本プロトコルは、細胞透過ペプチドのトランスデューション効率と細胞特異性を評価する統合ワークフローを説明しており、肺標的ペプチド環化されたR11A(cR11A;例としてKAPWHLSSQYSATを挙げる。このワークフローは、ペアフラクションFACS、単一細胞RNAシーケンス、AT2レポーターマウスのフローサイトメトリー、共焦点Zスタックイメージングを組み合わせて、AT2関連ペプチド標的結合を確認します。
本プロトコルは、細胞透過ペプチドのトランスデューション効率と細胞特異性を評価する統合ワークフローを説明しており、肺標的ペプチド環化されたR11A(cR11A;例としてKAPWHLSSQYSATを挙げる。このワークフローは、ペアフラクションFACS、単一細胞RNAシーケンス、AT2レポーターマウスのフローサイトメトリー、共焦点Zスタックイメージングを組み合わせて、AT2関連ペプチド標的結合を確認します。
細胞貫通ペプチド(CPP)は、細胞膜を越え、トランスフェクション試薬を必要とせずに高分子貨物を届けることができる短いペプチド(5〜30アミノ酸)です。しかし、 in vivo で細胞選択性を定義するには細胞型レベルでの検証が必要です。マウスの後視道静脈注射後、Cy5.5標識された環状CPP(cR11A)のトランスダクション効率を評価する統合ワークフローを提示します。肺は注射後15分または60分に採取され、相補的な測定結果を用いて解析されました。これには、Cy5.5⁺およびCy5.5⁻肺の単一細胞懸濁液を単離するためのペアフラクフ・フルレクション・アクティテッド細胞選別(FACS)が含まれ、その後Sftpc-CreERT2(+/−)からの肺単一細胞の単一細胞の単一細胞RNAシーケンスおよびフローサイトメトリーが行われました。LSL-GFP(+/−) AT2レポーターマウスを用いてGFP//Cy5.5/イベントを定量し、肺のクライオカットの共焦点ZスタックイメージングによりcR11A-Cy5.5とAT2関連シグナルの共局在を確認する。このプロトコルは、複数の補完的な読み取り結果を用いた細胞型結合の整合性証拠を生み出し、異なる標的器官に対する修正を加えたCPPsの細胞特異的標的評価のための再現可能な枠組みを提供します。
細胞貫通ペプチド(CPP)は、細胞膜を通過し、トランスフェクション試薬を必要とせずに高分子貨物を完全な形で細胞内送達を促進する5〜30アミノ酸ペプチドです。in vitroおよびin vivoのファージディスプレイの組み合わせ手法を用いた先行研究では、心筋細胞が5分3,4秒以内に特異的に取り込む12アミノ酸の心標的ペプチド(APWHLSSQYSRT)を特定しました。その伝達メカニズムを調べるためにアラニン検査が行われ、S7AとR11A(APWHLSSQYSAT)という2つのバリアントが発見されました。これらは予想外に体内で肺の濃縮を示しました。したがって、これらは肺標的化ペプチド(LTPs)と呼ばれました5。さらに、N末端リジン付加と頭尾への環化により、血清安定性が大幅に改善され、線形5に比べて細胞内取り込みが著しく強化された環状バージョンのR11A(cR11A)が生成されました。
LTPは、肺胞上皮II型(AT2)細胞を含む遠位肺上皮集団に正確に治療薬を届ける可能性を秘めています。これらの細胞は界面活性剤の恒常性維持に不可欠であり、肺胞再生の前駆細胞として機能します。しかし、LTP開発における大きな課題は、生体内細胞選択性の厳密な評価です。臓器レベルの生体分布だけでは真の細胞伝達と血管信号、細胞外保持、または貪食細胞クリアランスを区別できず、単一細胞分解測定値と補完する必要があります。この制約に対処するため、本ワークフローは単細胞トランスクリプトミック割り当て、リポーターベースのフローサイトメトリー、共焦点Zスタックイメージングを統合し、臓器レベルの蛍光やバイオ分布の読み取りを超えた細胞型レベルのペプチド結合の証拠を生成します8,9。
本プロトコルの全体的な目標は、遠位肺におけるCy5.5標識cR11Aの in vivo でのトランスデューション効率と細胞特異性を検証するための再現可能かつ複数読み出しのワークフローを提供することであり、特に眼窩後方注入後のAT2細胞に焦点を当てています。このプロトコルは、ペプチド関連細胞の同一性を補完的かつ独立した読み取り方法を用いて定義します。これには、ペアドフラクション蛍光活性化細胞選別(FACS)(Cy5.5⁺対Cy5.5⁻)、その後の単一細胞RNAシーケンシングによるペプチド関連集団のマッピング、AT2リポーター肺におけるフローサイトメトリー による 定量的取り込み評価、肺クライオセクションの共焦点ZスタックイメージングによるcR11A-Cy5.5とAT2関連シグナルの共局所確認が含まれます。このプロトコルは他のLTPや送達ベクターに容易に適応でき、発生中のCPPの細胞特異性を評価するために肺や他の臓器系にも適用可能です。特に、臓器レベルの蓄積 評価だけでなく、体内での細胞型レベルのCPP標的の検証が必要な応用に適しています。
すべての動物処置はメイヨークリニックの施設動物ケア・利用委員会(IACUC)のガイドラインに従って実施され、プロトコル番号A00006842-22-R25の下で承認されました。動物の苦しみを最小限に抑え、関連する国家および機関の規制に準拠した倫理的な取り扱いを確保するためにあらゆる努力がなされました。このプロトコルで使用される研究ツールは 材料表に記載されています。
1. 動物
2. 試薬および機器の準備
3. cR11A-Cy5.5の後軌道投与
4. 肺の収穫と灌流
5. 肺の膨張と消化
6. 組織解離
7. ペアドフラクションFACSソート
8. scRNAシークレットのサンプル調製
9. AT2レポーターマウスにおけるフローサイトメトリー
10. 固定とクライオプロテクション
11. 埋め込みと冷凍解剖
12. イメージングと解析
13. CD45+ 細胞群の減少
14. フローサイトメトリー中にCD45+ 細胞群を解析する
このプロトコルの成功した適用は、ペアドフラクションscRNA-seq、リポーターベースのフローサイトメトリー、共焦点Zスタックイメージングという3つの補完的な読み取り結果から一致する証拠を生成するはずです。
ペアフラクションscRNA-seq解析では、cR11A-Cy5.5.5の全身投与後にCy5.5⁻およびCy5.5⁺肺単一細胞画分を回収し、別々に解析しました。UMAPの可視化により、免疫細胞、内皮細胞、上皮細胞、間葉細胞の各区画を含む主要な肺細胞群が特定されました(図1A, B)。免疫細胞は選別された両画質で優勢集団を示しましたが、Cy5.5/1画は上皮細胞を含む非免疫区画の相対的な濃縮を示しました(図1C)。上皮サブセット解析では、Cy5.5/分画にAT2細胞の代表性がCy5.5/分画よりも多く見られ、一方でAT1細胞は両分画とも低く残りました(図1D)。これらの結果は、ペアフラクションのscRNA-seqがcR11A-Cy5.5陽性肺細胞フラクション内のAT2細胞の濃縮を識別できることを示しています。
フローサイトメトリーを用いて、リポーター定義されたAT2細胞内でcR11A-Cy5.5シグナルを定量しました。代表的なゲートには、FSC-A/SSC-Aによる全細胞の選択、2つの連続シングルレットゲート、ライブセルゲーティング、最終GFP対GFP が含まれます。 Cy5.5の分析(図2A–E)。対照試料ではGFP⁺/Cy5.5⁺イベントが最小限であり、背景蛍光閾値を確立しました。cR11A-Cy5.5投与後、GFP⁺/Cy5.5⁺ AT2報告陽性イベントは注射後15分で7.99%、60分後に7.41%に増加しました(図2E)。これらの結果は、 AT2レポーター陽性細胞における検出可能なcR11A-Cy5.5シグナルを体内で支持しています。
共焦点Zスタックイメージングは、肺組織切片におけるペプチド関連蛍光の空間的検証を提供します。背景蛍光を評価するために非報告対照群を含め、GFPおよびCy5.5チャネルの信号は最小限であった。cR11A-Cy5.5処理されたAT2リポーター肺では、GFP⁺ AT2リポーター陽性細胞の近くでCy5.5蛍光が検出され、Imaris生成の共局在チャネルによりGFPとCy5.5シグナルの重なりが確認されました(図3A)。代表的なImaris共局在解析では、GFP⁺ AT2区画内でそれぞれ15分と60分で89.6%と86.8%の共局在が示されました(図3B)。
最適でない結果としては、対照試料における高い背景Cy5.5蛍光、上皮細胞回復不良、細胞生存率の低下、GFP/Cy5.5/イベントの分離が弱いなどが挙げられます。これらの問題は通常、灌流不全、過剰な組織破壊、不十分な補償、または画像検査閾値の不一致を示します。

図1:ペアドフラクションscRNA-seqはcR11A-Cy5.5陽性肺分画における肺胞上皮の濃縮を特定します。 cR11A-Cy5.5の後方眼窩注射後、肺の単細胞懸濁液はCy5.5⁻およびCy5.5/5/分画に分類され、それぞれの分画は単細胞RNAシーケンシングで解析されました。(A) UMAPプロットは、代表的なマウスの一致した細胞型クラスターを示します。(B) UMAPオーバーレイはCy5.5⁻およびCy5.5⁺セルの分布を示します。(A)および(B)で囲まれた領域は、上皮部分集合解析で強調された上皮区画を示しています。(C) 免疫集団は両側に非常に多く、それぞれの80%以上を占めています。Cy5.5/分画と比較して、Cy5.5/5分画は内皮、上皮、間葉系の集団の割合が高く、これらの集団内でcR11Aの取り込みが示唆されています。(D) 上皮集団内で、AT2細胞はCy5.5/fractionよりもCy5.5/fractionでより多く代表されているのに対し、AT1細胞は両細胞とも低く残ります。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

図2:AT2レポーター肺におけるcR11A-Cy5.5取り込みのフローサイトメトリー検証。 AT2レポーターマウスには、経眼窩静脈注射 で cR11A-Cy5.5を投与し、注射後15分または60分後に肺を採取して単細胞製剤を行った。PBS車両対照(Ctrl)およびcR11A-Cy5.5処理サンプルの代表的なゲートを示している:(A) 細胞はFSC-A/SSC-Aで選択され、(B, C) シングルレットは散布型ダブレット排除でゲート化され、(D) 生体細胞は生存性染料除外で同定され、(E) GFP(AT2レポーター) が比較された。 Cy5.5はGFP/Cy5.5/イベントの定量化に用いられました。この代表的なデータセットでは、cR11A-Cy5.5投与後15分および60分の時点でGFP⁺/Cy5.5⁺ AT2イベントは約8%でした。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

図3:AT2レポーター肺におけるcR11A-Cy5.5取り込みの共焦点イメージングおよびImaris共局在解析。 (A) 非リポーター対照(Ctrl)およびcR11A-Cy5.5処理済みAT2リポーター肺の代表的なフィールドを示し、注射後15分または60分に採取し、クライオセクティングおよび共焦点Zスタックイメージングを行います。GFPシグナル(緑色)はAT2細胞を示し、cR11A-Cy5.5蛍光(赤色)はペプチド関連シグナルを示します。「Coloc」パネルにはイマリス(黄色)によって共局所化されたピクセルやオブジェクトが表示され、合成画像は2つのチャンネル間の空間的重複を示しています。非報告対照群はGFPチャネルおよびCy5.5チャネルの背景蛍光を評価するために含めました。(B) GFP⁺ AT2区画内の共局在の定量化では、GFP信号の89.6%と86.8%がそれぞれ15分および60分でcR11A-Cy5.5と共局在であることが示されています。これらのデータは両時点でGFP⁺ AT2細胞との強固な重なりを示し、 in vivoでのAT2コンパートメントの優先的な関与を支持しています。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。
このプロトコルは、複数の独立した読み取り結果を補完的な解像度で動作させることで、特定の細胞集団のペプチド標的を特定します:トランスクリプトームレベルのマッピング(ペアドフラクションscRNA-seq)、定量的イベントベースの測定(リポーターフローサイトメトリー)、空間的確認(共焦点Zスタック)。これらのアプローチは、血管蛍光や細胞外保持の交絡、ペプチド関連シグナルを特定の肺細胞集団に割り当てられないなど、器官レベルでの蛍光またはバルクバイオ分布研究に内在する一般的な曖昧さを軽減します7。
いくつかの手順には特に注意が必要です。灌流品質は背景蛍光および下流の選別性能に強く影響します。十分な灌流はすべての肺葉が均一で象牙色の白色になることが特徴ですが、不完全な灌流は非標的区画でCy5.5信号を上昇させることがあります。組織解離には、通常の消化条件(37°C、1–2時間)ではなく、上皮細胞群を保存し、特に肺胞タイプI(AT1)細胞の回復を促進するために、通常の消化条件(37°C、1–2時間)を長時間の冷消化(4°C、20時間)で用いています。AT1細胞は大きく薄い形態のため、機械的消化に非常に敏感であるため、分離時に容易に失われます。標準的な実験室での操作、例えば一貫した消化、補償、ゲーティング、閾値測定に加え、3D共局在解析は、ペプチドシグナルがAT2リポーターシグナルと重複しているかどうかを判断するのに役立ち、二次元の蛍光重複だけに頼るのではなく、13。
scRNAセクシーやフローサイトメトリー定量の前に、CD45⁺免疫細胞除去ステップが検討されることがあります。免疫細胞は肺細胞集団の大部分を占めており、異物に対する典型的な免疫応答の一環としてCPPを取り込むことがあります。内皮、上皮、間葉系など非免疫集団におけるCPP取り込みをより正確に定量化するために、CD45⁺細胞の除去により感度が向上する可能性があります。これは、選別前のビーズ除去やフローサイトメトリー解析時にCD45⁺細胞を除外することで達成できます。しかし、この修飾は免疫細胞の取り込み情報を除去し、分析対象サンプルの細胞組成を変化させるため、選択的に使用すべきです。
このワークフローにはいくつかの制限を考慮する必要があります。Cy5.5蛍光はペプチド関連シグナルを識別しますが、それだけでは内部化されたペプチドと膜付着性または細胞外シグナルを区別することはできません。ペアドフラクションのscRNA-seqは、組織解離、細胞回復、選別閾値、各肺細胞集団の相対的存在比にも影響を受けます。そのため、基底細胞やイオンサイトのような希少な集団は過小代表または見逃されることがあります。リポーターマウスフローサイトメトリーはより強力な細胞型割り当てを提供しますが、適切なリポーターラインまたは検証済み抗体パネルが必要です。さらに、リポーターマウスを用いた車両対照群は、画像アッセイにおけるGFP/AT2細胞内の背景共局在をより明確に定義できます。したがって、解釈は単一の結果ではなく、scRNA-seq、フローサイトメトリー、共焦点画像における一致した証拠に基づくべきです。
このワークフローはモジュール化されており、代替蛍光体、レポーターマウス株、投与スケジュール、収穫時点に適応可能です。追加の細胞や臓器特異的CPPを開発する研究では、ペアドフラクションscRNA-seq設計を他の臓器(例:肝臓、腎臓、脳)に修正を加えて適用できます。このプロトコルは、同一動物の単一臓器内のペプチド関連集団を効率的に比較し、解釈性を向上させつつ動物間変動を低減します。今後の応用には、追加のCPPのスクリーニング、CPP–カーゴ共役体の試験、線形ペプチド設計と環状ペプチド設計の比較、組織構造や標的細胞の存在比が変化する疾患モデルへのワークフロー適用などがあります。
著者たちは競合する利害関係を一切認めていない。
この研究はNHLBI R01助成金HL153407、NIH助成金HL092961、NHLBI F32助成金HL175907によって支援されました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Anti-mouse CD45-BV605 antibody | BioLegend | 103140 | CD45+細胞の同定または除外に使用 |
| C57BL/6J マウス | The Jackson Laboratory | Strain #000664 | 実験に使用される野生型マウス |
| CD45 MicroBeads, mouse | Miltenyi Biotec | 130-052-301 | CD45+細胞の磁気除去に使用 |
| セルカウンター | Invitrogen | Countess 3; AMQAX2000 | 自動セルカウント |
| CO2インキュベーター | Thermo Scientific | Heracell VIOS 160i; TSH160IDS | 細胞のインキュベーション |
| 共焦点顕微鏡 | Zeiss | LSM 980; 1872-551 | z-stack画像の取得に使用 |
| cR11A-Cy5.5ペプチド | Mayo Clinic Proteomics Core | カスタム合成; カタログ番号なし | インビボでのデリバリーに使用する蛍光標識CPP |
| クライオスタット | Leica Biosystems | Leica CM1950 | 組織の切片に使用 |
| Dispase II | Sigma-Aldrich | D4693-1G | 肺組織の消化に使用する酵素 |
| DMEM/F12 | Gibco | 11330-032 | 細胞の解離と洗浄バッファー |
| DNase I | Roche | 10104159001 | DNAを介した細胞の凝集を減少させる |
| FACSセルソーター | BD Biosciences | BD FACSAria II, 4 レーザーシステム | Cy5.5+およびCy5.5-細胞のソーティングに使用 |
| FBS | Gibco | A52567-01 | セルの生存率を向上させるためにバッファーに追加 |
| FlowJo ソフトウェア | FlowJo | バージョン 10.10.0 | フローサイトメトリーデータ分析 |
| GraphPad Prism ソフトウェア | GraphPad Software | バージョン 10 | 統計分析とプロット作成 |
| Imaris ソフトウェア | Oxford Instruments | バージョン 9.9.1 | 3D視覚化とコロケライゼーション分析 |
| 振動付きインキュベーター | Thermo Scientific | Solaris; 01-258-086 | 組織の消化に使用 |
| ケタミン | WestWard (Hikma) | NDC 0143-9508-01 | |
| LD カラム | Miltenyi Biotec | 130-042-901 | 磁気細胞分離(MACS)に使用 |
| LD カラム | Miltenyi Biotec | 130-042-901 | |
| Live/dead fixable yellow dead cell stain kit | Invitrogen | L34968 | フローサイトメトリーの生存率染色に使用 |
| Live/dead fixable yellow dead cell stain kit | Invitrogen | L34968 | |
| LSL-GFP レポーターマウス | The Jackson Laboratory | Strain #007906 | Cre-誘導型GFPレポーターライン |
| LSL-GFP レポーターマウス | The Jackson Laboratory | Strain #007906 | |
| マイクロ遠心分離機 | Eppendorf | EPP-5427R | サンプルの遠心分離 |
| マイクロ遠心分離機 | Eppendorf | EPP-5427R | |
| DAPIを含むマウンティング液 | Abcam | AB104139 | イメージングのための核反染 |
| DAPIを含むマウンティング液 | Abcam | AB104139 | |
| ヌクレアーゼフリー水 | Qiagen | 175034992 | |
| 経口投与針 | Braintree Scientific | N-PK 020 | |
| PBS | Gibco | 10010-023 | 一般的な洗浄バッファー |
| PBS | Gibco | 10010-023 | |
| ペニシリン-ストレプトマイシン | Gibco | 15140-122 | 細菌汚染を防ぐ |
| ペニシリン-ストレプトマイシン | Gibco | 15140-122 | |
| 冷蔵遠心分離機 | Thermo Scientific | ST16R; TSST16R | 制御された温度でのセルペレティング |
| 冷蔵遠心分離機 | Thermo Scientific | ST16R; TSST16R | |
| 生理食塩水 | Baxter | 2F7124 | |
| Sftpc-CreERT2 マウス | The Jackson Laboratory | Strain #028054 | AT2特異的な誘導性Creライン |
| Sftpc-CreERT2 マウス | The Jackson Laboratory | Strain #028054 | |
| Sftpc-CreERT2(+/−);LSL-GFP(+/−) AT2 レポーターマウス | 自家繁殖 | Sftpc-CreERT2(+/+) マウスとLSL-GFP(+/+)マウスを交配して生成 | AT2特異的なGFPラベリングに使用 |
| Sftpc-CreERT2(+/−);LSL-GFP(+/−) AT2 レポーターマウス | 自家繁殖 | Sftpc-CreERT2(+/+) マウスとLSL-GFP(+/+)マウスを交配して生成 | |
| シルクスアチュア | Look | SP117 | |
| シングルセルRNAシーケンシングサービス | Mayo Clinic Genome Analysis Core | https://www.mayo.edu/research/core-resources/genome-analysis-core/services | ライブラリ調製とシーケンシング |
| シングルセルRNAシーケンシングサービス | Mayo Clinic Genome Analysis Core | https://www.mayo.edu/research/core-resources/genome-analysis-core/services | |
| タモキシフェン | Sigma-Aldrich | T5648 | |
| 水浴インキュベーター | Fisherbrand | Isotemp GPD 28 | 温度制御されたインキュベーション |
| 水浴インキュベーター | Fisherbrand | Isotemp GPD 28 | |
| キシラジン(ロムン) | Dechra | NADA #047-956 |