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方法文章

利用磁力悬浮法对细胞密度和抗原特性进行定量分析

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DOI：

10.3791/62550

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2021年5月17日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Nano Flow Core Facility, Beth Israel Deaconess Medical Center, Harvard Medical School, 2Department of Medicine, Division of Allergy and Inflammation, Beth Israel Deaconess Medical Center

本文内容

摘要

本文介绍了一种基于磁悬浮的方法，通过量化具有固定密度的捕获微珠悬浮高度的变化，特异性检测可溶性或膜结合抗原的存在。

摘要

所描述的方法基于磁力悬浮原理，可根据细胞和颗粒的密度及磁性特性实现分离。密度是识别细胞类型的重要特征，与其代谢速率、分化状态及活化状态直接相关。磁力悬浮技术可一步完成循环血细胞的分离、成像与表征，并基于其密度和磁性特性检测贫血、镰状细胞病以及循环肿瘤细胞。该方法还可通过使用分别包被捕获抗体和检测抗体的低密度与高密度微珠，用于检测溶液中存在的可溶性抗原。若溶液中存在目标抗原，其将连接这两类微珠 磁珠会形成新的珠-珠复合物，该复合物将在抗体包被的磁珠阵列之间悬浮。当溶液中目标抗原浓度升高时，形成的珠-珠复合物数量较抗原浓度较低时更多，从而实现对目标抗原的定量检测。与其他方法相比，磁悬浮技术具有样本预处理时间短、无需依赖传统读出方法的优势。所生成的图像可使用标准显微镜或移动设备（如智能手机或平板电脑）轻松捕获并进行分析。

引言

磁悬浮是一种仅基于细胞 类型1,2,3、蛋白质4,5和阿片类物质6的特定密度及顺磁特性对其进行分离、分析和鉴别的技术。细胞密度是每种细胞类型的独特内在属性，与其代谢速率和分化状态直接相关7,8,9,10,11,12,13,14。在稳态条件下以及多种细胞过程中，对细胞密度的细微且短暂变化进行定量，可为研究细胞生理学和病理生理学提供无与伦比的洞察。细胞密度的变化与细胞分化15,16、细胞周期进程9,17,18,19、凋亡20,21,22,23以及恶性转化24,25,26密切相关。因此，对细胞密度特定变化的定量可用于区分不同类型的细胞，也可用于鉴别处于不同激活过程中的同类型细胞。这使得研究人员能够针对特定的细胞亚群开展实验，其中密度的动态变化可作为细胞代谢改变的指标27。已有研究证实，细胞可能因环境变化而改变其密度7，因此，为了全面理解细胞行为，必须测量其密度相关的动力学特征，而现有方法可能无法提供此类信息12。相比之下，磁悬浮技术则能够对细胞及其特性进行动态评估28。

细胞具有抗磁性，这意味着它们没有永久的磁偶极矩。然而，当暴露于 外部磁场时，细胞内部会产生一个微弱的磁偶极矩，其方向与所施加的磁场方向相反。因此，如果将细胞悬浮在顺磁性溶液中并置于强垂直磁场下，它们将远离磁源发生悬浮，并停留在某一高度，该高度主要取决于细胞自身的密度。当满足以下两个条件时，可使物体在非均匀磁场的最小值处实现抗磁悬浮：1）颗粒的磁化率必须小于周围介质的磁化率；2）磁力必须足够强，以平衡颗粒的浮力。通过将红细胞（RBCs）悬浮在磁性缓冲液中，并使用小型、廉价且市售的永磁体产生强磁场梯度，即可满足这两个条件1。磁捕获颗粒在重力方向轴上的平衡位置由其密度（相对于缓冲液密度）、磁化率（相对于缓冲液磁化率）以及所施加磁场的特征共同决定。由于溶液的密度和磁学性质在整个系统中保持恒定，因此细胞的本征密度特性将成为决定其悬浮高度的主要因素，密度较高的细胞悬浮位置较低，而密度较低的细胞则悬浮得更高。该方法采用两组密度参考微球（1.05 和 1.2 g/mL），使我们能够进行精确的比率分析以测量密度。通过调节磁性溶液的浓度，可以分离不同的细胞群体，例如将红细胞与白细胞（WBCs）分离，因为循环细胞的密度具有细胞特异性，从而无需依赖分离方案或其他细胞操作步骤。

生物学研究中使用的大多数检测方法依赖于将特定的结合事件外推为易于量化的线性信号。这些读出方法通常较为复杂，需要专用设备和专业的科研人员。本文描述了一种用于检测存在于细胞质膜上、细胞外囊泡上或血浆中可溶性抗原的方法，该方法使用一种或两种抗体包被的微珠。这些微珠的密度必须彼此不同，并且与待检测目标物的密度也不同。在特定生物流体中若存在目标抗原，则会导致与检测微珠结合的抗原阳性细胞的悬浮高度发生特异且可测量的变化。对于可溶性抗原或细胞外囊泡，它们会同时与捕获微珠和检测微珠结合，形成微珠-微珠复合物，而非微珠-细胞复合物。悬浮高度的变化取决于微珠-细胞复合物或微珠-微珠复合物的新密度。除了复合物悬浮高度的变化可指示生物流体中抗原的存在外，复合物的数量也与目标物的含量相关，因此磁悬浮技术也是一种对抗原进行定量检测的方法24。

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方案

本研究中使用的实验方案已获得贝斯以色列女执事医疗中心机构审查委员会（IRB）的批准。

1. 仪器设置

注意：成像悬浮细胞需要两个沿 z 轴磁化的稀土钕磁铁，将相同磁极相对放置以产生磁场。磁铁之间的距离可根据磁场强度和目标物密度进行调整。本实验中，磁铁之间留有 1 mm 的间隙，足以插入一根长 50 mm、横截面为 1×1 mm² 的方形玻璃毛细管。该装置采用 AutoCAD 设计并进行 3D 打印，设计文件可应要求提供。

  1. 将显微镜侧放，确保完全水平。
    ​注意：由于磁体相对于聚光镜和物镜的位置关系，处于标准直立位置的显微镜无法直接用于成像悬浮物体。通过将显微镜侧放并保持完全水平，可克服这一限制，使聚光镜能够将光线聚焦到毛细管中，物镜能够对悬浮于磁体之间的细胞进行成像，同时满足科勒照明的要求。
  2. 使用2至3个实验室升降台将显微镜支架支撑并调平于光学平台之上。
  3. 为减少振动，使用橡胶减震脚垫支撑光学平台。
  4. 移除原有载物台，替换为一个用于调节磁悬浮装置高度（y轴）的小型升降台，以及两个单轴平移台；其中一个用于调节焦距（z轴），另一个用于扫描毛细管。
  5. 使用两个微型光学支柱将磁悬浮装置固定在实验室升降台上。

2. 抗体与羧基微粒/微珠的结合（改编自PolyAn的实验方案）

注意：仅低密度微珠（1.05 g/mL）需要包被以用于Rh(+)检测，而高密度和低密度微珠均需包被以用于细胞外囊泡的检测。

  1. 取1 mg等价的珠子悬浮液，加入0.5 mL活化缓冲液（50 mM MES（分子量195.2，每1 mL含9.72 mg），pH 5.0）和0.001%吐温-20（Polysorbate-20）中。
  2. 加入12 µL新配制的1.5 M EDC（分子量191.7，每1 mL含0.28755 g）和12 µL 0.3 M Sulfo-NHS（分子量217.14，每1 mL含0.0651 g）的冰冷水溶液。
  3. 将离心管置于旋转摇床中，在室温下剧烈振荡1小时，以活化珠子表面的羧基基团。
  4. 活化1小时后，加入0.5 mL偶联缓冲液（10倍浓度PBS或0.1 M磷酸盐缓冲液，pH 7–9），终止活化反应。
  5. 在20,000 × g条件下离心10分钟使珠子沉淀；若珠子无法沉淀，则使用0.45 µm离心管滤器。吸除上清液或滤过液。
  6. 用1 mL 10倍浓度PBS按步骤2.5的方法洗涤珠子3次。
  7. 按每毫克珠子加入25 µg抗体计算，将目标抗体与活化的珠子混合，使最终抗体浓度为0.7–1.0 mg/mL，溶于10倍浓度PBS中。
  8. 将离心管置于低速旋转摇床上，在室温下轻柔滚动过夜，进行偶联反应。
  9. 重复步骤2.5，用1 mL 10倍浓度PBS洗涤珠子两次。
  10. 加入0.5 mL含0.02%吐温-20（Polysorbate-20）、pH 8.0的缓冲液配制的1 M乙醇胺溶液（98%原液浓度为16.2 M），在室温下轻轻振荡孵育1小时。
  11. 重复步骤2.5，用1 mL DPBS洗涤珠子一次。珠子可保存于200 µL DPBS中，4 °C储存，直至使用。
    ​注意：本实验方案可在此处暂停。

3. Rh阳性检测用血液的采集与制备

  1. 使用一次性采血笔刺破Rh(+)供体的手指，收集10 µL血液至1 mL DPBS中。
  2. 用荧光质膜染料对Rh+细胞进行染色。可选步骤：向1 mL Rh+细胞悬液中加入1 µL荧光染料（1:1000稀释）。
  3. 将细胞与荧光染料在37 °C孵育15分钟。
  4. 以5,600 x g离心15秒使细胞沉淀，并用1 mL DPBS洗涤3次。最后重悬于1 mL含钙和镁的HBSS（HBSS++）中。
  5. 使用一次性采血笔刺破Rh(-)供体的手指，收集2 µL血液。
    注意：若需准备超过2个实验条件，请采集足够血液，以便向每支试管中加入1 µL Rh(-)血液。
  6. 准备必要的实验管：仅微珠对照、IgG对照、样品管。
    1. 仅微珠对照：加入174 µL HBSS++、1 µL IgG对照微珠、1 µL高密度微珠（1.2 g/mL）和24 µL 500 mM Gd3+（终浓度60 mM）。
    2. IgG对照：加入172 µL HBSS++、1 µL IgG对照微珠、1 µL高密度微珠、1 µL Rh(-)血液、1 µL染色的Rh+细胞悬液和24 µL 500 mM Gd3+。
    3. 样品管：加入172 µL HBSS++、1 µL抗RhD包被微珠、1 µL高密度微珠、1 µL Rh(-)血液、1 µL染色的Rh(+)细胞悬液和24 µL 500 mM Gd3+。
      ​注意：向Rh样品中添加高密度微珠作为参考。

4. 用于细胞分离演示的中性粒细胞分离

  1. 中性粒细胞的分离
    1. 将40 mL静脉血抽入含有6 mL枸橼酸钠/柠檬酸（0.15 M，pH 5.5）和14 mL 6%右旋糖酐-70的60 mL注射器中。
    2. 静置50分钟，使血液自然沉降。
    3. 将上层白膜层细胞缓慢铺加在20 mL Ficoll-Paque液面上，通过采血管将上层18 mL液体转移至50 mL离心管中，避免混入已沉降的红细胞。建议使用新的采血装置，以最大程度减少原始采血管中残留红细胞带来的污染。
    4. 以3,000 × g 离心20分钟，使白膜层细胞沉淀。中性粒细胞和污染的红细胞将沉淀于管底，而外周血单个核细胞（PBMC）则在Ficoll-Paque液面上形成白色层。
    5. 将中性粒细胞转移至新的50 mL离心管中。
    6. 用20 mL预冷的0.2% NaCl溶液孵育25秒以裂解残留红细胞，随后加入20 mL 1.6% NaCl溶液，最终NaCl浓度应为0.9%（等渗）。
    7. 以3,000 × g 离心10分钟。
    8. 弃去上清液，将中性粒细胞重悬至所需浓度。
  2. 淋巴细胞的分离
    1. 将PBMC接种于含5%热灭活血清的RPMI培养基中，置于6孔培养板中。
    2. 在37 °C孵育1小时，单核细胞将贴壁，而淋巴细胞则保持悬浮状态。
    3. 收集含有淋巴细胞的上清液，并用RPMI洗涤两次。
    4. 将淋巴细胞重悬至所需浓度。
  3. 标记红细胞、中性粒细胞和淋巴细胞
    1. 使用不同的荧光染料分别标记每种细胞类型，确保每种染料在不同通道中发出荧光。按照所选染料的生产商说明书进行操作。

5. 通过补体激活产生红细胞胞外囊泡

  1. 使用含EDTA的试管通过静脉穿刺获取全血。
  2. 将血液通过白细胞过滤器，然后以500 × g 离心3次，每次10分钟，以分离红细胞。使用HBSS++作为洗涤缓冲液。
  3. 将100 μL压积红细胞分装至1.5 mL离心管中，并加入HBSS++补足体积至1 mL。
  4. 在HBSS++中加入C5b,6，使其终浓度为0.18 μg/mL，然后涡旋混匀。
  5. 室温下置于慢速摇床上孵育15分钟。
  6. 加入C7蛋白，使其终浓度为0.2 μg/mL。轻轻翻转离心管数次以混匀。从此步骤起禁止涡旋。
  7. 将离心管置于低速振荡器上，室温振荡5分钟。
  8. 加入C8蛋白至终浓度0.2 μg/mL，以及C9蛋白至终浓度0.45 μg/mL。轻轻翻转离心管数次以混匀。
  9. 37 °C孵育30分钟。
  10. 以10,000 × g 离心10分钟。
  11. 将含有细胞外囊泡的上清液收集至新的离心管中。注意不要将上清液吸取得过于靠近细胞沉淀 。

6. 在磁悬浮装置上分析细胞

  1. 根据制造商说明启动仪器。
  2. 将 50 µL 样品加入毛细管中，直至充满管体。用毛细管密封剂密封毛细管两端，确保无气泡存在。
  3. 将毛细管放入上下磁铁之间的支架中。调节载物台和焦距以获得最佳观察效果。
    注意：细胞/微珠达到磁平衡位置所需时间因密度和 Gd3+ 浓度而异，通常为 5–20 分钟。Gd3+ 浓度越高，所需时间越短。

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结果

磁悬浮技术根据物体的密度、磁特性、顺磁性溶液的浓度以及由两块强稀土磁铁产生的磁场强度，使不同密度的物体在不同的悬浮高度上聚焦。当两块磁铁上下堆叠放置时，只能通过将显微镜侧置的方式观察悬浮样品，同时保持科勒照明（图1）。通过调节顺磁性溶液的浓度，可轻松改变每种细胞类型的最终悬浮高度。图2展示了利用不同浓度的钆对比剂实现不同类型循环血细胞的分离。实验中使用了两种不同密度（1.05 和 1.2 g/mL）的微珠，以提供密度悬浮高度和尺寸参考。由于特定细胞类型的悬浮高度取决于其内在密度，磁悬浮技术提供了一种无需显著操作即可直接分离目标细胞的方法24。本实验方案的主要目的是展示磁悬浮技术检测循环红细胞表面膜结合抗原（在此为Rh因子）存在的能力。在该实验中，低密度微珠分别包被IgG同型对照抗体或抗RhD抗体。随后，将Rh阴性供体血液与Rh阳性血液按1:1000的比例混合制备样品，并向血液样本中加入包被抗RhD抗体的微珠或包被IgG对照抗体的微珠，孵育10分钟。

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讨论

密度梯度离心法目前是根据亚细胞组分的独特密度来分离它们的标准技术。然而，该方法需要使用专门的梯度介质以及离心设备。本文介绍的磁悬浮方法 能够在对细胞进行最少甚至无任何操作的情况下，对循环细胞的形态和功能特性进行详细研究，从而近乎实现对循环细胞的活体（in vivo）水平观察与分析。

然而，在使用磁悬浮技术时，有几个要点需要注意。首先，用于成像的显微镜必须专用于该方法，因为装置搭建过程耗时较长，需要对显微镜进行部分拆卸，并将其精确地调整至完全水平状态，同时确保光学系统与磁铁及毛细管精确对齐。其次，用于调节毛细玻璃管位置和焦距的实验室升降台（lab jack）以及平移平台，必须能够在三个轴向上实现精确的定位和自由移动。整个装置中最关键的对准步骤，是将磁悬浮装置安装在平移平台上，使得上下磁铁与重力矢量完全对齐，并且自身完全水平。任何偏离这些要求的情况 都会导致磁力与重力之间形成夹角，从而将细胞推向毛细管的某一侧，破坏悬浮过程，导致结果不可靠。

用于悬浮细胞的钆溶液的最佳浓度需根据细胞类型和实验...

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披露

作者声明无利益冲突。

致谢

作者感谢 Getulio Pereira 博士在细胞外囊泡研究方面提供的帮助。

本工作获得了以下美国国立卫生研究院资助项目的支持：ICG 的 RO1CA218500、UG3HL147353 和 UG3TR002881。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
2-(N-吗啉代)乙磺酸水合物Sigma AldrichM-2933(MES)；活化缓冲液的组分
50×2.5×1 mm 磁铁，镍（Ni-Cu-Ni）镀层，N52 级，磁化方向沿 5 mm（0.197"）厚度K&J Magnetics定制用于磁悬浮装置的磁铁
毛细管密封剂（Critoseal）Leica Microsystems267620用于封闭毛细管两端
离心管滤器（Corning Costar Spin-X）Sigma AldrichCLS8163用于洗涤微珠
紧凑型实验室升降台ThorlabsLJ750用于调节磁悬浮装置
不含钙、镁的 DPBSGibco14190-144用于微珠悬浮液的溶液
乙醇胺Sigma AldrichE9508-100ML微珠洗涤步骤中使用
荧光质膜染料（CellMask Green）InvitrogenC37608用于染色 Rh+ 细胞
钆特醇注射液ProHanceNDC 0270-1111-03钆（Gd3+）；用于悬浮细胞的磁性溶液
HBSS++Gibco14025-092用于样品制备的溶液
人 C5b,6 复合物Complement Technology, IncA122用于生成红细胞微囊泡（RBC EVs）
人 C7 蛋白Complement Technology, IncA124用于生成红细胞微囊泡（RBC EVs）
人 C8 蛋白Complement Technology, IncA125用于生成红细胞微囊泡（RBC EVs）
人 C9 蛋白Complement Technology, IncA126用于生成红细胞微囊泡（RBC EVs）
迷你系列立柱固定环ThorlabsMSR2用于将磁悬浮装置固定在实验升降台上
N-(3-二甲基氨基丙基)-N′-乙基碳二亚胺盐酸盐Sigma AldrichE1769-10G(EDC)；用于抗体偶联反应
正常兔 IgG 对照R&D SystemsAB-105-C用作对照条件以包被微珠
磷酸盐缓冲液（10X 溶液，pH 7.4）Boston BioproductsBM-220偶联缓冲液组分，用于洗涤步骤
聚山梨酯 20（Tween 20）Sigma AldrichP7949-500ML活化缓冲液组分
聚苯乙烯羧基聚合物Bangs LaboratoriesPC06004高密度微珠（1.05 g/mL），用于抗体偶联
兔抗 RhD 多克隆抗体InvitrogenPA5-112694用于包被微珠以检测红细胞中的 Rh 因子
科研级显微镜OlympusProvis AX-70用于安装磁悬浮装置并观察悬浮细胞
橡胶减震脚垫ThorlabsRDF1用于支撑面包板平台
方形硼硅玻璃管VitroTubes8100-050用于将样品加载至磁悬浮装置的毛细管
Sulfo-NHSThermoscientific24510用于抗体偶联反应
平移台ThorlabsPT1用于聚焦及扫描毛细管

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