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Research Article
Daniel S. Shin1,2,3, Juliana Barreto de Albuquerque1,3, James J. Moon1,3,4
1Center for Immunology and Inflammatory Diseases, Division of Rheumatology, Allergy, and Immunology,Massachusetts General Hospital, 2Division of Immunology,Boston Children's Hospital, 3Harvard Medical School, 4Division of Pulmonary and Critical Care Medicine,Massachusetts General Hospital
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Wir bieten ein detailliertes Protokoll für die Isolierung und Identifizierung seltener antigenspezifischer T-Zellpopulationen in der Lunge von Mäusen durch magnetische T-Zell-Anreicherung und Peptid:Major Histocompatibility Complex (MHC)-Tetramere.
Die Identifizierung und Charakterisierung antigenspezifischer T-Zellen während der Zeit von Gesundheit und Krankheit ist nach wie vor ein Schlüssel zur Verbesserung unseres Verständnisses der Immunpathophysiologie. Die technischen Herausforderungen bei der Verfolgung antigenspezifischer T-Zellpopulationen innerhalb des endogenen T-Zell-Repertoires wurden durch die Entwicklung von Peptid:MHC-Tetramerreagenzien erheblich vorangetrieben. Diese fluoreszenzmarkierten löslichen Multimere von MHC-Molekülen der Klasse I oder II, die an antigene Peptidepitope komplexiert sind, binden direkt an T-Zellen mit entsprechender T-Zell-Rezeptor (TCR)-Spezifität und können daher antigenspezifische T-Zellpopulationen in ihrem nativen Zustand identifizieren, ohne dass eine durch ex vivo induzierte funktionelle Reaktion erforderlich ist Anregung. Für äußerst seltene Populationen können tetramergebundene T-Zellen magnetisch angereichert werden, um die Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit des Nachweises zu erhöhen.
Da sich die Untersuchung der geweberesidenten T-Zell-Immunität vertieft, besteht ein dringender Bedarf, antigenspezifische T-Zellen zu identifizieren, die zu nicht-lymphoiden Geweben gelangen und sich dort aufhalten. In diesem Protokoll stellen wir eine detaillierte Reihe von Anweisungen für die Isolierung und Charakterisierung von antigenspezifischen T-Zellen vor, die in der Lunge von Mäusen vorhanden sind. Dies beinhaltet die Isolierung von T-Zellen aus verdautem Lungengewebe, gefolgt von einem allgemeinen Schritt der magnetischen Anreicherung von T-Zellen und einer Tetramerfärbung für die durchflusszytometrische Analyse und Sortierung. Die in diesem Protokoll hervorgehobenen Schritte verwenden gängige Techniken und leicht verfügbare Reagenzien, so dass es für nahezu jeden Forscher, der sich mit Maus-T-Zell-Immunologie beschäftigt, zugänglich ist, und sind hochgradig anpassbar für eine Vielzahl von nachgelagerten Analysen jeder niederfrequenten antigenspezifischen T-Zell-Population, die sich in der Lunge befindet.
Das Herzstück des adaptiven Immunsystems ist die Fähigkeit einer T-Zelle, ein bestimmtes Antigen zu erkennen und darauf zu reagieren. Wann und wo eine T-Zelle auf ihr verwandtes Antigen reagiert, bestimmt das Gleichgewicht von Infektion und Autoimmunität, Homöostase und Krebs, Gesundheit und Krankheit1. Daraus folgt, dass sich die Untersuchung von T-Zellen in einem spezifischen Kontext der Immunität auf die Zellen konzentrieren sollte, die spezifisch für ein relevantes Antigen von Interesse sind. Zu den technologischen Fortschritten, die die Fähigkeit zur Charakterisierung antigenspezifischer T-Zellpopulationen erheblich verbessert haben, gehören fluoreszenzmarkierte lösliche Multimere (in der Regel Tetramere) von Molekülen der Klasse I oder II des Haupthistokompatibilitätskomplexes (MHC), die an antigene Peptidepitope komplexiert sind, besser bekannt als "Peptid:MHC-Tetramere"2,3,4,5 . Indem sie die natürlichen Liganden von T-Zell-Antigenrezeptoren (TCRs) darstellen, bieten Peptid:MHC-Tetramere der Klassen I und II ein Mittel zur direkten Identifizierung von antigenspezifischen CD8+- bzw. CD4+-T-Zellen innerhalb des endogenen Repertoires von T-Zellen im Immunsystem, ohne dass eine Reaktion auf die Antigenstimulation in einem Assay erforderlich ist. Tetramere stellen einen eleganteren Ansatz für die Untersuchung antigenspezifischer T-Zellen dar als TCR-transgene T-Zell-Adoptionstransfermodelle6 und werden zunehmend zur Identifizierung fremder und selbstantigenspezifischer T-Zellpopulationen sowohl in experimentellen Mausmodellen als auch in menschlichen Krankheiten verwendet 4,5.
Während Tetramere hochfrequente Populationen von T-Zellen, die sich als Reaktion auf Antigenstimulation vergrößert haben, leicht identifizieren können, ist ihre Verwendung für naive, selbstantigenspezifische oder Gedächtnis-T-Zellen durch die sehr niedrigen Frequenzen dieser Populationen begrenzt7. Unsere Gruppe und andere haben Tetramer-basierte magnetische Anreicherungsstrategien entwickelt und populär gemacht, die die Empfindlichkeit des Nachweises erhöhen, um Studien dieser Zellpopulationen in lymphatischen Geweben der Maus zu ermöglichen 8,9,10,11.
Das Auftauchen von geweberesidenten T-Zellen in diesem Feld hat einen verstärkten Schwerpunkt auf die Entwicklung neuer Wege zur Untersuchung von T-Zellen im nicht-lymphoiden Raum gelegt. Wie viele andere Schleimhautoberflächen treffen auch T-Zellen in der Lunge auf eine Reihe von eigenen und fremden Antigenen, die vom Wirtsepithel, kommensalen und infektiösen Mikroben und Umweltentitäten, einschließlich Allergenen, abgeleitet sind. Die transkriptionelle Analyse von T-Zellen, die aus nicht-lymphatischem Gewebe (NLT) gewonnen wurden, zeigt einen gedächtnisähnlichen Phänotyp, der ein einzigartiges gewebespezifisches Schicksal und eine einzigartige Funktion aufweist und oft auf den Transport und die Gewebehomöostase gerichtet ist12. Darüber hinaus neigen geweberesidente Gedächtnis-T-Zellen (Trms) dazu, klonal stärker eingeschränkt zu sein als solche, die sich im Blut befinden13. Die Bestimmung, wie und warum Antigene die T-Zell-Residenz bei NLT antreiben, ist entscheidend für das Verständnis, wie das Immunsystem vor Infektionen schützt, die Gewebehomöostase aufrechterhält und sich manchmal in Autoimmunität verwandelt. Es scheint jedoch eine größere Abnutzung bei geweberesidenten T-Zellen aus der Lunge im Vergleich zu anderen NLT14 zu geben. Dementsprechend ist die Fähigkeit, endogene T-Zellen der Lunge mit einer gegebenen Antigenspezifität zu identifizieren und zu charakterisieren, durch ihre inhärente Seltenheit begrenzt.
Durch die Kombination von magnetischen Kügelchen-basierten Zellanreicherungstechniken und Peptid:MHC-Tetramerfärbung ist es uns gelungen, expandierte, aber seltene selbstantigenspezifische T-Zellen in der Lunge von Mäusen nachzuweisen15,16. Hier präsentieren wir eine detaillierte Beschreibung eines Protokolls, das wir optimiert haben, um jede seltene antigenspezifische T-Zellpopulation in der Lunge von Mäusen zuverlässig zu isolieren und zu charakterisieren (Abbildung 1). Dieses Protokoll umfasst einen In-vivo-Antikörperfärbeschritt zur Unterscheidung von geweberesidenten von vaskulären T-Zellen17, gefolgt von zwei verschiedenen Verfahren zur Verarbeitung von Lungengewebe, um die Verfügbarkeit von Ressourcen zu berücksichtigen. Darauf folgt ein allgemeiner Schritt der magnetischen Anreicherung von T-Zellen, eine Tetramerfärbung und eine Analyse mittels Durchflusszytometrie. Die Lebensfähigkeit der Zellen und die Tetramerfärbung werden in diesem Protokoll durch die Zugabe von Aminoguanidin, das die induzierbare Stickstoffmonoxidsynthase (iNOS)-vermittelte T-Zell-Aktivierungs-induzierte Apoptose blockiert18, und Dasatinib, das die TCR-Herunterregulierung begrenzt19, weiter verbessert. Die in diesem Protokoll hervorgehobenen Schritte verwenden gängige Techniken und leicht verfügbare Reagenzien, so dass es für nahezu jeden Forscher zugänglich ist, der sich mit Maus-T-Zell-Immunologie beschäftigt, und sehr anpassungsfähig für eine Vielzahl von nachgelagerten Analysen ist. Obwohl naive T-Zellen wahrscheinlich nicht in der Lunge zu finden sind, glauben wir, dass dieses Protokoll besonders hilfreich für die Untersuchung von selbstantigenspezifischen T-Zellen und Trms in der Lunge sein wird.

Abbildung 1: Überblick über den Protokoll-Workflow. Lungen werden von Mäusen entnommen und in einzelne Zellen dissoziiert. Die Proben werden anschließend für T-Zellen angereichert, bevor sie mit Peptid:MHC-Tetrameren und fluoreszenzmarkierten Antikörpern für die durchflusszytometrische Analyse gefärbt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Die in diesem Protokoll beschriebenen Verfahren sind in Übereinstimmung mit den Richtlinien des Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) des Massachusetts General Hospital, einem von der American Association for the Accreditation of Laboratory Animal Care (AAALAC) akkreditierten Tiermanagementprogramm, genehmigt und entwickelt. Die Experimente wurden an 8-12 Wochen alten männlichen und weiblichen Mäusen mit einem genetischen Hintergrund von C57BL/6 durchgeführt, die in der MGH-Tieranlage unter spezifischen pathogenfreien Bedingungen gezüchtet und gehalten wurden.
1. Herstellung von Stammlösungen
2. Erzeugung einer einzelligen Suspension aus Lungengewebe mittels automatisiertem Gewebedissoziator
3. Alternatives Protokoll: Erzeugung einer einzelligen Suspension aus Lungengewebe durch manuelle Dissoziation
4. Anreicherung der Lungenprobe für T-Zellen mittels magnetischer Bead-Anreicherung
5. Färbung der antigenspezifischen T-Zellen mit Peptid:MHC-Tetrameren
6. Analyse der Tetramer-markierten T-Zellen mittels Durchflusszytometrie
| Fluorochrom | Antikörper |
| BUV395 | CD90.2 |
| Pazifisches Blau | CD45 (früher durch intravenöse Injektion hinzugefügt) |
| Pazifische Orange | CD8 |
| Strahlendes Violett 785 | CD4 |
| FITC | CD3 |
| PerCP-Cy5.5 | Dump (B220, CD11b, CD11c, F4/80) |
| PE | pMHC-Tetramer oder phänotypischer Marker |
| PE-Cy7 | Phänotypischer Marker (z.B. CD44, PD-1, CD69, etc.) |
| APC | pMHC-Tetramer oder phänotypischer Marker |
| AlexaFluor 700 | Phänotypischer Marker (z.B. CD44, PD-1, CD69, etc.) |
| APC-CY7 | Lebender/toter Fleck |
Tabelle 1: Färbematrix der Probe. Ein typisches Panel von Fluorophor-konjugierten Durchflusszytometrie-Antikörpern, die zur Identifizierung und Charakterisierung antigenspezifischer T-Zellen verwendet werden.
7. Analysieren von Daten

Abbildung 2 zeigt die repräsentative Gating-Strategie, die bei der Identifizierung seltener antigenspezifischer CD4+ T-Zellen in der Lunge mit Peptid:MHC-Klasse-II-Tetrameren verwendet wird. Das gleiche Verfahren kann für antigenspezifische CD8+ T-Zellen mit Peptid:MHC-Klasse-I-Tetrameren angewendet werden (Daten nicht gezeigt).
Aufgrund der hohen Anzahl nicht-lymphatischer Zellen in der Lunge erfordert der zuverlässige Nachweis seltener antigenspezifischer T-Zellen durch Tetramer eine Form der vorherigen Anreicherung für die interessierenden T-Zellen, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Abbildung 3 veranschaulicht die Wirksamkeit der CD90.2-Antikörper-basierten magnetischen Anreicherung von Gesamt-T-Zellen aus Lungengewebe, die wir in diesem Protokoll beschrieben haben. Im Durchschnitt gewinnen wir über diesen Anreicherungsprozess mehr als 99% aller CD90.2+ T-Zellen mit einer Reinheit von mehr als 90% aus der Lunge zurück. Abbildung 4 veranschaulicht die verbesserte Detektion seltener tetramerpositiver CD4+ T-Zellen, die sich aus dieser Anreicherung ergibt, im Vergleich zu keiner Anreicherung oder einer direkten Tetramer-basierten Zellanreicherungsstrategie.
Abbildung 5 veranschaulicht die verbesserte Tetramermarkierung von antigenspezifischen T-Zellen, die mit Dasatinib behandelt wurden, insbesondere in seltenen Populationen.

Abbildung 2: Gating-Strategie für die Durchflusszytometrie-Analyse. Sequentielle Ein- und Ausschluss-Gates, die zur Identifizierung seltener selbstantigenspezifischer CD4+ T-Zellen verwendet werden, die sich nach einer akuten Gewebeverletzung in der Lunge ansammeln. Zählkügelchen können direkt anhand ihrer Fluoreszenz entlang des FITC-Kanals identifiziert werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: CD90.2-Antikörper-basierte magnetische Anreicherung von Gesamt-T-Zellen in der Lunge. Repräsentative Durchflusszytometrie-Diagramme sind für die ungebundene (links) und die gebundene (rechts) Fraktion einer Lungenprobe nach der Anreicherung dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Vergleich von Zellanreicherungsstrategien zur Unterstützung des Nachweises seltener antigenspezifischer T-Zellen in der Lunge. Drei Mäuse, die ein Modell-Selbstantigen im Lungenepithel exprimierten, wurden subkutan mit einem Peptidepitop aus dem Selbstantigen immunisiert, das in Complete Freund's Adjuvans (CFA) emulgiert wurde. Nach 7 Tagen wurden die Lungen der Maus entnommen, kombiniert und in drei gleiche Proben aufgeteilt, um die Tetramerfärbung ohne Zellanreicherung (links), die CD90.2-Antikörper-basierte Zellanreicherung (Mitte) oder die Tetramer-basierte Zellanreicherung (rechts) durchzuführen. Die Proben wurden mittels Durchflusszytometrie auf nicht mehr als 1.500.000 Gesamtereignisse analysiert (CD4+ Gated Events gezeigt). Die Anzahl der Tetramer-positiven Ereignisse ist schwarz angegeben, während die berechnete Gesamtzahl der antigenspezifischen T-Zellen in den Lungenproben rot dargestellt ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Die Behandlung mit Dasatinib verstärkt die Tetramerfärbung. Wildtyp-Mäuse (links) oder Mäuse, die ein Modell-Selbstantigen im Lungenepithel exprimieren (rechts), wurden subkutan mit einem Peptidepitop aus dem in CFA emulgierten Selbstantigen immunisiert. Die Milz und lymphatischen Organe der Mäuse wurden entnommen, kombiniert und in zwei gleiche Proben aufgeteilt, um sie mit Peptid:MHC-Klasse-II-Tetrameren mit oder ohne Dasatinib-Vorbehandlung zu markieren. Histogramme der Tetramerfärbung werden überlagert, wobei Proben verglichen werden, die mit (rot) und ohne (blau) Dasatinib behandelt wurden. Die mediane Fluoreszenzintensität jeder Probe wird angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Die Autoren haben keine Konflikte offenzulegen.
Wir bieten ein detailliertes Protokoll für die Isolierung und Identifizierung seltener antigenspezifischer T-Zellpopulationen in der Lunge von Mäusen durch magnetische T-Zell-Anreicherung und Peptid:Major Histocompatibility Complex (MHC)-Tetramere.
Wir danken L. Kuhn für die technische Unterstützung bei der Gewebeverarbeitung und der Tetramerproduktion. Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health (R01 AI107020 und P01 AI165072 an J.J.M., T32 AI007512 an D.S.S.), dem Massachusetts Consortium on Pathogen Readiness (J.J.M.) und dem Massachusetts General Hospital Executive Committee on Research (J.J.M.) finanziert.
| 100 mm Zellensieb | Fisher Scientific | 22-363-549 | |
| 10x PBS ohne Ca++ oder Mg++ | Corning | 46-013-CM | |
| 1x PBS ohne Ca++ oder Mg++ | Corning | 21-031-CV | |
| AccuCheck Zählperlen | Invitrogen | PCB100 | |
| Aminoguanidin-Hemisulfat-Salz | Sigma-Aldrich | A7009 | |
| CD90.2 Mikrokügelchen, Maus | Miltenyi | 130-121-278 | |
| Zelltrennmagnet (MidiMACS-Separator) | Miltenyi | 130-042-302 | Hält eine einzelne LS-Säule |
| Zelltrennmagnet (QuadroMACS-Separator) | Miltenyi | 130-090-976 | Hält 4 LS-Säulen |
| Dasatinib | Sigma-Aldrich | CDS023389 | |
| DNase I | Roche | 10104159001 | |
| Eagle' s Schinken" s Aminosäuren medium | Sigma-Aldrich | C5572 | |
| gentleMACS | Miltenyi | 130-093-235 | Automatisierter Gewebedissoziator |
| gentleMACS C Tubes | Miltenyi | 130-093-237 | Automatisierte Gewebedissoziatorröhrchen |
| Hank's Balanced Salt Solution mit Ca++ oder Mg++ | Corning | 21-020-CM | |
| HEPES | Gibco | 15630080 | |
| Ketamin | Vedco | NDC 50989-996-06 | |
| Liberase TM | Roche | 5401119001 | |
| Pacific Blue Anti-Maus CD45 Antikörper (Klon: 30-F11) | Biolegend | 103126 | |
| Paramagnetische Zelltrennsäulen (LS Säulen) | Miltenyi | 130-042-401 | Kommt mit Kolben |
| Gereinigter Anti-Maus CD16/32 Antikörper (Klon: 93) | Biolegend | 101302 | |
| RPMI 1640 Medium ohne L-Glutamin | Corning | 15-040-CM | |
| Natriumchlorid 0,9% (normale Kochsalzlösung) | Cytiva | Z1376 | |
| Xylazin | Pivetal | NDC 466066-750-02 |