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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
우리는 상대적으로 짧은 시간에 MACS(magnetically activated cell sorting)를 사용하여 쥐의 시상하부(또는 이에 상응하는 작은 뇌 구조)에서 미세아교세포를 분리하는 프로토콜을 설명합니다. MACS 분류된 시상하부 미세아교세포는 체외 분석에 사용할 수 있으며 in vitro 분석을 수행하기 위해 도금할 수 있습니다.
미세아교세포(Microglia)는 뇌에 상주하는 대식세포(macrophage)로서 뇌의 항상성을 유지하는 데 필수적입니다. 그들은 발달 중에 신경 회로를 형성하고, 파편이나 죽은 세포가 있는지 주변 환경을 조사하고, 뇌의 감염 및 손상에 반응하는 등 많은 기능을 수행합니다. 그러나 신경 발달과 시냅스 가소성 및 병태 생리학에서 중요한 역할은 완전히 정의되지 않았으므로 추가 연구의 필요성이 강조됩니다. 이러한 과정에서 미세아교세포의 역할을 보다 포괄적으로 이해하려면 미세아교세포를 분리하고 유전적, 대사적, 기능적으로 특성화해야 합니다. 그러나 성체 마우스, 특히 작은 뇌 구조에서 미세아교세포를 분리하는 것은 전체 뇌세포의 작은 비율을 차지하고 분리된 미세아교세포의 수율이 너무 낮기 때문에 까다롭습니다. 여기에서 CD11b+ 마이크로비즈를 사용한 미세아교세포의 자기 분리를 통해 갓 관류된 성인 쥐 뇌의 시상하부에서 미세아교세포를 분류할 수 있습니다. 현재의 방법을 사용하면 세포 생존력을 유지하면서 단기간에 상대적으로 높은 순도와 수율을 달성할 수 있습니다.
미세아교세포(Microglia)는 전체 신경세포의 5-20%에 해당하며, 난황낭의 적혈구척수성(erythromyeloid progenitor)에서 유래하여 배아일 E9.5 1,2 경에 발달 중인 뇌에 서식하기 시작하는 유일한 신경교세포(glial cell)입니다. 이들은 골수 유래 세포와 독립적으로 천천히 자가 재생을 할 수 있는 능력을 가진 수명이 긴 세포입니다3. 가장 매우 역동적인 세포 중 일부로서, 그들은 상황 및 환경 신호에 반응하여 다양한 표현형을 획득 할 수 있습니다 2,4. 그들의 활동을 조절할 수 있는 신호 중 중추신경계(CNS) 손상, 신경 세포 활동 및 영양분이 가장 강력합니다. 점점 더 많은 연구에서 부상, 신경 퇴행성 질환 및 비만에서 미세아교세포의 중추적인 역할을 입증하고 있습니다 2,5,6. 그럼에도 불구하고 생리학적 과정과 병태생리학 모두에서 미세아교세포의 정확한 역할은 추가 연구가 필요합니다. 따라서 다양한 조건에서 이들의 전사, 대사 및 기능적 특성 분석은 매우 중요하며 현장 연구가 DNA, RNA 및 단백질 국소화 및 정성적 비교, 미세아교세포의 형태학적 특성 분석에 적합하기 때문에 이들을 분리해야 합니다.
미세아교세포 분리를 위해 설명된 다양한 기법이 있으며, 그 중에는 Percoll gradientmethod7, 유세포 분석 세포 분류(FACS)8 및 자기 활성화 세포 분류(MACS)가 있습니다. 적절한 방법의 선택은 연구의 목표와 다운스트림 응용 분야에 필요한 순도 수준에 따라 다릅니다. 성인 쥐의 뇌, 특히 시상하부와 같은 작은 뇌 구조에서 순수한 미세아교세포를 분리하는 것은 미세아교세포의 수가 제한되어 있기 때문에 어렵습니다. Miltenyi 기술을 사용한 시상하부의 자동 완만 해리를 통해 gentleMACS Octo Dissociator를 사용하여 동시에 최대 8개의 시료를 처리할 수 있는 기능으로 단시간에 상대적으로 높은 미세아교세포 수율을 정제할 수 있습니다.
조직 균질화 후에는 MACS 컬럼 기반 기술과 초자성 나노 크기의 CD11b+ 비드를 사용하여 미세아교세포를 정제합니다. 따라서 모든 샘플은 온전한 CD11b+ 세포를 생성하는 동일한 방식으로 정확하게 처리됩니다. CD11b는 미세아교세포에만 존재하는 것이 아니라 대식세포와 단핵구를 포함한 다른 골수성 계통세포에서도 발현된다는 점은 주목할 만하다9. 이를 제한하기 위해 시상하부 추출 전에 얼음처럼 차가운 식염수로 뇌 관류(프로토콜 단계 2.6 참조)는 대부분의 골수성 세포를 제거하고 잠재적으로 극히 일부만 남기고 상주 대식세포 또는 혈관에 부착된 세포만 남게 합니다. 건강한 정상 상태 CNS의 상주 대식세포와 단핵구는 전체 뇌 면역 세포의 미미한 비율을 구성합니다(각각 ~10% 및 <2%)10,11. 따라서 뇌세포를 CD11b+ beads로 분류하면 미세아교세포와 대식세포를 모두 분리할 수 있지만 대다수는 미세아교세포입니다.
미세아교세포의 최종 수율과 생존력 유지를 통해 생체 외 및 체외 분석을 수행할 수 있으며, 특정 뇌 관심 영역을 분석할 수 있는 이점이 있습니다. 최신 증거에 따르면 미세아교세포 집단은 매우 이질적이며, 지역 특이적 유전자 발현과 형태학적 특성 및 기능을 나타냅니다 2,12,13. 따라서 현재 프로토콜은 지역 특이적 방식으로 성인 미세아교세포를 분리하고 분석하는 것을 목표로 합니다. 실제로, RT-qPCR 및 RNA 염기서열 분석과 같은 방법을 사용하여 성인 시상하부 미세아교세포의 유전적, 전사적, 번역적 프로필을 특성화할 수 있을 뿐만 아니라 체외 기능 분석을 수행할 수 있습니다.
설명된 모든 동물 실험은 유럽 연합 권장 사항(2013/63/EU)을 엄격히 준수하여 수행되었으며 보르도 대학교(CEEA50)의 지역 윤리 위원회와 프랑스 고등 교육, 연구 및 혁신부(승인된 프로젝트 NTS-FR-619193 v.1, 23-12-2022의 비기술적 요약)의 승인을 받았습니다.
다음 프로토콜은 평균 연령이 2-4개월인 성인 C57BL/6 마우스에서 수행됩니다. 그러나, CNS의 면역 세포 환경이 변경될 수 있고 상주 대식세포 및 단핵구의 비율이 증가할 수 있다는 점을 고려하여(예: 노화 및 신경 퇴행에서) 모든 마우스의 연령 및 조건에서 수행될 수 있습니다.
1. 용액 준비
참고: 다음 부피 및 용액은 Cd11b+ 셀의 분리를 엄격하게 참조합니다.
2. 뇌 제거
3. 조직 해리
알림: 모든 단계는 얼음 위에서 수행해야 합니다. 어떤 단계에서도 셀 현탁액을 소용돌이치지 마십시오. 1,000 μL 피펫과 함께 조심스럽게 섞으십시오.
4. CD11b+ 세포의 자기 절연
5. 분석
최종 수율의 평가는 순도 수준과 분리된 세포의 양에 따라 달라지며 RT-qPCR, 세포 계수 및 단백질 정량화에 의해 결정될 수 있습니다. 시상하부에서 분리된 자성 세포의 순도는 RT-qPCR을 사용한 CD11b, C1qa, Gad1 및 GFAP의 유전자 발현 분석을 통해 확인되었습니다(그림 1). CD11b 및 C1qa는 주로 정상 상태의 미세아교세포에 의해 발현되며, CNS16 과 Gad1 및 GFAP는 각각 신경 세포 및 성상세포 마커 역할을 합니다. 한 시상하부에서 채취한 총 cDNA는 55 내지 98 ng 범위였다. 주목할 만한 점은 양성 분획만이 CD11b 및 C1qa 발현을 나타냈으며, 이는 음성 분획에서 미세아교세포의 잠재적 손실이 없음을 나타냅니다. 프라이머는 표 2에 나와 있습니다.
또한, 신경 세포 및 성상 세포 마커의 사소한 수준은 상주 대식 세포와 단핵구가 건강한 뇌의 총 면역 세포 환경의 10 %만을 구성하기 때문에 고립 된 세포의 대다수가 미세 아교세포임을 보장합니다10,11. 이러한 결과는 자기 선택의 효능을 입증하고 RT-qPCR을 적용하여 신선하게 분류된 시상하부 미세아교세포에서 모든 관심 유전자의 발현 수준을 평가할 수 있는 길을 열어줍니다. 마찬가지로, 시상하부 분류 미세아교세포에 대해 RNAseq 분석을 수행하여 전사체에 대한 포괄적인 보기를 얻을 수 있습니다.
분리된 세포의 양은 세포 계수에 의해 결정되었으며 시상하부당 ~15,000개의 세포인 것으로 나타났습니다(프로토콜 단계 4.10에서 언급됨). 또한 분류된 미세아교세포의 단백질 농도를 정량화하여 두 개의 풀링된 시상하부에서 분리한 CD11b+ 세포의 평균 농도가 0.5μg/μL임을 나타냈습니다(그림 2). 이 지식을 통해 최소 단백질 역치에 따라 다양한 분석을 수행할 수 있습니다. 또한 더 많은 시상하부를 합치면 더 높은 농도를 얻을 수 있어 잠재적인 분석 범위를 확장할 수 있습니다. 시상하부 미세아교세포에서 추출된 단백질은 AlphaLISA 면역분석 및 키나아제 활성 분석을 포함한 다양한 기술을 용이하게 합니다.
또한, 설명된 프로토콜을 통해 연구자들은 여러 생체 외 분석을 수행할 수 있으며, 이를 통해 생리학적 및 병리학적 맥락 모두에서 시상하부에서 미세아교세포의 활동과 그들의 역할을 탐색할 수 있습니다. ROS 생성의 정량화는 미세아교세포 면역 반응의 중요한 측면을 나타냅니다17. 따라서 분리 후 미세아교세포는 산화 시 증가된 형광 신호를 나타냄으로써 살아있는 세포에서 ROS를 검출할 수 있는 상업적으로 이용 가능한 시약으로 처리할 수 있습니다. 그림 3A에서 볼 수 있듯이 3개의 풀링된 시상하부에서 자기적으로 분리된 미세아교세포는 FACS에 의한 ROS를 검출하기에 충분하지만, 우리의 결과는 우리가 분석한 조건 중에서 세포 ROS 생산의 변동성이 상당히 높다는 것을 보여줍니다. 주목할 만한 점은 위에서 언급한 상용 키트( 재료 표 참조)를 사용하여 DNA 결합 시 형광이 증가하는 세포 불투과성 죽은 세포 염색 덕분에 분류된 Cd11b+ 세포의 생존력도 평가할 수 있었다는 것입니다. 특히, 우리의 데이터는 세포의 99%가 살아 있음을 보여줍니다(그림 3B). 게이팅 전략은 살아있는 세포와 죽은 세포, 그리고 형광 특성에 따라 산화적으로 스트레스를 받은 세포와 스트레스가 가해지지 않은 세포를 구별하는 데 사용되었습니다.
미세아교세포 활동의 또 다른 주요 특징은 면역 감시, 조직 복구 및 중추 신경계의 전반적인 항상성에 중요한 역할을 하는 역동적이고 엄격하게 조절되는 과정인 식세포작용(phagocytosis)입니다18. 놀랍게도, 자기 결합 비드로 분류된 Cd11b+ 세포는 24시간 동안 배양한 다음 다른 시점에서 형광 라텍스 마이크로비드로 배양하여 FACS 또는 형광 현미경으로 다양한 조건에서 식세포 활성의 변화를 평가할 수 있습니다. 또한 신선하게 분류된 미세아교세포는 형광 비드 또는 튜브 내에서 직접 모든 유형의 pHrodo 결합 입자(예: 시냅토솜)에 노출될 수 있으며, FACS 분석을 통해 식세포작용을 평가할 수 있습니다.
특히, 우리는 분류된 세포 현탁액, 두 개의 풀링된 시상하부에서 분리된 미세아교세포 또는 형광 라텍스 비드가 있는 전체 뇌가 포함된 튜브에서 직접 배양했습니다. 하나 이상의 형광 bead를 phagocyted 한 Microglia는 phagocytic microglia가 향상된 형광을 나타내기 때문에 유세포 분석을 통해 비 phagocytic cell과 구별 할 수 있습니다. 비드로 배양하지 않은 음성 대조군은 게이팅에 사용되었습니다. 두 실험 조건(차우를 먹인 쥐와 고지방 식단(HFD))에서 우리는 매우 낮은 비율의 식세포 미세아교세포를 관찰했습니다(그림 4A). 그러나 이 결과는 이 방법의 효능을 보여주기 위해 여기에 표시되었으며, 놀랍게도 1개의 비드, 2개의 비드, 3개의 비드 등을 식세포화한 세포를 구별할 수도 있습니다(그림 4B). 마지막으로, 모든 오믹스 접근법은 분리된 시상하부 미세아교세포에 적용될 수 있습니다. 이러한 분석을 수행하기에 충분한 세포를 갖기 위해 3개의 시상하부를 통합하는 것이 좋습니다.

그림 1: RT-qPCR에 의한 CD11b+ 세포 순도 평가. 인테그린 CD11b의 mRNA 발현의 mRNA 발현의 정량화, 보체 C1q 하위 구성 요소 소단위 A C1q, 글루탐산 탈카르복실라제 Gad1 및 신경교세포 섬유산 단백질 GFAP는 하우스키핑 유전자 Eef1a1 및 Sdha의 mRNA 수준에서 정규화되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 세포 분류 후 시상하부 세포의 단백질 정량화. CD11b+ 및 CD11b- 세포의 단백질 농도 정량화. CD11b+ 및 CD11b- 세포는 모두 20μL의 용해 완충액에서 용해되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: microglial live cells에서 ROS 검출. 정렬된 Cd11b+ 세포 집단에서 (A) 산화 스트레스 세포 및 (B) 살아있는 세포의 정량화(상대 FACS 등고선 플롯 포함). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 미세아교세포 식세포 활성의 정량화. (A) 상대적인 FACS 윤곽 플롯을 사용하여 두 개의 시상 하부 또는 한 개의 뇌에서 분류된 Cd11b+ 세포의 식세포 세포의 정량화. (B) 상대 FACS 윤곽 플롯으로 식세포화된 비드 수에 따른 식세포 세포의 비율. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 효소 믹스 2 | |||
| 효소 A | 버퍼 Y | 효소 P | |
| 10 마이크로리터 | 20 마이크로리터 | 50 마이크로리터 | |
| D-PBS (디-PBS) | 이물질 제거 솔루션 | 오버레이 D-PBS | |
| 15-100 mg 구조 | 1000 마이크로리터 | 450 마이크로리터 | 2mL |
표 1: 해리 혼합물(부피는 단일 시료를 나타냄) 및 그래디언트 오버레이의 준비.
| 유전자 | 단백질 | 전달 | 후진 |
| 잇감 | 인테그린 알파 M(CD11b) | CTCATCACTGCTGGCCTATACAA | GCAGCTTCATTCATCATGTCCTT |
| 스다 | 숙시네이트 탈수소효소 복합체 플라보단백질 서브유닛 A | CCCTCTCATATGTGGACATCAA | CAAGGTCTTGTCGATAACAGGT |
| C1qa 님 | 보체 성분 1, q 하위 성분, 알파 폴리펩티드 | CGAGGTGTGGATCGAAAAGG | GAAGATGCTGTCGGCTTCAGT |
| 갓1 | 글루타메이트 탈카르복실라아제 1 | GACCAATCTCTGTGACTCGCT태그 | CTGGTCAGTGTATCGGAGGTCTT |
| 지팍 | 신경교세포(glial fibrillary acidic protein) | AGGTCCGCTTCCTGGAACA | GGGCTCCTTGGCTCGAA |
표 2: RT-qPCR 프라이머 염기서열.
| 유세포 분석 세포 분류(FACS) | 자기 활성화 세포 분류(MACS) |
| 형광 태그가 부착된 생화학 항체 | 항체에 접합된 자성 비드 |
| 세포 표면 마커를 넘어서는 분화 | 세포 표면 마커에 의해서만 분화 |
| 상당한 초기 수율 | 적당한 초기 수율 |
| MACS보다 느려서 많은 시료를 동시에 처리할 수 있습니다. | FACS보다 빠름으로 많은 시료를 동시에 처리할 수 있습니다. |
| MACS보다 덜 부드럽습니다. | FACS보다 부드러움 |
표 3: FACS 및 MACS 특성 및 제한 사항 표현
저자는 이해 상충이 없다고 선언합니다.
우리는 상대적으로 짧은 시간에 MACS(magnetically activated cell sorting)를 사용하여 쥐의 시상하부(또는 이에 상응하는 작은 뇌 구조)에서 미세아교세포를 분리하는 프로토콜을 설명합니다. MACS 분류된 시상하부 미세아교세포는 체외 분석에 사용할 수 있으며 in vitro 분석을 수행하기 위해 도금할 수 있습니다.
AN은 IUF(Institut Universitaire de France), 보르도 대학교(University of Bordeaux), FRC(French Foundation for Brain Research), GLN(Lipid-Nutrition Group) 및 National Research Agency(ANR, PRC 2023-MicroNRJ)의 지원을 받습니다. CA는 FRM-ARF201809006962(Fondation pour la Recherche Médicale)의 지원을 받았습니다. 이 프로젝트는 MSCA Doctoral Networks 2021, No. 101072759(FuElThEbRaiNIn healtThYaging and age-related diseases, ETERNITY)에 따라 유럽 연합의 Horizon Europe Research and Innovation Program에서 자금을 지원받았습니다.
| 성인 뇌 해리 키트 | Miltenyi | 130-107-677 | 키트에는 완충액 Z, 완충액 Y, 효소 A 및 P, 파편 제거 용액, 완충액 A(효소 A를 용해하기 위해)가 포함되어 있습니다. |
| 알부민 소 FrV BSA | EuroMedex | 04-100-812-C | |
| CD11b (Microglia) MicroBeads, 인간 및 마우스 - 소형 | Miltenyi | 130-093-636 | |
| CellROX 녹색 유세포 분석 키트 | Invitrogen | C10492 | |
| 원심분리기 튜브, 스냅팝 뚜껑 15 mL | CellTreat | 978449 | |
| DPBS, 칼슘, 마그네슘, 포도당, 피루브산 | Gibco | 14287-072 | |
| gentleMACS C 튜브 | Miltenyi | 130-093-237 | |
| gentleMACS Octo Dissociator with Heaters | Miltenyi | 130-096-427 | |
| Halt Phosphatase Inhibitor Cocktail (100x) | Thermofisher | 78420 | |
| Halt Protease Inhibitor Cocktail, EDTA free (100x) | Thermofisher | 78437 | |
| HBSS (10x), 칼슘, 마그네슘, 페놀 레드 | 없음 Thermofisher | 14065056 | |
| 라텍스 비즈, 카르복실레이트 수정 폴리스티렌, 형광 레드 | Sigma-Aldrich | L3280 | |
| LightCycler 480 SYBR 그린 I 마스터 | 로슈 | 4707516001 | 이 시약은 PCR을 수행하는 데 사용되었습니다. |
| MACS SmartStrainers(70 &마이크로; m) | Miltenyi | 130-110-916 | |
| Micro BCA 단백질 분석 키트 | Thermofisher | 23235 | |
| M-PER 포유류 추출 버퍼 | Thermofisher | 78503 | |
| MS 컬럼 | Miltenyi | 130-042-201 | 프로토콜에서 작은 컬럼으로 언급됩니다. |
| MultiMACS Cell24 분리기 플러스 | Miltenyi | 130-098-637 | |
| PBSS, pH 7.4 | Thermofisher | 10010023 | |
| qScript XLT cDNA SuperMix | Quanta biosciences | 733-1177 | 이 키트는 cDNA를 합성하는 데 사용되었습니다. |
| ReliaPrep RNA Miniprep Systems | Promega | Z6011 | 이 키트에는 1-Thioglycerol 및 BL buffer(프로토콜에서 lysis buffer라고 함)가 포함되어 있으며 전체 RNA를 분리하는 데 사용되었습니다. |
| Vacutainer 안전 록 21G | Becton 디킨슨 | 367282 |