在这里,我们介绍了一种使用单细胞和单核RNA测序生成和下游分析人脑类器官的综合方案。
Method Article
* These authors contributed equally
在这里,我们介绍了一种使用单细胞和单核RNA测序生成和下游分析人脑类器官的综合方案。
在过去的十年中,单细胞转录组学已经取得了显着发展,并成为同时分析单个细胞基因表达谱的标准实验室方法,从而可以捕获细胞多样性。为了克服难以分离的细胞类型带来的限制,可以使用一种旨在恢复单核而不是完整细胞的替代方法进行测序,使单个细胞的转录组分析普遍适用。这些技术已成为大脑类器官研究的基石,使它们成为发育中的人类大脑的模型。利用单细胞和单核转录组学在脑类器官研究中的潜力,该协议提供了一个分步指南,涵盖了类器官解离、单细胞或细胞核分离、文库制备和测序等关键程序。通过实施这些替代方法,研究人员可以获得高质量的数据集,从而能够识别神经元和非神经元细胞类型、基因表达谱和细胞谱系轨迹。这有助于对塑造大脑发育的细胞过程和分子机制进行全面研究。
在过去的几年中,类器官技术已成为培养器官样组织的一种有前途的工具1,2,3。特别是对于不容易接触到的器官,如人脑,类器官提供了深入了解发育和疾病表现的机会4.因此,大脑类器官已被广泛用作实验模型,用于研究各种人类脑部疾病,包括发育、精神疾病甚至神经退行性疾病 4,5,6。
随着单细胞转录组分析技术的出现,原代人体组织和复杂的体外模型可以以前所未有的粒度水平进行研究,为健康和疾病中细胞亚群水平上的基因表达变化提供机制见解,并为新的假定治疗靶点提供信息7,8,9.通过利用单细胞转录组分析来评估细胞组成、可重复性和大脑类器官技术的保真度,类器官领域取得了进展 10,11,12。单细胞 RNA 测序 (scRNA-seq) 使细胞分类和患病类器官中的遗传失调鉴定成为可能13,14。重要的是,正是类器官组织的复杂性使得有必要实施能够分析单个细胞的技术。使用批量转录组分析(批量 RNA 测序)等方法对类器官进行表征会导致细胞异质性和基因表达谱被掩盖,这些异质性和基因表达谱在复杂组织内的所有类型细胞中均被平均,最终限制了我们对健康和疾病中类器官发育过程中正在进行的过程的理解 15,16,17.随着scRNA-seq方法的不断发展,越来越多的图谱正在被创建,例如Uzquiano等人的Allen Brain Atlas或Single cell atlas of human brain organoids等资源18。
从脑类器官中成功实现 scRNA-seq 依赖于有效分离和捕获完整细胞。由于脑类器官的解离以获得单个细胞是基于酶消化的,因此它可以通过诱导应激和细胞损伤来影响基因表达模式19,20。因此,将组织解离成单个细胞是最关键的一步。另一种方法是单核 RNA 测序 (snRNA-seq),它有助于从新鲜和冷冻组织中无酶提取细胞核21,22。然而,从组织中分离细胞核会带来其他挑战,例如目标细胞类型的富集以及与细胞相比细胞核的 RNA 含量低。
脑类器官的转录组研究通常使用 scRNA-seq 10,18,23 进行。然而,单核的分离可能提供了一种正交和补充方法来研究类器官的转录组学特征。在这里,我们介绍了一个用于脑类器官scRNA和snRNA-seq的工具箱,并讨论了获得最佳质量测序数据的关键点。
所描述的方案在Max Delbrück分子医学中心(批准号:138/08)的生物安全1级实验室中进行,符合要求并符合欧盟和国家的研究伦理规则。
1. 从诱导多能干细胞 (iPSCs) 衍生出前脑类器官
注:该协议已针对在来自不同公司的各种干细胞培养基中培养的几种不同iPSC系进行了测试(表1)。前脑类器官的产生高度依赖于高质量的 iPSC 和 60%-70% 的汇合度,然后才能开始实验方案。在这里,我们使用了市售的细胞系(参见 材料表)。
2. 从类器官衍生出单细胞
注:使用神经组织解离试剂盒(表 2)进行单细胞解离,该试剂盒使用机械和酶解离。在这里,我们描述了一种手动机械解离。作为替代方案,可以使用解离机。
3. 从类器官中分离单核
4. 文库制备和测序
5. 分析
为了使用 scRNA-seq 和 snRNA-seq 研究脑类器官的细胞类型组成,在培养 30 天后收获脑类器官,因为该阶段的类器官已经表现出由中间祖细胞包围的祖细胞和早期神经元组成的神经上皮环 4,18。在整个生长和培养过程中监测类器官的质量对于获得可靠的单细胞和单核数据至关重要。
类器官是通过将iPSC聚集到胚状体中而形成的(图1B,C)。组装后,这些胚状体有望表现出清晰的边缘和最少的细胞碎片(图1C)。在神经外胚层的诱导下,胚状体在表面周围表现出可观察到的亮度,内部区域相对较暗,表明神经诱导成功(图1D)。在接下来的几周内,类器官发育出所谓的环,即神经元莲座状结构,主要由神经上皮细胞组成(图1E,F)。虽然这些类器官可以在培养物中维持数月,但应注意的是,随着它们的大小增加,由于缺乏营养和氧气供应,类器官内部的细胞死亡会相应增加,最终导致坏死核心的发展。
为了通过测序分析探索皮质类器官内的细胞多样性,我们从类器官中分离出单细胞和细胞核。为了平衡单批脑类器官中固有的异质性,我们对一批中的四个混合类器官进行了测序。此外,为了比较分离过程之间的目的并消除 snRNA-seq 和 scRNA-seq 文库之间的批量效应,这些类器官被分成两半(总共八半;图2)。在酶分离单个细胞之后,确保细胞活力保持在80%以上至关重要,同时观察细胞保持圆形形态(图3A,B)。同样,单个原子核的机械分离应产生不同大小的完整原子核,而可检测到的碎片最少甚至没有(图3C,D)。
测序分析显示,捕获和测序的细胞多于细胞核。两个数据集都显示出通过每个细胞和细胞核的高基因和UMI计数以及低线粒体读数百分比来评估的良好质量(图4A-C)。正如预期的那样,与 snRNA-seq 数据集相比,线粒体和核糖体读取在 scRNA-seq 数据集中回收的总读取部分占比更高。在 scRNA-seq 数据集中,大多数细胞含有少于 30% 的核糖体读长,而在 snRNA-seq 数据集中,大多数细胞核含有少于 5% 的核糖体读长。此外,在 scRNA-seq 数据集中捕获的大多数细胞包含的线粒体读数少于 5%。在过滤掉线粒体读数后,大约 10,000 个细胞和 3,000 个细胞核通过了质量阈值。
对两个数据集的综合分析显示,所有簇都在两个数据集中表示,表明两种方法都能恢复相同的细胞类型(图5A,C)。数据集的注释显示,主要细胞群包括放射状胶质细胞、中间祖细胞、皮质下祖细胞和神经元,以及新生深层投射神经元和代表性较弱的细胞类型,如Cajal-Retzius、皮质下摆和脉络丛细胞(图5B)。总体而言,scRNA-seq 和 snRNA-seq 可以回收 30 天大的大脑类器官20 中预计存在的所有细胞类型。

图 1:从 iPSC 生成脑类器官。 脑类器官生成的时间过程 (A)。iPSCs成功皮质分化的示例图像(B),其形成胚状体(接种后72小时)(C)并在培养7天后显示成功的神经诱导(D)。类器官在第 15 天 (E) 和第 30 天 (F) 描绘了不同的环。比例尺: B-D 200 μm, E 400 μm, F 800 μm. 请点击这里查看此图的较大版本.

图 2:从大脑类器官获得单细胞和单核的工作流程。 通过用手术刀切碎类器官,然后进行酶消化(顶部),将类器官解离成单细胞。原子核的分离是通过机械解离进行的,然后通过Percoll梯度(底部)进行纯化。单细胞和细胞核悬浮液被过滤并加载到微流体系统中,用于文库生成和测序。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 3:从 30 天龄的类器官中分离出的细胞和细胞核的代表性结果。 (A) 使用细胞计数仪拍摄的台盼蓝染色细胞的示例图片和 (B) 相应的特写镜头。(C) DAPI染色细胞核的明场和荧光图像的叠加和(D)相应的特写镜头。比例尺: 100 μM 请点击这里查看此图的较大版本.

图 4:scRNA 和 snRNA-seq 的质量控制。 小提琴图说明了细胞(蓝色)和细胞核(粉紫色)的绝对 UMI 计数 (A)、基因计数 (B)、线粒体 (C) 和核糖体读数 (D)。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 5:scRNA-seq 和 snRNA-seq 在 30 天龄的类器官中检索到相似的细胞群。30 天龄类器官的集成嵌入式 UMAP,显示 scRNA-seq(蓝色)和 snRNA-seq 结果(粉红色-紫色)(A)、scRNA-seq 和 snRNA-seq (B,C) 的整合和注释以及个体图谱。请点击这里查看此图的较大版本.
表 1:细胞培养基和包被成分 请点击此处下载此表格。
表2:scRNA和snRNA-seq的解离缓冲液。请按此下载此表格。
补充编码文件1: 用于分析 scRNA-seq 和 snRNA-seq 数据的编码文件。 请点击这里下载此文件。
单细胞和单细胞核的转录组学分析已成为理解复杂组织内基因调控机制的关键工具。这两种方法都可以对大脑类器官进行转录组研究。为了确保实验的整体成功,起始材料的质量具有高度相关性。因此,有必要定期切割类器官以防止形成坏死核心26。也可以通过气液界面培养物来消除这个问题27.为了减少由于类器官异质性导致的批量效应,我们建议每次提取至少使用四个类器官。或者,可以对单个类器官进行多次测序运行,这另外允许检查同一批次17 内的变异性。当同时使用scRNA-seq和snRNA-seq这两种方法时,将类器官一分为二并分为每种方法可以进一步减少由类器官异质性引起的差异。
为了获得单个细胞或细胞核的高质量转录组谱,在整个过程中细胞或核膜保持完整至关重要。因此,优化酶浓度和酶消化的时间至关重要,这需要根据类器官的年龄和大小进行调整。此外,使用正确的温度和离心速度并避免苛刻的移液也很重要。在活性低的情况下,可以在类器官解离成单细胞后使用死细胞去除试剂盒。作为补充,对于细胞核的分离,用 PBS 小心洗涤类器官并根据类器官的大小调整 douncer 的冲程次数至关重要。仔细对 Percoll 梯度进行分层也很重要,以避免分层中的干扰。如果分离后仍有受损细胞核,建议通过荧光激活细胞分选22 实施分选步骤。总体而言,使用RNAse抑制剂对于从样品解离到文库生成的所有步骤都至关重要,以保留每个细胞或细胞核的高质量RNA。
在这项研究中,scRNA-seq产生了更多的细胞,从而可以更广泛地了解细胞群。此外,与细胞核相比,细胞含有更多的 RNA,并且更容易通过表面标记物富集特定细胞类型。然而,单细胞解离依赖于酶促过程,该过程可以诱导应激相关 RNA的转录 19,28。特别是在与应激反应增加相关的疾病中,这可能导致解离诱导的伪影20。此外,研究表明,单细胞分离导致敏感细胞群的丢失 3,29。虽然这在这项研究中可能并不明显,但当使用以更高的细胞多样性为特征的较老的大脑类器官时,这是一个可能的结果。
由于两个数据集都检索相同的细胞群,因此分离方法的选择在很大程度上取决于研究问题、组织采集和时间管理。虽然在解离后,脑类器官的单细胞在甲醇中的固定和储存已经很成熟30,但从冷冻脑类器官中分离单核仍然需要优化。
总体而言,我们的方案提供了一个多功能且适应性强的平台,用于研究大脑类器官中单个细胞和细胞核的转录组学特征,为深入研究体外人脑模型中发育和疾病相关问题铺平了道路。
作者声明没有相互竞争的经济利益。
我们感谢 Valeria Fernandez-Vallone 提供 Miltenyi 神经解离套件的原始说明。我们还要感谢 Max Delbrueck Centrum 的基因组学技术平台提供 NP40 裂解缓冲液的配方和建立此方案的宝贵建议。我们还要感谢玛格丽塔·赫尔佐格(Margareta Herzog)和亚历山德拉·切尔尼切夫(Alexandra Tschernycheff)对实验室组织的支持。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 1,4-二硫代-DL-THREIT-LSG., FD MOL.-BIOL., ~1 M IN H2O (DTT) | Sigma | 43816-10ML | |
| 1.5 ml DNA 低结合管 | VWR | 525-0130 | 微量离心管 |
| 10x Cellranger 管道 | 分析管道 | ||
| 15 ml Falcon | Falcon | 离心管 | |
| 2-巯基乙醇 (BME) | Life Technologies | 21985023 | |
| 50 ml Falcon | Falcon | 离心管 | |
| A83-01 | Bio Technologies | 379762 | |
| 抗生素/抗真菌溶液 (100X) | Life Technologies | 15240062 | |
| B-27 Plus补充剂 | Life Technologies | 17504044 | |
| 不含维生素A的B-27补充剂 | Life Technologies | 12587010 | |
| 牛血清白蛋白,无脂肪酸(BSA) | Sigma Aldrich | A8806-5G | |
| cAMP | 生物宝石 | 6099240 | |
| cAMP | 生物宝石 | 6099240 | |
| C-CHIP NEUBAUER 改进的 | VWR | DHC-N01 | |
| 细胞过滤器 40 µm | Neolab | 352340 | |
| 细胞过滤器 70 & micro;m(白色)尼龙 | 西格玛 | CLS431751-50EA | |
| 铬控制器 &Next GEM 配件套件 | 10X Genomics | 1000204 | |
| 铬 Next GEM Chip G 单细胞试剂盒,16 次反应 | 10X 基因组学 | 1000127 | |
| 铬 Next GEM 单细胞 3' 试剂盒 v3.1 | 10X 基因组学 | 1000268 | |
| 完整, 不含 EDTA 的蛋白酶抑制剂混合物 | Roche | 11873580001 | |
| DAPI | MERCK Chemicals | 0000001722 | |
| DMEM/F12 | Life Technologies | 11320074 | |
| Dounce 组织研磨机套装 2 mL 完整 | Sigma Aldrich | 10536355 | |
| Essential E8 Flex 培养基 | Life 技术 | A2858501 | |
| EVE 细胞计数载玻片 | VWR | EVS-050 ( 734-2676) | |
| 胎儿血清 不含四环素 (FBS) | PAN Biotech | P30-3602 | |
| Geltrex 不含 LDEV (涂层) | Life Technologies | A1413302 | |
| gentleMACS | Miltenyi Biotec | 解离机 | |
| GlutaMAX 补充剂 | Life Technologies | 35050038 | |
| 肝素钠细胞培养测试 | Sigma | H3149-10KU | |
| 人重组 BDNF | StemCell Technologies | 78005.3 | |
| 人重组 GDNF | StemCell Technologies | 78058.3 | |
| 胰岛素溶液 人 | Sigma Aldrich | I2643-25MG | |
| 敲除血清替代物 | Life Technologies | 10828028 | |
| LDN193189盐酸盐 98% | Sigma Aldrich | 130-106-540 | |
| MEM 非必需氨基酸 (100x) | Sigma Aldrich | M7145-100ml | |
| MgCl2 氯化镁 (1M) 不含 RNAse | 的热科学 | AM9530G | |
| mTeSR Plus | StemCell Technologies | 100-0276 | 干细胞培养基 |
| mTeSR1 | StemCell Technologies | 85850 | 干细胞培养基 |
| N2 补充剂 | StemCell Technologies | 17502048 | |
| 神经组织解离试剂盒 | Miltenyi Biotec B.V. & Co. KG | 130-092-628 | |
| Neurobasal Plus | Life Technologies | A3582901 | |
| NextSeq500 系统 | Illumina | 测序仪 | |
| NP-40 表面活性Amps 去污剂溶液 | Life Technologies | 28324 | |
| PBS杜尔贝科S | Invitrogen | 14190169 | |
| PenStrep (青霉素 - 链霉素) | Life Technologies | 15140122 | |
| Percoll | Th. Geyer | 10668276 | |
| Pluronic (R) F-127 | Sigma Aldrich | P2443-1KG | |
| RiboLock RNase Inhibitor | Life Technologies | EO0382 | |
| 阻岩剂(Y-27632 二盐酸盐) SB | Biomol | Cay10005583-10 | |
| SB 431542 | Biogems | 3014193 | |
| 氯化钠 NaCl (5M),无 RNase 的 100 | mL,Invitrogen | AM9760G | |
| StemFlex 培养基 | Thermo Scientific | A3349401 | 干细胞培养基 |
| ,StemMACS iPS-Brew XF,Miltenyi | Biotec | 130-104-368 | 干细胞培养基 |
| TC-Platte 96 孔,圆底 | Sarstedt | 83.3925.500 | |
| TISSUi006-A | TissUse GmbH | https://hpscreg.eu/cell-line/TISSUi006-A | |
| 台盼蓝 | T8154-20ml | Sigma | |
| TrypLE Express 酶,无酚红 | Life Technologies | 12604013 | 蛋白酶试剂 |
| UltraPure 1M Tris-HCl 缓冲液,pH 7.5 | Life Technologies | 15567027 | |
| XAV939 | Enzo Life sciences | BML-WN100-0005 |
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