プロトコルは、ヒト腸間膜動脈からの内皮細胞の単離、培養、およびプロファイリングを記載している。さらに、空間トランスクリプトミクスのためにヒト動脈を調製する方法が提供される。プロテオミクス、トランスクリプトミクス、および機能アッセイは、単離された細胞に対して行うことができる。このプロトコルは、任意の中型または大型の動脈に転用することができる。
方法論記事
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プロトコルは、ヒト腸間膜動脈からの内皮細胞の単離、培養、およびプロファイリングを記載している。さらに、空間トランスクリプトミクスのためにヒト動脈を調製する方法が提供される。プロテオミクス、トランスクリプトミクス、および機能アッセイは、単離された細胞に対して行うことができる。このプロトコルは、任意の中型または大型の動脈に転用することができる。
内皮細胞(EC)は、環境の手がかりに対する動的な応答を通じて、血管および全身の機能にとって重要です。ECのトランスクリプトームとエピゲノムを解明することは、発達、健康、疾患におけるECの役割を理解する上で最も重要ですが、単離された初代細胞の利用可能性は限られています。最近の技術により、ECトランスクリプトームとエピゲノムのハイスループットプロファイリングが可能になり、これまで知られていなかったEC細胞亜集団や発生軌跡の同定につながっています。EC培養はECの機能および機能不全の探索において有用なツールであるが、培養条件および複数の継代は、形態、エピジェネティック状態、および遺伝子発現プログラムを含む天然ECの特性を変化させる外部変数を導入する可能性がある。この限界を克服するために、本稿は、ヒト原発ECをドナー腸間膜動脈から単離し、その本来の状態を捕捉することを目指して実施する方法を実証する。内膜層のECは、特定の酵素の使用により機械的および生化学的に解離する。得られた細胞は、バルクRNAまたは単一細胞RNAシーケンシングに直接使用することも、培養のために播種することもできます。さらに、空間トランスクリプトーム、特に市販のプラットフォームのためのヒト動脈組織の調製のためのワークフローが記載されているが、この方法は他の空間トランスクリプトームプロファイリング技術にも適している。この方法論は、内皮細胞生物学の極めて重要な側面であるEC転写およびエピジェネティック調節に関する洞察を得るために、健康状態または疾患状態の様々なドナーから収集された異なる血管に適用することができる。
血管の内腔を裏打ちする内皮細胞(EC)は、血管緊張および組織灌流の重要な調節因子である。ECは、細胞外環境に反応し、血流のダイナミクスと組成の変化に適応する能力において顕著です。これらの動的応答は、時空間分解能を有する転写および転写後調節を含む細胞内シグナル伝達事象のネットワークを介して媒介される。これらの応答の調節不全は、心血管疾患、糖尿病、および癌を含むがこれらに限定されない多くの病状に関与している1,2。
研究の大部分は、ECトランスクリプトームを調査するために細胞株または動物モデルを利用しています。前者は、比較的使いやすさと安価さを考えると、便利なツールです。しかし、逐次培養は、線維芽細胞の特徴や分極の欠如などの表現型変化をECに導入し、ECをin vivo状態から切り離す可能性があります3。初代細胞、例えばヒト臍帯静脈EC(HUVEC)は、1980年代から一般的な選択肢であったが、成人には存在しない発達血管床に由来するため、成熟ECを完全に表す可能性は低い。動物、特にマウスモデルは、ECの生理学的または病態生理学的環境をよりよく表し、遺伝的摂動の結果としてトランスクリプトームの尋問を可能にする。マウスECは、酵素ベースの手順4、5、6、7を用いて、大動脈、肺、および脂肪組織を含む様々な組織から単離することができる。しかしながら、単離された細胞は、形質転換6でない限り複数の継代に使用することができず、しばしば数が限られており、複数の動物からのプーリング5、8、9を必要とする。
トランスクリプトームレベルで、特に単一細胞分解能で血管構造を探索する新技術の出現は、ECの新規機能および特性を明らかにすることによって内皮生物学の新時代を可能にした5、10、11、12、13、14。Tabula Murisの研究者によって構築された豊富なリソースは、20の異なるマウス器官にわたるECを含む100,000細胞の単一細胞トランスクリプトームプロファイルを収集し15、共通のECマーカー遺伝子と、組織間および組織内の違いを伴うユニークなトランスクリプトームシグネチャの両方を明らかにした5,13。それにもかかわらず、ゲノム、エピゲノム、およびトランスクリプトームにおいて、特に非コード領域において、マウスとヒトとの間には明確な違いがある16、17、18。これらの前述の欠点は、健康と病気における本来の状態にあるECの忠実なプロファイルを得るために、ヒトサンプルを用いたECの分析の重要性を強調している。
ほとんどのEC単離方法は、タンパク質分解酵素とのインキュベーション前に、均質化、細かく切断、および組織を細かく切断することによる物理的解離に依存しています。酵素および状態はまた、トリプシンからコラゲナーゼまで、組織タイプによってもかなり異なり、単独でまたは組み合わせて使用される19、20、21。さらなる抗体ベースの濃縮または精製は、ECの純度を高めるためにしばしば含まれる。典型的には、EC膜マーカー、例えばCD144およびCD31に対する抗体は、磁気ビーズにコンジュゲートされ、細胞懸濁液22、23に添加される。このような戦略は、一般に、このプロトコールで導入された技術を含む、複数のヒトおよびマウス組織からのEC単離に適合させることができる。
ECは、その本来の状態では、複数の細胞型と相互作用し、細胞の近接性が機能にとって重要である血管ニッチに存在する可能性がある。単一細胞および単一核RNAシーケンシング(scRNAおよびsnRNA-seq)研究は、ECの不均一性を記述する上での最近のブレークスルーにとって最も重要であったが、解離プロセスは組織コンテキストおよび細胞間接触を混乱させ、EC生物学を理解する上でも重要である。2012年に開発され、2020年にメソッド・オブ・ザ・イヤー24と名付けられた空間トランスクリプトームプロファイリングは、脳25、腫瘍26、脂肪組織27を含む様々な組織の空間的特徴を保持しながら、グローバルな遺伝子発現をプロファイリングするために利用されてきた。これらの技術は、アフィニティー試薬または蛍光タグに結合した特定のRNA配列に特異的な特殊なプローブを使用して標的とすることができ、したがって、細胞内分解能28、29、30、31で選択された遺伝子を検出する。それらはまた、非標的化32、33、典型的には空間的にバーコードされたオリゴヌクレオチドを使用してRNAを捕捉し、それらは一緒になってその後の配列ライブラリー調製のためにcDNAに変換され、したがって、偏りのない方法で組織全体の遺伝子発現を推定するという利点を有する。しかしながら、空間分解能は、現在、市販の技術では単一セルラーレベルでは達成されていない。これは、scRNA-seqデータとのデータ統合によってある程度克服することができ、最終的には、元の空間情報を保持しながら、複雑な組織コンテキストにおける単一細胞トランスクリプトームのマッピングを可能にする34。
本明細書では、血管拡張、血管リモデリング、酸化ストレス、および炎症を研究するために使用されている末梢動脈であるヒト上腸間膜動脈を用いてECトランスクリプトームをプロファイルするワークフローが記載されている35、36、37。2つの技術が記載されている:1)単一細胞トランスクリプトームシーケンシングまたはその後のインビトロ培養に適した機械的解離および酵素消化を組み合わせた血管の内膜からECを単離および濃縮する;2)空間トランスクリプトームプロファイリング用の動脈切片を作製した(図1)。これら2つの手法は、ECとその周囲の細胞をプロファイリングするために、独立してまたは相補的に実行することができる。さらに、このワークフローは、任意の中動脈または大動脈での使用に適合させることができる。
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ヒト組織研究は、シティ・オブ・ホープの南カリフォルニア島細胞資源センターから得られた非識別標本について実施された。死後のヒト組織の使用に関する研究同意はドナーの近親者から得られ、この研究の倫理的承認はシティ・オブ・ホープの治験審査委員会(IRB No. 01046)によって付与された。
1. 物理的解離(推定時間:1-2時間)
2. scRNA-seq試験の準備(推定時間:3-4時間)
3. 空間トランスクリプトームプロファイリング(推定時間:3~4時間)
4. シーケンシングデータ解析(推定時間:ソフトウェアに精通している場合により最大1週間)
注: 空間トランスクリプトーム解析の場合のみ、手順 4.8 に進んでください。scRNA-seqデータは、ヒトhg38参照トランスクリプトームにアライメントされた標準化されたパイプラインを使用して処理されます。Rパッケージスーラ(v3.2.2)は、公開されたガイドライン40に従ってscRNA-seqデータを分析するために使用されています。
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様々な下流アッセイで使用するための機械的および酵素的解離または凍結保存の組み合わせを用いた腸間膜動脈からのECの分析がここに描かれている(図1)。ECsは、以下のステップを用いて腸間膜動脈においてプロファイリングすることができる:A)培養細胞へのコラゲナーゼ消化と結合した内膜からの機械的解離;B)scRNA-seqに対する単一細胞懸濁液の生成;またはC)動脈の断面をOCTに埋め込んで凍結切断して空間トランスクリプトームをプロファイルすることができる(図1 および 図2)。

図1:動脈組織処理と空間プ...
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提示されたワークフローは、単一の細胞および空間分解能を有する単一のヒト動脈からECをプロファイルするための一連の技術を詳述する。プロトコルにはいくつかの重要なステップと制限要因があります。トランスクリプトームプロファイリングの鍵の1つは、組織の新鮮さとRNAの完全性です。RNAの分解を最小限に抑えるために、処理前にできるだけ氷上の組織を維持することが重要です。典型的には、死後組織は、死亡時から8〜14時間の間に処理される。しかし、ドナーからの抽出後できるだけ早く単離または凍結保存を開始することが推奨される。特に空間トランスクリプトーム マッピングでは、組織をドライアイス上に保持し、凍結融解サイクルを 1 回以下とする必要があります。OCTには複数の容器断面を埋め込んで、必要に応じて繰り返しを許容する必要があります。また、組織処理および細胞単離中にRNaseフリー環境を促進するための努力もなされるべきである。第二に、容器のサイズは制限要因となり得る。空間転写ミクスの場合、プロトコルは、直径に関係なく、合計1mmの容器に対して実行できます。細胞培養およびscRNA-seqの解離プロトコールの場合、下限は、解剖ハサミの挿入を可能にするには容器...
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S.Z.はGenemo, Inc.の創設者兼取締役です。
この作業は、NIH助成金R01HL108735、R01HL145170、R01HL106089(Z.B.C.へ)によって支援されました。DP1DK126138およびDP1HD087990(S.Z.へ);エラ・フィッツジェラルド財団の助成金とワネク・ファミリー・プロジェクト(Z.B.C.へ)ヒト細胞アトラス種子ネットワーク助成金(Z.B.C.およびS.Z.に)。この出版物で報告された研究には、米国国立衛生研究所の国立がん研究所が支援するCity of Hopeの統合ゲノミクスコアで行われた研究が含まれ、賞番号P30CA033572で行われました。著者らは、ヒト組織の単離のためのシティ・オブ・ホープの膵島移植チームのイスマイル・アル・アブドラ博士とメイリゲン・チー博士、scRNA-seq解析の支援に対するシティ・オブ・ホープのDongqiang Yuan博士、およびジョンズ・ホプキンス大学医学部心臓血管病理学部門のMarc Halushka博士に、血管組織学に関する彼の貴重な洞察に感謝したい。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1.5 mLマイクロ遠心チューブ | USA Scientific | 1615-5500 | |
| 10 cm ディッシュ | ジェネシー サイエンティフィック | 25-202 | |
| 23G ニードル | BD | 305145 | |
| 2-メチルブタン | サーモフィッシャー | AC327270010 | |
| 40 & マイクロ;mストレーナ | フィッシャー | 14100150 | |
| 4200 テープステーションシステム | アジレント・テクノロジー | G2991BA | |
| 5 mLチューブ | サーモフィッシャー | 14282300 | |
| 6ウェルプレート | グライナー バイオワン | 07-000-208 | |
| 付着因子 | 細胞用途 | 123-500 | プロトコル内の付着試薬 |
| ブラックワックス | 任意の市販のブラックワックスは、 | ||
| 牛血清アルブミン熱ショック処理 | フィ | ッシャーBP1600-100 | |
| CaCl<サブ>2 | フィ | ッシャーBP510 | |
| 遠心分離機 | エッペンドルフ | ||
| クロロホルム | フィ | ッシャーC607 | |
| ラゲナーゼD | ロシュ11088866001 | ||
| クライオスタットを使用することができます | ライカ | ||
| クライオスタット ブラシ | |||
| D-グルコース | フィッシャー | D16-1 | |
| ジメチルスルホキシド | フィッシャー | MT25950CQC | |
| ディスパーゼ II | ロシュ | 4942078001 | プロトコル内の細菌由来プロテアーゼ |
| 使い捨て安全メス | Myco Instrumentation | 6008TR-10 | |
| D-PBS | サーモフィッシャー | 14080055 | |
| エタノール | フィッシャー | BP2818-4 | |
| ウシ胎児血清 | フィッシャー | 10437028 | |
| 血球計算盤 | フィッシャー | 267110 | |
| HEPES | シグマ アルドリッチ | H3375-100g | |
| 高感度 D1000 サンプルバッファー | アジレント・テクノロジー | 5067-5603 | |
| 高感度D1000スクリーンテープ | Agilent Technologies | 5067-5584 | |
| キュベーター37 | °Cに保たれています。C 5% CO2 | ||
| イソプロパノール | フィッシャー | BP26324 | |
| KCl | フィッシャー | P217-3 | |
| 液体窒素 | |||
| 媒体 199 | シグマ アルドリッチ | M2520-10X | |
| 金属キャニスター | |||
| 顕微鏡 | ライカ | 細胞の形態 | |
| 微小血管内皮培養液 | 細胞アプリケーション | 111-500 | |
| NaCl | フィッシャー | S271-1 | |
| ニューブランズウィック イノーバ 44/44R オービタルシェーカー | エッペンドルフ | ||
| 最適切断温度 コンパウンド | フィッシャー | 4585 | |
| プラスチッククライオモールド | フィッシャー | 22363553 | |
| RNAスクリーンテープ | Agilent Technologies | 5067-5576 | |
| RNAスクリーン テープサンプルバッファー | Agilent Technologies | 5067-5577 | |
| RNase ZAP | サーモフィッシャー | AM9780 | |
| RNaseフリー水 | タカラ | RR036B | RNaseフリー水 (2) キット内 |
| 滅菌済み 12インチ長鉗子 | F.S.T | 91100-16 | |
| 滅菌済みファイン鉗子 | F.S.T | 11050-10 | |
| 滅菌ファインハサミ | F.S.T | 14061-11 | |
| スーパーフロスト PLUS ゴールドスライド | フィッシャー | 1518848 | |
| トリゾール試薬 | フィッシャー | 15596018 | |
| トリパン ブルー | コーニング | MT25900CI | |
| トリプル エクスプレス 酵素 (1X) フェノール レッド | サーモフィッシャー | 12605010 | 細胞解離酵素プロトコル |
| Visiumアクセサリーキット | 10Xゲノミクス | PN-1000215Visium | |
| ゲートウェイパッケージ、2rxns | 10Xゲノミクス | PN-1000316Visium | |
| 空間遺伝子発現スライド&試薬キット、4 rxns | 10X Genomics | PN-1000184 |
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