定应使CD4阳性细胞群的峰值位于CD3单阳性细胞群和CD3+/CD8+ T细胞更接近CD3单阳性信号,以更好地区分CD8暗淡 群体(CD8+
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由美国关节炎与肌肉骨骼及皮肤病研究所资助,<https://www.niams.nih.gov/>,资助编号 P30-AR053503;Stabler 基金会, www.stablerfoundation.org;美国过敏与传染病研究所,www.niaid.nih.gov,T32AI007247;Nina Ireland 肺健康项目(NIPLH),https://pulmonary.ucsf.edu/ireland/。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| CD3 | BD Biosciences | 562426 | 用于染色的抗体 RRID: AB_11152082 |
| CD56 | BD Biosciences | 562751 | 用于染色的抗体 RRID: AB_2732054 |
| TCRgd | BD Biosciences | 331217 | 用于染色的抗体 RRID: AB_2562316 |
| CD4 | BD Biosciences | 555347 | 用于染色的抗体 RRID: AB_395752 |
| CD8 | BD Biosciences | 555367 | 用于染色的抗体 RRID: AB_395770 |
| CD14 | BD Biosciences | 555398 | 用于染色的抗体 RRID: AB_395799 |
| CD19 | BD Biosciences | 555413 | 用于染色的抗体 RRID: AB_395813 |
| CD3 | BD Biosciences | 555335 | 用于染色的抗体 RRID: AB_398591 |
| CD56 | BD Biosciences | 555518 | 用于染色的抗体 RRID: AB_398601 |
| TCRgd | BD Biosciences | 331211 | 用于染色的抗体 RRID: AB_1089215 |
| CCR7 | Biolegend | 353217 | 用于染色的抗体 RRID: AB_10913812 |
| CD45RA | BD Biosciences | 560674 | 用于染色的抗体 RRID: AB_1727497 |
| CCR4 | BD Biosciences | 561034 | 用于染色的抗体 RRID: AB_10563066 |
| CCR6 | BD Biosciences | 353419 | 用于染色的抗体 RRID: AB_11124539 |
| CXCR3 | BD Biosciences | 561730 | 用于染色的抗体 RRID: AB_10894207 |
| CD57 | BD Biosciences | 562488 | 用于染色的抗体 RRID: AB_2737625 |
| HLA-DR | BD Biosciences | 563083 | 用于染色的抗体 RRID: AB_2737994 |
| CD16 | BD Biosciences | 563784 | 用于染色的抗体 RRID: AB_2744293 |
| 死细胞 | Life technologies | L-23105 | 活/死细胞区分 |
| 带滤网帽的5 mL圆底聚苯乙烯试管(Falcon) | BD Bioscience | 352235 | 在上流式细胞仪前过滤细胞悬液 |
| 5 mL圆底聚苯乙烯试管(Falcon) | BD Bioscience | 352001 | 用于全血染色 |
| Recovery细胞冻存培养基 | Thermo fisher | 12648010 | 细胞冻存 |
| 96孔V型底板 | Thermo fisher | 249570 | 染色用板 |
| FACSAria IIu细胞分选仪 | BD Biosciences | 流式细胞仪 | |
| FCS Express 6 | De Novo Software | FACS分析 | |
| Graphpad Prism | GraphPad software | 数据分析 |
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