本研究概述了两种从大鼠骨髓中分离大量中性粒细胞胞外诱捕网(NETs)的技术。一种方法结合使用商业化的中性粒细胞分离试剂盒与密度梯度离心法,另一种方法仅采用密度梯度离心法。这两种方法获得的功能性NETs均优于外周血中性粒细胞来源的NETs。
本研究概述了两种从大鼠骨髓中分离大量中性粒细胞胞外诱捕网(NETs)的技术。一种方法结合使用商业化的中性粒细胞分离试剂盒与密度梯度离心法,另一种方法仅采用密度梯度离心法。这两种方法获得的功能性NETs均优于外周血中性粒细胞来源的NETs。
本研究的主要目的是建立一种可靠且高效的方法,从大鼠骨髓中分离中性粒细胞胞外诱捕网(NETs)。这一研究动机源于传统从外周血提取NETs方法的局限性,主要原因是可用于分离的中性粒细胞数量稀少。研究揭示了两种从大鼠骨髓获取中性粒细胞的不同方法:一种是简化的单步法,可达到满意的纯化水平;另一种是耗时较长的两步法,纯化效率更高。重要的是,这两种技术均可获得大量活细胞中性粒细胞,每只大鼠可获得5000万至1亿个。该效率与从人和小鼠来源分离中性粒细胞所获得的结果相当。值得注意的是,源自大鼠骨髓的中性粒细胞在分泌NETs的能力方面,与来自外周血的中性粒细胞相当。然而,基于骨髓的方法始终能产生显著更多的中性粒细胞和NETs。该方法显示出获取更大量这些细胞成分以用于后续下游应用的潜力。特别地,这些分离得到的NETs和中性粒细胞在炎症、感染及自身免疫性疾病等领域具有广阔的应用前景。
中性粒细胞是白细胞中一个关键的亚群,在先天免疫反应中发挥着至关重要的作用。其特征为具有多叶核以及含有多种蛋白酶和抗菌肽的颗粒1。中性粒细胞主要通过脱颗粒、吞噬作用以及中性粒细胞胞外诱捕网(NETs)的形成来发挥功能。1996年,Takei 等人在用佛波酯(phorbol myristate acetate, PMA)刺激中性粒细胞的实验中首次观察到 NETs 的存在2。随后,Brinkmann 等人于2004年将这一形成过程命名为"NETosis"3,并进一步阐明了NETs在中性粒细胞介导的抗菌反应中的关键作用。NETs是由染色质、组蛋白和抗菌蛋白组成的网状结构,在感染性和炎症性刺激下由活化的中性粒细胞释放。NETs可通过捕获病原体并将其暴露于高浓度的抗菌肽和蛋白酶环境中,从而实现对入侵病原体的固定和杀灭1,3。此外,NETs还参与凋亡细胞的清除,并在炎症消退过程中发挥作用。近期研究表明,NETs的过度形成或降解障碍可导致组织损伤、自身免疫性疾病、血栓形成以及血管再通障碍4,5,6,7,8,9,10。
中性粒细胞胞外诱捕网(NETs)在心肌梗死后失控性纤维化及心室动脉瘤形成中的致病作用已通过血管周围纤维化的扩展得到证实4,11。心肌梗死模型以及从小鼠骨髓中分离中性粒细胞的方法均已建立。多形核(PMN)白细胞是人体血液中含量丰富的白细胞类型,是分离人中性粒细胞的理想来源。该方法无需采集骨髓,从而提高了安全性和效率。
中性粒细胞胞外陷阱(NETs)在与心脏重构相关的心房颤动中也发挥着作用。然而,由于小鼠的心房尺寸过小,无法建立折返环路或心房颤动(AF)模型,因此通常需使用狗和猪等大型动物来模拟心房颤动,除非对特定的离子通道或信号通路进行基因敲低或敲除12。尽管可以诱导大鼠产生心房颤动,并如前所述从大鼠外周血中分离中性粒细胞,但研究人员面临一个限制:每只大鼠(10 mL 血液)仅能分离出约 2 × 105–5 × 105 个中性粒细胞。为在每个时间点提取足够量的 NETs,需要约 10–25 只大鼠(总计 5 × 106 个中性粒细胞),导致该过程耗时、昂贵且产量通常较低13。针对这一问题,Li He 及其同事提出了一种以骨髓为导向的策略,用于从大鼠中获取足量的 NETs14。在他们的文章中,详细描述了从大鼠骨髓中分离中性粒细胞的方法,并比较了大鼠外周血与骨髓来源中性粒细胞释放 NET 的能力。所介绍的两种方法适用于不同的实验目标,均可获得足量的大鼠骨髓中性粒细胞,同时减少所需大鼠数量。其中,两步分离法在中性粒细胞纯度方面表现更优,而一步法则更为省时,且纯度可满足实验要求。此外,研究人员还比较了大鼠骨髓中性粒细胞与其外周血对应细胞在 NETosis 及 NET 形成方面的能力,发现两者在多形核中性粒细胞(PMN)活性上具有相当的效能。这些发现对与中性粒细胞相关的心房颤动研究具有重要意义,并强调了在不同实验动物中根据中性粒细胞分布特点灵活选择中性粒细胞来源的重要性。
本研究在四川大学华西医院动物伦理委员会批准的项目许可(编号:20211404A)下进行,符合四川大学华西医院动物伦理委员会关于动物护理与使用的指导原则。根据伦理指南,本研究所用大鼠饲养于环境受控的条件下,光照周期为12小时明/12小时暗,温度维持在22–24 °C,相对湿度为50%–60%。大鼠可自由摄食和饮水。本研究所用动物为6–8周龄的雄性Sprague Dawley(SD)大鼠,体重约250 g,无特定病原体(SPF级)。动物来源于商业供应商(见材料表)。
1. 大鼠中性粒细胞的分离
大鼠 NET 的获取
3. NETs 存在的验证
4. NETs 的定量分析
5. 通过细胞流式术分析 NETs 的分泌
本文所述方案概述了两种不同的方法,每种方法分别具有更高的纯化效率或更简化的步骤。两种方法每只大鼠均可获得约 0.5 × 108–1 × 108 个中性粒细胞。采用 Annexin V-FITC/PI 凋亡检测试剂盒进行的流式细胞术分析显示,细胞活力高于 90%,与小鼠和人类样本相当(图 1)。尽管从骨髓中分离中性粒细胞时淋巴细胞污染似乎难以避免,但两步法的纯度达到 90%,优于一步法所获得的 50% 纯度(图 2)。
外周血与骨髓中性粒细胞在PMA刺激下NET分泌反应相当图3)。此外,大鼠NETs彼此之间的交联能力有限(图4)。为了深入探究大鼠 NETosis 的过程,采用 PMA 作为诱导剂。NETs 被检测到 通过 cfDNA 染色,并使用细胞成像分析仪采集全面图像。值得注意的是,与小鼠和人类中性粒细胞相比,大鼠中性粒细胞即使在无外界刺激的情况下,也表现出更高的自发NETosis倾向。经PMA孵育后,4 h时cfDNA含量增加了10%(图5)。当暴露于500 nM PMA时,每只大鼠的骨髓最终产生8-12 µg/mL NET-DNA。值得注意的是,大鼠中性粒细胞在NETosis过程中胞内物质未完全排出,因而可观察到大量胞内组分。此外,由于黏附性增强,大鼠NETs倾向于形成纱布样薄膜,呈现出独特的云雾状外观。

图 1:从小鼠骨髓分离物中评估中性粒细胞活力。 分离大鼠中性粒细胞的最佳来源是骨髓,这有助于后续获取中性粒细胞胞外诱捕网(NETs)。本图改编自 He 等人14。请点击此处查看此图的放大版本。

图2:从外周血和骨髓中纯化中性粒细胞 通过 Wright-Giemsa 染色 (A) 外周血来源。B骨髓来源 通过 一步法。C骨髓来源 通过 两步法。骨髓提取是大鼠中性粒细胞分离及其后续获取中性粒细胞胞外诱捕网的首选方法。比例尺 = 20 µm放大倍数 = 400x。该图改编自 He 等人。14. 请点击此处以查看此图的放大版本。

图3:中性粒细胞在PMA或PMA + DNase I孵育后释放中性粒细胞胞外诱捕网(NET)。 骨髓提取是大鼠中性粒细胞分离及后续收集中性粒细胞胞外诱捕网的首选途径。本图改编自He等14。请点击此处查看此图的放大版本。

图4:免疫荧光分析。 细胞核(蓝色,A)、MPO(绿色,B)的免疫荧光染色及合并图像(C)。NET:中性粒细胞胞外诱捕网;MPO:髓过氧化物酶。骨髓提取是分离大鼠中性粒细胞并进一步收集中性粒细胞胞外诱捕网的首选方法。比例尺 = 50 µm。放大倍数 = 200x。本图改编自 He 等人14。请点击此处查看此图的放大版本。

图5cfDNA 的全面分析 通过 在不同条件下使用细胞成像分析仪。 细胞游离DNA(绿色)和细胞核(蓝色)的荧光染色。骨髓提取是分离大鼠中性粒细胞及后续收集中性粒细胞胞外诱捕网的主要方法。比例尺 = 500 µm该图改编自 He 等人的研究。14. 请点击此处以查看此图的放大版本。
中性粒细胞的分离是研究NETosis的关键步骤,其中选择合适的分离方法对于获得可靠结果至关重要。需要权衡的一个重要因素是在分离过程中发生的淋巴细胞污染。在从大鼠骨髓中分离中性粒细胞时,解决这一问题尤为关键。尽管中性粒细胞的密度范围(1.0814–1.0919,峰值为1.0919)与淋巴细胞(1.0337–1.0765,峰值为1.0526)明显不同,但淋巴细胞污染仍然难以避免。这在一定程度上可归因于骨髓中淋巴细胞的丰富含量以及未成熟淋巴细胞密度的增加15。密度梯度分离技术(如使用Percoll和Ficoll)有助于减少淋巴细胞污染,但完全消除淋巴细胞可能仍具挑战性。通过配制特定密度梯度的专用Percoll溶液,可利用大鼠中性粒细胞与其他骨髓细胞之间的密度差异,最大限度地降低污染。因此,研究人员应审慎评估淋巴细胞污染对实验结果的潜在影响,并采取措施减轻其影响。
本研究强调了根据特定实验需求定制分离方法的重要性。在先前所述的方法中14,一步法在时间和操作强度上要求较低,因此被推荐用于中性粒细胞胞外诱捕网(NET)的获取,因为淋巴细胞污染对NET分泌的影响可忽略不计,且这些淋巴细胞可在最终离心阶段被有效去除。相反,对于涉及中性粒细胞分离并后续评估NETosis及NET分泌的研究,则推荐采用两步法14。该方法可精确量化中性粒细胞产生的NETs,同时最大限度地减少其他细胞污染所带来的潜在干扰因素的影响。
可对分离方案进行优化以提高得率和纯度。例如,使用优化的密度梯度试剂组合可获得更多的中性粒细胞。轻柔的移液和洗涤操作同样有助于减少细胞损失并提高纯度。通过监控缓冲液的 pH 值和温度,并调整离心参数等故障排除措施,可有效应对分离过程中遇到的问题。骨髓分离的一个相关局限性在于可能混入未成熟的中性粒细胞及其他骨髓细胞,从而影响纯度和得率。设计一种高效去除淋巴细胞的方法可提升整体分离效率。另一局限性在于骨髓分离需要牺牲动物,这可能不适用于对大鼠中性粒细胞进行长期的 in vivo 研究。
人类中性粒细胞的分离主要依赖外周血。传统方法包括Ficoll-Paque法、Percoll法和免疫磁珠分离法16,17,18。Ficoll法基于细胞浮力进行白细胞亚群的分离,依赖密度梯度介质区分中性粒细胞。该方法操作简便且成本较低,但纯度和得率较低,且在去除红细胞方面存在困难。相比之下,Percoll法利用密度梯度分离,可获得更高的中性粒细胞纯度和得率,但需要专用设备,成本更高且耗时更长19。免疫磁珠分离法是一种较新的特异性技术,采用抗体偶联的磁珠特异性结合中性粒细胞,其他白细胞污染极少。尽管该方法易于自动化,但仍需专用设备,且因磁珠成本较高而增加整体费用。在选择中性粒细胞分离方法时,研究人员需权衡得率、纯度、成本和操作复杂性。目前,分离人中性粒细胞最便捷的方法是使用PolymorphPrep20。该方法可在短时间内获得大量高纯度的中性粒细胞。PolymorphPrep的原理基于细胞密度差异进行分离。
在小鼠中,由于血液体积较小,且难以获得足够数量和纯度的中性粒细胞用于后续实验,因此不建议从外周血中分离中性粒细胞。尽管大鼠可提供足够的血液量(每只大鼠约10 mL),但其外周血特征与人类和小鼠存在差异。大鼠本身在中性粒细胞提取方面存在固有缺陷,单核细胞是其最丰富的有核细胞13,14。因此,从单只大鼠外周血中仅能获得 2 × 105–5 × 105 个中性粒细胞。相比之下,骨髓是更可行的中性粒细胞来源,无论动物是否感染,均可提供充足且易于获取的细胞。另一种方法是诱导腹腔或胸腔产生炎症环境以促进中性粒细胞浸润后再进行分离,但该方法不可靠且操作复杂。因此,骨髓提取成为大鼠中性粒细胞分离的一种实用且可靠的途径21。
NETosis 涉及多种细胞过程,包括 DNA 去浓缩、自噬以及细胞内基质的排出1。在人类中,NET 的释放过程较为彻底,仅留下细胞膜残余。有趣的是,大鼠中性粒细胞的研究显示出不同的模式,在刺激后保留了更多的细胞内成分。尽管受到 PMA 刺激,大鼠中性粒细胞仍表现出不完全的 NET 释放,这与其自发性 NETosis 现象一致。令人好奇的是,大鼠的 NET 更倾向于形成聚集体(aggNETs),而非广泛的网状结构,这可能与其交联能力降低有关。这一现象可能显著影响中性粒细胞的聚集,进而影响大鼠整体的免疫反应。未来,骨髓分离技术的应用可进一步探究 NETosis 中不同的信号通路及免疫细胞的作用。此外,该方法有助于在多种疾病模型中开展 NETosis 研究,揭示中性粒细胞在不同病理状态下的功能角色。最终,开发新型的 NET 分离与表征技术,有望阐明驱动 NETosis 的分子机制及其在不同动物模型中的功能意义。
作者声明无利益冲突。
基金支持:本工作受到国家自然科学基金(编号:82004154、81900311、82100336 和 81970345)的资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| A488标记的驴抗兔IgG(H + L) | Invitrogen, USA | A32790 | |
| A594标记的驴抗小鼠IgG(H + L) | Invitrogen, USA | A32744 | |
| A594标记的山羊抗小鼠IgG1 | Invitrogen, USA | A21125 | |
| 抗大鼠髓过氧化物酶抗体 | Abcam, England | ab134132 | |
| 抗大鼠中性粒细胞弹性蛋白酶抗体 | Abcam, England | ab21595 | |
| Celigo成像细胞仪 | Nexelom, USA | 200-BFFL-5C | |
| DNase I | Sigma, USA | 10104159001 | |
| 胎牛血清(FBS) | Gibco, USA | 10099141C | |
| Hank’s平衡盐溶液(HBSS) | Gibco, USA | C14175500BT | |
| Hoechst | Thermofisher, USA | 33342 | |
| 异氟烷 | RWD, China | R510-22-10 | |
| Mowiol | Sigma, USA | 81381 | |
| 正常驴血清 | Solarbio, China | SL050 | |
| 多聚甲醛 | biosharp, China | BL539A | |
| 青霉素-链霉素 | Hyclone, USA | SV30010 | |
| Percoll | GE, USA | P8370-1L | |
| 佛波醇12-十四烷酰-13-乙酸酯(PMA) | Sigma, USA | P1585 | |
| Picogreen双链DNA检测试剂盒 | Invitrogen, USA | P11496 | |
| 大鼠中性粒细胞分离试剂盒 | Solarbio, China | P9200 | |
| 红细胞裂解缓冲液 | Solarbio, China | R1010 | |
| 罗斯韦尔帕克纪念研究所(RPMI)培养基 | Hyclone, USA | SH30809.01B | |
| RWD通用动物麻醉机 | RWD, China | R500 | |
| Sprague Dawley(SD)大鼠 | Dashuo, China | ||
| Sytox Green | Thermofisher, USA | S7020 | |
| Tris-EDTA(TE)缓冲液 | Solarbio, China | T1120 | |
| Triton X-100 | Biofroxx, German | 1139ML100 |