ここでは、マルチカラー系統追跡と最近傍モデリングを使用して、マウスの成長と再生中にクローン由来の心筋細胞を同定するためのプロトコルを示します。このアプローチは客観的であり、さまざまなラベリング条件で機能し、さまざまな画像解析パイプラインを組み込むように適応させることができます。
方法論記事
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ここでは、マルチカラー系統追跡と最近傍モデリングを使用して、マウスの成長と再生中にクローン由来の心筋細胞を同定するためのプロトコルを示します。このアプローチは客観的であり、さまざまなラベリング条件で機能し、さまざまな画像解析パイプラインを組み込むように適応させることができます。
失われた心筋や機能不全の心筋を補うことにより、組織再生は心不全の治療に有望なアプローチです。しかし、真正な心臓再生を検出するという課題は、潜在的な再生因子の検証を制限します。新しい心筋細胞を検出する方法の1つは、クローン解析による多色系統追跡です。Clonal解析実験は、標識条件がまばらすぎると心筋細胞の増殖などのまれな事象に対する感度が不足し、拡散標識ではクローンの分離能力が制限されるため、実施が困難な場合があります。ここでは、最近傍分布の統計モデリングを使用して心筋細胞クローンを解決し、新生児マウスの心臓のクローン解析を行うプロトコルを紹介します。このアプローチにより、さまざまな標識条件でクローンを分離でき、心筋細胞の増殖と再生を定量化するための堅牢な分析アプローチが得られます。このプロトコルは他の組織にも適応でき、組織再生の研究に広く使用できます。
心不全の組織学的特徴は、損傷、老化、またはアポトーシスのいずれかに続く心筋細胞(CM)の喪失です1。失われた心筋や機能不全の心筋を組織再生によって補充することは、心不全患者を治癒するための潜在的な治療戦略を表しています。過去数十年にわたり、発生生物学と再生生物学の独創的な進歩により、哺乳類の心臓が失われたCMを補充する能力は限られていることが明らかになった2,3,4,5。このエキサイティングな研究は、生まれつきの成長メカニズムが再生のために展開できる可能性を提起しました。成体の哺乳類の心臓には自然再生応答が機能的に存在しないため、治療的心臓再生を実現するためには、内因性修復の頑健性を向上させる方法が必要です。
先天的な心臓再生のメカニズムは、種を超えて保存されているようです。損傷後、既存のCMが増殖して、ゼブラフィッシュ6,7、イモリ8,9、マウス4,10、ラット11、およびブタ12,13で新しいCMを生成します。したがって、多くのグループは、心筋形成を促進することができるマイトジェンを特定しようとしています。しかし、そのような作業は困難です。成体哺乳類のCMを増殖させるのは大変な作業であるだけでなく、まれな増殖イベントを特定できることも困難です1,14。希少なサイクリングCMを特定するという課題は、成体哺乳類CMが優先的に内分裂を受ける傾向があるため、さらに悪化します。例えば、マウスの心臓が損傷した後、境界ゾーンのCMのほぼ25%が細胞周期に再入しますが、CMの3.2%だけが4を分裂させます。ほとんどのサイクリングCMはゲノムを複製しますが、細胞質分裂は起こらないため、サイクリングCMの数の増加を単純にアッセイすることは、正真正銘の心筋形成とは曖昧です。したがって、CMによるヌクレオシドの取り込みまたはCM上の増殖マーカーの存在に関するアッセイは、完全に再生を示すものではない可能性があります。心臓再生の候補因子が増えるにつれて、CM過形成をより正確に特定するためのアッセイが必要になります。
系統追跡によるクローン解析は、細胞とその子孫を直接可視化することができるため、心筋形成のアッセイに有用なアプローチです。クローン解析の従来のアプローチでは、レポーター遺伝子による単一細胞のまれな標識が含まれていました。しかし、希少細胞の単色系統追跡は、増殖するCMを標識する可能性が低いため、CM増殖などのまれなイベントに対しては限定的な価値を持つ可能性がある15。あるいは、マルチカラー系統追跡は、クローン解析16の感度を高めることができる。簡単に言うと、個々の細胞は、いくつかの蛍光タンパク質のうちの1つでランダムに遺伝的に標識されるため、増殖する細胞は、隣接する蛍光細胞から分解できる均一な色の細胞クラスターを生成します。この方法は、さまざまな臓器の成長を追跡するために使用されており、最近では哺乳類の心臓再生の研究にも適用されています17,18。多色系統追跡は、胚期および新生児期におけるCMのクローン増殖を検出することができるが、心臓損傷後の成体マウスの心臓では自然再生応答は容易に検出されない17,19。マルチカラー系統トレースの感度を高めるための1つのアプローチは、ラベリングのレベルを上げ、まれなイベントを視覚化する確率を高めることです。しかし、より広範な標識には、共通の祖先から生じた細胞と、同じ蛍光色素で独立して標識された細胞とを区別することができないという代償が伴います。ここで紹介するのは、最近傍モデリングを使用して、新生児マウスの心臓のクローン関連 CM を同定するプロトコルです。この方法は、偏りがなく、定量的であり、さまざまなラベリング条件で機能します。
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マウスの取り扱い、生存手術の実施、心臓の採取のすべての手順は、地元の施設動物使用委員会の承認が必要です。
1. CMのクローン解析用マウス
2. 凍結傷害と心筋細胞の標識
3. 心臓の採取と組織学的解析のための加工
4. イメージング
注:以下の手順は、mCerulean、EGFP、mOrange、およびmCherry蛍光色素を識別するためのフィルターキューブを備えた直立広視野蛍光システムを備えた市販の顕微鏡( 材料の表を参照)と、このセットアップに関連するソフトウェア( 材料の表を参照)の使用に適用されます。追加の手順は、使用する正確なイメージングシステムによって異なります。
5. ラベル付きCMを特定するための画像の解析
6. 統計分析
注:同じ蛍光色素を持つ細胞は、クローン由来の細胞(kin)と、同じ蛍光色素を発現するためにランダムな組換えイベントを受けた無関係な細胞(non-kin)の混合物です。先行データ17に基づくと、血縁細胞は、同じ蛍光色素を発現する非血縁細胞よりも物理的近接性が近いと仮定される。したがって、血縁細胞と非血縁細胞は、距離の閾値に基づいて区別することができる。ただし、しきい値を決定するには、kin セルと非 kin セルの最近傍分布をデコンボリューションする必要があります。幸いなことに、非血縁細胞の最近傍分布は、各細胞から異なる蛍光色素を持つ最も近い細胞までの最近傍値を評価することで推定できます。ここでは、クローン性を定義するための閾値距離を統計的に決定し、細胞間の親族関係の確率を割り当てるための方法論を示します。
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新生児凍結損傷のプロトコルに従うと、損傷の有無にかかわらずP21心臓が得られるはずです。凍結傷害した心臓は、偽の心臓の表面が滑らかで均質であるのに対し、外接所の損傷は十分に限られています。凍結傷害した心臓では、損傷部位は心臓ごとに一貫している必要があります。顕微鏡観察後、図1と同様の画像が得られるはずです。なお、画像解像度により個々のCMを同定でき、イメージング条件により各蛍光色素を解像することができます。さらに、より大きな損傷23,31で再生反応が減少する可能性があるため、損傷は経壁的ではないことに注意してください。画像セグメンテーション後、各セクションの各蛍光色素についてCM座標のファイルを取得しました(図2C)。提示された分析では、合計81の切片が使用されました(凍結傷した心臓から46、偽の心臓から35)。各心臓の切片は、心臓のサイズに基づいて9から17まで変化し、少なくとも100μm間隔で分散し...
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マルチカラー系統追跡は、単一細胞の分解能で臓器成長のパターンを特定するための強力なアプローチです。ただし、マルチカラー系統追跡の主な制限は、細胞のスパースラベリングが必要であり、まれなイベントを識別するための感度が低下する可能性があることです。心臓のような実質細胞の代謝回転が低すぎることで有名な臓器の場合、これは成長反応の過小評価につながる可能性があります。ここでは、新生児マウスの成長および再生中のCM拡大のクローン解析を実施するためのステップバイステップのプロトコルを示します。最も重要なことは、最近傍分布でクローン確率をモデル化することにより、クローンを特定するための分析フレームワークが提供されていることです。このアプローチは、増殖する細胞が互いに近接していることを前提としており、血縁細胞の広範な移動が予想されるシステムには適用できない可能性があります。
このアプローチには、クローン解析にいくつかの利点があります。以前の多色系統追跡研究17と比較して、このプロトコル...
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著者は何も開示していません。
この研究は、R03 HL144812 (RK)、デューク大学ストロングスタート医師科学者賞 (RK)、マンデル財団シード助成金 (RK)、および T32 HL007101 Training 助成金 (DCC) によって資金提供されました。さらに、マウスの飼育を支援してくださったEvelyn McCullough氏、有益なコメントやディスカッションを提供してくださったDouglas Marchuk博士とMatthew Detter氏に感謝します。最後に、 R26R-Rainbow マウスを提供してくださったPurushothama Rao Tataに感謝いたします。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| #1.5 ガラスカバースリップ | FisherScientific | 12-544E | |
| 6-O prolene | Ethicon | 8706H | |
| 退色防止封入剤 | FisherScientific | 00-4958-02 | |
| CO2吸入チャンバー | |||
| コールドパック | |||
| クライオモールド | VWR | 15160-215 | |
| クライオプローブ | ワールド精密機器 | 501313 | |
| フィルターキューブ | |||
| Gt(ROSA)26Sortm1(CAG-EGFP,-mCerulean,-mOrange,-mCherry)Ilw マウス | |||
| ImageJ ソフトウェア | https://imagej.net | ||
| KCl 1M | FisherScientific | LC187951 | |
| Leica CM3050 cryostat | |||
| 液体窒素 | |||
| マイクロハサミ、6mm | World Precision Instruments | 14003< | |
| em>Myh6-CreERT2 マウス | ジャクソン研究所 | 005657 | |
| ニードラーホルダー | World Precision Instruments | 14109 | |
| パラホルムアルデヒド 4% | FisherScientific | ||
| リン酸緩衝生理食塩水 | |||
| パイソン | https://www.python.org/ | ||
| R | https://cran.r-project.org/ | ||
| 回転式シェーカー | |||
| ステレオスコープ | |||
| ショ糖 30% (wt/vol) | FisherScientific | BP220 | |
| 外科解剖はさみ | World Precision Instruments | 14393 | |
| タモキシフェン | VWR | BD328438 | |
| タモキシフェン用シリンジ、20 μg | Sigma | T5648 | |
| 組織凍結メディア | VWR | 15148-031 | |
| ホワイト フロスト/プラス スライド | Globe Scientific | 1358W | |
| ツァイス アクシオ イメージャー M1 直立広視野蛍光システム | |||
| Zen 2.5 Blue ソフトウェア |
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