我们描述了制备小鼠胸腺上皮细胞单细胞悬液以及对细胞内分子进行染色以用于流式细胞术分析的实验方案。
方法文章
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我们描述了制备小鼠胸腺上皮细胞单细胞悬液以及对细胞内分子进行染色以用于流式细胞术分析的实验方案。
胸腺上皮细胞(TECs)在促进T细胞的发育和受体库选择中发挥着至关重要的作用。位于胸腺皮质的皮质胸腺上皮细胞(cTECs)可诱导早期T细胞发育并对皮质胸腺细胞进行阳性选择。相比之下,位于胸腺髓质的髓质胸腺上皮细胞(mTECs)则吸引来自皮质的阳性选择胸腺细胞,并在T细胞中建立自身耐受。多种分子参与支持胸腺功能以促进T细胞的发育与选择,其中包括cTECs中表达的DLL4和beta5t,以及mTECs中表达的Aire和CCL21。尽管目前制备TECs单细胞悬液的方法仅能从年轻成年小鼠胸腺中回收少量TECs(cTECs约1%,mTECs约10%),但对cTECs和mTECs中功能相关分子进行流式细胞术分析仍有助于加深我们对TECs生物学特性的理解。由于TECs中许多功能相关分子定位于细胞内,本文描述了我们用于制备小鼠TECs单细胞悬液以及对细胞内分子进行染色以进行流式细胞术分析的实验方案。
胸腺是一种上皮-间充质器官,可促进T淋巴细胞的发育及其受体库的选择。在胸腺的皮质和髓质微环境中,胸腺上皮细胞(TECs)在指导T细胞发育和选择过程中发挥关键作用。目前普遍认为,胸腺皮质中的皮质胸腺上皮细胞(cTECs)主要参与诱导早期T细胞发育,并促进新生成的表达T细胞抗原受体(TCR)的胸腺细胞进行阳性选择。相比之下,胸腺髓质中的髓质胸腺上皮细胞(mTECs)对于吸引来自皮质的阳性选择胸腺细胞至关重要,并通过清除自身反应性T细胞以及生成调节性T细胞来建立中枢自身耐受1,2。TECs在支持T细胞发育和选择方面的这些功能,是通过cTECs和mTECs中表达的多种分子介导的。
这些分子包括Delta样配体4(DLL4),对淋巴样前体细胞的T细胞谱系特化至关重要3,4;beta5t(也称为Psmb11,对CD8 T细胞的阳性选择至关重要)5,6;以及Prss16(也称为胸腺特异性丝氨酸蛋白酶,或TSSP,对CD4 T细胞的阳性选择至关重要)7,8,这些分子在cTEC中表达;还包括自身免疫调节因子(Aire,对自身基因的异位表达至关重要)9,10、Fez家族锌指蛋白2(Fezf2,对Aire非依赖性自身基因的异位表达及胸腺tuft细胞的生成至关重要)11,12,13,14,以及C-C基序趋化因子配体21(CCL21,对阳性选择后胸腺细胞向髓质迁移和聚集至关重要)14,15,16,这些分子在mTEC中表达。流式细胞术可用于定量检测胸腺上皮细胞(TEC)中这些功能重要的分子,有助于评估cTEC和mTEC的发育与功能状态。由于TEC中的许多分子主要在细胞内表达,例如位于胞质(如蛋白酶体组分beta5t)或细胞核(如转录调控因子Aire)中,因此采用流式细胞术对cTEC和mTEC中的细胞内分子进行定量分析具有显著优势。
胸腺上皮细胞(TECs)在胸腺中数量稀少。一只5周龄的雌性小鼠约含有1 × 106个皮质胸腺上皮细胞(cTECs)和约2.5 × 106个髓质胸腺上皮细胞(mTECs),而胸腺皮质中含有约3 × 108个CD4+CD8+胸腺细胞,胸腺髓质中含有约5 × 107个CD4+CD8-和CD4-CD8+胸腺细胞17。因此,在年轻成年小鼠中,胸腺内绝大多数(>99%)的细胞为造血来源的细胞(包括胸腺细胞),而非TECs。此外,TECs在胸腺内与邻近细胞(如胸腺细胞)以及结构性的细胞外成分(如胶原蛋白)紧密结合,因此将TECs释放为单细胞悬液需要对胸腺进行蛋白酶消化。传统的酶消化方法仅能获得少量TECs;从5周龄小鼠胸腺中分别仅能获得约1%(1 × 104)的cTECs和约10%(2 × 105)的mTECs17,18,19。TECs从胸腺中释放效率低下的原因可能在于TECs对蛋白水解酶和机械应力较为敏感,以及TECs与邻近细胞(特别是cTECs与CD4+CD8+胸腺细胞之间)的紧密结合20。因此,目前基于酶消化法所获得的单细胞悬液进行的小鼠TECs单细胞分析(包括流式细胞术分析和单细胞RNA测序分析)仅代表了TECs中的一小部分,远未达到全面性。尽管如此,尽管酶法获取TECs存在上述局限性,对单细胞悬液中小鼠TECs进行流式细胞术分析仍可用于cTECs和mTECs中功能相关分子的定量分析。在单细胞悬液中,TECs被定义为上皮细胞表面分子EpCAM(CD326)阳性而造血细胞表面分子CD45阴性的细胞。在EpCAM+CD45- TECs群体中,细胞表面Ly51分子(又称BP-1或CD249)的表达水平以及荆豆凝集素I(UEA1)的结合能力(主要结合含α-连接岩藻糖的糖蛋白和糖脂)被用于表型区分cTECs(Ly51highUEA1low)和mTECs(Ly51lowUEA1high)。本文中,我们描述了常规制备小鼠TECs单细胞悬液的实验方案,以及针对细胞内分子进行染色以用于流式细胞术分析的方法,重点聚焦于对新制备的小鼠TECs中细胞内分子beta5t、CCL21和Aire的定量分析。
所有小鼠实验均在国家癌症研究所动物护理和使用委员会(ASP21-431、ASP21-432 和 EIB-076-3)的批准下进行。
1. 胸腺细胞悬液的制备
注意:小鼠的个体发育会影响从胸腺中酶解分离胸腺上皮细胞(TEC)的效率。以下根据小鼠年龄描述了三种方法。
2. 胸腺细胞的抗体染色
分析需要一台能够检测至少六个荧光通道(用于 CD45、EpCAM、Ly51、UEA1、Ghost Dye 以及 beta5t、CCL21 和/或 Aire)并具备前向散射和侧向散射参数的流式细胞仪。图中展示了 0 日龄小鼠和 2 周龄小鼠经胶原酶/分散酶消化后的胸腺细胞的代表性流式细胞术图谱 图1 和 图2,分别。在这两幅图中,面板中的点图 A 显示总颗粒信号的前向散射(FSC)强度和Ghost Dye Violet 510荧光强度。超过90%的颗粒信号代表活细胞,依据为Ghost Dye试剂染色呈阴性以及前向散射反映细胞大小。图示 B 显示胸腺活细胞表面CD45和EpCAM的荧光信号,CD45为造血细胞表达的分子,EpCAM为上皮细胞表达的分子。其中存在一小群但特征明显的CD45阳性细胞- EpCAM+,因此代表胸腺上皮细胞(TECs)。

图1:0日龄野生型C57BL/6背景小鼠胸腺细胞经胶原酶/分散酶消化后的代表性流式细胞术分析图谱 (A) 总颗粒信号的前向散射光强度与 Ghost Dye Violet 510 荧光强度。红色框表示活细胞信号。B) 活细胞的荧光信号(图中红色框内) ACD45 和 EpCAM 的检测。红色方框指示 CD45- EpCAM+ 胸腺上皮细胞。C) TECs 中 Ly51 和 UEA1 细胞表面染色信号(图中红色方框) B) 显示出两个主要群体:Ly51高 UEA1低 富集了cTECs和Ly51的细胞低 UEA1高 富集了mTECs的细胞。D-F) 的检测(Dβ5t,(ECCL21,以及(F) 如图中所示定义的cTECs(上图)和mTECs(下图)中的Aire表达 C灰色直方图显示了使用(染色的对照图谱D,E)仅二抗和(F) 使用 Aire 缺陷型小鼠的细胞进行染色。缩写:FSC = 前向散射;TECs = 胸腺上皮细胞;cTECs = 皮质胸腺上皮细胞;mTECs = 髓质胸腺上皮细胞。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图2:来自2周龄野生型C57BL/6背景小鼠的胶原酶/分散酶消化胸腺细胞的代表性流式细胞术图谱。 (A) 总颗粒信号的前向散射光强度与 Ghost Dye Violet 510 荧光强度。红色框表示活细胞信号。B) 活细胞的荧光信号(图中红色框内) ACD45 和 EpCAM 的红框指示 CD45- EpCAM+ 胸腺上皮细胞。C) TECs 中 Ly51 和 UEA1 细胞表面染色信号(图中红色框内) B) 显示出两个主要群体:Ly51高 UEA1低 富集了cTECs和Ly51的细胞低 UEA1高 富集了mTECs的细胞。D-F) 检测(Dβ5t,(ECCL21,以及(F) 如图中所示定义的cTEC(上图)和mTEC(下图)中的Aire表达 C灰色直方图显示使用(染色的对照图谱D,E)仅二抗,染色用(F) FITC标记的同型对照IgG。缩写:FSC = 前向散射;TECs = 胸腺上皮细胞;cTECs = 皮质胸腺上皮细胞;mTECs = 髓质胸腺上皮细胞;FITC = 异硫氰酸荧光素。 请点击此处以查看此图的放大版本。
如图C所示,Ly51和UEA1细胞表面染色信号揭示了胸腺上皮细胞(TECs)中的两个主要细胞群:一类为Ly51表达相对较高而UEA1表达较低的细胞群,富含皮质型胸腺上皮细胞(cTECs);另一类为Ly51表达相对较低而UEA1表达较高的细胞群,富含髓质型胸腺上皮细胞(mTECs)21,22,23,24,25。在胚胎期和新生期(包括出生0天),cTECs的频率高于mTECs。在出生后阶段,mTECs的频率占主导地位,主要原因是cTECs从胸腺释放的效率变得极低(仅约1%的cTECs和10%的mTECs可被回收至单细胞悬液中)17。
细胞的固定和通透处理可实现胸腺上皮细胞(TECs)内细胞内分子的检测。图D显示β5t在大多数皮质胸腺上皮细胞(cTECs)中表达,而在髓质胸腺上皮细胞(mTECs)中不表达;图E显示CCL21在部分mTECs中被检测到,但在cTECs中未检测到;图F显示Aire在mTECs的一个亚群中表达。
有关小鼠胸腺上皮细胞(TECs)内其他细胞内分子的流式细胞术分析谱型,可参见已发表的文章;例如 beta5t6,20、CCL2114,16,26 和 Aire27,28,以及其他细胞内分子,包括角蛋白(keratin)22,29 和 Fezf211,30。
胶原酶(可联合或不联合中性蛋白酶Dispase)被广泛用于消化小鼠胸腺以制备胸腺上皮细胞(TECs)4,5,9,18,21。Liberase是一种包含胶原酶等多种蛋白酶的混合酶制剂,也常用于胸腺消化以制备TECs17,22。使用胶原酶与Liberase从小鼠胸腺中获得的皮质型胸腺上皮细胞(cTECs)和髓质型胸腺上皮细胞(mTECs)在产量和质量上基本相当,尽管不同批次的酶产品可能导致细微差异。胰蛋白酶也可用于高效消化胸腺21,23,但已有研究表明,TECs表达的多种细胞表面分子(如EpCAM和CD80)易受胰蛋白酶降解21。在胸腺的酶消化过程中,通常添加DNase以降解受损细胞释放的DNA,从而降低组织悬液的黏度17,21。
胸腺的酶消化对于从胸腺中释放胸腺上皮细胞(TEC)至关重要。胸腺应被充分消化,直至组织碎片不可见,细胞悬液呈现均一状态。然而,消化时间不宜过长,因为过度的酶处理会损伤细胞,降低细胞活力。在每次实验中,都必须仔细控制胸腺消化过程中的孵育时间以及吹打力度。还需注意的是,如引言部分所述及先前报道所指出,目前的酶消化技术仅能释放出少量的TEC17,18,19。
由于胸腺上皮细胞(TEC)在总胸腺细胞悬液中较为稀少,因此使用总胸腺细胞悬液进行TEC的流式细胞术分析时,需要染色大量细胞,通常每次检测需8 × 106 至 16 × 106 个细胞。
通过酶消化胸腺细胞获得的胸腺上皮细胞(TEC)可利用抗CD45磁珠22 和/或Percoll密度梯度离心法31进行富集。这些富集步骤尤其在后续通过流式细胞分选仪纯化TEC时可节省时间。还应注意,抗CD45富集会去除一部分与表达CD45的胸腺细胞紧密相关的TEC亚群20,而Percoll离心可能意外去除密度较高的TEC亚群。
关于胸腺上皮细胞(TECs)的固定,已知多聚甲醛(PFA)处理会导致细胞收缩,并降低流式细胞术分析中的前向散射光强度。在加入2% PFA后立即轻柔吹打细胞,随后加入磷酸盐缓冲液(PBS),可能有助于防止细胞过度收缩。
在进行流式细胞术分析时,由于胸腺上皮细胞(TECs)在胸腺中出现频率较低,因此其鉴定需要采用与胸腺细胞或脾细胞不同的策略。初步分类基于使用CD45这一造血系统广谱标记物,该标记物普遍表达于胸腺细胞及其他造血细胞(如树突状细胞和巨噬细胞)表面。相反,TECs起源于非造血组织,不表达CD45。然而,TECs在其表面表达EpCAM,因此可通过CD45阴性且EpCAM阳性的设门策略明确区分TECs。在我们的流式细胞术分析中,首先定义该细胞群,随后根据TECs与胸腺细胞之间显著的体积差异,以及TECs本身较大的尺寸和较高的自发荧光特性,合理调整前向散射光和侧向散射光参数的显示比例。
随后,将注意力集中于CD45阴性EPCAM阳性群体中cTEC和mTEC标志物的评估。由于该群体数量极小,此步骤对于区分cTEC和mTEC至关重要。检测完整染色面板(例如cTEC标志物Ly51和mTEC标志物UEA-1,以及用于定义TEC的CD45和EpCAM)可进一步确保散射参数设置的适当性。在流式细胞术设置过程中,我们的主要目标是明确每种抗体的阳性与阴性细胞群。
在Aire、beta5t和CCL21的共染色中,可识别胸腺上皮细胞(TEC)亚群中的不同细胞群体。由于Aire由髓质胸腺上皮细胞(mTEC)选择性表达,我们重点关注CD45阴性/EPCAM阳性/UEA-1阳性/Ly51阴性细胞的四色染色。此处利用UEA-1阳性细胞建立Aire的阴性对照,以清晰识别Aire阳性细胞。对于在mTECs中表达的CCL21,也采用类似方法。相反,对于仅由皮质胸腺上皮细胞(cTEC)表达的beta5t,则采用类似的设门策略,重点关注四色染色中的Ly51阳性细胞,以确定beta5t的背景水平。随后对经抗-beta5t抗体染色的样本进行分析,可识别出阳性细胞群。
抗beta5t抗体和抗CCL21抗体均为兔源抗体,因此在未进行荧光标记前不应混合使用。抗体的工作浓度应通过流式细胞术分析经抗体梯度稀释染色的对照细胞(例如来自野生型和基因敲除小鼠的胸腺上皮细胞)来预先确定。
在流式细胞术分析中,皮质型胸腺上皮细胞(cTEC)和髓质型胸腺上皮细胞(mTEC)通常根据细胞表面标志物来定义:cTEC表达Ly51或CD205,而mTEC表达UEA1和CD80。然而,需要注意的是,cTEC和mTEC最终必须依据其在胸腺中的微解剖定位来定义。在胚胎期胸腺中,越来越多的证据表明,Ly51和CD205的表达不仅限于cTEC,还存在于其他胸腺上皮细胞群体中,包括cTEC/mTEC双潜能前体细胞和未成熟的mTEC32,33。此外,如图1和图2所示,cTEC中Ly51的表达在胚胎发育期和围产期均低于出生后时期33。
综上所述,尽管胸腺上皮细胞(TEC)的酶解分离效率有限,但对酶解获得的单细胞悬液进行流式细胞术分析,仍是一种在单细胞水平上对TEC及其亚群进行定量分析的有力技术。特别是对单细胞TEC悬液中细胞内分子的流式细胞术分析,有助于研究多种对TEC及其亚群的发育和功能具有重要意义的分子的表达情况。
感谢大崎泉博士对文稿的审阅。本工作由美国国立卫生研究院、国家癌症研究所和癌症研究中心的院内研究计划项目 ZIA BC 011806 资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 胶原酶/分散酶 | Roche | 11097113001 | |
| Liberase TM | Roche | 5401127001 | |
| Foxp3 / 转录因子染色缓冲液套装 | eBioscience | 00-5523-00 | |
| Ghost Dye Violet 510 | Tonbo | 13-0870-T500 | |
| BV421 抗小鼠 CD45 单克隆抗体,克隆号 30-F11 | BD Horizon | 563890 | |
| Alexa Fluor 647 抗小鼠 Ly51 单克隆抗体,克隆号 6C3 | BioLegend | 108312 | |
| PE/Cy7 抗小鼠 EpCAM/CD326 单克隆抗体,克隆号 G8.8 | BioLegend | 118216 | |
| DyLight 594 欧洲荆豆凝集素 I (UEA1) | Vector Laboratories | DL-1067-1 | |
| Alexa Fluor 488 抗小鼠 Aire 单克隆抗体,克隆号 5H12 | eBioscience | 53-5934-82 | |
| 抗小鼠 Psmb11/beta5t 兔单克隆抗体,克隆号 CPTC-PSMB11(mouse)-1 | NIH NCI | CPTC-PSMB11(mouse)-1 | https://proteomics.cancer.gov/antibody-portal |
| 抗小鼠 CCL21/exodus 2 兔多克隆抗体 | Bio-Rad | AAM27 | |
| Alexa Fluor 555 抗兔 IgG 重链山羊重组抗体 | Invitrogen | A27039 | |
| 抗小鼠 CD32/CD16 – 纯化型(Fc 阻断抗体) | Leinco Technologies | C247 | |
| 60 微米尼龙筛网 | Component Supply | W31436 | |
| 设备 | |||
| Thermomixer | Eppendorf | 加热模块 | |
| Cellometer Auto 2000 细胞活力计数仪 | Nexcelom | 活细胞计数 | |
| LSRFortessa 细胞分析仪 | BD Biosciences | 流式细胞仪 | 五激光系统(355、408、488、595 和 637 nm) |
| FACSDiva 软件 9.0.1 版本 | BD Biosciences | 流式细胞分析 | |
| FlowJo 10.9.0 | BD Biosciences | 流式细胞数据处理 | |
| 抗体 | 稀释比例(工作浓度) | 稀释缓冲液 | |
| 抗小鼠 CD32/CD16 – 纯化型(Fc 阻断抗体) | 1:40 | FACS 缓冲液 | |
| BV421 抗小鼠 CD45 单克隆抗体 | 1:25 | FACS 缓冲液 | |
| PE/Cy7 抗小鼠 EpCAM/CD326 单克隆抗体 | 1:100 | FACS 缓冲液 | |
| Alexa Fluor 647 抗小鼠 Ly51 单克隆抗体 | 1:100 | FACS 缓冲液 | |
| DyLight 594 欧洲荆豆凝集素 I (UEA1) | 1:400 | FACS 缓冲液 | |
| 抗小鼠 CCL21/exodus 2 兔多克隆抗体 | 1:200 | 1x 通透缓冲液 | |
| 抗小鼠 Psmb11/beta5t 兔单克隆抗体,克隆号 CPTC-PSMB11(mouse)-1 | 1:1000 | 1x 通透缓冲液 | |
| Alexa Fluor 555 抗兔 IgG 重链山羊重组抗体 | 1:400 | 1x 通透缓冲液 | |
| 缓冲液 | 用途 | ||
| 含 10 mM HEPES 的 RPMI1640 | 用于细胞制备 | ||
| 含 2% FBS 的 RPMI1640 | 用于细胞制备 | ||
| FACS 缓冲液(含 1% BSA 和 0.1% 叠氮化钠的 1x HBSS) | 用于细胞制备和抗体染色 | ||
| 含 1 mg/ml 胶原酶/分散酶和 1 U/ml DNase 的 RPMI1640(含 2% FBS) | 用于酶消化 | ||
| 含 2% PFA 的 PBS | 用于细胞固定 | ||
| 固定/通透缓冲液(1 份固定/通透浓缩液与 3 份固定/通透稀释液混合) | 用于细胞固定 | ||
| 1x 通透缓冲液(1 份 10X 浓缩液与 9 份蒸馏水混合) | 用于胞内抗体染色 |
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