Cytometria przepływowa jest szeroko wykorzystywana w immunologii, hematologii i onkologii do definiowania populacji komórkowych poprzez właściwości rozproszenia wewnętrznego, ekspresję antygenów powierzchniowych oraz inne parametry fluorescencyjne1-3. Nasza wiedza na temat rozwoju linii krwi i chorób jest w znacznym stopniu wynikiem ciągłego udoskonalania tej metody po jej pierwotnym wdrożeniu4,5. Wzrost świadomości dotyczącej ilościowego i ogólnego potencjału analitycznego cytometrii przepływowej zachęcił ostatnio do jej szerszego zastosowania w badaniach nad komórkami macierzystymi i może umożliwić podobnie znaczący postęp w krótszym czasie6. Jednak zastosowanie cytometrii przepływowej do specyficznej analizy i izolacji populacji neuronalnych od dawna było postrzegane jako trudne. W przeciwieństwie do komórek hematopoetycznych, które naturalnie występują w zawiesinie, typy komórek neuronalnych są zazwyczaj pozyskiwane z nadmiernie złożonych źródeł, które mogą obejmować glej i różne inne komórki otaczające, a także skomplikowaną sieć neuronów posiadających wypustki. W konsekwencji neurobiologia nie wykorzystała jeszcze w pełni wszechstronności cytometrii przepływowej w codziennej rutynie badawczej. Niemniej jednak, o ile możliwe jest przygotowanie żywej zawiesiny pojedynczych komórek (a protokoły w tym celu zostały opracowane i zoptymalizowane7), cytometria przepływowa oraz fluorescencyjne sortowanie komórek (FACS) mogą być uznane za cenny element instrumentarium analitycznego w neurobiologii8-11.

Rysunek 1. Zasada analizy cytometrycznej i komponenty cytometru przepływowego. Cytometry przepływowe składają się z trzech głównych systemów: hydrauliki, optyki i elektroniki. Uporządkowany przepływ komórek w zawiesinie (przygotowanej z tkanki pierwotnej lub hodowli in vitro) jest zapewniony przez płyn osłonowy poprzez ogniskowanie hydrodynamiczne, co ogranicza próbkę do jej centralnego rdzenia. Części optyczne składają się z laserów oświetlających strumień komórek oraz filtrów optycznych, które kierują sygnał do odpowiednich detektorów. Wykryte sygnały świetlne są konwertowane na sygnały elektroniczne, następnie przetwarzane przez komputer i wizualizowane na monitorze w celu analizy danych i bramkowania. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Użytkownicy metod cytometrii przepływowej odnoszą korzyść z co najmniej podstawowej znajomości fundamentalnych zasad, w tym elementów budowy cytometru (w ramach powtórzenia patrz12,13; patrz również Rysunek 1). Wiązka laserowa przecina hydrodynamicznie skupiony strumień płynu zawierający komórki w zawiesinie, które następnie przechodzą przez wiązkę lasera „jedno po drugim”. Przecięcie komórki (lub jakiejkolwiek innej cząstki) z laserem skutkuje rozproszeniem światła w punkcie badania. Rozproszone światło może być wykrywane w kierunku kontynuacji wiązki lasera (rozproszenie przednie, powiązane z wielkością cząstki), a także prostopadle do jego kierunku (rozproszenie boczne; odzwierciedlające ziarnistość cząstki/komórki). Wspomniane właściwości rozproszenia nie wymagają specyficznego znakowania, dlatego nieznakowana próbka (lub także szczątki komórkowe, pęcherzyki powietrza, itp.) wygeneruje sygnał (zdarzenie) na dwuwymiarowym wykresie rozproszenia przedniego względem bocznego, powszechnie stosowanym do wstępnego bramkowania. Dzięki zastosowaniu odpowiednich laserów i filtrów specyficznych dla odpowiadających im widm wzbudzenia i emisji, komórka może być analizowana pod kątem pozytywności, poziomu intensywności lub braku markerów fluorescencyjnych. Większość zastosowań cytometrii przepływowej koncentrowała się na charakterystyce za pomocą antygenów powierzchniowych komórek. W przeciwieństwie do linii hematopoetycznej, linia neuronalna pozostaje mniej obszernie zdefiniowana pod kątem wzorców ekspresji epitopów powierzchniowych5. Jedną z zalet wykorzystania antygenów powierzchniowych jest możliwość poddania żywych komórek paradygmatom sortowania komórkowego, takim jak FACS. W przeciwieństwie do tego, barwienie antygenów wewnątrzkomórkowych wymaga etapów fiksacji i permeabilizacji w celu umożliwienia interakcji epitopu z przeciwciałem, co wyklucza dalsze zastosowania wymagające żywych komórek. Warto zauważyć, że takie podejścia wciąż pozwalają na liczne analizy ilościowe14, a także analizy ekspresji RNA i białek15. W hematologii, immunologii i onkologii często stosowano ponad tuzin markerów łącznie w celu zdefiniowania konkretnych subpopulacji16. Dodatkowo, cytometria masowa lub CyTOF może obecnie być wykorzystywana do jednoczesnej analizy do 30 parametrów17,18.
W przypadku zastosowań związanych z neuronalnymi komórkami macierzystymi, jak również w hodowlach pierwotnych14,19,20, heterogeniczność komórek in vitro jest częstym zjawiskiem21-23. Komórki nieprzedstawiające docelowej, interesującej nas populacji stanowią potencjalny czynnik zakłócający odczyt eksperymentalny24,25. Wygodnym jest to, że różne podgrupy komórkowe obecne w heterogenicznej zawiesinie komórkowej posiadają odmienne (znane lub jeszcze nieodkryte) profile ekspresji antygenów, które mogą być wykorzystane do zdefiniowania tych różnorodnych populacji. Cytometria przepływowa może zatem odgrywać kluczową rolę w rozwiązywaniu heterogeniczności komórkowej, a tym samym wspomagać zastosowania biomedyczne (testy in vitro, terapia komórkowa) i optymalizować ilościowy odczyt poprzez skupienie się na najbardziej istotnej podgrupie24,26. W ciągu ostatnich kilku lat zidentyfikowano różne kombinacje antygenów powierzchniowych, aby umożliwić ilościowe określenie i izolację specyficznych typów komórek neuronalnych. Obejmuje to CD133 do wzbogacania neuronalnych komórek macierzystych27, kombinację antygenów powierzchniowych CD15/CD24/CD29 do izolacji NSC, zróżnicowanych neuronów i komórek grzebienia neuronalnego28 lub CD15/CD24/CD44/CD184/CD271 do izolacji podgrup neuronalnych i glejowych25, wśród innych sygnatur29,30. Poza neuronami, markery glejowe obejmują A2B531, CD4425, NG232 i GLAST33. W niedawnej publikacji wykorzystano marker prekursorów płyty dna śródmózgowia CORIN34,35 w celu wzbogacenia prekursorów dopaminergicznych w paradygmatach transplantacji komórek w chorobie Parkinsona36. Cząsteczki CD nie są jedynie markerami, lecz funkcjonalnie istotnymi mediatorami oddziaływań międzykomórkowych oraz zdolności komórki do reagowania na sygnały z cząsteczek macierzy pozakomórkowej i czynników wzrostu37. Jedną ze strategii dalszego rozszerzania arsenału kombinatorycznych antygenów CD do charakterystyki rozwoju linii neuronalnej jest wykorzystanie znanych markerów wewnątrzkomórkowych do przesiewania i definiowania kombinacji antygenów CD dla konkretnego, interesującego nas typu komórek. Niedawno zastosowaliśmy takie podejście i zidentyfikowaliśmy kombinatoryczne wzorce ekspresji CD49f–/CD200high jako nową metodę wzbogacania podgrup neuronowych z systemów hodowli indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych zróżnicowanych w kierunku neuronalnym38. Przedstawiamy i omawiamy poniżej ten protokół (oraz jego opcjonalne warianty), w którym barwienie powierzchniowe i barwienie wewnątrzkomórkowe mogą być stosowane jednocześnie do definiowania subpopulacji komórek neuronalnych za pomocą cytometrii przepływowej.

Rycina 2. Schemat blokowy opcji protokołu eksperymentalnego. Rycina przedstawia schematyczne ujęcie głównych etapów zawartych w protokole. Kroki opcjonalne (znakowanie barwnikiem CFSE lub znakowanie antygenów wewnątrzkomórkowych) zaznaczono jasnoszarymi polami. Po zbiorze niezbędna jest ocena żywotności i liczby komórek w zawiesinach komórek nerwowych przed barwieniem powierzchni komórkowych. Oprócz badanych próbek należy uwzględnić kontrole pozytywne oraz negatywne. Próbki mogą być analizowane za pomocą cytometrii przepływowej i/lub wykorzystane w schematach sortowania komórek. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Choć wcześniej stosowaliśmy przeciwciało pierwotne w połączeniu z przeciwciałem wtórnym do barwienia wewnątrzkomórkowego38, obecnie wprowadzamy niekowalencyjne znakowanie przeciwciała pierwotnego za pomocą fluorescencyjnych fragmentów Fab (znakowanie Zenon) jako niewielką modyfikację, co pozwala na zmniejszenie liczby etapów manipulacji komórkami39. Ponadto, jako kolejny przykład wszechstronności protokołu, stosujemy opcjonalne znakowanie jednego podzbioru eksperymentalnego za pomocą estru succinimidylowego karboksyfluoresceiny (CFSE) przed barwieniem antygenów powierzchniowych. Takie wstępne znakowanie CFSE umożliwia bezpośrednie porównanie dwóch linii komórkowych lub warunków eksperymentalnych (znakowane CFSE vs. nieznakowane) w jednej probówce z próbką, co redukuje wariancję lub subtelne różnice w czasie inkubacji oraz pozwala oszczędzać przeciwciała. CFSE jest uznanym barwnikiem fluorescencyjnym powszechnie stosowanym w badaniach nad śledzeniem komórek40, proliferacją41,42 oraz w eksperymentach z kodowaniem paskowym (barcoding)43,44. Wreszcie, choć rzeczywiste etapy sortowania (FACS, immunomagnetyczna separacja komórek lub immunopanning) nie stanowią części tego protokołu, opisane tutaj procedury pozyskiwania i znakowania w zasadzie pozwalają na uzyskanie próbek, które mogą zostać poddane aplikacjom sortowania opartym na znakowaniu antygenów powierzchniowych lub wewnątrzkomórkowych15 25,28.
W niniejszym artykule dążymy do: podsumowania skutecznego protokołu barwienia antygenów powierzchniowych25,28, omówienia protokołu wykrywania celów wewnątrzkomórkowych, a także łączonej analizy antygenów powierzchniowych i wewnątrzkomórkowych38, przedstawienia etapu znakowania wewnątrzkomórkowego barwnikiem CFSE41,45 jako opcji eksperymentalnej do analiz porównawczych populacji komórek neuronalnych oraz podsumowania podejść do analizy cytometrycznej (odpowiednie kontrole13,46, strategia bramkowania i prezentacja danych47).