このプロトコルは、新生児および小児患者の血液サンプルの採取と保存、そしてscRNA-seq、プロテオミクス、スペクトルフローサイトメトリーを用いてこれらのサンプルから免疫細胞集団を特徴付ける方法を記述します。
方法論記事
* These authors contributed equally
このプロトコルは、新生児および小児患者の血液サンプルの採取と保存、そしてscRNA-seq、プロテオミクス、スペクトルフローサイトメトリーを用いてこれらのサンプルから免疫細胞集団を特徴付ける方法を記述します。
生まれた瞬間、新生児の免疫システムは微生物や環境刺激に満ちた全く異なる環境に突然直面します。増え続ける証拠は、幼少期の免疫が単に未成熟であるだけでなく、この発達段階の特有の要求に特化して適応していることを示唆しています。この期間中、免疫系は非常にダイナミックで、変化する外部環境に対応するために急速に変化します。この複雑で進化する免疫環境を理解するには、新生児を直接研究する必要があります。しかし、このような研究における大きな制約は、新生児の総血量が少なく(~100 mL/kg)、特に極低出生体重(ELBW)や極めて早産児において、安全に採集できる血量を制限することです。最近の研究では、新生児の血液の微量を用いて高次元免疫プロファイリングが可能であることを示し、この制約に対応しています。私たちは、幼少期にわたる縦断的サンプリングのための最適化されたプロトコルを導入し、フローサイトメトリー、プロテオミクス、単細胞RNAシーケンシングなどの高度な技術を用いて、最小限の入力から得られる情報を最大化します。これらの手法を組み合わせることで、新生児の循環免疫細胞のトランスクリプトオムおよびプロテオムの特徴を包括的に把握でき、早期免疫の独自の経路に関する新たな知見がもたらされます。
このプロトコルは、採取後12時間以内に100〜250μLの血液サンプルを処理し、クリオ保存または即時使用に最適化されています。出生時、新生児免疫系は、保護された子宮内環境では存在しなかった微生物や環境刺激で強化された、まったく異なる環境に放り込まれます1,2。この変化には免疫システムが多様な新しい抗原に適応し反応する必要があり、これは生存に不可欠であると同時に重大な課題ももたらします 1,2。増え続ける証拠は、幼少期の免疫が単なる未成熟や成人免疫システムの縮小版ではないことを示唆しています。むしろ、この重要な発達期の特定のニーズに合わせた独自のものとなっています。この新生児期のウィンドウの間に、免疫系の細胞構成要素(T細胞、B細胞、骨髄細胞など)は成熟し、初期生命に特有の特性と機能を発達させます5,6,7,8。その重要性にもかかわらず、新生児免疫は倫理的・実践的な制約のため、直接的に研究することは依然として困難です。大きな制限は新生児の血液量が小さく、平均約100 mL/kgである9,10です。この課題は、妊娠30週未満で生まれた極めて早産児や、わずか40mLの血液で体重が400g程度のELBW乳児から血液を採取する際にさらに顕著になります。これにより安全に採取できる血液量が制限され、最小限のサンプルからデータ量を最大化するアプローチの必要性が浮き彫りになります。この課題に対処するため、我々の研究はELBW乳児から得られる微量血液量(100〜250μL)を用いた高次元免疫プロファイリングの最適化プロトコルを示しました。
近年の血液採取と処理の進歩により、従来のサンプル採取が困難な集団における免疫応答の研究が可能になりました。TassoやTouch Activated Phlebotomyシステムなどのマイクロニードルデバイスは、成人の自宅での血液採取を便利にするために最初に開発されました。その後、乳児用に適応され、主たる介護者や臨床チームが最小限の不快感でサンプルを採取できるようになりました。さらに、繰り返しの臨床訪問のストレスなしに自宅で使用できるため、コンプライアンスやアクセスのしやすさを向上させます。装置にはエチレンジアミネテトラ酢酸(EDTA)マイクロチューブを使用し、適切なバイオハザードプロトコルを遵守して一晩で検査室に送るべきです。翌朝、サンプルが届くと、赤血球(RBC)溶解法で循環中の免疫細胞を捕捉するために処理されます。注目すべきは、EDTAチューブは生細胞の分離を可能にしますが、時間の配慮も重要です。刺激を用いた機能的アッセイでは、サンプルの処理は採集から4時間以内、理想的には2時間以内に行う必要があります。以下に示す非機能的な表現型アッセイでは、細胞の生存率が時間とともに低下するため、12時間以内にサンプルを処理し、一晩送りながら回復を確保する必要があります。Ficollを用いた従来の密度-勾配分離と比べて、溶解はより速く、労力が少なく、より高い回収率をもたらします13。しかし、末梢血の単核細胞を溶解法で分離すると、汚染された顆粒球が残り、純度が低下することがありますが、これらの細胞型に関心のある研究には有利です14。これらのトレードオフは、新生児のような希少または感度の高い臨床サンプルを研究する際、方法論的適応が実現可能性と正確さのバランスを取ることを示しています。分離細胞の下流処理も方法論的改良によって恩恵を受けています。胎児用牛血清(FBS)とジメチルスルホキシド(DMSO)による凍結保存は、特に胎児および新生児の血液において、細胞の生存性と回復が重要な免疫細胞にとって依然として堅牢なアプローチです。採血プロセスの最適化に加え、少量のサンプルから最大限の情報抽出を可能にする下流技術も採用しています。私たちは、早期の生活にわたりサンプリングを促進する最適化プロトコルのセットを導入し、免疫動態の詳細な検証を可能にします。私たちのアプローチは、スペクトルフローサイトメトリー、プロテオミクス、単一細胞RNAシーケンシングなどの先進技術を活用し、これらを総合的に活用することで、早期の循環免疫細胞のプロテオムおよび転写署名を比類なき視点で把握できます。さらに、スペクトルフローサイトメトリーは最小限の細胞入力で機能的な洞察を得る機会を提供します。
これまでに、血液由来免疫細胞の解析には全血球計数(CBC)などの技術が用いられてきました15、またDNAメチル化を用いて新生児全血中の免疫細胞比率を解析する技術もあります。これらの技術は既知の免疫細胞の割合の把握に役立っていますが、マルチオミクスシステムがなければ細胞の詳細な洞察を得るには依然として限界があります。CBCは主要な血液細胞型の広範な指標に限られており、臨床現場での全体的な免疫状態の確立には有用ですが、サブタイプや機能状態の解消には限界があります。最近では、生後18週の乳児に血漿由来のトランスクリプトムおよび代謝変化を用いる研究が始まりました。質量分析に基づくプロテオミクスは、新生児サンプルの免疫プロファイルの研究に応用されています。この手法は、幅広いタンパク質を偏りなく測定し、潜在的なバイオマーカーを特定するのに強力です。しかし、主な制約としては、比較的大きなタンパク質入力が必要であることや、可溶性・不溶性の両方を捉えているにもかかわらず、細胞の同一性に関する直接的な情報が不足していることが挙げられます。ターゲット多重プロテオミクスアッセイ(TMPA)は、低入力サンプルに対する代替手段を提供します。これらの手法は標的抗体検出を用い、限られた物質のサンプルに対して高感度のプロファイリングを提供します。特に、これらのうちの一つは、幼少期の免疫発達経路を縦方向に追跡するために用いられています。
フローサイトメトリーは、蛍光標識細胞を集束レーザービームに通し、その結果得られる光散乱および蛍光信号を測定することで、単一細胞レベルで免疫細胞タンパク質の定量解析を可能にします。この技術では、蛍光標識抗体が特定の表面または細胞内タンパク質に結合します。これにより、蛍光プロファイルに基づく複数の免疫細胞サブタイプおよびそれらの特徴を同時に検出・定量することが可能になります。スペクトルフローサイトメトリーは、各フルオロクロームの全発光スペクトルを捉えることでこの手法を拡張し、単一のアッセイ21,22,23で35以上のマーカーを同時に検出し、スペクトルアンミクシングを行えます。これにより、従来のフローサイトメトリーパネルよりもはるかに多くのマーカーを解析できます。従来のフローサイトメトリーパネルは8~12個のマーカーに制限されています。これらの細胞計測技術を補完するとして、単一細胞RNAシーケンシング(scRNA-seq)は、最小限の入力物質から高解像度かつ偏りのないトランスクリプトムプロファイリングを可能にすることで免疫学研究を変革しました。コストが高く細胞生存率に依存しているにもかかわらず、scRNA-seqはバルクシーケンシングと比較して初期免疫の異質性について比類なき洞察を提供します。これらの進展は、収集、保存、分析の革新が胎児および新生児免疫の研究に伴う独自の課題を克服するために適応されていることを示しています。
このプロトコルは、連続的な赤血球溶解によって分離された末梢免疫細胞の凍結保存解析に最適化されています。研究者は、特に縦断解析が重要な小量血液(100〜500 μL)からの高分解能免疫プロファイリングが必要な研究を行う場合、このプロトコルを検討すべきです。この方法は、期末および早産児の両方に広く適用可能であり、幅広い下流解析と互換性があるため、新生児および小児免疫学の多様な研究課題に適しています。
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イェール大学の倫理審査委員会(IRB)に従い、親の十分な同意と関連する国家倫理規則の完全な遵守が保証されました。承認されたIRBプロトコルによれば、研究チームは乳児出生後最初の1週間に親に連絡を取り、登録前に同意を得ました。倫理承認が文書化される前に、人間由来の材料を用いた研究手続きは開始されませんでした。
1. サンプルの採取、処理、保管(図1)
2. 乾燥血斑からのTMPA(DBS)(図2)
3. 赤血球溶解血液のスペクトルフローサイトメトリー(図3)
4. 紅血球溶解血液のscRNA-seq(図4)
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私たちは、10人の極度早産児から3つの時点でDBSカードを収集しました:1週(n = 12)、1か月(n = 7)、2ヶ月(n = 3)で、TMPAプロテオミクス解析6 (図2A)。これらのサンプルは、満期乳児臍帯血(TCB;n = 4)および健康な成人血液(AB; n = 5)と併用して分析されました。92の免疫関連タンパク質の正規化タンパク質発現(NPX)はTMPAプラットフォームを用いて定量化されました(図2B)。統計解析により、生後2か月時の末梢血におけるリンパ球活性化遺伝子3(LAG3)およびシグナル閾値調節膜貫通アダプター1(SIT1)の発現が2か月時までにTCBと比較して有意に高いことが示されました(図2C)。
私たちは、患者の赤血球溶解白血球サンプルから免疫細胞集団をプロファ...
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最小限の新生児および乳児血液から高品質な免疫学データを得るには、複数のステップにわたる方法論的適応が必要です。本プロトコルでは、以下の4つの補完的な戦略を述べています:(i) 生存可能な細胞を保存するための血液採取と凍結保存の最適化、(ii) 多パラメータ免疫表現型判定のためのスペクトルフローサイトメトリーの応用、(iii) 高解像度で免疫異質性を解消するためのscRNA-seq、および(iv) TMPA。これらの手法を組み合わせることで、データ収量を最大化しつつ、限られたサンプル量や脆弱な細胞集団という技術的課題にも対応できます。
血液の採取と保存は、その後の成功を決定づける重要な要素です。FBS中に10%DMSOを含む凍結培地は、赤血球溶解後にほとんどの免疫細胞で高い回復をもたらすことを発見し、DMSOの保護効果に関する既存の発見と一致しています28。凍結中の適切な取り扱いが不可欠であり、DMSOはRTで毒性があり、遅延は細胞死のリスクを高めるため、細胞を迅速に制...
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著者たちは利益相反がないと宣言しています。
イェールの以下のコア施設に感謝します:イェールフローサイトメトリーコア;イェール大学ゲノム解析センター。イェール臨床研究センター、イェール医師科学者・科学者開発局、小児集中治療・外傷科学者育成プログラム/NICHDに感謝いたします。呼吸計検査はイェール大学の化学代謝コアによって行われました。この研究は以下の団体への助成金によって資金提供されました:P01 AI179570(L.K.)、R01AI171980(L.K.)、R01DK129552(L.K.)、R01HL163043(L.K.)、嚢胞性線維症財団(L.K.);K08 AI177743(N.N.B.)、ハートウェル賞(N.N.B.);K08DK133687(O.O.)、イェール大学医学部小児科(O.O.);R01AI123204(C.R.O.)内容は著者の責任であり、必ずしも国立衛生研究所の公式見解を代表するものではありません。図1 はBioRenderで作成されました。ガウォン、K.(2025年)https://BioRender.com/7embw10。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 0.5 M EDTA、pH 8.0 | サーモ・フィッシャー・サイエンティフィック | 15575-038 | |
| 1x赤血球溶解バッファ | インビトロジェン | 3177165 | |
| BCAタンパク質アッセイキットおよびnbsp; | アブカム | ab287853 | |
| BD マイクロテイナー MAP マイクロチューブ | フィッシャー・サイエンティフィック | 22-253-270 | |
| ベルアート クライオセーフ -1°C フリーズコントローラー | ミリポーア・シグマ | 41122800 | |
| 牛血清アルブミン(BSA) | シグマ・オルドリッチ | A9647-100G | |
| ブリリアント・ウルトラ・バイオレット496 アンチヒューマンCD3 | サーモ・フィッシャー・サイエンティフィック | 364-0038-42 | |
| ブリリアント・ウルトラバイオレット661 反ヒトCD11c | BD バイオサイエンス | 612968 | |
| ブリリアント・ヴィル750 反ヒューマン CD14 | バイオレジェンド | 367135 | |
| ブリリアント・ヴァイオレット570 反ヒューマン CD8a | バイオレジェンド | 301038 | |
| ブリリアント・ヴァイオレット711 反ヒューマン CD56 | バイオレジェンド | 318336 | |
| cOmplete、Mini、EDTAフリープロテアーゼ阻害カクテル | ミリポーア・シグマ | 11836170001 | |
| 死細胞除去キット | ミルテニ・バイオテック | 130-090-101 | |
| ジメチル硫酸(DMSO)およびnbsp; | サーモ・フィッシャー・サイエンティフィック | BP231-100 | |
| ダルベッコリン酸塩緩衝食塩水(DPBS)、カルシウム、マグネシウムなし、nbsp; | サーモ・フィッシャー・サイエンティフィック | 14190144 | |
| 胎児用牛血清(FBS) | Gibco | A5256801 | |
| フィッシャーブランド・デジタル・ボルテックスミキサー | サーモ・フィッシャー・サイエンティフィック | 02215418 | |
| 固定バッファ | バイオレジェンド | 420801 | |
| グルタMAXサプリメント | Gibco | 35050061 | |
| MACS マルチスタンド | ミルテニ・バイオテック | 130-042-303 | |
| MSカラム | ミルテニ・バイオテック | 130-042-201 | |
| 名称 | 会社 | カタログ番号 | |
| OctoMACS セパレーター | ミルテニ・バイオテック | 130-042-109 | |
| パシフィックブルーアンチヒューマン CD4 | バイオレジェンド | 344619 | |
| ペニシリン・ストレプトマイシン(10,000 U/mL) | サーモ・フィッシャー・サイエンティフィック | 15140-122 | |
| RB780 反ヒト CD33 | BD バイオサイエンス | 755606 | |
| リアッジ3mmメタルパンチャー | Rierdge | SDD231031PC-01 | |
| RPMI 1640 ミディアム | Gibco | 11875-093 | |
| スパークUV 387 反ヒト CD19 | バイオレジェンド | 302289 | |
| タッソ・コレクション・キット | タッソ | 該当なし | |
| サーモサイエンティフィックスクリューキャップマイクロチューブ | サーモ・フィッシャー・サイエンティフィック | 14-755-287 | |
| ワットマン309プロテインセーバー | Cytiva | 41111700 | |
| ゾンビNIR修正可能な実用性キット | バイオレジェンド | 423105 | |
| ソフトウェアとパッケージ | |||
| Adobe Illustrator | 2024 | ||
| bbknn | 1.5.1 | ||
| フロージョ | 10.8.1 | ||
| GraphPad プリズム | 9.4.0 | ||
| 名称 | バージョン | ||
| スキャンピー | 1.9.1 | ||
| スラブレット | 0.2.3 | ||
| <強力>商業的アッセイ | |||
| クロム単一セル5'キット | 10Xゲノミクス | PN-1000263 | |
| Olink 標的96炎症パネルを公開または標的 | オリンク | https://olink.com/products/olink-target-96 |
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