$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
De bereiding van hoogwaardige cel- of kernsuspensie is van cruciaal belang voor het succes van single-cell of single-nuclei RNA-Seq en single-cell multi-omic analyses 29,30,31. Hier hebben we protocollen beschreven voor monstervoorbereiding en kernisolatie voor multioomtesten van twee soorten weefsel: hersenen en beenmerg.
Het hersenprotocol dat in dit artikel wordt beschreven, maakt het mogelijk om kernen van hoge kwaliteit te herstellen uit vers ingevroren hersenweefsel. Het omvat de volgende stappen: verstoring van bevroren weefsel, isolatie van kernen, zuivering van kernen en kwaliteitscontrole van het bereide materiaal. Het hersenweefsel is samengesteld uit veel verschillende celtypen en de procedure van weefseldissociatie en kernisolatie moet de verhoudingen van celpopulaties zoals aanwezig in het oorspronkelijke weefsel behouden. Hier werden de samenstelling van de lysisbuffer en de incubatietijd geoptimaliseerd om een volledige en zachte lysis mogelijk te maken van alle celpopulaties waaruit het weefsel bestaat.
Het HSPC-protocol voor beenmerg is enigszins anders, omdat er aan het begin van het experiment een extra stap nodig is om de celpopulatie van belang te isoleren van een heterogene cellulaire suspensie. Na het verzamelen van vers weefsel worden rode bloedcellen gelyseerd en wordt het monster verrijkt voor de celsubset van belang. De beoogde cellen worden gelyseerd, de kernen worden geïsoleerd en de kwaliteit van het bereide materiaal wordt gecontroleerd.
10X Genomics biedt verschillende protocollen die zijn gevalideerd voor het isoleren van kernen in tal van verschillende weefsels32,33. Het bedrijf brengt ook een nuclei-isolatiekit op de markt met een eenvoudige pijplijn voor het isoleren van kernen uit gevalideerde weefsels34. Deze protocollen moeten echter extra worden geoptimaliseerd om de bijzonderheden van bepaalde monsters aan te passen. Een voorbeeld zijn de monsters die moeten worden gewerkt met een lage celinput. Voor deze monsters zijn de meest uitdagende stappen centrifugaties die voldoende streng moeten zijn om het monster te reinigen en zacht genoeg om verlies van cellen/kernen te voorkomen. Met het hier beschreven protocol hebben we het 10X Genomics Shown Protocol - Nuclei Isolation for Single Cell Multiome ATAC + GEX Sequencing (CG000365 - Rev C)27 aangepast om een fijne balans te vinden tussen deze twee vereisten. Zoals aangetoond in het voorbeeld van de bereiding van kernen uit gesorteerde HSPC's, hebben we de terugwinning van kernen verbeterd zonder dat dit gevolgen heeft voor de kwaliteit van het monster.
Een extra uitdaging is de stap van lysis van gezuiverde cellen voor het isoleren van kernen. Zwaardere lysisomstandigheden en langere incubatietijden kunnen kernen beschadigen en daardoor de kwaliteit van sequentiegegevens beïnvloeden. Figuur 5 toont representatieve beeldvorming van kernen uit beenmergmonsters op verschillende incubatietijden met lysisbuffer en illustreert hoe verschillend de toestand van de kernen kan zijn, afhankelijk van de cellyse. In het voorbeeld van de HSPC's hebben we 3 min lysis geïdentificeerd als de aandoening die resulteert in het hoogste aandeel gezond ogende, intacte kernen en het laagste aandeel beschadigde kernen. De lysis-incubatietijden moeten voor elk nieuw type monster worden geoptimaliseerd.

Figuur 5: Kwaliteitscontrole van de kernen door middel van microscopie. Getoond worden representatieve helderveldbeelden van geïsoleerde kernen uit het beenmerg van muizen met (A) intacte en (B) beschadigde kernen. Schaal staaf 5 μm. De foto's zijn gemaakt met een omgekeerde microscoop met een 40x ELWD NA 0.60 objectief en 1.5x digitale zoom. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Beide protocollen die in dit werk worden beschreven, zijn gebaseerd op het zuiveren van gerichte cellen of kernen door FACS-instrumenten met een hoge doorvoer. Deze stap is van cruciaal belang voor protocollen voor de bereiding van eencellige cellen/kernen, waarbij zeldzame subgroepen van cellen moeten worden geïsoleerd uit heterogene suspensies. In deze, zoals in het hier getoonde voorbeeld voor het sorteren van HSPC's, kan een hoogdimensionaal flowcytometriepaneel nodig zijn om "gating" op de celpopulatie van belang mogelijk te maken. De sortering is extreem snel en nauwkeurig, wat leidt tot een zuiverheid van meer dan 95% van de gesorteerde celsubsets. Deze benadering stelt de cellulaire suspensie bloot aan een druk tot 70 psi en kan daarom beperkend zijn voor het sorteren van fragiele cellen (bijv. dendritische cellen, neutrofielen), omdat het de breuk van hun celmembraan kan veroorzaken. In deze gevallen moeten alternatieve oplossingen worden gekozen voor cellulaire zuivering, waaronder magnetische sortering, toepassing van instrumenten van de nieuwe generatie (bijv. CellenOne, Cellenion; MACSQuant Tyto, Miltenyi)35,36, of op druppels gebaseerde systemen (bijv. ODIN, Sensific)37. Niettemin is de trage sorteersnelheid van deze technologieën, met celsortering die uren in plaats van minuten duurt, een sterke beperkende factor voor de toepassing van deze benaderingen bij de voorbereiding van levensvatbare cellen voor Multiome en andere eencellige toepassingen op basis van analyse van grote celaantallen.
Voor de zuivering van kernen die uit het weefsel zijn geïsoleerd, is FACS de voorkeursmethode vanwege de doorvoer en de zuiverheid van het geïsoleerde materiaal. Kernen zijn niet gevoelig voor druk en gefilterde weefselisolaten kunnen gemakkelijk worden gezuiverd via de celsorteerder. Als het laboratorium niet is uitgerust met een FACS-instrument, bestaan er andere alternatieven, iets minder efficiënt maar voldoende goed. Voorbeelden hiervan zijn ultracentrifugatie of het gebruik van kleine apparatuur zoals MARS (Applied Cell) die deeltjes scheidt op basis van hun verschil in grootte, met behulp van akoestische golven; CURIOX laminaire ring die gebruik maakt van hydrofobe eigenschappen van cel-/kernsuspensies; of LEVITAS bio die vertrouwt op fysische eigenschappen van cellen (levitatie) om ze van het puin te scheiden.
Hier beschrijven we protocollen om een hoog aantal kernen en de beste zuiverheid voor het stroomafwaartse Multiome-protocol te verkrijgen. FACS-sortering en herhaalde centrifugatiestappen resulteren in een aanzienlijk verlies van het oorspronkelijke materiaal. Om deze reden is in het protocol voor de voorbereiding van kernen uit de hersenen dat we hier beschrijven voldoende overvloedig uitgangsmateriaal nodig om te resulteren in de verzameling van ten minste 500.000 kernen na de FACS-sortering. Alternatieve protocollen moeten worden toegepast als aan dit criterium niet kan worden voldaan. Bij het werken met zeldzame celpopulaties of kleine weefselcoupes kan de beschikbare hoeveelheid uitgangsmateriaal een beperkende factor zijn. Om dit probleem aan te pakken, is het mogelijk om het herstel van kernen te verbeteren door (a) het lysisvolume te verminderen, (b) het wasvolume te verminderen, (c) een enkele wasbeurt met verlengde centrifugatietijd te gebruiken om te proberen het herstel te verbeteren, zoals aangegeven in 10X Genomics-protocollen voor isolatie van kernen met een lage celinput. Voor multiomische analyse van materiaal met een laag gehalte is het de moeite waard om plaatgebaseerde toepassingen te overwegen, zoals scNMT, SNARE-seq en Paired-seq38 , waarvoor veel minder invoermonsters nodig zijn.
Samengevat hebben we twee robuuste protocollen beschreven voor de voorbereiding van kernen uit de hersenen en de HSPC's van het beenmerg voor stroomafwaartse Multioomanalyse. Deze protocollen zijn toepasbaar in elk wetenschappelijk project dat hoogwaardige suspensies van één kern uit deze twee soorten weefsel vereist, ongeacht de wetenschappelijke vraag die wordt gesteld. Onze groep heeft het protocol voor het isoleren van hersenkernen toegepast in studies van hersenontwikkeling na inactivatie van verschillende gerichte genen en in studies van immuunrespons in de context van neurologische aandoeningen. We gebruiken het protocol voor het isoleren van beenmergkernen voor het ontcijferen van de deelname van verschillende hematopoëtische subpopulaties aan de opbouw van het immuunsysteem.