本文介绍了一种详细且可重复的流式细胞术方案,利用已建立的小鼠骨关节炎手术模型,通过胞外和胞内染色实验,鉴定小鼠脾脏、骨髓、淋巴结及滑膜组织中的单核细胞/巨噬细胞和T细胞亚群。
方法文章
本文介绍了一种详细且可重复的流式细胞术方案,利用已建立的小鼠骨关节炎手术模型,通过胞外和胞内染色实验,鉴定小鼠脾脏、骨髓、淋巴结及滑膜组织中的单核细胞/巨噬细胞和T细胞亚群。
骨关节炎(OA)是最常见的肌肉骨骼系统疾病之一,影响着众多遭受疼痛和身体功能受限的患者。近期研究表明,该疾病可能存在炎症成分,其中T细胞和单核细胞/巨噬细胞可能与OA的发病机制相关。进一步的研究提出,两类炎症细胞谱系中的特定亚群可能发挥重要作用,例如Th1、Th2、Th17和调节性T淋巴细胞,以及M1、M2和滑膜组织常驻巨噬细胞。然而,局部滑膜和全身性炎症细胞反应与关节结构改变之间的相互作用尚不清楚。为了全面理解T细胞和单核细胞/巨噬细胞在OA中的作用,重要的是能够同时在滑膜组织、次级淋巴器官以及全身系统(脾脏和骨髓)中定量鉴定这些细胞及其亚群。如今,可通过细胞表面标志物的组合来识别不同的炎症细胞亚群,使得多色流式细胞术成为研究这些细胞过程的有力技术。在本实验方案中,我们详细描述了获取滑膜组织和次级淋巴器官以及制备单细胞悬液的具体步骤。此外,我们展示了用于鉴定单核细胞/巨噬细胞及其亚群的细胞外染色实验,以及用于鉴定小鼠脾脏、骨髓、淋巴结和滑膜组织中T细胞及其亚群的细胞外与细胞内染色实验。本方案的每一步均经过优化和验证,最终建立了一种高度可重复的实验方法,可用于其他手术性和非手术性OA小鼠模型的研究。
骨关节炎(OA)是一种致残性且伴有疼痛的疾病,涉及关节相关所有组织的多种病理变化1影响全球约3.8%的人口2,骨关节炎是最常见的肌肉骨骼系统疾病之一,且将成为第四th 2020年全球致残的主要原因3创伤后骨关节炎发生在关节损伤之后,占所有骨关节炎病例的至少12%,在膝关节等易感关节中可高达25%4,5此外,关节损伤使骨关节炎的终生风险增加五倍以上6并非所有表现出明显不稳定性的损伤都会发展为骨关节炎(OA),因此确定导致长期OA风险的因素仍然具有挑战性。为了开发有效的治疗手段以预防和/或治疗创伤后骨关节炎,深入研究并更清晰地界定易感OA的损伤特异性病理、病因及机制至关重要。1.
骨关节炎(OA)及其特征性的软骨破坏曾被认为完全由机械应力所致,因此OA被视为一种非炎症性疾病2。然而,近期研究表明,与健康对照者相比,OA患者滑膜组织中存在炎症细胞浸润,且滑膜组织内的炎症细胞数量增加2,提示炎症成分可能在OA的发生发展中起驱动作用。进一步研究显示,适应性免疫系统中的CD4+和CD8+ T细胞谱系异常,以及先天免疫系统中的单核细胞/巨噬细胞异常,可能参与OA的发病机制2,7。对这些异常的深入研究揭示了多种T细胞亚群的重要作用2,例如Th18、Th29、Th178以及调节性T细胞(Treg)群体10,11。尽管存在这些有力证据,T细胞反应改变与OA的发生及进展之间的因果关系仍不明确2。
除了特定T细胞在骨关节炎(OA)中发挥作用外,近期研究表明,不同极化/活化的巨噬细胞可能也与OA的发病机制相关12。特别是,在OA发展过程中,来源于血液单核细胞的巨噬细胞在滑膜中聚集,并极化为经典活化的巨噬细胞(M1)或替代性活化的巨噬细胞(M2),提示单核细胞来源的巨噬细胞与OA之间存在关联13。相比之下,某些巨噬细胞亚群在发育早期即定植于器官中,并以单核细胞非依赖的方式自我维持其数量14。最近研究发现,这些滑膜组织驻留巨噬细胞(STRMs)可通过紧密连接屏障发挥关节保护作用14。这些发现表明,特定巨噬细胞亚群的异常可能在OA的发展过程中起关键作用。然而,这种炎症性细胞反应与创伤后关节结构变化之间的相互作用仍不清楚。
传统上,对滑膜组织中免疫细胞的分析局限于免疫组织化学(IHC)或通过逆转录聚合酶链反应(RT-PCR)检测mRNA表达水平15,16。然而,IHC和RT-PCR均无法同时鉴定多种不同类型的细胞及其亚群,从而限制了这些方法的应用范围。此外,IHC仅适用于小量组织样本的分析,可能遗漏局灶性炎症细胞聚集区域。近年来,针对多种细胞类型的大量表面标志物已被开发出来,现在可通过这些标志物的独特组合可靠地鉴定免疫细胞亚群。随着技术的持续进步,流式细胞仪现已能够同时识别多种不同的荧光染料,从而实现对大型多色抗体组合的分析。
流式细胞术为研究人员提供了一种强大的技术,能够在单细胞水平上同时鉴定和定量多种免疫细胞及其亚群。我们已建立并优化了两种检测方法:一种是细胞外染色法,用于鉴定小鼠脾脏、骨髓、淋巴结和滑膜组织中的单核细胞/巨噬细胞及其亚群;另一种是细胞外/细胞内染色法,用于鉴定T细胞及其亚群。本方案的每一步均经过优化和验证,最终形成了一种高度可重复的检测方法,可用于其他手术性和非手术性骨关节炎小鼠模型17。
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本方案中提及的所有操作均已获得北悉尼地方卫生区动物伦理委员会批准。小鼠的饲养和护理均遵循澳大利亚国家卫生与医学研究委员会2010年修订版《实验动物护理与使用指南》。所有实验均使用10至12周龄的雄性C57BL/6小鼠。
注意:为了诱导创伤后骨关节炎,对右侧膝关节进行内侧半月板手术去稳定化(DMM)。有关该动物模型的详细信息已由 Glasson 等人发表18。简言之,使用异氟烷在诱导室中诱导全身麻醉,随后通过鼻罩维持麻醉。用剃须刀片剃除手术侧肢体的毛发,并用乙醇清洗和擦拭手术区域,以尽量减少污染。随后将动物转移至手术显微镜下,置于无菌毛巾上,并用无菌纸巾覆盖肢体,以隔离手术区域并减少污染。在显微镜下,做一条长约 0.5 cm 的髌骨旁内侧关节切口,将髌骨向外脱位,抬起髌下脂肪垫以暴露内侧半月板胫骨韧带,并使用解剖镊将其横断。关节腔用无菌生理盐水冲洗以清除血液,伤口则分三层闭合——关节囊、皮下组织(使用缝合材料)和皮肤(使用外科组织胶)。然而,本方案中描述的方法也可应用于其他诱导骨关节炎的模型和方法。骨关节炎可诱导于动物的任一侧,而在采集组织时,重要的是要采集同侧(引流)淋巴结。
1. 脾脏、对侧骨髓、同侧引流膝关节的淋巴结及滑膜组织的分离
2. 从每种组织制备单细胞悬液
注意:为确保流式分析所需的足够细胞数量,需要合并两只小鼠的滑膜组织。在本方案中,为保持一致性,需将同两只小鼠的所有组织合并处理。此外,每只小鼠的髂淋巴结和腹股沟淋巴结合并收集,使每个样本总共获得4个淋巴结。通常情况下,单只动物的脾脏、骨髓和淋巴结中的细胞数量足以进行流式分析,可直接应用本方案。然而,当仅使用单只动物的组织时,可能需要调整裂解时间。
3. 细胞分配
4. 单核细胞亚群检测面板
5. T细胞亚群检测面板
6. 补偿、适当的对照和设门
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以下描述了单核细胞亚群检测 panel 和 T 细胞亚群检测 panel 的代表性结果。
图1展示了从DMM处理动物的骨髓中获取的免疫细胞单核细胞亚群 panel 的分层设门策略。该策略在所有其他组织类型中均被采用并验证。在实验设置过程中,针对每种组织类型确定前向散射面积(FSC-A)和侧向散射面积(SSC-A)的电压,以识别单核细胞/巨噬细胞,并排除T细胞和碎片(G1)。在每次实验中,均分析每种组织类型的未染色对照样本,并在必要时调整FSC-A和SSC-A电压。如果参数发生显著变化,则可能提示流式细胞仪发生堵塞,而电压在时间推移中应保持相近。此外,未染色对照还用于确定死/活染料的真实阴性信号,每次实验时均据此相应调整设门(图2A)。在实验设计时,应谨慎选择荧光染料,通常将表达水平较低的表面标志物与高亮度荧光染料配对使用(例如,此处CD206使用了Alexa Fluor 647)。目前存在多种可在不同波长下检测的死/活染料;本实验中使用的是FVS510。
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本方案中描述的方法经过设计和验证,可稳定地从小鼠骨关节炎(OA)模型的脾脏、骨髓、淋巴结以及滑膜组织中鉴定出单核细胞/巨噬细胞和T细胞的多种亚群。当前方案可通过更换抗体以适应不同类型组织或其他细胞的研究,并可用于其他小鼠骨关节炎模型。在检测其他类型组织时,必须验证每种抗体的特异性,因为免疫细胞表面标志物的表达在不同组织中存在差异20。此外,在更换抗体时,需进行剂量滴定实验以确定抗体的最佳浓度,同时需重复补偿过程,以校正光谱重叠发生的变化。
在本实验方案中,采用DMM小鼠模型诱导骨关节炎(OA)18。目前最常用且已确立的动物模型为小鼠模型,因为该物种在研究创伤后骨关节炎病理生理学方面具有多重优势17。特别是在小鼠中,已有报道描述了手术性和非手术性OA模型17:其中最常见的分别为内侧半月板失稳术(DMM)、前交叉韧带切断术(ACLT)和非手术性前交叉韧带断裂(ACLR)
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢Andrew Lim博士和Giles Best博士在流式细胞仪设置过程中提供的帮助。本项目由德国研究基金会(DFG)(DFG-HA 8481/1-1)资助,授予PH。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| APC 抗小鼠 CD194 (CCR4) | BioLegend | 131212 | T 细胞检测组合 |
| Brilliant Stain Buffer Plus 1000 次检测 | BD | 566385 | 缓冲液 |
| 可固定活力染料 510,100 µg | BD | 564406 | T 细胞检测组合 |
| 可固定活力染料 510,100 µg | BD | 564406 | 单核细胞检测组合 |
| Liberase,研究级 | Roche | 5401127001 | 滑膜组织消化用酶 |
| 小鼠 CD11b APC-R700 M1/70,100 µg | BD | 564985 | 单核细胞检测组合 |
| 小鼠 CD11C PE-CF594 HL3,100 µg | BD | 562454 | 单核细胞检测组合 |
| 小鼠 CD183 BB700 CXCR3-173,50 µg | BD | 742274 | T 细胞检测组合 |
| 小鼠 CD206 Alexa 647 MR5D3,25 µg | BD | 565250 | 单核细胞检测组合 |
| 小鼠 CD25 BV605 PC61,50 µg | BD | 563061 | T 细胞检测组合 |
| 小鼠 CD3e APC-Cy7 145-2C11,100 µg | BD | 557596 | T 细胞检测组合 |
| 小鼠 CD4 PE-Cy7 RM4-5,100 µg | BD | 552775 | T 细胞检测组合 |
| 小鼠 CD44 APC-R700 IM7,50 µg | BD | 565480 | T 细胞检测组合 |
| 小鼠 CD62L BB515 MEL-14,100 µg | BD | 565261 | T 细胞检测组合 |
| 小鼠 CD69 BV711 H1.2F3,50 µg | BD | 740664 | T 细胞检测组合 |
| 小鼠 CD80 BV650 16-10A1,50 µg | BD | 563687 | 单核细胞检测组合 |
| 小鼠 CD8a BV786 53-6.7,50 µg | BD | 563332 | T 细胞检测组合 |
| 小鼠 F4/80 BV421 T45-2342,50 µg | BD | 565411 | 单核细胞检测组合 |
| 小鼠 Foxp3 PE MF23,100 µg | BD | 560408 | T 细胞检测组合 |
| 小鼠 I-A I-E BV711 M5/114.15.2,50 µg | BD | 563414 | 单核细胞检测组合 |
| 小鼠 Ly-6C PE-Cy7 AL-21,50 µg | BD | 560593 | 单核细胞检测组合 |
| 小鼠 Ly-6G APC-Cy7 1A8,50 µg | BD | 560600 | 单核细胞检测组合 |
| 小鼠 NK1.1 BV650 PK136,50 µg | BD | 564143 | T 细胞检测组合 |
| 小鼠 ROR Gamma T BV421 Q31-378,50 µg | BD | 562894 | T 细胞检测组合 |
| 红细胞裂解缓冲液 | N/A | N/A | 缓冲液 |
| 转录因子缓冲液套装,100 次检测 | BD | 562574 | 缓冲液 |
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