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Questo protocollo utilizza efficacemente la citometria a flusso per caratterizzare le popolazioni di cellule microgliali in campioni di cervello di topo, sulla base dell'espressione di marcatori di superficie e intracellulari selezionati. Le sezioni seguenti descrivono in dettaglio i risultati ottenuti dalle fasi chiave del flusso di lavoro, evidenziando la distribuzione e l'eterogeneità dei sottogruppi di microglia in risposta alle condizioni sperimentali.
Convalida della strategia di compensazione e gating
Le perle di compensazione sono state utilizzate per calibrare i segnali di fluorescenza e correggere la sovrapposizione spettrale tra i fluorocromi. Le popolazioni positive e negative per ciascun fluorocromo sono state chiaramente separate, consentendo un'accurata generazione di matrici di compensazione. Le soglie di gating sono state inizialmente convalidate utilizzando il controllo FMO (Fluorescence Minus One) durante l'ottimizzazione del pannello per distinguere il segnale reale dal fondo, in particolare per i marcatori poveri o sovrapposti. Queste soglie sono state successivamente riutilizzate in tutti gli esperimenti utilizzando le stesse impostazioni del pannello di colorazione e del citometro per garantire la coerenza. I controlli isotipici sono stati inclusi per monitorare il potenziale legame non specifico, in particolare per i marcatori intracellulari, ma non sono stati utilizzati per le decisioni di gating.
Identificazione delle cellule microgliali
La strategia di gating cellulare vivo/morto (Amciano) ha escluso con successo le cellule morte. La strategia di gating ha isolato efficacemente le popolazioni di cellule microgliali in base all'espressione di CD45 (AF700) e CD11b (FITC). I parametri di dispersione diretta (FSC) e laterale (SSC) sono stati ottimizzati (FSC = 300, SSC = 200) per centrare la popolazione di microglia all'interno del dot plot (Figura 5).
Fenotipizzazione delle cellule microgliali
L'analisi a punti ha permesso l'identificazione di sottopopolazioni di microglia in base all'espressione differenziale di marcatori di superficie e intracellulari. Utilizzando specifiche strategie di gating nel software FlowJo, è stato identificato un sottoinsieme di cellule microgliali che esprimono CD80 (Super Bright 436), CD86 (PE) e iNOS (PE-eFluor 610) (Figura 6A). Il doppio gating è stato utilizzato anche per definire sottogruppi che esprimono CD206 (APC) e Arg1 (PE-Cy7) (vedere la Figura 6B). Altre popolazioni sono state caratterizzate dalla co-espressione di CD86 (PE) e CD64 (PerCP-eFluor 710), nonché di CD163 (Super Bright 600) e CD206 (APC) (Figura 6C, D). Questi profili fenotipici riflettono l'eterogeneità definita dai marcatori all'interno della popolazione microgliale e dimostrano la capacità di questo protocollo di distinguere più sottogruppi trascrizionalmente e immunologicamente distinti senza dedurre stati funzionali fissi.
Analisi di microglia su singola cellula
L'approssimazione e la proiezione uniforme del collettore (UMAP) sono state utilizzate per visualizzare l'eterogeneità cellulare e identificare i cluster di cellule microgliali tra altri tipi di cellule cerebrali. Ogni punto rappresenta una singola cellula e il cluster è codificato a colori in base alla somiglianza trascrizionale (Figura 2).
L'analisi dell'espressione differenziale è stata eseguita all'interno del cluster di microglia per identificare i geni modulati in condizioni sperimentali. I geni con un valore P aggiustato ≤ 0,05 sono stati considerati espressi in modo differenziale.
È stato generato un grafico a vulcano per visualizzare questi geni differenzialmente espressi di cellule microgliali, evidenziando quelli con un'elevata variazione di piega e significatività statistica (Figura 4).
Per confrontare questi risultati di singole cellule con i dati della citometria a flusso, è stata esaminata l'espressione dei marcatori microgliali CD45 e CD11b (Ptprc e Itgam). Un UMAP mostra la loro espressione all'interno di diverse popolazioni cellulari (Figura 7).
Infine, è stata valutata l'espressione di marcatori immuno-correlati selezionati per caratterizzare l'eterogeneità trascrizionale tra le cellule microgliali. Un grafico di Violin mostra l'espressione di geni come CD80 e NOS-, così come Mrc1, Arg1, Fcgr1 e CD163 a livello di singola cellula (Figura 8). Questi modelli di espressione dei marcatori consentono il confronto con la profilazione basata sulla citometria a flusso ed evidenziano la diversità molecolare dei sottogruppi microgliali in condizioni sperimentali.

Figura 1: Controllo di qualità dei dati trascrittomici su singola cellula. (A) Distribuzione del contenuto di RNA mitocondriale tra le cellule. Le cellule con >30% di RNA mitocondriale sono state escluse per rimuovere le cellule potenzialmente stressate o morenti. (B) Le cellule con un log10GenesPerUMI > 0,75 sono state filtrate per garantire un rapporto gene-UMI coerente e ridurre il rumore proveniente da librerie a bassa complessità. (C) Sono state escluse anche le cellule con meno di 500 trascritti rilevati (nUMI) o più di 300 geni rilevati (nGENE) per eliminare cellule multiple o di scarsa qualità. (D) Grafico di correlazione di NUMI rispetto a nGene che illustra l'impatto delle soglie di filtraggio. I doppietti rilevati sono stati rimossi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Visualizzazione UMAP di trascrittomi a singola cellula. Grafico UMAP che mostra la distribuzione di singole cellule in base ai profili trascrittomici ottenuti da due singoli animali. Ogni punto rappresenta una cella, codificata a colori in base all'identità del cluster. Il cluster di cellule microgliali viene identificato tra le altre popolazioni cellulari. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Curva ROC del classificatore Random Forest valutata mediante cross-validation. Curva delle caratteristiche operative del ricevitore (ROC) che illustra le prestazioni del modello Random Forest utilizzato per distinguere la microglia da altri tipi di cellule cerebrali in base ai profili di espressione genica. Il modello è stato addestrato su un set di ~1000 celle con etichette note e valutato utilizzando la convalida incrociata 10-fold. Tra i cinque modelli statistici testati (Random Forest, regressione logistica, naive Bayes, support vector machine e decision tree), il modello Random Forest ha ottenuto le prestazioni di classificazione più elevate. L'area sotto la curva (AUC) riflette l'accuratezza del modello. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Analisi dell'espressione genica differenziale in cellule microgliali. Grafico del vulcano che rappresenta la variazione log2 volte rispetto al valore P aggiustato per i geni espressi in modo differenziale nella microglia tra i due gruppi sperimentali (controllo vs. lesione cerebrale cerebellare). Il gene sovraregolato è più espresso nel gruppo di interesse (ident.1) e i geni sottoregolati mostrano un'espressione ridotta rispetto al gruppo di riferimento (ident.2). Vengono marcati i geni chiave espressi in modo significativamente differenziale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Strategia di gating per l'identificazione della microglia mediante citometria a flusso. (A) Strategia di gating applicata a cellule cerebellari da un topo di controllo postnatale al 3° giorno (P3). (B) Le canottiere sono state selezionate per escludere i doppietti. (C) le cellule vitali sono state identificate utilizzando un colorante vitale; gli eventi con basso FSC-A sono stati esclusi per rimuovere i detriti e garantire l'analisi delle cellule intatte. (D) Le microglia sono state identificate come CD45+ e CD11b+ con due popolazioni distinte: CD45 low-CD11bint per la microglia quiescente e CD45int -CD11bhigh per la microglia attivata. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6. Caratterizzazione dei profili di espressione dei marcatori della microglia mediante citometria a flusso. (A) Gating sequenziale di cellule CD45+ CD11b+ basato sull'espressione di CD80, CD86 e iNOS. (B) Identificazione di un sottogruppo che esprime CD206, seguita da gating basato sull'espressione di Arg1. (C) Identificazione di un sottogruppo che esprime CD86, seguita da gating basato sull'espressione di CD64. (D) Identificazione di un sottogruppo che esprime CD163, seguita da gating basato sull'espressione di CD206. Queste strategie di gating illustrano l'eterogeneità fenotipica delle popolazioni di microglia in base all'espressione di marcatori di superficie e intracellulari. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: Conferma dell'identità della microglia utilizzando l'espressione di Itgam e Ptprc nei dati di sequenziamento dell'RNA a singola cellula. UMAP mostra il panorama trascrizionale delle cellule cerebellari a P15, con l'espressione genica di Itgam e Ptprc sovrapposta in cluster. La co-espressione di questi marcatori mieloidi canonici supporta l'identificazione delle popolazioni di microglia e si allinea con i marcatori utilizzati nella citometria a flusso, fornendo una convalida incrociata tra le analisi trascrittomiche e a livello proteico. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 8: Profili di espressione di geni immuno-correlati selezionati in cellule microgliali identificati mediante sequenziamento dell'RNA a singola cellula. I grafici a violino mostrano la distribuzione dell'espressione genica per CD80, NOS2, Mrc1, Arg1, Fcgr1 e CD163 tra le singole cellule microgliali. Questi marcatori sono comunemente associati a processi immuno-correlati e illustrano l'eterogeneità trascrizionale osservata all'interno della popolazione microgliale. I dati sono mostrati sia per il controllo che per le condizioni di lesione cerebrale cerebellare (CBI). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Tabella 1: Composizione delle soluzioni utilizzate per l'isolamento e la colorazione delle cellule neurali. Questa tabella fornisce una composizione dettagliata delle soluzioni necessarie per l'isolamento e la colorazione delle cellule, comprese le rispettive concentrazioni e componenti. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Tabella 2: Concentrazioni della miscela di anticorpi per la colorazione extracellulare. Questa tabella descrive in dettaglio le concentrazioni di anticorpi e soluzione viva/morta utilizzati per la colorazione extracellulare, specificando i volumi e le diluizioni richiesti per ciascun anticorpo nella miscela colorante per un campione. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Tabella 3: Concentrazioni della miscela di anticorpi per la colorazione intracellulare. Questa tabella descrive in dettaglio le concentrazioni di anticorpi utilizzati per la colorazione intracellulare, specificando i volumi e le diluizioni richiesti per ciascun anticorpo nella miscela di colorazione per un campione. Clicca qui per scaricare questa tabella.