本文介绍了一种在体外培养的造血干细胞和T细胞中可靠测定线粒体质量与膜电位的方法。
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* These authors contributed equally
本文介绍了一种在体外培养的造血干细胞和T细胞中可靠测定线粒体质量与膜电位的方法。
静息、自我更新与分化之间的精细平衡对于维持造血干细胞(HSC)库以及终生生成所有成熟血细胞至关重要。近年来,细胞代谢被发现是调控HSC功能与命运的关键因素。我们先前已证明,线粒体代谢的调节可影响HSC的命运。具体而言,通过化学解偶联电子传递链,我们能够在通常会迅速诱导分化的培养条件下维持HSC的功能。然而,HSC数量有限,常常限制了标准检测方法在测量HSC代谢以预测其功能方面的应用。本文中,我们报道了一种简单的流式细胞术检测方法,可在HSC等稀有细胞中可靠地测量线粒体膜电位和线粒体质量。我们讨论了从小鼠骨髓中分离HSC,以及在体外培养后对线粒体质量与膜电位的测定。作为示例,我们展示了通过代谢调节剂处理对HSC中这些参数的调控。此外,我们将该方法拓展应用于人外周血来源的T细胞及人肿瘤浸润淋巴细胞(TILs),发现其线粒体特征存在显著差异,可能反映了不同T细胞的功能状态。我们认为,该检测方法可用于在不同背景下筛选多种细胞类型中线粒体代谢的调节因子。
造血干细胞(HSCs)是一类存在于骨髓中的稀有细胞群体,负责在整个生物体生命周期中维持血液的生成与稳态。HSCs 通过产生祖细胞来介导这一过程,祖细胞再经过多轮细胞分裂和精确调控的分化步骤,最终生成终末分化的成熟血细胞谱系1。重要的是,HSCs 主要通过无氧糖酵解产生能量;相比之下,分化方向更明确且活跃的造血祖细胞则将其代谢方式转向线粒体代谢2,3,4。这种独特的代谢状态被认为可保护 HSCs 免受活性线粒体产生的活性氧(ROS)所造成的细胞损伤,从而维持其长期的体内功能5,6,7,8。由于 HSCs 数量有限,直接检测其代谢状态具有挑战性,且通量通常较低。本文中,我们描述了一种基于流式细胞术的检测方法,利用四甲基罗丹明甲酯(TMRM)荧光检测 HSCs 的线粒体膜电位(ΔΨm),并利用绿色荧光线粒体染料(Mitotracker Green)检测线粒体质量。我们先前已证实,低 ΔΨm 是高度纯化的 HSCs 的可靠功能标志物9,而能够降低 ΔΨm 的代谢调节剂可增强 HSCs 的功能9,10。本文提出将该方法应用于 HSCs 的线粒体特征分析,作为一种策略,用于发现能够提升 HSCs 长期血液重建潜能的新型分子。
例如,我们证明该检测方法可可靠地测量造血干细胞在线粒体膜电势(ΔΨm)暴露于维生素B3类似物烟酰胺核糖(NR)后发生的降低。因此,在我们近期发表的研究中,我们证明NR通过直接改善造血干细胞和祖细胞功能,在小鼠和人源化小鼠体系中均显著促进移植后的血液系统恢复10。考虑到移植后患者因血液和免疫系统恢复延迟导致的死亡率高达25%,这类代谢调节剂具有重要的临床价值11,12。
此外,我们提供了证据表明,该方法可用于表征人类T细胞的代谢谱和功能。近年来,利用自体肿瘤浸润淋巴细胞(TILs)的过继性细胞治疗(ACT)已成为治疗某些预后极差的晚期癌症最有效的方法(例如转移性黑色素瘤,其中>50%的患者对治疗有反应,高达24%的患者出现完全缓解)13。然而,生成具有足够抗肿瘤活性的TILs仍存在困难14。TILs在体外扩增过程中经历广泛的增殖和刺激,导致T细胞耗竭和衰老,从而严重损害其抗肿瘤反应能力15。重要的是,TILs的抗肿瘤能力与其代谢状态密切相关16,17,而通过抑制PI3K/Akt通路来调节代谢的策略已取得令人鼓舞的结果18,19。基于此,我们比较了来自外周血单个核细胞(PBMCs)的T细胞与患者来源TILs的线粒体膜电位(ΔΨm),并发现相较于终末分化的TILs,分化程度较低的PBMC来源T细胞具有更低的ΔΨm和线粒体质量。
我们设想该检测方法可用于鉴定通过调节ΔΨm来改善造血干细胞和T细胞功能的新型代谢调节剂。
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本文所述所有实验均遵循本机构的指导原则,并依照瑞士动物实验法规(许可编号:VD3194)以及涉及人类样本研究的法规(方案编号:235/14;CER-VD 2017-00490)进行。
1. 造血干细胞提取
2. 造血干细胞的离体培养
3. 线粒体数量与膜电位的测定
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在图1中,我们展示了从小鼠骨髓中分离造血干细胞的设门策略以及其体外培养的孔板布局。图1A显示了在SSC-A/FSC-A图中淋巴细胞组分的鉴定。通过单细胞门去除双联体后,根据无DAPI信号鉴定活细胞。鉴定出由谱系阴性(lineage-)、Sca1+cKit+定义的LKS群体。该群体已知包含干细胞和祖细胞。造血干细胞(HSCs)约占LKS群体细胞的5–10%,通过设门CD150+CD48-群体进行鉴定。图1B展示了96孔板的体外培养布局。分选后的造血干细胞被接种于不同的培养条件下:本例中为对照组和NR补充的培养条件。根据实验方案,全骨髓细胞也被接种作为单色对照。为防止含细胞孔中的培养基蒸发,必须在周围所有孔中加入水。此外,如前所述,应避免使用边缘孔进行细胞培养,因其更易发生蒸发。
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对造血干细胞(HSC)功能的严格调控对于维持机体一生中稳定的造血功能至关重要。与体内多种其他细胞类型类似,细胞代谢是调控HSC功能的关键因素之一。我们实验室此前的研究9以及其他研究团队的工作2,3均表明,线粒体在维持HSC特有代谢状态中具有重要作用。由于从小鼠骨髓中分离得到的HSC数量极低,难以通过常规代谢检测方法(例如SeaHorse氧耗检测)对其进行分析。基于我们先前的研究,我们建立了一种简便的流式细胞术检测方法,可在少量细胞(即HSC)中可靠地测定线粒体质量及膜电位(作为线粒体活性的间接读数)。该检测可在活细胞上进行,且不损害细胞活力9,从而确保细胞可用于后续任何功能实验(如集落形成单位实验或骨髓移植实验),供使用者进一步分析。我们预计该检测方法可用于筛选实验,快速评估来自不同遗传背景或基因敲除模型的HSC的线粒体特征。重要的是,本检测方法可与CFSE染色联合使用,同时读取HSC增殖情况及其线粒体特征
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本工作的部分内容已作为申请号P1828EP00提交至欧洲专利局。
我们感谢洛桑大学流式细胞术核心设施的支持,特别是感谢Romain Bedel博士。本工作获得了Kristian Gerhard Jebsen基金会向N.V.和O.N.提供的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 5 mL FACS 管 | Falcon | 352235 | 样品制备 |
| 96 孔 U 型底板 | Corning | 3799 | 细胞培养 |
| AutoMACS pro 分离仪 | Miltenyi Biotec | 自动细胞分离 | |
| BD FACS AriaIII | Becton and Dickinson | 细胞分选 | |
| BD IMag 小鼠造血祖细胞富集试剂盒 | BD | 558451 | 谱系耗竭 |
| BD LSRII | Becton and Dickinson | FACS 数据采集仪器 | |
| BD-DIVA | Becton and Dickinson | 数据采集软件 | |
| CD150 PE | Biolegend | 115904 | 抗体染色混合液 |
| CD150 PE-Cy5 | Biolegend | 115912 | 抗体染色混合液 |
| CD48 PB | Biolegend | 103418 | 抗体染色混合液 |
| 离心机-5810R | Eppendorf | 离心 | |
| Ckit PeCy7 | Biolegend | 105814 | 抗体染色混合液 |
| FlowJo | FlowJo LLC | FACS 分析软件 | |
| GraphPad-Prism | GraphPad | 数据绘图 | |
| MitoTracker Green | Invitrogen | M7514 | 绿色荧光线粒体染料,用于检测线粒体质量;工作浓度 = 100 nM;储存浓度 = 1 mM |
| 烟酰胺核糖(NR) | 实验室自行定制合成 | 代谢调节剂;工作浓度 = 500 µM;储存浓度 = 50 mM | |
| PBS | CHUV | 1000324 | 缓冲液配制;工作浓度 = 1x;储存浓度 = 1x |
| 青霉素-链霉素(P/S) | Life technologies | 15140122 | 体外培养;工作浓度 = 1x;储存浓度 = 1x |
| 红细胞裂解缓冲液 | Biolegend | 420301 | 裂解红细胞;工作浓度 = 1x;储存浓度 = 10x |
| 重组小鼠 Flt-3 配体(FLT3) | RnD | 427-FL-005/CF | 体外培养;工作浓度 = 2 ng/mL;储存浓度 = 10 µg/mL |
| 重组小鼠干细胞因子(SCF) | RnD | 455-MC-010/CF | 体外培养;工作浓度 = 100 ng/mL;储存浓度 = 50 µg/mL |
| Sca1 APC | Thermo Fisher Scientific | 17-5981-82 | 抗体染色混合液 |
| StemlineII 造血干细胞扩增培养基 | SIGMA | S0192 | 体外培养 |
| 链霉亲和素 Pac orange | Life Technologies | S32365 | 抗体染色混合液 |
| 链霉亲和素 Tx red | Life Technologies | S872 | 抗体染色混合液 |
| TMRM | Invitrogen | T668 | 线粒体膜电位染色;工作浓度 = 200 nM;储存浓度 = 10 mM |
| 超纯 EDTA | Invitrogen | 15575-038 | 缓冲液配制;工作浓度 = 0.5 M;储存浓度 = 1 mM |
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