Oświadczenie etyczne
Badanie to zostało zatwierdzone przez Komitet Etyki Czwartego Szpitala w Shijiazhuang (numer zatwierdzenia 20200031). Przed pobraniem próbek od wszystkich dawców tkanek łożyska uzyskano pisemną świadomą zgodę. Wszystkie procedury z udziałem ludzi zostały przeprowadzone zgodnie z Deklaracją Helsińską. Pełna lista odczynników, materiałów eksploatacyjnych, sprzętu i oprogramowania użytych w tym protokole znajduje się w Tabeli materiałów.
Gromadzenie danych
Dane RNA-seq pobrano z bazy danych GEO. Zbiory danych obejmowały GSE75010, który zawiera dane o ekspresji genów z 157 łożysk z PE i 173 łożysk bez PE (N = 330). GSE10588 zawiera dane o ekspresji genów z 26 normalnych łożysk i 17 łożysk z ciężkim PE (N = 43). GSE60438 zawiera dane z profilowania transkryptomu decidua basalis od pacjentek z PE oraz z ciąż normotensyjnych (N = 125). Dane transkryptomiczne z pojedynczych komórek pobrano ze zbioru danych GEO GSE183338. Obejmuje on próbki pojedynczych jąder komórkowych z kosmków błonowych/interfejsu matczyno-płodowego w ciążach z PE oraz zdrowych ciążach.
Analiza DEG
W pierwszej kolejności poddano wstępnemu przetwarzaniu i normalizacji zbiory danych GSE75010, GSE10588 oraz GSE60438 dotyczące genów różnicowo wyrażonych (DEG) powiązanych z PE. Następnie, w oparciu o informacje o grupach próbek, przeprowadzono analizę różnicową przy użyciu pakietu R „limma”14. Wybrano geny o wartości p < 0.05 oraz |log2FC| > 0.5. Wykresy wulkaniczne (volcano plots) dla DEG wygenerowano za pomocą pakietu R ggplot2. Mapy ciepła (heat maps) dla 20 najważniejszych DEG sporządzono przy użyciu pakietu R pheatmap. Następnie wyznaczono część wspólną DEG wybranych z trzech zbiorów danych i skonstruowano sieć oddziaływań białko-białko (PPI) dla genów kandydackich za pomocą platformy online STRING, przyjmując wynik oddziaływania ≥0.15. Z tej sieci PPI zidentyfikowano 20 głównych genów węzłowych (hub genes) na podstawie stopnia ich łączności, rankując je za pomocą oprogramowania Cytoscape. Wyniki sieci PPI zwizualizowano przy użyciu oprogramowania Cytoscape lub platformy STRING.
Analiza wzbogacenia
Analizę wzbogacenia genów przeprowadzono przy użyciu pakietów ClusterProfiler i DOSE w połączeniu ze stroną internetową Metascape. Bazy danych pobrano z GO oraz KEGG. Analizę wzbogacenia wykonano za pomocą funkcji „EnrichGO”. Ścieżki z p < 0,05 uznano za istotnie wzbogacone. Wyniki wzbogacenia zwizualizowano przy użyciu pakietów „ggplot2” i „ggpubr”.
Uczenie maszynowe
Aby zidentyfikować stabilne i biologicznie istotne DEG związane z PE, przeprowadzono analizę selekcji cech z wykorzystaniem wielu modeli uczenia maszynowego w oparciu o publicznie dostępny zbiór danych transkryptomicznych GSE60438 (platforma: GPL6884). Zbiór ten zawiera profile ekspresji próbek decidua basalis pobranych podczas cesarskiego cięcia z ciąż z preeklampsją oraz ciąż normotensyjnych. Wstępnie przefiltrowane DEG zostały znormalizowane, a macierz ekspresji, wraz z odpowiadającymi im informacjami o grupach klinicznych, posłużyła jako dane wejściowe dla czterech różnych algorytmów uczenia maszynowego w celu zredukowania błędu modelu i zwiększenia stabilności selekcji cech.
Cztery algorytmy zastosowano jednocześnie, bez określonej kolejności. Analizę LASSO przeprowadzono przy użyciu pakietu „glmnet” w celu wykonania analizy regresji i wyboru istotnych genów jako cech. Do funkcji straty dodano człon regularyzacji L1, który redukuje współczynniki mniej istotnych cech do zera, umożliwiając tym samym selekcję cech. Metodę SVM-RFE zaimplementowano przy użyciu pakietu „e1071” w celu zbudowania maszyny wektorów wspierających z rekurencyjną eliminacją cech. Najpierw wytrenowano klasyfikator SVM, a następnie iteracyjnie usuwano najmniej informacyjne cechy na podstawie wag cech, co pozwoliło uzyskać optymalny podzbiór cech. Algorytm XGBoost zastosowano przy użyciu pakietu „xgboost” do budowy wielu drzew decyzyjnych. Każde drzewo dopasowywało reszty z poprzedniego drzewa, a ważone wyniki kumulowano w celu uzyskania końcowej predykcji. Algorytm Boruta wykonano przy użyciu pakietu „randomForest”, generując cechy zastępcze (shadow features), które konkurowały z rzeczywistymi cechami podczas trenowania lasu losowego. Zachowano cechy, których wartości istotności były znacząco wyższe niż w przypadku szumu losowego.
Analiza danych transkryptomicznych z pojedynczych komórek
Dane transkryptomiczne z pojedynczych komórek pobrano z bazy danych GEO, a surową macierz zliczeń pobrano z zestawu GSE183338. Macierz zliczeń zaimportowano za pomocą funkcji „Read10X” pakietu Seurat i przekonwertowano do formatu dgCMatrix. Poszczególne obiekty scalono w jeden zagregowany obiekt za pomocą funkcji „merge”, a etykiety komórek uczyniono unikalnymi przy użyciu „RenameCells”. Komórki niskiej jakości odfiltrowano na podstawie następujących kryteriów: usunięto geny wykazujące ekspresję w mniej niż trzech komórkach oraz wykluczono komórki wykazujące ekspresję mniej niż 200 genów. Komórki po kontroli jakości poddano normalizacji i zidentyfikowano geny o wysokiej zmienności. Globalną normalizację skalowania zastosowano przy użyciu „LogNormalize” (scale factor = 10 000), wyselekcjonowano geny o wysokiej zmienności (n = 2 000) za pomocą „FindVariableFeatures”, a dane przeskalowano przy użyciu „ScaleData”. Analizę głównych składowych przeprowadzono dla cech o wysokiej zmienności i zachowano 30 głównych składowych. Efekty serii między próbkami skorygowano metodą Harmony. Komórki wizualizowano i redukowano wymiarowo za pomocą UMAP. Grafy wspólnych najbliższych sąsiadów skonstruowano przy użyciu funkcji „FindNeighbors” i „FindClusters” w oparciu o algorytm Louvain. Parametr rozdzielczości (resolution) w funkcji „FindClusters” zoptymalizowano w zakresie od 0,1 do 1. Drzewo klastrowania zwizualizowano za pomocą funkcji „clustree”, a do zdefiniowania klastrów komórkowych wybrano rozdzielczość 0,9. Potencjalne dublety usunięto za pomocą algorytmu Scrublet. Klastry komórkowe adnotowano poprzez identyfikację różnicowo wyrażonych genów markerowych za pomocą funkcji „FindAllMarkers”. Zastosowano nieparametryczny test suma rang Wilcoxona z korektą Bonferroniego. Tożsamość komórek przypisano na podstawie markerów powierzchniowych, odpowiedniej literatury oraz bazy Cell Classification Database15.
Kultura komórek
Linia komórek trofoblastu HTR-8/SVneo była hodowana w pożywce RPMI-1640 uzupełnionej o 10% płodowej surowicy bydlęcej oraz 1% penicyliny/streptomycyny. Warunki hipoksji uzyskano poprzez hodowlę komórek w atmosferze 1% O₂, 5% CO₂ i 94% N₂ przez 24 h; kontrolę normoksji utrzymywano w atmosferze 20% O₂ i 5% CO₂16. Wszystkie procedury hodowli komórkowych należy przeprowadzać w komorze z laminarnym przepływem powietrza klasy II, stosując techniki aseptyczne. Pożywki hodowlane, odczynniki do transfekcji oraz odpady komórkowe należy utylizować zgodnie z instytucjonalnymi wytycznymi dotyczącymi bezpieczeństwa biologicznego.
Transfekcja komórek
Zsyntetyzowano plazmidy zawierające sh-SASH1, sh-NC, OE-SASH1 oraz OE-NC. Komórki HTR-8/SVneo wysiano w płytkach 6-dołkowych z zagęszczeniem 5 × 105 komórek na dołek. Następnie komórki przetransfekowano 2 µg plazmidu sh-SASH1, sh-NC, OE-SASH1 lub OE-NC na dołek, stosując odczynnik do transfekcji zgodnie z instrukcjami producenta. W skrócie: DNA plazmidowe oraz odczynnik P3000 rozcieńczono w Opti-MEM, zmieszano z Lipofectamine 3000 rozcieńczoną oddzielnie w Opti-MEM, inkubowano przez 15 min w temperaturze pokojowej, a następnie dodano do komórek przy ich 70–80% konfluencji. Czterdzieści osiem godzin po transfekcji oceniono ekspresję SASH1 za pomocą RT-qPCR i Western blot. Sekwencje docelowe shRNA użyte do wyciszenia SASH1 wymieniono w Supplementary Table 1.
Ilościowa PCR w czasie rzeczywistym
Całkowite RNA wyekstrahowano z komórek HTR-8/SVneo i poddano odwrotnej transkrypcji do cDNA przy użyciu zestawu do odwrotnej transkrypcji w temperaturze 42 °C przez 30 min, a następnie w 85 °C przez 5 min. Ilościową reakcję PCR w czasie rzeczywistym (qPCR) przeprowadzono z użyciem SYBR Green master mix w następujących warunkach cyklicznych: 95 °C przez 10 min, a następnie 40 cykli obejmujących 95 °C przez 15 s oraz 60 °C przez 1 min. Względną ekspresję mRNA obliczono metodą ΔΔCt, przyjmując β-actin jako referencję wewnętrzną. Sekwencje starterów użytych w tym eksperymencie wymieniono w Tabeli uzupełniającej 2.
Analiza Western blot
Całkowite białko wyekstrahowano z komórek HTR-8/SVneo przy użyciu buforu do lizy. Lizaty komórkowe zebrano, inkubowano na lodzie, a następnie wirowano przy 12 000 × g przez 30 min w temperaturze 4 °C w celu usunięcia nierozpuszczalnych zanieczyszczeń. Stężenie białka określono za pomocą spektrofotometru. Równe ilości białka (50 µg) rozdzielono metodą SDS-PAGE, a następnie przeniesiono na membrany PVDF. Membrany zablokowano 5% roztworem mleka odtłuszczonego i inkubowano z przeciwciałami pierwszorzędowymi przez noc w temperaturze 4 °C. Po przemyciu membrany inkubowano z odpowiednimi przeciwciałami drugorzędowymi, a prążki białkowe zwizualizowano za pomocą systemu detekcji z wzmocnioną chemiluminescencją.
Do detekcji białek zastosowano przeciwciała pierwotne: anty-SASH1 oraz anty-β-actin. Wykorzystano odpowiednie przeciwciała wtórne sprzężone z peroksydazą chrzanową (HRP) – kozie anty-królicze oraz kozie anty-mysie. β-actin posłużyło jako wewnętrzna kontrola ładunku w celu zapewnienia równoważnej ilości naniesionego białka. Intensywność prążków białkowych zmierzono i określono ilościowo przy użyciu oprogramowania ImageJ.
Izolacja P-EXOS
P-EXOS wyizolowano z tkanki kosmków błon płodowych uzyskanej z łożysk donoszonych u zdrowych kobiet poddawanych planowemu cięciu cesarznemu. Tkankę kosmków błon płodowych dokładnie przemyto sterylnym PBS, posiekano na fragmenty o wielkości około 1 mm3 i hodowano w pożywce RPMI-1640 uzupełnionej o 10% FBS pozbawionego egzosomów w temperaturze 37 °C w 5% CO2 przez 48 h. Kondycjonowaną pożywkę poddano wirowaniu różnicowemu w następujący sposób: 300 × g przez 10 min w celu usunięcia komórek i resztek tkankowych; 2,000 × g przez 20 min w celu usunięcia szczątków komórkowych oraz 10,000 × g przez 30 min w celu usunięcia mikropęcherzyków, wszystko w temperaturze 4 °C. Otrzymany nadosad poddano ultrawirowaniu przy 120,000 × g przez 70 min w 4 °C w celu osadzenia egzosomów. Osad przemyto raz PBS i ponownie ultrawirowano przy 120,000 × g przez 70 min w 4 °C. Końcowy osad resuspendowano w PBS. Wyizolowane egzosomy scharakteryzowano za pomocą analizy Western blot w kierunku markerów egzosomów (PLAP, CD63 i TSG101, z GM130 jako kontrolą negatywną), a następnie poddano analizie za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej w celu obserwacji morfologicznej.
Eksperyment pobierania komórkowego P-EXOS
Aby potwierdzić internalizację komórkową P-EXOS, egzosomy znakowano fluorescencyjnie lipofilowym barwnikiem błonowym PKH67 zgodnie z protokołem producenta. W skrócie, P-EXOS inkubowano z PKH67 (4 µM) w rozcieńczalniku C przez 5 min w temperaturze pokojowej, a następnie reakcję zatrzymano poprzez dodanie równiej objętości 1% albuminy surowicy bydlęcej (BSA). Znakowane egzosomy ponownie wyizolowano metodą ultrawirowania (120,000 × g, 70 min, 4 °C), aby usunąć niezwiązany barwnik. Następnie znakowane PKH67 P-EXOS (50 µg/mL) dodano do komórek HTR-8/SVneo i współinkubowano przez 24 h w warunkach normoksji lub hipoksji (1% O₂). Komórki przemyto następnie trzy razy PBS, utrwalono 4% paraformaldehydem przez 15 min, a jądra komórkowe przeciwbarwiono DAPI (1 µg/mL). Internalizację egzosomów znakowanych PKH67 zwizualizowano za pomocą konfokalnej mikroskopii skaningowej (CLSM; wzbudzenie 490 nm, emisja 502 nm). W eksperymentach z funkcjonalną ko-kulturą komórki HTR-8/SVneo traktowano P-EXOS w stężeniu 50 µg/mL (ekwiwalent białka) w pełnej pożywce RPMI-1640 uzupełnionej o 10% FBS pozbawionego egzosomów w warunkach hipoksji (1% O₂) przez 24 h.
Test immunoenzymatyczny (ELISA)
Zebrano nadsącz z hodowli komórkowych, a poziomy IL-6, IL-1β i TNF-α zmierzono odpowiednio za pomocą zestawów ELISA do IL-6, IL-1β i TNF-α, zgodnie z instrukcjami producentów. Absorbancję przy 450 nm zmierzono za pomocą czytnika mikroplatek, a rzeczywiste stężenia obliczono na podstawie krzywych wzorcowych.
Metoda TUNEL (znakowanie końców nacięć dUTP za pomocą TdT)
Komórki apoptotyczne wykryto przy użyciu zestawu do testu TUNEL zgodnie z instrukcjami producenta. W skrócie, komórki utrwalono 4% paraformaldehydem przez 15 min w temperaturze pokojowej, permeabilizowano 0,1% Triton X-100 w PBS przez 5 min na lodzie, a następnie inkubowano z mieszaniną reakcyjną TUNEL przez 60 min w 37 °C w ciemności. Jądra komórkowe przeciwbarwiono DAPI, a komórki TUNEL-dodatnie zwizualizowano za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego i poddano kwantyfikacji poprzez obliczenie procentu komórek TUNEL-dodatnich w co najmniej pięciu losowo wybranych polach dla każdej próbki.
Analiza statystyczna
Wszystkie dane analizowano przy użyciu programów R oraz GraphPad Prism. Zmienne ciągłe przedstawiono jako średnia ±SD. Porównania dwóch grup przeprowadzono za pomocą testu t-Studenta, natomiast porównania wielu grup wykonano przy użyciu jednoczynnikowej analizy wariancji (ANOVA) z następującym po niej testem post hoc Tukeya. Istotność statystyczną dla zmiennych kategorycznych oceniano za pomocą testu chi-kwadrat lub dokładnego testu Fishera. O ile nie wskazano inaczej, korelacje między cząsteczkami obliczono za pomocą analizy korelacji Spearmana. Eksperymenty dotyczące charakterystyki egzosomów przeprowadzono z użyciem P-EXOS wyizolowanych od trzech niezależnych dawców łożyska. Eksperymenty na liniach komórkowych przeprowadzono w trzech niezależnych powtórzeniach biologicznych, reprezentujących niezależne doświadczenia wykonane w różnych terminach z użyciem komórek HTR-8/SVneo o różnych pasażach, przy czym w każdym powtórzeniu zastosowano P-EXOS wyizolowane od innego dawcy łożyska. Za istotną statystycznie uznano wartość p < 0,05.