为获得满足单细胞RNA测序(scRNA-seq)要求的小鼠脑皮层周细胞,我们提出了一种基于CD13⁺/CD31⁻筛选的 critically 优化的流式细胞分选(FACS)方案。我们的关键改进显著提高了细胞活力和RNA完整性,从而实现可靠的转录组分析。
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为获得满足单细胞RNA测序(scRNA-seq)要求的小鼠脑皮层周细胞,我们提出了一种基于CD13⁺/CD31⁻筛选的 critically 优化的流式细胞分选(FACS)方案。我们的关键改进显著提高了细胞活力和RNA完整性,从而实现可靠的转录组分析。
周细胞作为神经血管单元的核心组分,在通过调节微血管张力维持血脑屏障完整性和脑血流动力学稳态方面发挥着关键作用。周细胞功能障碍已被证实与多种神经系统疾病相关。为了在单细胞分辨率下研究周细胞的异质性,并阐明其在神经血管疾病中的作用机制,我们建立了一种优化且可重复的小鼠脑周细胞分离方案,适用于单细胞RNA测序(scRNA-seq)。该方法基于已有的CD13+/CD31-分选策略,但针对scRNA-seq应用进行了关键性优化。简言之,从小鼠品系C57BL/6的三只成年小鼠中获取脑组织。脑组织经机械解离后进行酶消化,以获得单细胞悬液。经过连续离心处理后,最终的细胞沉淀重悬于20%牛血清白蛋白(BSA)溶液中,这是我们引入的关键步骤,旨在减少细胞应激和聚集,从而最大限度地提高细胞活力和测序所需的RNA质量。这一优化的基于FACS的方法能够高效分离出高活性的小鼠脑周细胞,满足scRNA-seq的严格要求,为解析周细胞异质性及其在神经血管疾病中的病理作用提供了有力工具。
周细胞是一种重要的细胞类型,位于微血管周围,通常嵌入毛细血管基膜内并包绕内皮细胞1在脑内,周细胞与内皮细胞、星形胶质细胞及其他细胞类型共同构成神经血管单元,是血脑屏障(BBB)结构与功能的重要组成部分。周细胞在脑血流调节、血管重塑以及血管稳态维持中发挥关键作用。它们通过与邻近细胞的紧密物理接触和旁分泌信号传导,维持血脑屏障的完整性。2;动态调节跨内皮转运 通过 内吞作用及特定转运蛋白的表达;并通过收缩和舒张活动维持脑部血流动力学的稳定3周细胞功能障碍及其覆盖率或密度的改变可导致血管调节失常和神经功能缺损,最终引发多种神经系统疾病相关的病理变化。4然而,周细胞固有的异质性为其进一步的机制研究带来了重大挑战。
随着单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术的发展,越来越多的研究利用scRNA-seq探索细胞异质性,并鉴定疾病发生与进展过程中的关键靶点。常用的周细胞标志物包括血小板源性生长因子受体-β(PDGFR-β)5、神经胶质抗原2(NG2)以及α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)。然而,这些标志物的特异性相对较低6,因为它们可同时标记其他血管细胞(如平滑肌细胞)以及少突胶质前体细胞等神经前体细胞,从而难以将周细胞与其他脑细胞区分开来。为了寻找更可靠的替代标志物,我们转向了CD13(氨基肽酶N,APN)。在既往研究中,CD13被广泛认为在脑血管周细胞中具有强而稳定的表达7,8,9,10。在本研究中,我们对脑组织切片进行了免疫荧光染色,结果证实周细胞表达CD13,且该标志物可有效区分周细胞与内皮细胞,因为CD13信号仅存在于血管周围细胞,而在CD31⁺内皮细胞中未见表达。(图1A)。然而需要注意的是,CD13的表达并非完全局限于周细胞;在微动脉和微静脉的平滑肌细胞中也可检测到一定水平的表达(图1B、C)。

图 1:免疫荧光染色显示脑血管壁细胞和血管平滑肌细胞表达 CD13,而内皮细胞中未检测到信号。(A)脑微血管中微动脉-毛细血管过渡区的代表性免疫荧光图像。合并图像显示 CD13⁺ 周细胞(绿色)包绕 CD31⁺ 内皮细胞(红色)。α-SMA+ 平滑肌细胞(青色)定位于微动脉区域,在毛细血管中缺失。(B)微动脉横切面。图像显示 CD13⁺ 周细胞(绿色)与 α-SMA+ 平滑肌细胞(青色)在周围平滑肌层中明显共定位,证实微动脉平滑肌细胞表达 CD13。(C)微静脉横切面。同样,可在微静脉管壁的 α-SMA 阳性平滑肌细胞中检测到 CD13(绿色,箭头所示)。比例尺:20 µm(A–C)。请点击此处查看该图的放大版本。
为了获得符合单细胞RNA测序(scRNA-seq)要求的小鼠大脑皮层血管壁周细胞,我们采用CD13⁺/CD31⁻抗体标记方法,通过荧光激活细胞分选(FACS)进行周细胞分离11。首先,利用CD45和CD41标记物排除脑组织悬液中的造血细胞12。随后,通过筛选CD13+细胞富集周细胞,并通过设门排除CD31-细胞群以进一步去除内皮细胞,从而分离出目标周细胞群体13。
我们认识到,CD13阳性筛选步骤会同时捕获来自微动脉和微静脉的表达CD13的平滑肌细胞。为了满足单细胞RNA测序(scRNA-seq)的关键要求并最大化周细胞的保留,我们在分选阶段战略性地选择了该标志物组合,以优先提高周细胞的得率。尽管该方法会导致少量平滑肌细胞被共同分离,但在初步富集阶段可有效最大化所有潜在周细胞的回收。这种分步设门策略显著减少了初始细胞的损失。此外,为了最大化周细胞的存活率和得率,我们还在解离后采用20% BSA溶液进行细胞重悬和过滤,有效去除了碎片,同时保持了分选细胞的存活率和纯度14。
利用该方法,我们成功地将脑血管周细胞与其他细胞类型区分开来,获得了高纯度、高活性的周细胞样本,满足单细胞RNA测序(scRNA-seq)的严格要求。该技术为后续深入研究周细胞在多种疾病环境中的作用提供了坚实的基础。
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本研究使用了三只成年C57BL/6J小鼠(3月龄,20-25 g)。所有小鼠均饲养在12小时光照/12小时黑暗循环条件下,温度和湿度严格控制,实验前可自由获取食物和饮水。涉及实验动物的所有实验程序均经中国医学科学院微循环研究所和北京协和医学院实验动物福利与伦理委员会批准,并严格遵循相关动物福利指南进行。
1. 试剂准备
2. 实验步骤(以三只小鼠为例)
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为实现脑周细胞的精确分离,将从脑组织中解离的细胞用PE Texas Red标记的抗小鼠CD41/CD45抗体、FITC标记的抗小鼠CD13抗体以及APC标记的抗小鼠CD31抗体进行染色,建立了一种结合表面标志物与活率检测的多步分选策略(图2). 基于前向散射(FSC-A)和侧向散射(SSC-A)参数的初步设门可有效排除细胞碎片图2,左上象限)。随后的CD45⁺/CD41⁺双阳性细胞去除步骤清除了造血细胞和血小板污染物(图2右上象限)。在CD13⁺血管壁细胞富集过程中,加入7-AAD荧光探针用于阴性门控以排除凋亡细胞,并根据CD31阴性筛选特异性收集周细胞。图2,左下象限)。分选结果显示,有核细胞占所有事件的59.8%,CD13阳性细胞占所有事件的1%,最终获得的周细胞群体 通过 CD31⁻ 阴性筛选占所有事件的0.7%(图2...
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本研究描述了一种基于CD13⁺/CD31⁻多色标记、经过系统优化和验证的FACS策略,可用于高效分离小鼠脑血管壁周细胞24。流式细胞术及后续的单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析证实,该方法能够精确区分周细胞与内皮细胞,并获得始终满足scRNA-seq各项关键质控指标的细胞,包括细胞活力、聚集率、活细胞浓度和有核细胞比例。该已建立的方法为未来利用单细胞转录组学深入研究周细胞在多种脑部疾病中的功能提供了可靠的技术基础。
本研究的关键技术进步在于对既有的 CD13⁺/CD31⁻ 分选策略进行了关键性优化,特别提升了其适用于单细胞 RNA 测序(scRNA-seq)的性能。首先,考虑到细胞分选过程耗时较长,我们在组织解离后额外引入了一个关键步骤,即用 20% BSA 溶液重悬细胞,同时在解离液和缓冲液中也使用 BSA。该优化主要作用是中和细胞表面电荷、减少细胞黏附与聚集、抑制残留酶活性并维持细胞膜完整性,从而共同提供更稳定的微环境,显著降低操作过程中的细胞损伤,有效保持细胞活力。其次,我们优化并延长了组织孵育时间,以满足成年小鼠脑组织...
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作者声明无利益冲突。
本工作得到北京市自然科学基金(资助号:7242222)、河北省省级科技计划项目(资助号:203777110D)以及中国医学科学院微循环研究所的支持。 中国医学科学院(项目编号:CAMS-IM-2023-02)
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 胎牛血清(FBS) | Gibicol | A5669701 | 分装并储存在 -20°C;可在 4℃ 下保存°解冻后可在 4°C 保存最多一周 |
| 磷酸盐缓冲液(10×PBS,pH 7.4 | Life Technologies | 70011-044 | 使用前稀释以用于细胞洗涤 |
| D-(+)-葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G7021-1KG | 用于制备细胞能量缓冲液 |
| 牛血清白蛋白(BSA) | Sigma-Aldrich | A1933-25g | 保护细胞并防止黏附 |
| 杜尔贝科的 磷酸盐缓冲液(DPBS,1×) | Gibco | 14190-144 | |
| Hanks' 平衡盐溶液(HBSS,1×) | Life Technologies | 14175-095 | 用于细胞洗涤和重悬 |
| UltraPure 无 DNase/RNase 灭菌蒸馏水 | Life Technologies | 10977-015 | 用于制备无核酸酶的反应体系 |
| 胶原酶/分散酶 | Sigma-Aldrich | 11097113001-100mg | 用于组织消化和细胞解离;分装后于 -20 保存°C |
| DNase I(无RNase) | TIANGEN | RT411-1500U | 防止DNA聚集;分装后于-20℃保存°C |
| Percoll | Sigma-Aldrich | P1644-100ML | 用于细胞分离;4℃保存°C |
| FITC 标记大鼠抗小鼠 CD13 | BD 生物科学 | 558744 | 荧光偶联物;4℃避光保存°C,最长可保存1个月 |
| APC 标记的抗小鼠 CD31 大鼠抗体 | BD 生物科学 | 551262 | 避光保存于4°数月内保持在 C |
| PE 大鼠抗小鼠 CD41 | BD 生物科学 | 558040 | 避光保存于 4°数月内保持在 C |
| PE 大鼠抗小鼠 CD45 | BD 生物科学 | 553081 | 避光保存于4°数月内保持在 C |
| FITC 大鼠 IgG1, κ 同型对照 | BD Biosciences | 552916 | 荧光对照;4℃避光保存°C |
| APC 标记的大鼠 IgG2a κ 同型对照 | BD 生物科学 | 553932 | 避光保存于4°数月之久 |
| PE 大鼠 IgG2b, κ 同型对照 | BD 生物科学 | 553989 | 避光保存于 4°数月 |
| RNase AWAY 去污试剂 | Ambion | 10328011 | 用于消除RNase污染 |
| 纯化大鼠抗小鼠 CD16/CD32(小鼠 BD Fc 封闭剂) | BD Pharmingen | 553141 | 防止非特异性抗体结合 |
| 7-氨基放线菌素D(7-AAD) | BD Pharmingen | 559925 | 用于排除死细胞。 |
| 2,2,2-三溴乙醇 | Sigma-Aldrich | T48402-25g | 用于配制1.25% (w/v) 三溴乙醇溶液 |
| 2-甲基-2-丁醇 | 普赛通 | M20008-500mL | 用于配制1.25%(w/v)三溴乙醇溶液 |
| C57BL/6 小鼠 | 江苏华创信诺医药科技有限公司 | SYXK(苏)2020-0041 | |
| 50 mL 离心管 | 康宁 | 430291 | |
| 15 mL 离心管 | 康宁 | 430791 | |
| 细胞培养皿 100 mm×20 mm | 康宁 | 430167 | |
| Cell Ranger | 3.1.0/4.0.0 | 单细胞测序数据分析软件 | |
| Loupe Cell Browser | 4.1 | 细胞浏览器 | |
| STAR | 2.5.1b | RNA 比对 | |
| irlbpy | - | 主成分分析 | |
| t-SNE | 0.15 | Barnes-Hut t-SNE(t-分布随机邻域嵌入)分析 | |
| k均值 | 0.17 | K-均值聚类 | |
| 基于图的聚类 | 0.17 | 基于图的聚类 | |
| FastQC | v0.11.2 | 数据质量控制(QC) |
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