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方法文章

低输入量细胞核分离及条形码抗体多重检测小鼠交感神经节用于单细胞核RNA测序

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DOI:

10.3791/63397

2022年3月23日

本文内容

摘要

本方案详细描述了单细胞核测序的低起始量样本制备流程,包括小鼠颈上神经节和星状神经节的解剖、细胞解离、冷冻保存、细胞核分离以及标签条形码标记。

摘要

心脏自主神经系统在调控心脏功能(如心率和心肌收缩力)方面起着关键作用,可分为交感神经和副交感神经两个分支。正常情况下,这两个分支之间保持平衡,以维持内环境稳定。然而,心肌梗死、心力衰竭和高血压等心脏疾病状态可诱导参与心脏神经支配的细胞发生重构,这种重构与不良的临床预后相关。

尽管关于心脏自主神经系统的组织学结构和功能已有大量数据,但其在健康和疾病状态下的分子生物学结构在许多方面仍不明确。单细胞RNA测序(scRNA-seq)等新技术有望实现对组织在单细胞分辨率水平上的遗传学表征。然而,神经元相对较大的体积可能阻碍这些技术的标准化应用。本文介绍了一种基于液滴的单细胞核RNA测序(snRNA-seq)方法,用于解析健康和疾病状态下心脏交感神经元的生物学结构。本方案逐步展示了如何对成年小鼠双侧颈上神经节(SCG)和星状神经节(StG)进行分离,并开展snRNA-seq分析。

该方法可实现样本的长期保存,在无法于短时间内一次性收集多个个体/实验的样本时,仍能维持足够的RNA质量。使用标签寡核苷酸(HTOs)对细胞核进行条形码标记,可在测序后实现多重样本的解离与各个神经节样本的溯源。后续分析表明,已成功捕获交感神经节中的神经元、卫星胶质细胞和内皮细胞的细胞核,并通过单核RNA测序(snRNA-seq)加以验证。总之,本方案提供了针对心脏外源性交感神经节进行单核RNA测序(snRNA-seq)的分步操作流程,该方法有望广泛应用于其他器官和组织神经支配研究中。

引言

自主神经系统(ANS)是周围神经系统的关键组成部分,负责维持机体的内环境稳态,包括对环境变化和病理状态的适应1。它参与调控全身多个器官系统,如心血管系统、呼吸系统、消化系统和内分泌系统。自主神经系统分为交感神经和副交感神经两个分支。交感神经系统的脊髓分支在位于椎旁双侧的交感干神经节内形成突触。双侧的颈段和胸段神经节,尤其是星状神经节(StG),是心脏交感神经支配的重要组成部分。在疾病状态下,例如心肌缺血时,可发生神经重塑,导致交感神经过度激活2。这种神经重塑已在人类以及多种其他动物物种的多项组织学研究中得到证实3,4,5,6。目前尚缺乏对心肌缺血诱导的心脏交感神经节内神经重塑的详细生物学特征描述,且在健康与疾病状态下,心脏交感神经系统(SNS)内特化神经元细胞类型或亚型的基本生物学特性也尚未完全明确7

新型技术(如单细胞RNA测序,scRNA-seq)为在单细胞水平上对微小组织进行遗传学表征开辟了途径8,9。然而,由于神经元的体积相对较大,可能会影响这些单细胞技术在人类样本中的优化应用10。此外,单细胞测序需要高通量的细胞以获得足够数量的细胞,因为在测序过程中存在较高的细胞损失率。当研究难以在一次取样中获取足够组织的小型组织时,可能需要多次取样才能获得足够的单细胞用于测序,这带来了挑战。近年来发展的基于微滴的单细胞核RNA测序技术(snRNA-seq)(即10x Chromium平台)使得能够在单核水平上研究生物学差异11,12。对于体积较大的细胞(>30 µm),snRNA-seq相较于scRNA-seq具有优势,因为这些大细胞可能无法被包裹在乳液中的凝胶珠(GEMs)内;同时,snRNA-seq在组织解离程度较高和/或长期保存的样本中也表现出更好的兼容性13,14,15

心脏交感神经系统(SNS)中神经元细胞及其他细胞的异质性、细胞数量等特征,对于阐明自主神经系统(ANS)在健康与疾病状态下的特性具有重要意义。此外,每个交感神经节对特定器官或区域的特异性支配进一步增加了SNS的复杂性。研究表明,交感神经链中的颈神经节、星状神经节和胸神经节分别支配心脏的不同区域16。因此,有必要对来自各个独立神经节的节内细胞进行单细胞核分析,以研究其生物学结构。

基于液滴的单核RNA测序(snRNA-seq)能够以低于基于孔板测序平台的成本,同时对来自多个样本的数千个细胞群体进行全转录组表达谱分析。该方法使得基于液滴的snRNA-seq更适用于SCG和StG内细胞的表型分类及新亚群的鉴定。值得注意的是,本实验方案提供了一种简明的分步操作流程,用于交感性心脏外源性神经节的鉴定、分离及单核RNA测序,该方法在健康与疾病状态下其他相关器官和组织神经节特征研究中具有广泛的应用潜力。

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方案

本方案描述了小鼠颈段和/或颈胸段(星状)神经节进行单核RNA测序(snRNA-seq)所需的全部步骤。实验使用了雌性和雄性C57BL/6J小鼠(15周龄,每种性别n = 2)。另使用一只Wnt1-Cre;mT/mG小鼠以可视化神经节,辅助解剖操作17,18。该小鼠由B6.Cg-Tg(Wnt1-cre)2Sor/J小鼠与B6.129(Cg)-Gt(ROSA)26Sortm4(ACTB-tdTomato,-EGFP)Luo/J小鼠杂交获得。所有动物实验均依照美国国立卫生研究院(NIH)发布的《实验动物护理与使用指南》进行,并经荷兰莱顿大学动物伦理委员会批准(许可证编号AVD1160020185325,莱顿,荷兰)。有关本方案中使用的所有材料、设备、软件和动物的详细信息,请参见材料表

1. 准备工作

注意:所有步骤均在细胞培养超净工作台中进行。

  1. 将镊子和剪刀浸入70%乙醇中20分钟,进行清洁。
  2. 制备神经节培养基:在Neurobasal培养基中添加B-27 Plus(1倍浓度)、L-谷氨酰胺(2 mM)和1%抗生素-抗真菌剂。将神经节培养基于室温预温。
  3. 制备消化液:在神经节培养基中溶解0.25%胰蛋白酶-EDTA(1:1)和1,400 U/mL II型胶原酶。
  4. 为细胞核分离准备新鲜的冷(4 °C)细胞洗涤缓冲液(0.4%牛血清白蛋白[BSA])和裂解缓冲液(10 mM Tris-HCl、10 mM NaCl、3 mM MgCl2、0.1%非离子型去污剂,以及在无核酸酶水中配制的40 U/mL RNA酶)。
  5. 制备细胞核洗涤缓冲液(含2.0% BSA和0.2 U/µL RNase抑制剂的1×磷酸盐缓冲液[PBS])。
  6. 制备ST染色缓冲液(ST-SB)(10 mM Tris-HCl、146 mM NaCl、21 mM MgCl2、1 mM CaCl2、2% BSA、0.02% Tween-20,溶于无核酸酶水中)。

2. 成年小鼠颈上神经节(SCG)的解剖

  1. 处死小鼠并将其置于冰上。
    注意:在本研究中,共处死4只C57BL6/J小鼠,采用CO2窒息法。若需为其他研究目的采集大量血液,可改用异氟烷麻醉后放血 。
  2. 用大头针将小鼠固定在解剖板上,并用70%乙醇冲洗,以减少毛发扩散(无需剃毛)。
  3. 在体视显微镜下,用剪刀沿中线切开颈部皮肤,移开下颌下腺,并切除胸锁乳突肌,以暴露并定位颈总动脉及其分叉处(图1A,B,见箭头所示)。
  4. 分离左右两侧颈动脉分叉及其附着组织。将每一块分离的组织分别转移至含有冷PBS的3.5 cm培养皿中。
  5. 寻找附着于颈动脉分叉处的颈上神经节(SCG)。在培养皿中进一步清理SCG,去除动脉及其他附着组织(图1E)。

3. 成年小鼠星状神经节(StG)的解剖

  1. 为分离胃下神经节(StG),先在腹部做正中切口,随后切开膈肌和腹侧胸壁。
  2. 移除心脏和肺以暴露背侧胸腔。在第一肋水平,于颈长肌(musculus colli longus, MCL)前外侧寻找左侧和右侧的胃下神经节(StG)(图1C,D,以虚线标示)。
  3. 用镊子分离左侧和右侧的胃下神经节(StG),并分别转移至含有冷PBS的3.5 cm培养皿中(图1F)。

4. 小鼠神经节细胞的分离与冷冻保存

步骤4-6总结如下 图2.

  1. 用镊子小心地将所有单个的 SCG 和 StG 分别转移至不同的 1.5 mL 微量离心管中。
    注意:请勿使用移液器吸头转移神经节,因为神经节容易黏附在塑料移液器吸头的管壁上。
  2. 向每支微量离心管中加入 500 µL 0.25% 胰蛋白酶-EDTA 溶液,并在 37 °C 摇水浴中孵育 40 分钟。
    注意:此步骤旨在促进后续在胶原酶 II 型溶液中的消化和细胞释放。
  3. 为每个样本准备一支含有 5 mL 神经节培养基的 15 mL 离心管。让神经节在微量离心管底部自然沉降。收集上清液(其中含有极少量神经节细胞),将上清液转移至已准备好的 15 mL 管中,并对每管进行标记。或者,为节省时间,可直接吸除胰蛋白酶-EDTA 上清液而不收集,因为其中几乎检测不到解离的细胞。
    注意:可保留少量胰蛋白酶-EDTA 溶液(约 10–30 µL)在微量离心管中,以避免将神经节一并移除。此步骤应避免使用移液操作,因其可能损伤神经节,导致后续神经节细胞得率降低 。
  4. 向每支微量离心管中加入 500 µL 胶原酶 II 型溶液,并在 37 °C 摇水浴中孵育 35–40 分钟。在孵育 35 分钟后尝试重悬神经节;若神经节仍保持完整且未解离,可根据需要延长孵育时间或提高胶原酶 II 型溶液的浓度。
    注意:孵育时间可能因神经节大小而异。
  5. 通过上下吹打约 10 次或直至不再观察到组织团块,将神经节在胶原酶溶液中充分重悬。
  6. 将细胞悬液转移至先前使用的 15 mL 离心管中,该管中已含有来自同一神经节的神经节培养基和胰蛋白酶-EDTA 悬液。使用水平转子离心机在室温下以 300 × g 离心 10 分钟,沉淀细胞。小心弃去上清液。
    注意:由于神经节细胞来源于单个神经节,细胞沉淀可能非常微小,肉眼难以观察;可保留少量上清液于管中,以防意外弃除细胞沉淀。
  7. 用 270 µL 胎牛血清(FBS,低内毒素)重悬神经节细胞,并将每份细胞-FBS 悬液转移至 1 mL 冻存管中。
  8. 为进行细胞计数,取 5 µL 神经节细胞悬液与 5 µL 0.4% 台盼蓝染液混合,将混合液加入血细胞计数板,在显微镜下计数总细胞数和活细胞数。
    注意:采用本解离方案,细胞活力(活细胞数/总细胞数 = 活力百分比)通常高于 90%。当神经节来源于 12 至 16 周龄小鼠时,单个神经节(SCG 或 StG)的活细胞数通常在 9,000–60,000 个之间。
  9. 向每支冻存管中的细胞-FBS 悬液中加入 30 µL 二甲基亚砜(DMSO),充分混匀后将冻存管放入处于室温的细胞冻存盒中。将装有冻存管的冻存盒于 -80 °C 保存过夜,次日将冻存管转移至液氮中长期保存,以备后续测序使用。

5. 细胞核分离

注意:以下细胞核分离及测序制备操作以四只小鼠分离得到的左右颈上神经节(SCG)(共8个样本)为例。整个操作过程中所有步骤均需保持冰上操作。由于细胞核沉淀量少且不易观察,强烈推荐使用配备摆动吊桶转子的离心机,以便在整个操作过程中更方便地移除上清液。

  1. 在15 mL离心管上放置滤网(30 µm),并在其上预先用1 mL神经节培养基冲洗滤网。
  2. 从液氮中取出冻存管,立即在37 °C水浴中快速解冻。当冻存管中仅剩少量冰粒时,即将其从水浴中取出。
  3. 轻轻手动振荡,同时向每支冻存管中滴加1 mL神经节培养基,以回收神经节细胞。可选:为评估细胞回收情况,可在回收后混匀细胞悬液,并取出5 µL用于活细胞计数,具体操作见步骤4.8。
  4. 将每份神经节细胞悬液分别加载至已准备好的滤网(见步骤5.1)上,并用4–5 mL神经节培养基冲洗每个滤网。
  5. 将滤过的细胞悬液在300 × g条件下离心5分钟,小心吸除上清液,并将细胞重悬于50 µL细胞洗涤缓冲液中。
  6. 将细胞悬液转移至低吸附DNA/RNA 0.5 mL微量离心管中。
  7. 在4 °C条件下,以500 × g离心细胞悬液5分钟。
  8. 吸取并去除45 µL上清液,注意不要触碰管底,以免扰动细胞沉淀。
  9. 向沉淀中加入45 µL预冷的裂解缓冲液,使用200 µL移液器枪头轻轻吹打混匀。
  10. 将细胞置于冰上孵育8分钟。
  11. 向每管中加入50 µL预冷的细胞核洗涤缓冲液。不要混匀。
  12. 在4 °C条件下,以600 × g离心细胞核 悬液5分钟。
  13. 小心吸除95 µL上清液,避免破坏细胞核 沉淀。
  14. 向沉淀中加入45 µL预冷的细胞核 洗涤缓冲液。可选:取5 µL细胞核 悬液,与5 µL 0.4%台盼蓝混合后进行计数,并使用血细胞计数板在显微镜下检查细胞核的质量。
  15. 在4 °C条件下,以600 × g离心细胞核 悬液5分钟。
  16. 小心吸除上清液,避免触碰管底,以防扰动细胞核 沉淀。

6. 使用标签寡核苷酸(HTO)对细胞核进行条形码标记及多重检测

注意:HTO 染色步骤经过修改和优化,用于根据 Gaublomme 等人先前在皮质组织中的应用15,对标记极少量(神经节)细胞核进行核标记。

  1. 向细胞核沉淀中加入 50 µL ST-SB 缓冲液,轻轻吹打 8–10 次,直至细胞核完全重悬。
  2. 每 50 µL ST-SB/细胞核混合液中加入 5 µL Fc 封闭试剂,冰上孵育 10 分钟。
  3. 每管 ST-SB/细胞核混合液中加入 1 µL(0.5 µg)单细胞核标签抗体,冰上孵育 30 分钟。
    注意:孵育时间较短会导致标签标记效率降低,代表性结果中已对此进行展示。
  4. 向每管中加入 100 µL ST-SB。不要混匀。
  5. 将细胞核悬液在 4 °C 下以 600 × g 离心 5 分钟。
  6. 小心移除 145 µL 上清液,避免扰动细胞核沉淀。
  7. 重复步骤 6.4 和 6.5。尽可能去除上清液,但不要接触管底,以免使细胞核沉淀脱落。
  8. 用 50 µL ST-SB 重悬细胞核沉淀,并轻轻混匀细胞核。
  9. 取 5 µL 细胞核 悬液与 5 µL 0.4% 台盼蓝混合,在显微镜下计数细胞核。代表性图像参见 图 3A,图中显示与台盼蓝混合后加载至血细胞计数板的细胞核。
  10. 将细胞核 悬液在 4 °C 下以 600 × g 离心 5 分钟。
  11. 根据相应的细胞核计数结果,用 ST-SB 重悬细胞核,使每个样本的细胞核浓度达到目标值 1,000–3,000 个细胞核/µL。
  12. 混合样本以获得所需数量的细胞。
    注意:例如,在本实验中,将 8 个样本等量混合,共获得 25,000 个细胞核,随后立即进行 10x Genomics Chromium 及单细胞核 RNA 测序(snRNA-seq)。当从 12 至 16 周龄小鼠中分离神经节时,细胞核数量通常在 6,000–40,000 个之间。基于液滴的 snRNA-seq 通常仅能捕获约一半加载的细胞核。例如,制备 25,000 个细胞核的混合液,以确保捕获 10,000 个细胞核,满足后续文库构建和测序的需求。

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结果

单核cDNA文库构建与单核RNA测序的质量控制分析
代表性结果描述了单个混合样本中10,000个捕获细胞核的测序数据,其中基因表达文库深度为25,000 reads/细胞核,标签序列文库深度为5,000 reads/细胞核。 图3B 展示了1的质控结果st 链cDNA、基因表达(GEX)文库和HTO文库,并使用Bioanalyzer进行检测。HTO来源的cDNA预期小于180 bp,而mRNA来源的cDNA则大于300 bp。高质量的GEX文库在300至1,000 bp范围内呈现一个宽峰,HTO文库则在194 bp处显示一个特异性峰。默认使用Cell Ranger进行样本去混样、fastq文件生成及序列比对。Seurat R软件包19 随后用于质量控制和下游分析。

使用 Seurat 内置的去多重化策略通过识别 HTO 来对 snRNA-seq 数据进行去多重化。首先通过 HTO 表达文件可视化每种 HTO 的去...

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讨论

本文详细描述了一种实验方案,重点包括:i)成年小鼠颈上神经节和星状神经节的分离,ii)神经节细胞的分离与冷冻保存,iii)细胞核的提取,以及 iv)利用HTO标记对细胞核进行条形码标记,以实现多重检测和单核RNA测序(snRNA-seq)。

通过本方案,可利用常用的胰蛋白酶和胶原酶消化单个神经节,从而轻松获得交感神经节细胞。通过在添加10% DMSO的胎牛血清(FBS)中冷冻保存分离的节细胞,也可实现细胞的长期保存,并在解冻后表现出较高的复苏质量。此外,与传统的单细胞RNA测序相比,采用基于液滴的单细胞核RNA测序(snRNA-seq)结合HTO染色介导的细胞核条形码技术对单个小鼠交感神经节进行分析具有以下优势:i)样本可在所有样本收集完毕前长期保存,直至进行后续细胞核分离;ii)来自多个小型神经节的高质量细胞核可合并进行测序,避免因分批制备样本而引入批次效应;iii)利用细胞核条形码可在测序后追溯各个神经节的明确来源;iv)具有成本效益,仅需进行一次文库构建。重要的是,所述的分离与细胞培养方案为小鼠颈上神经节和星状神经节提供了一种统一的标准化方法,且该方法可能适用于其他神经节(如...

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披露

作者声明无利益冲突。

致谢

感谢 Susan L. Kloet(荷兰莱顿莱顿大学医学中心人类遗传学系)在实验设计和有益讨论方面提供的帮助。感谢 Emile J. de Meijer(荷兰莱顿莱顿大学医学中心人类遗传学系)在单细胞核 RNA 分离及测序文库制备方面提供的协助。本工作由荷兰科学研究组织(NWO)[项目编号 016.196.346,资助对象 M.R.M.J.] 资助。

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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
<强>化学品与试剂
0.25% 胰蛋白酶-EDTA赛默飞世尔科技25200056
0.4% 台盼蓝染料伯乐(Bio-Rad)1450021
抗生素-抗真菌剂Gibco15240096
B-27GibcoA3582801
胶原酶 II 型沃辛顿LS004176使用 1,400 U/mL
二甲基亚砜Sigma Aldrich67685
乙醇,绝对 ≥99.5%VWRVWRC83813.360
胎牛血清(低内毒素)BiowestS1810-500
L-谷氨酰胺赛默飞世尔科技25030024
Neurobasal 培养基Gibco21103049
10% 牛血清白蛋白Sigma-AldrichA1595-50ML细胞洗涤缓冲液
DPBS(Ca)2+,Mg2+无(游离)Gibco14190-169细胞洗涤缓冲液
1 M 氯化镁溶液Sigma-AldrichM1028细胞核裂解缓冲液
Nonidet P40 替代品(非离子去垢剂)Sigma-Aldrich74385细胞核裂解缓冲液
无核酸酶水(非DEPC处理)InvitrogenAM9937细胞核裂解缓冲液
Protector RNase 抑制剂,40 U/μLµLSigma-Aldrich3335399001细胞核裂解缓冲液
5 M 氯化钠溶液Sigma-Aldrich59222C细胞核裂解缓冲液
Trizma 盐酸盐溶液,1 M,pH 7.4Sigma-AldrichT2194细胞核裂解缓冲液
10% 牛血清白蛋白Sigma-AldrichA1595-50ML细胞核洗涤
DPBS(Ca)2+,Mg2+无(游离)Gibco14190-169细胞核洗涤
Protector RNase 抑制剂,40 U/μLµLSigma-Aldrich3335399001细胞核洗涤
10% 牛血清白蛋白Sigma-AldrichA1595-50MLST染色缓冲液(ST-SB)
1 M 氯化钙溶液Sigma-Aldrich21115-100MLST染色缓冲液(ST-SB)
1 M 氯化镁溶液Sigma-AldrichM1028ST染色缓冲液(ST-SB)
无核酸酶水(非DEPC处理)InvitrogenAM9937ST染色缓冲液(ST-SB)
5M 氯化钠溶液Sigma-Aldrich59222CST染色缓冲液(ST-SB)
Trizma 盐酸盐溶液,1 M,pH 7.4Sigma-AldrichT2194ST染色缓冲液(ST-SB)
Tween-20默克密理博822184ST染色缓冲液(ST-SB)
TotalSeq-A0451 抗核孔复合体蛋白条形码1抗体Biolegend682205#抗体
TotalSeq-A0452 抗核孔复合体蛋白标签2抗体Biolegend682207抗体
TotalSeq-A0453 抗核孔复合体蛋白Hashtag 3抗体Biolegend682209抗体标记
TotalSeq-A0461 抗核孔复合体蛋白条形码11抗体Biolegend682225#抗体
TotalSeq-A0462 抗核孔复合体蛋白标签12抗体Biolegend682227抗体标记
TotalSeq-A0463 抗核孔复合体蛋白条形码13抗体Biolegend682229抗体标记
TotalSeq-A0464 抗核孔复合体蛋白条形码14抗体Biolegend682231抗体标记
TotalSeq-A0465 抗核孔复合体蛋白条形码15抗体Biolegend682233#抗体
TruStain FcX(人源)Biolegend422302Fc受体封闭液
<强>仪器与耗材
亮线 血细胞计数板默克Z359629-1EA
Centrifuge 5702/R A-4-38Eppendorf EP022629905
CoolCell LX 细胞冻存容器康宁CLS432003-1EA
冻存管赛默飞世尔科技479-6840
DNA LoBind 0.5 mL Eppendorf管EppendorfEP0030108035-250EA
Eppendorf Safe-Lock 离心管 1.5 mLEppendorf30121872
Falcon 35 mm 未经TC处理的培养皿康宁351008
Falcon 15 mL 圆锥形离心管Fisher Scientific10773501
Dumont #5 镊子精细科学工具11252-40
硬化精细剪刀精细科学工具14091-09
 冰盘,矩形,4 L,橙色康宁CLS432106-1EA
Leica MS5Leica显微镜
Moria MC50 剪刀精细科学工具15370-50
诺伊斯弹簧剪精细科学工具15012-12
奥林巴斯 CK2 ULWCDOlympus显微镜
P10GilsonF144802
P1000GilsonF123602
P200GilsonF123601
预分离滤器(30 µm)Miltenyi BiotecMiltenyi Biotec 130-041-407
摇床水浴箱GFL1083
硅片橡胶BV3530解剖板
<强>软件和程序包
细胞游走器V4.0.0
R 编程V4.1.1
R StudioV1.3.1073
SeuratV4.0
tydiverseV1.3.1
<强>动物
B6.Cg-Tg(Wnt1-cre)2Sor/J 小鼠杰克逊实验室JAX 货号 #022501
B6.129(Cg)-Gt(ROSA)26Sortm4(ACTB-tdTomato,-EGFP)Luo/J 小鼠杰克逊实验室JAX 货号 #007576
C57BL/6J 小鼠查尔斯河实验室
<强>数据分析代码
https://github.com/rubenmethorst/Single-cell-SCG_JoVE

参考文献

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