通过流式细胞术结合单细胞PCR与克隆技术,BSelex方法可用于从人外周血单个核细胞中鉴定并回收特异性抗原抗体。
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通过流式细胞术结合单细胞PCR与克隆技术,BSelex方法可用于从人外周血单个核细胞中鉴定并回收特异性抗原抗体。
人类抗体库是尚未充分开发的潜在治疗性抗体和有用生物标志物的重要来源。尽管当前的计算方法(如下一代测序技术,NGS)能够在序列水平上产生大量关于抗体库的数据,但仍需要功能数据来确定哪些序列对特定抗原或一组抗原具有相关性。本文介绍一种从人类献血者的外周血单个核细胞(PBMCs)中识别并回收单个抗原特异性抗体的方法。该方法首先对成熟B细胞进行富集,并结合表型细胞标志物与荧光标记蛋白,通过流式细胞术分离IgG记忆B细胞。随后对重链和轻链可变区进行克隆并重新筛选。尽管该方法仅限于记忆B细胞群体,但它利用流式细胞术检测数百万个B细胞,能够以适合表达和特异性验证的格式,获得来自单个细胞的配对重链与轻链序列。通过该方法获得的抗体可被评估其治疗潜力,也可结合生物信息学方法将特异性与功能关联,用于分析个体内的B细胞库。
抗体是一类不断发展的治疗性分子,而任何人体内现有的B细胞库都是此类抗体的潜在来源。从人类供体中获取的抗体无需进行适应性改造或"人源化"步骤,而这些步骤是其他动物系统中产生的抗体所必需的。目前已有多种方法可用于鉴定和分离人源抗体,包括B细胞活化与增殖1、通过EBV转化实现永生化2,3,以及杂交瘤细胞系的建立4,5。然而,所有这些方法都需要大量的细胞培养工作,以筛选和获得抗原特异性抗体。随着下一代测序(NGS)技术的发展,人们对人源抗体库的认识得到了极大拓展,使得能够鉴定供体样本中存在的大量个体序列。然而,由于NGS提供的是对所有存在序列的无偏视图,因此无法实现对抗原特异性抗体的鉴定与分离,尤其是在稀有或低频抗体的情况下。
该实验的目的在于 "“BSelex”方法旨在从人类供体的外周血单个核细胞中鉴定抗原特异性抗体,并分离和回收这些抗体的序列以进行进一步分析。该方法利用流式细胞术和细胞分选技术,针对记忆B细胞表面表达的B细胞受体(BCR)进行筛选。在启动通量较低的分子生物学方法之前,可通过流式细胞术对数百万个B细胞进行抗原特异性筛选。大多数NGS方法在批量分析细胞序列时无法实现重链与轻链的配对鉴定。而本文所述方法可对单个细胞进行分离,实现重链和轻链序列的配对回收,从而允许直接克隆并表达完整的IgG。
使用人类志愿者样本遵循斯克里普斯研究所机构审查委员会批准的方案。在献血前,已从捐献者处获得知情同意。
1. 试剂配制
2. 细胞分选
3. 单细胞克隆
4. 通过ELISA筛选确认抗原特异性
本方法涵盖从人类供体中分离抗原特异性抗体的多步流程。在此处展示的代表性数据中,细胞与一组荧光标记的多肽混合物共同孵育,这些多肽代表了tau蛋白的多个不同结构域,包括模拟潜在磷酸化位点的磷酸化多肽。这些多肽作为“诱饵”用于识别对特定tau表位具有反应性的细胞。在分选准备过程中,使用一组荧光标记的表型标志物来鉴定富集后的B细胞群体中的不同细胞亚群。通过一系列流式细胞术设门策略来分离目标记忆B细胞(图1)。在流式细胞术中,根据细胞大小和颗粒度,利用前向散射(FSC)和侧向散射(SSC)图对淋巴细胞进行圈选6,7。在排除多重细胞(“双联体”)和死亡细胞后,通过IgG、CD19(B细胞)和CD27(记忆)等表型标志物进一步区分IgG+记忆B细胞。在此方法中,CD27标志物的表达不呈现明显的双峰分布,因此将CD27+表达水平最高的前45%细胞纳入最终设门范围。最后,在APC和PE两种荧光染料上均呈双阳性的细胞位于设门图的右上象限,表明其对两种标记多肽均有反应性。位于设定门区内的细胞被分离并分选至96孔板的各个独立孔中。使用两种不同标签标记的抗原可提高信噪比,并减少后续分子生物学操作中的假阳性数量。经分选的细胞约占最终门内记忆B细胞的0.1%,占起始细胞样本的0.001%。
单细胞克隆的首个检测结果是确认相应重链和轻链可变区的扩增(图2)。由于目标是成对回收两条扩增产物,因此将PCR反应产物在琼脂糖凝胶上并排电泳,挑选出匹配的条带进行切胶并提取DNA片段。典型的扩增效率为重链30–50%,轻链(κ链)50–70%。成对扩增产物的回收效率通常在25–40%之间。这些效率因供体样本池而异,代表性数据(图3)显示了来自24个单细胞的高效扩增结果(成对回收率达42%)。在完成IgG克隆后,将IgG表达载体转染至人胚胎肾(HEK-293)悬浮细胞中,以最大化蛋白表达量。使用无血清培养基可减少重组抗体制备物中的杂质蛋白,有助于降低后续结合实验中的背景噪声。回收的抗体将通过ELISA方法针对原始的tau多肽组合进行筛选,并根据反应性进行评分(图4)。以OD值超过背景0.5作为初始阈值,判断为抗原阳性反应;β-actin蛋白则用作非特异性结合的对照。如果流式细胞术及分选步骤使用的是混合多肽池,则筛选ELISA是解析回收IgG特异性反应性的第一步。在检测的10种IgG中,有3种对磷酸化的CBTAU22.1多肽表现出反应性,1种对非磷酸化的CBTAU27.1多肽有反应(图4A)。进一步通过相同重组抗体样品对初筛中鉴定出的多肽进行浓度梯度实验,另设一种多肽作为阴性对照,以进行额外验证(图4B)。对于每一个阳性结果,均从转化后的克隆池中分离出单个质粒克隆,并通过相同的ELISA方法重新验证。图中仅展示了克隆34的数据,结果显示其对非磷酸化的CBTAU27.1多肽的反应性得到确认,但也观察到其对磷酸化的27.1多肽存在较低亲和力的结合(图4C)。

图1:通过流式细胞术分离抗原反应性单细胞。(A)显示一个代表性图谱,其中淋巴细胞群体位于所划定的门控区域内。(B)根据前向散射和侧向散射(FSC-高度 对 FSC-宽度(R3);SSC-高度 对 SSC-宽度(R4))设置门控以排除双联体。仅门控区域内的细胞进入后续分析。DAPI+细胞被视为死亡细胞并被排除(R5)。本实验共检测了3.7 × 107个“活”细胞。活细胞中大部分为B细胞(CD19+),从中分离出IgG+细胞(4.66%)(R6)。CD27+记忆细胞中荧光信号最强的前43.2%被纳入选择门控(R7)。(C)第二象限(Q2)包含对两种标记抗原均有反应的细胞(肽-APC 对 肽-PE),这些细胞被分选并单独回收至96孔板中。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:PCR扩增回收IgG重链和轻链可变区序列用于克隆。(A)使用巢式PCR反应同时回收重链(VH)和轻链(Vk或Vl)的可变区。第一步引物从前导序列(leader sequence)起始正向扩增,并从恒定区内部反向扩增。多个箭头代表7-12种引物的混合物,用于确保对可能的种系序列实现广泛覆盖。第二步引物为巢式引物,特异性结合可变区开放阅读框的两端,并在扩增产物末端添加与表达载体中相邻序列同源的序列。(B)连接片段包含恒定轻链(Ck或Cl),随后是重链启动子和一段非天然的信号肽序列。扩增产物、连接片段和质粒骨架通过第二步PCR扩增产生的重叠同源序列同时进行连接,并以完整质粒形式被分离。最终表达载体中的重组重链和轻链由独立(且相同)的CMV启动子驱动,翻译为两种独立的蛋白质。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:从单个细胞中回收IgG重链和轻链可变区扩增产物。嵌套PCR反应(步骤II)直接上样至1%琼脂糖凝胶并进行可视化检测。来自同一细胞的重链(H)和κ轻链(L)PCR反应产物上样于相邻加样孔,以便于观察成对的扩增片段。成功的重链和轻链扩增产物大小分别约为400 bp和350 bp。成功回收的成对扩增产物以(*)标示。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:通过重组 IgG 验证抗原特异性。 将含有回收的重链和轻链序列的质粒转染至 HEK 细胞中进行表达。四天后,通过 ELISA 检测重组抗体的反应性。(A)测定澄清培养基中的 IgG 浓度,并稀释至 20 µg/mL。用于分选的肽段混合物在链霉亲和素包被的酶标板上以每孔 40 pmol 的量分别进行检测。所有 IgG 均设置复孔检测。(B)对 OD450 值>0.5 的克隆(克隆 #32、#34、#35)进行重新检测,采用 1:5 梯度稀释法针对筛选中鉴定出的肽段进行验证。(C)确认为阳性后,从克隆 #34 的转化连接产物中分离单个质粒克隆,进行转染并通过 ELISA 重新验证。克隆 #32 和 #35 也进行了相同操作(数据未显示)。请点击此处查看该图的放大版本。
本文介绍的方法结合了流式细胞术和单细胞克隆技术,所描述的方法基于Tiller及其同事先前开发的方法11。他们的研究描述了单克隆抗体的回收与克隆,旨在单细胞水平上研究人类B细胞受体库。我们对该方法的主要步骤进行了改进,使其能够从记忆B细胞群体中回收抗原特异性的单克隆抗体,包括采用多步扩增引物策略。主要的改进在于加入了标记抗原作为"诱饵"。此外,我们还对已发表的实验方案进行了其他优化,包括(但不限于)将克隆载体骨架改造为单一表达质粒、增加对种系受体库(包括信号肽序列和框架区1)的引物覆盖范围、转染悬浮培养的HEK293细胞以提高表达水平,以及在PCR扩增过程中使用高保真聚合酶。
在本文所述方法中,最关键的步骤集中在流式细胞术与单细胞克隆之间的过渡环节。首先,将分选后的单个细胞准确地放置到孔板中至关重要。在分选仪上正确设置液滴延迟时间是关键步骤之一。还需考虑环境因素,例如低湿度环境;我们发现,除非在目标分选板上使用防静电枪,否则细胞回收效率会显著下降。在完成细胞放置后,需对孔板进行离心,以确保细胞与孔底的10 µL缓冲液充分接触。上述所有措施对于后续分子生物学实验的成功至关重要。如果单个细胞的逆转录反应条件不理想,即使对β-actin进行PCR扩增也可能变得困难。本方法的优势在于能够检测数百万个细胞,并仅分选出符合针对目标抗原的抗原反应性标准的细胞。这要求信噪比尽可能高,因此需要在分选前优化诱饵抗原的浓度。采用双标记的抗原诱饵有助于减少假阳性细胞的回收,因为单一荧光染料可能存在较高的背景信号。使用多种抗原诱饵可能会增加信噪比优化的难度,但该方法的另一优势在于能够同时检测多个肽段。
当回收效率较低时,可使用一组嵌套式β-actin引物来确认模板cDNA的存在。该方法的缺点在于难以判断是由于孔中原本无细胞,还是逆转录反应失败所致,从而增加了故障排查的难度。偶尔也会出现相反情况,即回收效率高于预期。重链的典型回收率为30–45%,轻链则更高,为40–60%。每个PCR反应(第一步 & II)采用50个循环从单个细胞进行扩增。总循环数较高也使得该方法容易受到污染。通过对扩增产物进行序列分析,可以判断是否存在污染物引入,或是否真正实现了异常高的回收率。
该方法在回收针对特定抗原的天然人源抗体方面存在若干重要局限性。首先,流式细胞术中仅能使用可标记的可溶性蛋白作为"诱饵"。在代表性结果所展示的实验中,我们采用了由tau蛋白合成的一系列重叠线性肽段,因为使用完整蛋白的尝试被证明较为困难。使用线性肽段可能并非最佳选择,因其可能限制对非线性或构象性表位抗体的识别。然而,我们仍成功鉴定出多个针对tau蛋白的独特抗体,目前这些抗体正在接受进一步评估8,9。另一项局限性在于IgG抗体的分子生物学回收与克隆过程通量较低。初始分选策略可实现对数百万个细胞的筛选,但后续的分子生物学操作包含多个步骤。尽管目前正在进行优化,尝试引入如Gibson Assembly10等新技术以简化多个流程,但瓶颈仍在于单个重链与轻链配对的克隆环节。
的 "“BSelex”方法利用记忆B细胞表面表达的BCR来鉴定具有抗原反应性的细胞,随后通过流式细胞术回收这些单个细胞11,12由于该方法依赖于BCR,因此仅限于记忆B细胞群体,无法捕获抗体分泌细胞(ASCs),例如浆母细胞。然而,与ASCs相比,该方法在回收更广泛的抗原特异性免疫球蛋白库方面可能具有优势。流感疫苗研究显示,尽管反应性ASCs通常由少数扩增的B细胞克隆主导,抗原特异性记忆B细胞群体却很少呈现单克隆特征12T细胞表面的T细胞受体(TCR)在基因排列和重排机制上与B细胞受体相似,以实现多样性的最大化。类似于本文所述方法的单细胞技术已用于评估T细胞受体库,包括α链和β链的回收及单细胞克隆13然而,T细胞受体(TCR)的识别需要肽段由MHC分子呈递,这为利用标记饵料法鉴定肽特异性T细胞带来了显著的复杂性。与B细胞不同,T细胞不会对整个可变区进行亲和力成熟,因此只需鉴定短小的CDR3区及其部分侧翼序列,即可实现T细胞的识别与重建。最后,本方法描述了通过流式细胞术鉴定IgG分子,但也可使用其他表型标志物来鉴定不同同种型的B细胞。
目前,研究人员正在开发一些方法,以将下一代测序技术产生的海量数据与抗原特异性的功能分析相连接,但这些方法仍在不断完善中。尽管存在局限性,本文所述方法已成功用于发现对传染性和非传染性疾病具有潜在治疗价值的抗体8,14,15,并代表了一种可靠的技术途径,可直接从人体中回收相关抗原特异性的IgG抗体,而无需对B细胞进行大规模操作或长时间的细胞培养。
作者无任何利益冲突需要披露
作者谨此感谢 Lucy Chammas、Martha Costa、Julie Kim、Nancy Heredia 和 Jeremy Macedo 在多次方法改进测试以及当前 BSelex 平台优化过程中所做的大量工作。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| MoFlo Astrio EQ 细胞分选仪 | MoFlo | 细胞分选 | |
| 生物素化肽段 | New England Peptide | 细胞分选 "诱饵" | |
| Micro Bio-spin P30 凝胶柱 | BioRad | #7326223 | |
| 链霉亲和素(R-PE) | Thermo Scientific | SA10041 | |
| 链霉亲和素(APC) | Thermo Scientific | S32362 | |
| CD22 MicroBeads,人源 | Miltenyi | #130-046-401 | |
| LS 柱 | Miltenyi | #130-042-401 | |
| 预分离滤器 | Miltenyi | #130-041-407 | |
| PerCp-Cy5.5 标记的小鼠抗人 CD19 抗体 | BD Biosciences | BD#340951 | |
| PE-Cy7 标记的小鼠抗人 CD27 抗体 | BD Biosciences | #560609 | |
| FITC 标记的小鼠抗人 IgG 抗体 | BD Biosciences | #560952 | |
| DAPI | Life Technologies | #D21490 | |
| RNaseOUT | Life Technologies | #10777-019 | |
| 牛血清白蛋白,第五组分 | Sigma | #A4503 | |
| RPMI 培养基 | Hyclone | #SH30096.01 | |
| 热灭活胎牛血清(HI FBS) | Invitrogen | #10082147 | |
| Mastercycler Gradient | Eppendorf | 型号 #6325 | PCR 仪 |
| PCR 96 孔板 | Phenix | MPS-500 | |
| PCR 板封膜 | Phenix | SMX-PCR96 | |
| Advantage UltraPure PCR 脱氧核苷酸混合物 | Clontech | #639125 | |
| Superscript IV 第一链合成系统 | Invitrogen | #18091050 | |
| Phusion 高保真聚合酶 | Thermo Scientific | F-531-L | |
| Platinum 聚合酶 | Invitrogen | #10966108 | |
| 无核酸酶水 | QIAGEN | #129114 | |
| 寡核苷酸引物 | IDT | 多种 | 所有 PCR 步骤所用引物 |
| 凝胶回收试剂盒 | QIAGEN | #28706 | |
| PCR 纯化试剂盒 | QIAGEN | #28106 | |
| 质粒小提试剂盒 | QIAGEN | #27106 | |
| NEBuilder HiFi DNA 组装克隆试剂盒 | New England Biolabs | E5520S | Gibson 组装 |
| Expi293 表达培养基 | Invitrogen | #A14351-01 | |
| ExpiFectamine 293 转染试剂盒 | Invitrogen | #A14525 | |
| Opti-MEM 培养基 | Invitrogen | #31985070 | |
| CO2 培养箱(Multitron) | |||
| Octet RED384 系统 | Pall/ Forte Bio | ||
| Pierce 链霉亲和素包被高结合力透明 96 孔板 | Thermo Scientific | #15500 | |
| Corning Costar 96 孔聚苯乙烯高结合半面积板 | Corning | #3690 | |
| 山羊抗人 IgG Fab 二抗 | Jackson Labs | #109-036-097 | |
| 山羊抗小鼠 HRP 二抗 | Jackson Labs | #115-035-072 | |
| SureBlueTM TMB 微孔过氧化物酶底物(单组分) | KPL | #52-00-03 | |
| TMB 终止液 | KPL | #50-85-06 |
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