כאן אנו מתארים פרוטוקול עיכול תאים דו-שלבי להכנת תרחיף חד-תאי של עורקי התרדמה של עכברים.
מאמר שיטה
כאן אנו מתארים פרוטוקול עיכול תאים דו-שלבי להכנת תרחיף חד-תאי של עורקי התרדמה של עכברים.
עורקי התרדמה הם כלי דם מרכזיים בצוואר המספקים דם וחמצן למוח, אך היצרות התרדמה מתרחשת כאשר עורקי התרדמה נסתמים על ידי פלאק. חשיפת ההרכב התאי של עורק התרדמה ברמת התא הבודד חיונית לטיפול בטרשת עורקים של התרדמה. עם זאת, אין פרוטוקול מוכן לשימוש להכנת מתלים חד-תאיים מעורקי התרדמה. כדי לקבל פרוטוקול מתאים לדיסוציאציה של עורקי התרדמה הרגילים ברמת התא הבודד עם פחות נזק לתאים, תכננו שיטת עיכול דו-שלבית על ידי שילוב תהליך העיכול של collagenase/DNase וטריפסין. ספירת פלואורסצנטיות כפולה של Acridine orange/propidium iodide (AO/PI) שימשה לזיהוי כדאיות התא וריכוזו, ונמצא כי התרחיף החד-תאי עונה על הדרישות לריצוף תא יחיד, עם כדאיות של תאים מעל 85% וריכוז תאים גבוה. לאחר עיבוד נתונים של תא בודד, חציון של ~2500 תעתיקים לכל תא זוהו בכל תא עורק התרדמה. יש לציין כי מגוון סוגי תאים של עורק התרדמה התקין, כולל תאי שריר חלק וסקולריים (VSMCs), פיברובלסטים, תאי אנדותל (ECs), מקרופאגים ותאים דנדריטיים (Mφ/DCs), היו ניתנים לגילוי בו זמנית. פרוטוקול זה עשוי להיות מיושם להכנת תרחיף חד תאי של כלי דם מרקמות אחרות עם שינויים מתאימים.
טרשת עורקים היא מחלה דלקתית כרונית הקשורה לגורמי סיכון כגון לחץ דם גבוה, היפרליפידמיה, והמודינמיקה1. התפצלויות בעורק התרדמה מועדות לשינויים המודינמיים ומובילות להיווצרות רובד התרדמה. ההצגה הקלינית של טרשת עורקים קרוטיד יכולה להיות חריפה כגון שבץ מוחי ואיסכמיה מוחית חולפת, או כרונית כגון איסכמיה מוחית חולפת חוזרת ודמנציה וסקולרית2. מבחינה מכנית, רובד התרדמה הוא תוצאה של אינטראקציה בין תאי דופן כלי דם שונים ותאי דם שונים בתנאים פתולוגיים. לכן, חשיפת האטלס החד-תאי של כלי התרדמה בתנאים פיזיולוגיים ופתולוגיים חשובה במיוחד למניעה וטיפול בהתפתחות פלאק התרדמה.
ריצוף RNA חד-תאי הוא אחת הטכנולוגיות החזקות ביותר של המחקר הביולוגי בגלל הרזולוציה הגבוהה במיוחד שלו וזיהוי הטרוגניות התא מאותו סוג תא של אורגניזמים 3,4. חוקרים השתמשו בריצוף RNA חד-תאי כדי לערוך מחקרים בתחומים רבים, כגון מחלות לב וכלי דם5 וסרטן6. עם זאת, הפרדה מהירה ומדויקת של רקמות לתאים בודדים היא עדיין אחד האתגרים העיקריים. דיסוציאציה אנזימטית היא שיטה נפוצה הכוללת בעיקר קולגנאז, פפאין, טריפסין, DNase והיאלורונידאז. בפרט, collagenases הם מיני האנזימים העיקריים לעיכול של תא יחיד, בעיקר הידרוליזה של רכיבי קולגן ברקמות חיבור. סוגים שונים של collagenase ישימים לדיסוציאציה של רקמות שונות, כגון בלוטת החלב7, גלומרולוס8, זווית אירידוקרנית9, מפרק הברך 10, אבי העורקים11 וריאה12. בשל התכונות הפיזיולוגיות הייחודיות של רקמות שונות, דיסוציאציה באותה שיטה עלולה לגרום לבעיות רבות ברכישת תאים בודדים, כגון כדאיות נמוכה של תאים, מספר תאים נמוך ופסולת תאים גדולים. לכן, המצאת שיטות העיכול לרקמות שונות חיונית להכנת תרחיפים חד-תאיים באיכות גבוהה.
פרוטוקול זה נועד לפתח שיטת עיכול תאים דו-שלבית להכנת תרחיף חד-תאי של עורק התרדמה של עכברי בר. בהתאם למאפיינים של עורק התרדמה, שילבנו collagenase/DNase עם טריפסין כדי לקבל תרחיף חד-תאי באיכות גבוהה של עורק התרדמה של עכבר, מכיוון ש-collagenase יכול לבצע הידרוליזה של קולגן ברקמות התרדמה, אשר התעכל עוד יותר על-ידי טריפסין לתרחיף חד-תאי. ספירת פלואורסצנטיות כפולה של Acridine orange/propidium iodide (AO/PI) שימשה לזיהוי כדאיות התא וריכוזו, ונמצא כי התרחיף החד-תאי עונה על הדרישות לריצוף תא יחיד, עם כדאיות של תאים מעל 85% וריכוז תאים גבוה. לאחר עיבוד נתונים של תא בודד, ארבעה סוגי תאים, כולל תאי שריר חלק וסקולריים (VSMCs), פיברובלסטים, תאי אנדותל (ECs), מקרופאגים ותאים דנדריטיים (Mφ/DCs), זוהו בעורקי התרדמה הרגילים של עכברים לאחר העיכול. היתרונות של פרוטוקול זה הם: 1) ניתן לזהות סוגי תאים מרובים בעורק התרדמה, 2) כדאיות התא נשמרת היטב, 3) ניתן לחזור עליו בקלות ללא ציוד מיוחד. פרוטוקול זה מתאים לחוקרים המעוניינים לחקור מולטיומיקה חד-תאית של עורקי התרדמה בעכבר. פרוטוקול זה עשוי גם להיות מועיל בדיסוציאציה של כלי דם אחרים עם שינויים מתאימים.
כל נהלי בעלי החיים המתוארים להלן אושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של אוניברסיטת סוצ'ו.
1. ריאגנטים והכנת חומרים
2. הכנת ציוד
3. בידוד עורק התרדמה של העכבר
4. עיכול עורק התרדמה לתרחיף חד תאי
5. בדיקת תרחיף תאים וריצוף RNA חד-תאי
פרוטוקול זה מתאר שיטת עיכול תאים דו-שלבית להכנת תרחיף חד-תאי של עורקי התרדמה של עכברים (איור 1). שיטת עיכול תאים דו-שלבית זו משלבת collagenase/DNase עם טריפסין כדי לנתק ביעילות את דופן כלי התרדמה של העכבר כדי להשיג מתלים חד-תאיים באיכות גבוהה לריצוף תא יחיד. לאחר הדיסוציאציה, ריכוז התא ויכולת הקיום של התא חושבו על ידי מונה תאים אוטומטי. השדה הבהיר הראה את המורפולוגיה של תאי כלי התרדמה לאחר העיכול, וצביעה פלואורסצנטית כפולה של AOPI זיהתה בו זמנית את כדאיות התאים (איור 2A,B). יש לציין כי בהשוואה לשימוש בריאגנט דיסוציאציה A בלבד, רקמת עורק התרדמה יכולה להיות מנותקת באופן יסודי יותר בשילוב עם מגיב דיסוציאציה B. בנוסף, מצאנו ספירת תאים בת-קיימא של תשעה עורקים, וקוטר התא הממוצע סיפק את הדרישות של ריצוף חד-תאי לאחר עיכול תאים דו-שלבי (איור 2C). בינתיים, 176,000 תאים בודדים נאספו מתשעה קרוטידים, ורוב כלי הדם נותקו לתאים בודדים עם כדאיות גבוהה (איור 2C).
לאחר יישור, סינון, ספירת ברקוד וספירת UMI, הנתונים הגולמיים של ריצוף תא בודד נותחו באמצעות חבילת R Seurat. התפלגות הגנים לתא, UMI לכל תא והקריאות המיטוכונדריאליות לכל תא מוצגות בחלקות כינור (איור 3A-C). יש לציין כי בכל תא של ~2500 תעתיקים לתא זוהה חציון של ~2500 תעתיקים לכל תא. לאחר הסרת התאים באיכות נמוכה, 14,580 תאים זוהו ושימשו לניתוח RNA-seq חד-תאי במורד הזרם. באמצעות שימוש ב-2,000 גנים משתנים עם פרופילים דומים, אשכולות ללא פיקוח מבוססי Seurat הראו ארבעה סוגי תאים עיקריים, כולל VSMCs (74.0%), פיברובלסטים (16.5%), ECs (6.5%) ו-Mφ/DCs (3.0%), בעורקי התרדמה הרגילים של עכברים לאחר העיכול (איור 3D-F).

איור 1: תרשים סכמטי של עיכול עורק התרדמה של עכברים. לאחר שעורק התרדמה של העכבר בודד ונחתך, נוסף 500 μL של מגיב דיסוציאציה A כדי לנתק את עורק התרדמה של העכבר. כאשר תרחיף התא סונן וצנטריפוג, 200 μL של מגיב דיסוציאציה B נוספו לדיסוציאציה נוספת כדי לקבל תרחיף חד-תאי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: הכנת תרחיף חד-תאי מעורק התרדמה של עכבר. (A) המורפולוגיה של התא ויכולת הקיום התאית של תאי עורק התרדמה לאחר שעה אחת של עיכול עם מגיב דיסוציאציה A מוצגים בתצוגת השדה הבהיר ובצביעת AOPI. תאים בעלי גרעין המוכתמים בפלואורסצנטיות ירוקה הם תאים חיים, ואילו אלה המוכתמים בפלואורסצנטיות אדומה הם תאים מתים. סרגל קנה מידה = 100 מיקרומטר. (B) המורפולוגיה התאית ויכולת הקיום התאית של תאי עורק התרדמה לאחר עיכול תאים דו-שלבי מוצגים בתצוגת השדה הבהיר ובצביעת AOPI. תאים בעלי גרעין המוכתמים בפלואורסצנטיות ירוקה הם תאים חיים, ואילו אלה המוכתמים בפלואורסצנטיות אדומה הם תאים מתים. סרגל קנה מידה = 100 מיקרומטר. (C) יכולת הקיום של התא, ספירת התאים הכוללת, ספירת התאים בת קיימא וקוטר התא הממוצע נמדדו לאחר עיכול תאים דו-שלבי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: מדדי בקרת איכות סטנדרטיים (QC) עבור scRNA-seq ונוף התאים של עורק התרדמה . (A) תרשימי כינור המראים את התפלגות הגנים לתא (nFeature RNA), (B) UMI לכל תא (nCount_RNA), ו-(C) קריאות מיטוכונדריאליות לכל תא (אחוז mt) עבור נתוני scRNA-seq. (D) תרשים סעפת אחידה של קירוב והיטל (UMAP) המציג את ארבעת סוגי התאים המזוהים של עורק התרדמה. (E) תרשים נקודה המציג את הסמנים המגדירים כל סוג של אשכול תאים בלוח D. הגודל של כל עיגול מציין את יחס התאים בתוך הקבוצה המבטא כל תעתיק . הנקודות הכחולות מציינות גנים בעלי ביטוי גבוה והנקודות האפורות מציינות גנים בעלי ביטוי נמוך. (F) תרשים מוט מוערם המציג את השפע היחסי של ארבעת סוגי התאים שזוהו על-ידי scRNA-seq של עכברי בר (WT). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
כאן אנו מספקים פרוטוקול מפורט להכנת תרחיף חד-תאי איכותי מעורק התרדמה של עכברי בר, שבו נבנתה שיטת עיכול דו-שלבית המשלבת את תהליך העיכול של collagenase/DNase וטריפסין. לאחר בדיקת האיכות של ההשעיה של תא בודד, מצאנו כי הוא עונה על הדרישות לריצוף תא בודד, עם כדאיות של תאים מעל 85% וריכוז תאים גבוה. יתר על כן, מגוון סוגי תאים בעורק התרדמה, כולל VSMCs, פיברובלסטים, ECs ו- Mφ / DCs, זוהו בהצלחה לאחר עיבוד נתונים של תא יחיד.
השיטות הנוכחיות להכנת תרחיפים חד-תאיים של התרדמה עדיין נדירות. Depuydt et al. השיגו תרחיף חד-תאי מפלאק התרדמה האנושי על ידי שילוב של collagenase, DNase, מקטע אלבומין אנושי V ו-Flavopiridol בטמפרטורה של 37°C למשך 30 דקותו-15 דקות. לאחר מיון תאים המופעלים על ידי פלואורסצנטיות, הם זיהו 14 אוכלוסיות תאים נפרדות, כולל תאי אנדותל, תאי שריר חלק, תאי פיטום, תאי B, תאים מיאלואידים ותאי T15. יתר על כן, החוקרים עיכלו עורקי התרדמה הנפוצים של חולדות באמצעות 0.25% טריפסין-EDTA ו-0.1% קולגנאז ב-37°C וביצעו בהצלחה ריצוף RNA חד-תאי16. חמישה סוגי תאים, כולל VSMCs, פיברובלסטים, ECs, תאי מעבר ומקרופאגים, זוהו הן בעורקי התרדמה הרגילים והן בעורקי התרדמה הניסיוניים16. בנוסף, נקבע גם פרוטוקול לקבלת תכשירים חד-תאיים מועשרים ב-EC של עורק התרדמה17. לאחר השלמת העיכול האנזימטי הלומינלי, שטיפת עורק התרדמה תשיג מספיק כדורים חד-תאיים עבור scRNAseq ו-scATACseq17. כדי לשלוט באופן גמיש בזמן העיכול, פיתחנו שיטת עיכול דו-שלבית לעורקי התרדמה של עכברים, המפרידה בין השלבים של דיסוציאציה של רקמות לבין הכנת תרחיף חד-תאי. התהליך מתחיל עם 125 CDU/mL collagenase II ו-60 U/mL DNase I למשך שעה אחת, ולאחר מכן טריפסין ללא EDTA למשך 5 דקות. באופן משמעותי, אנו יכולים לשנות כראוי כל שלב של השיטה לעיכול של רקמות כלי דם אחרים בהתבסס על המאפיינים של כלי הדם.
ישנן כמה מגבלות של השיטה המתוארת. ראשית, איננו יודעים אם שיטה זו יכולה לשמש לתרבית תאים ראשונית במבחנה. מכיוון שדופן עורק התרדמה דקה יותר ויש בה פחות תאים, הדרך לתרבית ולהתרחב במבחנה היא מאתגרת. שנית, בניגוד לשיטות עיכול אחרות, פרוטוקול זה דורש פיפטינג עדין כדי לנתק תאים במהלך העיכול. אמבט מים מטלטל עלול גם לגרום לתרחיף חד-תאי באיכות טובה. שלישית, מכיוון שהשיטה שלנו ישימה לעורקי התרדמה הרגילים, נותר לחקור אם היא מתאימה לעיכול רובד התרדמה.
לסיכום, תכננו שיטת עיכול דו-שלבית כדי להשיג תרחיף חד-תאי באיכות גבוהה מעורק התרדמה של עכברי בר. פרוטוקול זה עשוי לשמש להכנת מתלים חד-תאיים עבור כלי דם אחרים עם שינויים קלים, מה שהופך אותו מועיל מאוד במחקר לב וכלי דם.
למחברים אין ניגודי עניינים לחשוף.
עבודה זו נתמכה על ידי מענקים מהקרן למדעי הטבע של סין (82070450 ל- C.T.and 82170466 ל- L.Z.) ומלגת הקרן למדע פוסט-דוקטורט בסין (7121102223 ל- F.L).
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 0.25% טריפסין נטול EDTA | Beyotime | C0205 | מדלל 1 מ"ל של 0.25% טריפסין נטול EDTA ל-1 מ"ל של 1x PBS. |
| תמיסת מלח NaCl 0.9% | Beyotime | ST341 | לדלל את תמיסת הנתרן הפרין לריכוז סופי של 10 מ"ג/מ"ל |
| מזרקים של 1 מ"ל | nbsp; SKJYLEAN | sk-r009 | לביצוע זלוף לב |
| צינורות צנטריפוגה 1.5 מ"ל | KIRGEN | KG2211W | לצנטריפוגה של חתיכת הרקמה ותרחיף התאים |
| מזרקים של 20 מ"ל | SKJYLEAN | sk-r013 | לביצוע זלוף לב |
| 40 ומיקרו; מסננת תאים | m JETBIOFIL | css010040 | לסינון שברי רקמות לא מעוכלות |
| ערכת AO/PI | Hengrui Biological | RE010212 | לזהות אם התא חי או מת |
| מונה תאים אוטומטי | Countstar | Mira FL | לנתח את מורפולוגיה התא ואת כדאיות התאים של תאי כלי דם צוואר מעוכלים |
| תוכנת Cell Ranger | 10 פעמים; גנומיקה | 3.0.2 | לעבד פלט RNA-seq של תא יחיד של כרום ולבצע אשכולות וניתוח ביטוי גנים |
| ערכות ריאגנט של תא יחיד כרום 3'Reagent v3 | 10× גנומיקה | 1000075 | להכין ספריות RNA-seq חד-תאיות של תרחיף חד-תאי |
| קולגנאז | II סיגמא-אולדריץ' | C6885 | לדלל עם HBSS לריכוז סופי של 125 CDU/mL |
| Deoxyribonuclease I | Worthington | LS002140 | לדלל עם HBSS לריכוז סופי של 60 U/mL |
| סרום בקר עוברי | HyClone | SH30088.03 | סיום תגובת העיכול |
| תמיסת המלח המאוזנת של האנק | Gibco | 14175095 חנות בחדר טמפרטורה | |
| מלח נתרן הפרין | Solarbio Life Science | H8060 | לדלל עם 0.9% NaCl לריכוז סופי של 10 מ"ג/מ"ל |
| מיקרוצנטריפוגה | תרמו פישר | 75002560 | מיושם לספינינג הרקמות וכדורי התאים |
| NovaSeq 6000 | Illumina | N/A | Sequencer |
| מי מלח עם פוספט | Solarbio Life Science | P1000 | משמש לזלוף לב והשעיה מחדש של תאים |
| חבילת Seurat- R | Satija Lab | 3.1.2 | לביצוע הפחתת מימדות, הדמיה וניתוח של נתוני ריצוף scRNA |
| לוחות תרבית תאים עם שש בארות | NEST | 703002 | מקם את רקמת כלי הדם |
| אמבט מים | Jinghong | DK-S22 | שמור על טמפרטורת העיכול על 37 מעלות; ג |