本方案介绍了一种快速、高效且温和的方法,适用于从持续生长的小鼠门齿、小鼠磨牙以及人类牙齿中分离单细胞,以进行单细胞RNA测序分析。
本方案介绍了一种快速、高效且温和的方法,适用于从持续生长的小鼠门齿、小鼠磨牙以及人类牙齿中分离单细胞,以进行单细胞RNA测序分析。
小鼠和人类牙齿是单细胞转录组学或其他应用中快速高效分离细胞的难点器官。牙髓组织富含细胞外基质,需要经历漫长而繁琐的解离过程,通常超出单细胞转录组学可接受的时间范围。为了避免基因表达的人工改变,从动物安乐死到单细胞分析之间的时间必须尽可能缩短。本研究提供了一种快速方案,可从小鼠和人类牙齿中获得高质量的单细胞悬液,适用于单细胞RNA测序(scRNA-seq)。该方案基于加速的组织分离步骤、酶消化以及后续单细胞悬液的制备,能够实现组织的快速且温和处理,从而允许使用更多的动物或人类样本制备出高活力且转录变化最小的细胞悬液。预计该方案不仅可为从事小鼠或人类牙齿scRNA-seq研究的研究人员提供指导,也可推广至其他富含细胞外基质的组织,如软骨、致密结缔组织和真皮。
单细胞RNA测序是解析 体内 细胞群体结构、层级、相互作用与稳态1,2然而,该分析的结果在很大程度上取决于其第一步——从结构复杂且高度有序的组织中制备出高质量的单细胞悬液。这包括保持细胞活性,并防止细胞基因表达谱发生非预期的人工改变3,4此类变化可能导致群体结构的错误表征以及对所收集数据的误解。
已针对多种组织开发出特定的分离方案5,6,7,8。这些方案通常采用机械解离,并结合多种蛋白水解酶进行进一步孵育。常用的酶包括胰蛋白酶、胶原酶、分散酶、木瓜蛋白酶6,7,8,9,或市售的酶混合物,如Accutase、Tryple等5。影响转录组质量最关键的步骤是酶消化过程。研究表明,在37 °C下长时间酶孵育会影响基因表达,并导致许多应激相关基因的上调10,11,12,13。分离过程的另一个关键参数是总时长,因为已有研究显示,组织缺血后细胞转录组会发生改变14。本方案提供了一种温和且高效的方法,用于从小鼠和人类牙齿中分离单细胞,其速度优于以往用于复杂组织细胞分离的其他方案5,6,9,11,13,15,16。
本方案介绍了如何快速从坚硬的牙齿中分离软组织,并制备适用于单细胞RNA测序(scRNA-seq)的单细胞悬液。该方法仅需一次离心步骤,通过减少组织处理和消化时间,并在大部分操作过程中将组织和细胞保持在4 °C,从而最大限度地降低非预期的转录变化。本实验流程以从小鼠门齿、磨牙以及人类智齿中分离细胞为例进行展示,但原则上应适用于其他牙齿组织 用于研究不同生物体中其他牙齿的发育。完整方案的流程图如图所示。 图1该方案最近已被用于构建从小鼠和人类牙齿获得的牙细胞类型图谱1.
所有动物实验均依照国际和当地法规进行,并经捷克共和国教育、青年和体育部批准(MSMT-8360/2019-2;MSMT-9231/2020-2;MSMT-272/2020-3)。本方案已在雄性和雌性野生型C57BL/6和CD-1小鼠以及基因修饰型Sox10::iCreER小鼠中进行测试。T2 小鼠17 (与多种报告系统结合)在C57BL/6背景下进行。涉及人体样本的实验已获得布尔诺马萨里克大学医学院伦理委员会的批准 & 捷克共和国布尔诺圣安妮大学医院
1. 实验装置与溶液配制
2. 实验动物和人牙的准备
3. 组织解剖
4. 单细胞悬液的制备
5. 荧光激活细胞分选(FACS)
以一只6周龄雄性C57BL/6小鼠的两颗下门牙为材料,进行了典型的单细胞分离。根据本方案,制备了单细胞悬液,并随后进行了单细胞测序。所制备的单细胞悬液通过流式细胞分选(FACS)进行分析与分选(图2)。首先,应用FSC-A(前向散射,面积)与SSC-A(侧向散射,面积)散点图,并采用适当的设门策略,筛选出具有预期大小和颗粒度的细胞群体,以去除细胞碎片以及双联细胞或细胞聚集体(图2A)。该筛选出的群体(P1)占所有检测事件的38%,进一步用于分析;通过FSC-A与FSC-H(前向散射,高度)参数去除残余的双联细胞(图2B)。不含双联细胞的P2群体占P1群体的95%,可用于后续的单细胞RNA测序(scRNA-seq)。此外,也可通过额外设门进一步筛选目标细胞群体(例如荧光蛋白表达或活/死细胞染色)。为检测最终悬液中活/死细胞的比例,进行了碘化丙啶(PI)染色(图2C)。P3群体中PI-(活细胞)的比例占其母代P2群体的98.4%,占总事件的35.5%。最终被过滤掉的死亡(PI+)细胞总数为1887个。
未进行活力染色、适用于RNA测序(P2)的最终获得细胞数为118,199个,来自两只小鼠切牙的牙髓组织。这意味着每颗下颌切牙可获得近60,000个活细胞。
为了明确最终单细胞悬液中免疫细胞的数量,采用了两种方法。首先,使用CD45抗体染色并进行后续的流式细胞术(FACS)分析;作为补充方法,分析了单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据中免疫细胞(CD45+)的总数。FACS分析结果显示,CD45+细胞占14.44%(其中活细胞占13.20%,死细胞占1.24%)(图3A)。scRNA-seq数据分析显示,表达CD45的细胞占10.90%(图3B)。scRNA-seq数据中CD45+细胞比例的降低可能是由于scRNA-seq分析过程中额外的阈值筛选所致。
以小鼠门齿为例的代表性数据表明,该实验方案结合严格的设门策略,能够从单个小鼠牙齿中高效获取大量细胞,且无需额外使用活率染色。免疫细胞(CD45+)的比例较低(13.2%)。此外,先前研究已表明免疫细胞在维持牙齿稳态中具有重要作用,因此在FACS过程中将其从单细胞RNA测序分析中去除,在某些应用中可能适得其反。

图1:实验方案示意图。 图示了从小鼠和人牙齿制备单细胞悬液的不同步骤,包括温度条件和预计所需时间。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:设门策略示例。 使用 FSC-A 和 SSC-A 设门获得 P1 门,代表具有预期大小和颗粒度的细胞群体,同时排除细胞碎片、细胞外基质碎片及大多数大颗粒事件(A)。随后,将 P1 群体绘制于 FSC-H 与 FSC-A 散点图中,以排除细胞双联体(B)。然后,利用碘化丙啶(propidium iodide)检测 P2 群体中死细胞的存在情况(C)。各门中事件/细胞数量显示于(D)中。(FSC-A - 前向散射,面积;SSC-A - 侧向散射,面积;FSC-H - 前向散射,高度;PI - 碘化丙啶)。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:免疫细胞的定量分析。通过使用抗 CD45 抗体染色并结合碘化丙啶染色进行活/死细胞分析的 FACS 方法对免疫细胞进行定量(A)。在单细胞 RNA 测序(scRNA-seq)分析过程中进一步对免疫细胞进行了定量(B)。(CD45-APC —— 抗 CD45 别藻蓝蛋白偶联抗体;PI —— 碘化丙啶;t-SNE —— t 分布随机邻域嵌入)。 请点击此处查看该图的高清版本。
补充图1:下颌骨解剖过程示意图。 虚线表示建议的切割位置。TMJ——颞下颌关节,m. masseter——咬肌。请点击此处下载该文件。
补充表1:本研究中使用溶液的组成。 请点击此处下载该表格。
在细胞或分子水平上研究牙齿和骨骼通常具有挑战性,因为形成这些组织的细胞被多种坚硬的基质所包围19。对牙科组织进行单细胞RNA测序的主要目标之一,是需要快速获得目标细胞,同时避免其转录组发生任何人为改变。为实现这一目标,已开发出一种高效且适用于从小鼠和人牙髓中分离细胞的实验方案,可快速制备适用于所有转录组学应用的单细胞悬液。该方案通过快速组织分离、尽量减少组织和细胞操作步骤,以及优化机械和酶消化过程,确保了高效性。
本方案最关键的步骤是快速组织处理和充分的单细胞悬液制备8,9。采用手动方法获取牙髓组织,避免使用牙科钻头或其他产热设备。过热可能导致热休克蛋白及其他基因的人工表达,最终使分析得到的基因表达模式不能真实反映原始组织的状态20。手动采集组织可能是一个具有挑战性的步骤,通常需要事先进行一定训练。随后将牙髓组织切成小块,并在37 °C下进行酶消化。除15-20分钟的酶消化外,整个操作流程均在4 °C下进行。组织处理尤其是酶消化过程已尽可能缩短至最短时间,因为长时间在37 °C孵育可能导致基因表达模式发生变化10。建议在酶消化前先机械去除牙本质。牙本质及与牙髓相连的前期牙本质含有大量胶原蛋白,其过量存在可能降低消化液的作用效率。研究表明,组织离体(或生物体死亡)后,细胞会迅速开始改变其基因表达模式 12。因此,细胞分离与处理应尽快完成。本方案将从组织分离(动物安乐死)到制备单细胞悬液的处理时间缩短至35-45分钟。
该技术的一种替代性改进方法是细胞保存以备后续使用,可通过甲醇固定实现。根据方案21所述,甲醇固定的细胞悬液可在-80 °C保存长达1个月。然而,应尽可能直接进行单细胞RNA测序(scRNA-seq),因为已有研究表明,甲醇固定的单细胞悬液所获得的单细胞数据可能出现应激相关基因表达升高以及环境RNA污染等问题22。此步骤可能需要根据试剂盒制造商的说明书进行额外调整。
在首次应用本方案之前,建议进行若干验证步骤以测试该技术。根据我们的经验,建议测试上述方案中的关键步骤。此外,建议测试胶原酶P溶液的有效性以及组织解离步骤的操作效果。具体而言,在开始胶原酶P孵育后的约前5分钟内,组织块应会相互聚集,这是一种常见现象。应每隔3至4分钟使用1 mL移液器将聚集体打散,随着时间推移,聚集体应逐渐变小,直至几乎不可见。
此外,建议在离心前以及过滤前后使用细胞计数板进行细胞计数,以检测因上清液去除不充分可能导致的细胞损失。如果最终的单细胞悬液需要进一步纯化,可采用荧光激活细胞分选(FACS)。细胞分选不仅能够去除碎片或死细胞,更重要的是可富集带有荧光标记的细胞13,19。为避免细胞分选仪中产生剪切应力或堵塞,应使用较大口径的喷嘴(85 µm 或 100 µm),这将进一步提高分选后细胞的存活率。
该技术已在小鼠和人类牙齿上进行了设计和测试。主要的限制因素是老年小鼠(磨牙)和人类牙齿中牙髓组织减少,导致细胞数量较少。如果需要获取更多的细胞,或需获取老年患者牙齿中的细胞,一种可能的解决方案是处理更多数量的牙齿,并将它们合并为同一批次,随后作为单个样本进行处理。
二十多年前,首次采用胶原酶I和中性蛋白酶的混合酶液分离出人牙髓的活细胞23。自那时起,牙髓细胞的分离技术得到广泛应用,并发展出多种不同的方法5,6,7,8。本文所介绍方法的关键意义在于对所有分离步骤进行了优化,使分离过程快速且温和,从而确保最终获得的细胞悬液具有适用于单细胞RNA测序(scRNA-seq)的高质量。通过延长酶消化时间可获得更高的细胞得率。本方案提供了一种高效的方法,可快速从人和小鼠牙齿中获取适合单细胞RNA测序的高质量单细胞。该技术有望仅通过轻微的技术调整,即广泛应用于其他组织或生物样本。
作者声明无利益冲突。
J.K. 受马萨里克大学资助机构(MUNI/H/1615/2018)以及马萨里克大学医学院为青年研究人员提供的资金支持。J.L. 受马萨里克大学资助机构(MUNI/IGA/1532/2020)支持,并获得由布尔诺市市政当局资助的布尔诺博士人才奖学金。T.B. 受奥地利科学基金(Lise Meitner 项目:M2688-B28)支持。我们感谢 Lydie Izakovicova Holla 和 Veronika Kovar Matejova 在获取人牙方面提供的帮助。最后,我们感谢 Radek Fedr 和 Karel Soucek 在 FACS 分选方面的大力支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| APC 抗小鼠 CD45 抗体 | BioLegend | 103112 | |
| 牛血清白蛋白 V 组分 | Roche | 10735078001 | |
| CellTrics 50 µm,无菌 | Sysmex | 04-004-2327 | |
| 胶原酶 P(COLLP-PRO) | Roche | 11213857001 | |
| CUTFIX 手术刀片,图 10 | AESCULAP | 16600495 | |
| CUTFIX 手术刀片,图 11 | AESCULAP | 16600509 | |
| 胎牛血清(南美洲),超低内毒素 | Biosera | FB-1101/500 | |
| 不含 Ca2+ 和 Mg2+ 的汉克平衡盐溶液(HBSS) | SIGMA | H6648 | |
| 工业级低尘擦拭布,MAX60 | Dirteeze | MAX60B176 | |
| 工业级强力镊子,型号 660,弯型带齿尖头,150 mm | Value-Tec | 50-014366 | |
| 甲醇 A.G. | Penta | 21210-11000 | |
| 碘化丙啶溶液 | BioLegend | 421301 | |
| 手术刀柄 | CM Instrumente | AG-013-10 | |
| 血清移液管 10 mL,独立包装,200 支 | CAPP | SP-10-C | |
| 体视显微镜 | Leica | EZ4 | |
| 手术剪刀(9 cm) | CM Instrumente | AI-430-09Y | |
| 组织培养皿 Ø 100 mm | TPP | 93100 |