我々は、1細胞オミクス実験を行うために、安定したまたは乱れた流動条件にさらされたマウス頸動脈の内腔から内皮細胞および核を単離する方法を提示する。
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方法論記事
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我々は、1細胞オミクス実験を行うために、安定したまたは乱れた流動条件にさらされたマウス頸動脈の内腔から内皮細胞および核を単離する方法を提示する。
アテローム性動脈硬化症は、血流障害(d-flow)にさらされる動脈領域の炎症性疾患です。 D-flow は、内皮における遺伝子の発現をトランスクリプトームおよびエピゲノムレベルで調節し、動脈硬化促進反応をもたらす。最近、マウス部分頸動脈結紮(PCL)モデルを使用して、トランスクリプトミクスおよびクロマチンアクセシビリティの変化を単一細胞分解能で決定するために、シングルセルRNAシーケンシング(scRNAseq)およびシングルセルアッセイフォートランスポザーゼアクセスクロマチンシーケンシング(scATACseq)研究が実施されました。内皮細胞(EC)は動脈壁の全細胞集団のごく一部であるため、管腔消化法を使用してEC濃縮シングルセル製剤を入手しました。この研究では、マウスは、右頸動脈(RCA)を対照として使用しながら、左頸動脈(LCA)に d-flow を誘導するPCL手術を受けました。頸動脈はPCL手術の2日後または2週間後に解剖されました。各頸動脈の内腔にコラゲナーゼ消化を行い、内皮濃縮単一細胞または単一核を得た。これらの単一細胞および単一核調製物は、続いて10倍ゲノミクスマイクロ流体セットアップを使用してバーコード化されました。次に、バーコード化された単一細胞と単一核を、ハイスループットDNAシーケンサーでのRNA調製、ライブラリ生成、およびシーケンシングに利用しました。バイオインフォマティクス処理後、scRNAseqおよびscATACseqデータセットは、主にECからなる管腔消化からさまざまな細胞タイプを同定しました。平滑筋細胞、線維芽細胞、および免疫細胞も存在した。このEC濃縮法は、全動脈消化法では困難であった内皮に対する血流の影響を理解するのに役立ちました。EC濃縮シングルセル調製法は、これらの遺伝子に対する血流の影響が研究されていないECノックアウトおよびトランスジェニックマウスにおけるシングルセルオミクス研究を行うために使用できます。重要なことに、この技術は、同様の機構研究を行うために、ヒト動脈外植片からEC濃縮単一細胞を単離するように適合させることができる。
この研究室は以前、d-flowの誘導が高脂血症マウスの迅速かつ頑丈なアテローム性動脈硬化症の発症につながることを実証しました1,2。dフロー誘発性アテローム性動脈硬化症の新しいマウスモデルは、部分頸動脈結紮(PCL)手術を使用して可能でした3。PCL手術は、結紮された左頸動脈(LCA)に低振動血流状態またはdフローを誘発します。対照的に、反対側の右頸動脈(RCA)は安定した層流(s流)に直面し続けています。以前は、内皮細胞に対するd-flowの影響を理解するために、部分結紮手術後に頸動脈を解剖し、フェノールおよびグアニジンイソチオシアネートベースの溶解剤(管腔RNA/DNAフラッシング法)2,4で洗い流し、内皮に富む「プールバルク」RNAまたはDNAを提供しました。次に、これらのプールされたバルクRNAまたはDNAを、トランスクリプトーム研究またはエピゲノムDNAメチローム研究のためにそれぞれ処理した4、5、6。これらの研究は、内皮生物学とアテローム性動脈硬化症における役割が広範囲に調査された複数の流れ感受性遺伝子とマイクロRNAを発見するのに役立ちました4,6,7。
しかし、内皮濃縮にもかかわらず、これらのバルクRNA/DNA研究は、d-flow誘発性アテローム性動脈硬化症における動脈壁における各細胞タイプの特定の役割を区別することができなかった。この制限を克服するために、内皮濃縮単一細胞(sc)単離およびscRNAおよびscATACシーケンシング研究を実施しました8。このために、C57Bl6マウスは、コントロールとしてsフロー曝露RCAを使用しながら、LCAにdフローを誘導するためのPCL手術を受けました。PCL手術の2日または2週間後、マウスを屠殺し、頸動脈を解剖してクリーンアップしました。LCAとRCAの両方の内腔にコラゲナーゼを注入し、ECを有意な画分として含む管腔コラゲナーゼ消化物および他の動脈細胞を採取した。シングルセル懸濁液(scRNAseq)またはシングルヌクレイ懸濁液(scATACseq)を調製し、10倍ゲノミクスセットアップを使用して各細胞または核の一意の識別子でバーコード化しました。RNAをcDNAライブラリー調製に供し、配列決定した。
scRNAseqおよびscATACseqデータセットは、Cell Ranger Single-Cell Softwareを使用して処理され、SeuratおよびSignac Rパッケージ9,10によってさらに分析された。各細胞と核には、これらの分析から細胞タイプが割り当てられ、マーカー遺伝子と固有の遺伝子発現パターンに基づいて細胞タイプにクラスター化されました。scRNAseqおよびscATACseqの結果は、これらの単一細胞調製物がECで濃縮され、平滑筋細胞(SMC)、線維芽細胞、および免疫細胞も含むことを示しました。
さらなる分析により、管腔消化におけるEC集団は非常に発散的で可塑性(8つの異なるECクラスター)であり、血流に反応することが明らかになりました。最も重要なことは、これらの結果は、 d-flow がECをアテロームで保護された抗炎症表現型から、炎症誘発性、内皮から間葉系への移行、内皮幹/前駆細胞への移行、そして最も驚くべきことに内皮から免疫細胞への移行を含むアテローム誘発性表現型に再プログラムすることを示しました。さらに、scATACseqデータは、新しいフロー依存性のクロマチンアクセシビリティの変化と転写因子結合部位をゲノムワイドに明らかにし、いくつかの新しい仮説の基礎を形成します。マウス頸動脈から単一細胞マルチオミクス研究のための単一内皮細胞を調製するための方法論とプロトコルを以下に詳述します。
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以下に説明するすべての動物の手順は、エモリー大学の施設動物管理および使用委員会によって承認されました。非高コレステロール血症、年齢および性別が一致したC57BL / 6マウスを使用して、性依存的な変動を軽減し、高コレステロール血症状態の合併症を相殺しました。
1.部分頸動脈結紮術(PCL)手術
注:LCAの部分頸動脈結紮は前述のように実施され、実証されました3。
2.犠牲後の頸動脈の分離
3. マウス頸動脈からの内皮細胞高濃縮単一細胞単離
注:下記の試薬は、事前に調製し、使用するまで4°Cで保存することができます:表 1にリストされている試薬を含む1xおよび0.1x単核溶解バッファー。 表1に列挙された試薬を含む単核洗浄バッファー; 表1にリストされている試薬を使用した単一核核バッファーレシピ。これらのバッファーの作業在庫は、メーカーのプロトコルに従って準備する必要があります。 消化バッファー組成:0.5%ウシ胎児血清(FBS)含有リン酸緩衝生理食塩水(PBS)中のコラゲナーゼII型600 U / mLおよびDNase I 60 U / mL。
4.頸動脈を洗い流す
5. 単細胞・単核解析
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44匹のマウスで部分頸動脈結紮手術を行い、部分結紮手術の1日後に超音波検査を行うことでLCAの d-flow の発症を検証しました。部分結紮手術が成功すると、血流速度が低下し、LCA3の血流が逆転(流れが乱れる)します。頸動脈は結紮後2日または2週間で解剖した.各頸動脈の内腔にコラゲナーゼ消化を行い、内皮濃縮単細胞または単核懸濁液を調製した。細胞収率を高めるために、10個のRCAおよびLCAから単一細胞懸濁液をプールした。その後、調製した細胞/核をバーコード化し、配列決定した。sc-RNAseq研究では、得られた単一細胞の数は~9,700でした。4サンプルからの細胞の分布を 表2に示す。
同様に、scATACseq研究では、調製した12個のRCAおよびLCAから単一細胞を単離し、トランスポザーゼ処理を行い、バーコード化し、配列決定しました。シーケンシングは18,324個の単一核について行われ、1,291個(2日間RCA [2D-R])、5,351個(2日間LCA [2D-L])、5,...
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この論文は、マウス頸動脈から単一細胞製剤を単離するための詳細なプロトコルを提供します。PCL手術が正しく行われれば、内皮細胞に対する d-flow の影響を正確に研究することができます。外頸動脈、内頸動脈、後頭動脈、上甲状腺動脈など、一般的な頸動脈の枝を正しく識別することが重要です。超音波検査によるフローパターンの検証は、 dフロー 条件の正常な発症をさらに検証します。PCL手術は年齢に関係なくマウスに行うことができますが、好ましい年齢は10±2週間です。高齢のマウスおよび高コレステロール血症の背景を有するマウスは、一般に、より外膜脂肪およびより硬い皮膚を有する傾向がある。
周囲の組織や外膜脂肪を含まない頸動脈内皮濃縮単一細胞製剤を注意深く解剖することが不可欠です。頸動脈の内腔は、単一細胞製剤中の血球を汚染しないように徹底的に灌流する必要があります。不適切な組織の識別とラベル付けは、高い標準偏差をもたらす可能性があります。このプロトコルには、慎重な計画と時間管理が必要です。熟練した外科医とオペレーターは、1回のPCL手術を行うのに15〜20分...
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HJはFloKines Pharmaの創設者です。他の著者は、宣言する利益相反はありません。
この研究は、国立衛生研究所からの助成金HL119798、HL095070、およびHL139757からのHJへの資金提供によってサポートされました。HJは、ウォレスH.コールター特別教授の教授職によってもサポートされています。エモリー統合ゲノミクスコア(EIGC)によって提供されるサービスは、エモリー大学医学部によって助成され、また、賞番号の下で国立衛生研究所のジョージア臨床およびトランスレーショナルサイエンスアライアンスによって部分的にサポートされました。UL1TR002378。上記の内容は著者の責任であり、国立衛生研究所の公式見解を反映したものではありません。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Chemicals, Peptides, and Recombinant Proteins | |||
| 1x PBS (Cell Culture Grade) | Corning | 21040CMX12 | |
| 1.5 mL Protein LoBind Microcentrifuge Tubes | Eppendorf | 022-43-108-1 | |
| 15 mL Centrifuge Tube - Foam Rack, Sterile | Fablab | FL4022 | |
| 50 mL SuperClear Centrifuge Tubes | Labcon | 3191-335-0 | |
| 6-0 シルク縫合 | Covidien | s-1172 c2 | |
| 70 & マイクロ;m Cell Strainer, White, Sterile, Individually Packaged | Thermo Fisher Scientic | 08-771-2 | |
| Accutase solution, 滅菌ろ過 | 済み Sigma-Aldrich | A6964-100ML | または同等の |
| ATAC バッファー (トランスポジションミックスの成分 I) | 10x Genomics | 2000122 | |
| ATAC 酵素 (トランスポジションミックスの成分 II) | 10x Genomics | 2000123/ 2000138 | |
| ウシ血清アルブミン | Sigma-Aldrich | A7906-500G | |
| ブプレノルフィン | Med-Vet International | RXBUPRENOR5-V | |
| クロムコントローラー&Next GEM アクセサリーキット | 10X Genomics | 1000204 | |
| Chromium Next GEM シングルセル 3' 試薬キット v3.1 | 10X Genomics | 1000121 | |
| Chromium Next GEM シングルセル ATAC 試薬キット v1.1 | 10X Genomics | 1000175 | |
| Collagenase II | MP Biomedicals | 2100502.5 | |
| Digitonin | Sigma-Aldrich | D141-100MG | |
| 解剖鉗子 | Roboz Surgical Instruments Co | RS-5005 | |
| Dnase1 | New England Biolabs Inc | M0303S | |
| 遠心分離機(ベンチトップモデル#5425) | Eppendorf | 22620444230VR | |
| ウシ胎児血清 - プレミアムセレクト | R&D systems | S11550 | |
| 固定角ローター | Eppendorf | FA-45-24-11-Kit ローター | |
| HEPES 緩衝生理食塩水 | ミリポア シグマ | 51558 | |
| インスリン注射器 (3/10 mL 29 G 注射器) | BD | 305932 | |
| Isoflurane | Patterson vet | 789 313 89 | |
| MACs スマートストレーナー (30 & マイクロ;m) | Miltenyi Biotec | 130-098-458 | |
| MACS SmartStrainers(100 & マイクロ;m) | Miltenyi Biotec | 130-098-463 | |
| 生理食塩水 (0.9% 塩化ナトリウム) | Baxter International Inc | 2B1323 | |
| 核緩衝液 (20x) | 10x Genomics | PN 2000153/2000207 | |
| PBS (10x)、pH 7.4 | Thermo Fisher Scientic | 70011-044 | |
| 小型ハサミ | Roboz Surgical Instruments Co | RS-5675 | |
| ロックRoboz | Surgical Instruments Co. | RS-5480 | または類似 |
| の組織 Mend II | Webster Veteinanry | 07-856-7946 | |
| Type II Collagenase | MP biomedicals | 2100502.1 | |
| Deposited Data | |||
| scATACseq FastQ files | NCBI | www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject Accession # PRJNA646233 | |
| scRNAseq FastQ files | NCBI | www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject Accession # PRJNA646233 | |
| Software and Algorithms | |||
| Cell Ranger 3.1.0 | 10X Genomics | https://support.10xgenomics.com/ single-cell-gene-exp | |
| Cicero | Pliner et al., 2018 | https://cole-trapnell-lab.github.io/cicero-release/ | |
| Ggplot2 v3.2.1 | Hadley Wickham | https://cran.r-project.org | |
| Harmony | Korsunsky et al., 2019 https://github.com/immunogenomics/harmony | ||
| ImageJ | Schneider et al., 2012 | https://imagej.nih.gov | |
| Monocle 2.8.0 | Qiu et al., 2017 | https://github.com/cole-trapnell-lab/ monocle-release | |
| R version 3.6.2 | R Foundation | ||
| Seurat 3.1.3 | Stuart et al., 2019 | https://github.com/satijalab/seurat | |
| Signac 0.2.5 | Stuart et al., 2019 | https://github.com/timoast/signac |
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An erratum was issued for: Isolation of Endothelial Cells from the Lumen of Mouse Carotid Arteries for Single-cell Multi-omics Experiments. The Authors section was updated.
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Sandeep Kumar*1
Aitor Andueza*1
Juyoung Kim1
Dong-Won Kang1
Hanjoong Jo1,2
1Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering, Georgia Institute of Technology and Emory University, 2Division of Cardiology, Georgia Institute of Technology and Emory University
* These authors contributed equally
to:
Sandeep Kumar*1
Aitor Andueza*1
Nicolas Villa-Roel1
Juyoung Kim1
Dong-Won Kang1
Hanjoong Jo1,2
1Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering, Georgia Institute of Technology and Emory University, 2Division of Cardiology, Georgia Institute of Technology and Emory University
* These authors contributed equally