Zwölf spezifische, pathogenfreie (SPF) männliche Sprague-Dawley (SD) Ratten im Alter von 6–7 Wochen und mit einem Gewicht von 220 g ± 10 g wurden von der Beijing Vital River Laboratory Animal Technology Co., Ltd. gekauft (Tierlizenznummer: SCXK (Jing) 2025-0008). Die Ratten wurden im Labortierzentrum des Dongzhimen-Krankenhauses, Universität für Chinesische Medizin Peking, gemäß dem nationalen Standard "Labortier-Anforderungen an Umwelt- und Unterbringungseinrichtungen" (GB 14925-2010, herausgegeben vom Nationalen Labortier-Standardisierungstechnischen Komitee Chinas) untergebracht. Die experimentellen Verfahren wurden vom Tierschutz- und Ethikausschuss des Dongzhimen-Krankenhauses, Universität für Chinesische Medizin Peking (Genehmigungsnummer: 24-54) genehmigt. Die Reagenzien und die verwendeten Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt.
1. Modellaufbau und Probenentnahme
HINWEIS: Vor dem Experiment sollten alle Ratten einer einwöchigen Eingewöhnungsphase unterzogen, um stressbedingte Effekte zu minimieren.
- Lösen Sie Escherichia coli Lipopolysaccharid (LPS) in 0,9 % Kochsalzlösung, um eine 0,4 mg/mL LPS-Lösung zu erhalten.
- Teilen Sie 12 männliche Sprague-Dawley (SD) Ratten mit SPF zufällig in zwei Gruppen auf: eine Kontrollgruppe (n = 6) und eine ARDS-Modellgruppe (n = 6).
- Verabreichen Sie der Kontrollgruppe 0,9 % Kochsalzlösung intratracheal in einer Dosis von 0,5 ml/100g Körpergewicht.
- Verabreichen Sie die 0,4 mg/mL LPS-Lösung intratracheal mit demselben Volumen (0,5 mL/100g) an die ARDS-Modellgruppe und betäuben Sie nach 16 Stunden die Ratten mit Isofluran (nach institutionell genehmigten Protokollen).
- Sammeln Sie Blut über die Bauchaorta und zentrifugieren Sie anschließend (4 °C, 1000 × g, 30 min), um Serum zu erhalten.
- Öffne die Brusthöhle und entziehe das Lungengewebe.
- Führen Sie eine bronchoalveolare Spülung über den Bronchialstump mit einer Spritze durch, um bronchoalveolare Lavage-Flüssigkeit (BALF) zu gewinnen.
- Entnehmen Sie den rechten Lungenlappen und spülen Sie ihn mit PBS für eine anschließende pathologische Untersuchung ab.
- Entnehmen Sie den linken Lungenlappen und spülen Sie ihn mit PBS für anschließende Einzelzellsequenzierungen und molekularbiologische Experimente26,27.
2. Histopathologische Beurteilung des Lungengewebes
- Tauchen Sie das entnommene rechte Lungengewebe der Ratten in 4 % Paraformaldehyd ein, um es 12 Stunden lang zu fixieren.
- Nach der Fixierung wird das Gewebe durch eine abgestufte Ethanolserie (70 %, 80 %, 90 %, 95 %, 100 % und 100 %) dehydriert, wobei jede Konzentration 2 Stunden einlässt.
- Behandle das dehydrierte Gewebe mit Xylol, bis es durchsichtig wird.
- Infiltrieren Sie das transparente Gewebe mit geschmolzenem Paraffin in einem 60 °C Ofen für 2 Stunden.
- Legen Sie den infiltrierten Gewebeblock in eine Einbettform, gießen Sie frisches Paraffin hinein und lassen Sie ihn abkühlen und zu einem Paraffinblock festigen.
- Schneiden Sie den Paraffinblock mit einem Mikrotom in 4 μm dicke Scheiben, lassen Sie die Schnitte in einem 45 °C-Wasserbad schwimmen, um sie zu verteilen, und nehmen Sie sie dann mit Poly-L-Lysin-beschichteten Objektträgern auf.
- Backen Sie die Objektträger in einem 60 °C Ofen, um eine feste Haftung der Abschnitte an den Objektträgern sicherzustellen.
- Deparaffinisieren Sie die Abschnitte durch Immersion in Xylol und rehydrieren sie durch einen absteigenden Ethanolgradienten (100 %, 95 %, 90 %, 80 % und 70 %).
- Spülen Sie die Schnitte mit PBS, führen Sie eine Färbung von Hämatoxylin und Eosin (HE) durch und montieren Sie die Deckfolien mit neutralem Harz.
- Bewerten Sie die Lungenverletzung auf Ganz-Slide-Scans mit einem standardisierten Bewertungssystem basierend auf Neutrofilinfiltration, interstitieller Entzündung, Ödem und Verstopfung.
HINWEIS: Jeder Parameter wurde je nach Ausmaß der pathologischen Beteiligung von 0 bis 4 bewertet: 0 (kein); 1 (≤25 %); 2 (26-50%); 3 (51-75%); 4 (>75%)28,29.
3. Enzymgekoppelter Immunsorbent-Test
HINWEIS: Proben können bei -80 °C gehalten werden, falls die Analyse nicht unmittelbar nach der Entnahme durchgeführt werden kann.
- Lösen Sie die Standards auf und lassen Sie sie 15 Minuten bei Raumtemperatur stehen, führen Sie dann eine serielle Verdünnung gemäß den Anweisungen des Herstellers durch.
- Bereiten Sie die biotinylierte Antikörper-Arbeitslösung, die enzymkonjugierte Arbeitslösung und den Waschpuffer wie im Handbuch vorgeschrieben vor.
- Fügen Sie 100 μL jeder Probe oder 100 μL seriell verdünnte Standards zu den antikörperbeschichteten Bohrlöchern hinzu und inkubieren Sie bei 37 °C für 90 Minuten.
- Waschen Sie die Platte viermal mit einer Scheibenwaschmaschine, fügen Sie 100 μL biotinylierte Antikörper-Arbeitslösung hinzu und inkubieren Sie 30 Minuten bei 37 °C.
- Waschen Sie die Platte viermal, fügen Sie 100 μL enzymkonjugierte Arbeitslösung hinzu und inkubieren Sie bei 37 °C für 30 Minuten.
- Fügen Sie pro Brunnen 100 μL Substratlösung hinzu und inkubieren Sie lichtgeschützt bei 37 °C für 10 Minuten.
- Fügen Sie pro Bohrloch 100 μL Stopplösung hinzu, mischen Sie vorsichtig und messen Sie die optische Dichte (OD) bei 450 nm mit einem Mikroplattenleser.
- Erstellen Sie eine Standardkurve, indem Sie die OD-Werte mit Standardkonzentrationen mit der entwickelten Software abbilden.
- Bestimmen Sie die Probenkonzentrationen anhand der gemessenen OD-Werte und der Standardkurve.
4. Vorbereitung von Einzelzell-Suspensionen für die Sequenzierung
HINWEIS: Nachdem das Lungengewebe gewonnen wurde, sollte es auf Eis gelegt und umgehend verarbeitet werden, um die Zelllebensfähigkeit zu erhalten.
- Waschen Sie das Lungengewebe dreimal mit PBS, das auf 4 °C vorgekühlt ist.
- Füge 2 ml vorgekühltes PBS hinzu und zerkleinere sie mit steriler Schere zu kleineren Fragmenten zu einer Größe von etwa 0,5 mm3 Zoll.
- Verwenden Sie eine Pasteur-Pipette, um das gehackte Gewebe zusammen mit PBS in ein 15-mL Zentrifugenrohr zu übertragen.
- Geben Sie zusätzlich 1 ml PBS, das auf 4 °C vorgekühlt ist, in die Kulturschale gegeben, spülen und suspendieren Sie die restlichen Gewebefragmente erneut und übertragen Sie die Suspension in dasselbe Rohr.
- Das Volumen auf 6,5 mL mit vorgekühltem PBS auf 4 °C einstellen, Gewebefragmente in einer Enzymlösung mit Kollagen I (100 U/mL) und Dispase II (1 U/mL) verdauten und 30 Minuten mit sanftem Schütteln bei Raumtemperatur inkubieren.
- Wenn die Gewebefragmente durchsichtig werden und keine klaren festen Stücke mehr übrig sind, filtern Sie das verdaute Gewebe durch 70 μm und 40 μm große Zellsiebe, zentrifugieren Sie (4° C, 500 × g, 5 min) und entsorgen Sie den Überstandsstoff.
- Sofort das Pellet in 3 ml roten Blutkörperchen-Lysepuffer (RBC) wieder suspendieren, vorsichtig durch Pipette mischen und 10 Minuten auf Eis lysieren.
- Wenn der Supernatant blassgelb oder nahezu farblos erscheint, fügen Sie 7 ml PBS hinzu, um die Reaktion zu beenden, zentrifugieren (4 °C, 500 × g, 5 min) und entsorgen Sie den Supernatant.
- Fügen Sie 3 ml PBS hinzu, um die Zellen wieder zu suspendieren und die Zellkonzentration sowie Lebensfähigkeit mittels Trypan-Blau-Färbung zu bestimmen.
HINWEIS: Wenn die Zelllebensfähigkeit unter 70 % liegt, führen Sie ein Verfahren zur Entfernung toter Zellen durch.
- Waschen Sie die Zellen zweimal mit einem Waschpuffer, der 0,04 % Rinderserumalbumin (BSA) enthält, das in DPBS hergestellt wird.
- Die Zellen werden zum Zählen wieder aufgehängt und die Konzentration auf 1.000 Zellen/μL angepasst, um anschließend zu laden und zu detektionieren.
5. Qualitätskontrolle für Einzelzell-Sequenzierungsdaten
HINWEIS: Einzelzell-RNA-Bibliotheken wurden aus Zellsuspensionen mit einer tröpfchenbasierten Einzelzellbibliothekskonstruktion hergestellt. Die Bibliotheken wurden auf einer Hochdurchsatzplattform mit DNA-Nanoball-basierter Sequenzierung sequenziert. Pro Bibliothek wurden etwa 21.000 Zellen geladen, was eine Zellwiederherstellungsrate von ~60 % anstrebt. Die Sequenzierung erzeugte insgesamt 5,0 × 108-Lesungen pro Bibliothek, mit einer durchschnittlichen Tiefe von 30.000 bis 40.000 Lesungen pro Zelle. Rohsequenzierungsdaten wurden mit der entsprechenden Einzelzell-RNA-Analysepipeline verarbeitet, um die Genexpressionsmatrix für jede Probe zu erstellen.
- Stellen Sie die Oligo-Bibliothek durch PCR und Barcode-Kennzeichnung auf, um eine Konzentration von >10 ng/μL und eine Spitzengröße von 180 bp ±10 bp sicherzustellen.
- Stellen Sie die cDNA-Bibliothek durch Fragmentierung, Endreparatur, Adapterligation und PCR auf, wobei eine Konzentration >10 ng/μL und eine Spitzengröße von 350–550 bp sichergestellt wird.
- Generiere für jede Probe ein Seurat-Objekt aus der Genexpressionsmatrix mit der Read10X-Funktion im Seurat-Paket (v4.3.0) in R-Software (v4.2.0).
- Entfernen Sie minderwertige Zellen, indem Sie solche mit mitochondrialem Genanteil >10 % oder Hämoglobin-Genanteil >5 % herausfiltern.
- Normalisieren Sie die Daten mit der "LogNormalize"-Methode und einem Skalierungsfaktor von 10.000.
- Identifizieren Sie hochvariable Merkmale mit der "VST"-Methode und behalten Sie die 2.000 wichtigsten Gene für die nachgelagerte Analyse bei.
- Führe Zellzyklus-Scoring mit Seurats eingebauten Zellzyklusmarker-Genen durch und regressiere die Effekten des Zellzyklus (G2M. Score und S.Score) während der Datenskalierung.
- Erkennen und entfernen Sie potenzielle Doublets mit DoubletFinder (v2.0.3) mit pN = 0,25, pK = 0,09 und einer erwarteten Doublet-Rate von 0,06 und schließen diese aus der weiteren Verarbeitung aus.
- Korrigiere Batch-Effekte über Samples hinweg mit dem Harmony-Paket (v0.1.1) mit Theta = 2 und max.iter.harmony = 20.
- Fügen Sie Informationsspalten für einzelne Stichprobennamen und Gruppierungsdetails der ARDS-Modellgruppe und Kontrollgruppe zu den Metadaten im Seurat-Objekt hinzu.
6. Dimensionsreduktion, Clustering und Zelltypannotation
- Führen Sie eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) an hochvariablen Genen mit der RunPCA-Funktion in Seurat durch.
- Bestimmen Sie die optimale Anzahl der Hauptkomponenten durch die ElbowPlot-Visualisierung.
- Identifizieren Sie große Zellcluster durch Anwendung des Leiden-Algorithmus über Seurats FindClusters-Funktion und FindNeighbors-Funktion mit einer Auflösung von 0,1.
- Führen Sie eine Dimensionsreduktion von UMAP mit den ausgewählten Hauptkomponenten durch.
- Annotieren Sie Zelltypen, indem Sie Marker-Gene mit der Funktion FindAllMarkers identifizieren.
- Visualisieren Sie die Markergenexpression über Zelltypen hinweg mithilfe der DotPlot-Funktion.
- Fügen Sie den Metadaten eine neue Informationsspalte mit Zellannotationsergebnissen hinzu und visualisieren Sie die Zelltypannotation mit Umap.
- Berechnen Sie den Anteil jeder experimentellen Gruppe innerhalb jedes identifizierten Zelltyps mit dplyr-Funktionen zur Zellzählung und Berechnung von Prozenten.
- Generiere gestapelte Balkendiagramme mit ggplot2, um die Gruppenzusammensetzung pro Zelltyp zu veranschaulichen, einschließlich Prozentlabels und statistischer Vergleiche zwischen Gruppen.
7. Subpopulationsanalyse
- Extrahieren Sie die Zielzell-Subpopulation mit der Teilmengenfunktion und erstellen Sie ein entsprechendes Seurat-Objekt für die Analyse auf nachgeschalteter Teilpopulationsebene.
- Normalisieren und skalieren Sie die Subpopulationsdaten neu und regressieren Sie mitochondriale Gene, Hämoglobin-Gene, UMI-Zahlen und Zellzykluswerte.
- Führen Sie eine sekundäre PCA-Analyse durch und wenden Sie die Harmony-Batch-Korrektur speziell für die Subpopulation an.
- Re-Clustering mit FindNeighbors- und FindClusters-Funktionen durchzuführen, um unterschiedliche Subtypen innerhalb der Zielzell-Subpopulationen zu identifizieren.
- Neue UMAP-Einbettungen generieren und Subpopulationscluster mit Zelltyp-Annotationen nach demselben Ansatz wie zuvor beschrieben visualisieren.
8. Analyse der differenziellen Genexpression
- Identifizieren Sie differenziell exprimierte Gene (DEGs) zwischen der ARDS-Modellgruppe und der Kontrollgruppe für jeden Subcluster mit der MAST-statistischen Methode.
- Integrieren Sie latente Variablenregression zur Kontrolle von Sequenzierungstiefeneffekten während der Differenzialexpressionstests.
- Filtere DEGs basierend auf vordefinierten Log-Fold-Change-Schwellenwerten und angepassten p-Werten mit der FindMarkers-Funktion.
- Erstellen Sie Vulkandiagramme mit der ggplot-Funktion für jeden Untercluster, um unterschiedliche Genexpressionsmuster mit Signifikanzkennzeichnung zu visualisieren.
- Exportieren Sie DEG-Ergebnisse und erstellen Sie umfassende Zusammenfassungstabellen, um die funktionale Anreicherung und andere nachgelagerte Analysen zu erleichtern.
9. Anreicherungsanalyse
- Mappe Gen-Symbole mithilfe der Organisation auf ENTREZ-IDs. Rn.eg.db Annotationsdatenbank für die Kompatibilität von Pfadanalysen.
- Kombinieren Sie DEGs aus allen Unterclustern und filtern Sie signifikante Gene basierend auf Log-Fold-Change-Schwellenwerten und angepassten p-Werten (Wilcoxon-Rangsummentest, logfc.threshold = 0,25, p_val < 0,05).
- Führen Sie Genontologie-(GO)-Anreicherungsanalysen unter Verwendung der Enrich-GO-Funktion mit biologischen Prozessen, Molekularen Funktionen, zellulären Komponenten und der Benjamini-Hochberg-Korrekturmethode durch.
- Durchführung der Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) Signalweganreicherungsanalyse mit der KEGG-Funktion mit der Datenbank von Rattenorganismen und Anwendung statistischer Signifikanz-Schwellenwerte.
- Erstellen Sie Dotplots für GO- und KEGG-Anreicherungsergebnisse mit der Dotplot-Funktion und zeigen die 15 wichtigsten signifikant angereicherten Terme mit Genverhältnissen und angepassten p-Werten dar.
- Exportieren Sie Anreicherungsergebnisse als CSV-Dateien und speichern Sie Visualisierungsdiagramme für eine umfassende Interpretation der Pfadanalysen.