Здесь мы представляем протоколы, которые позволяют выделить стромальные клетки из костей мыши, костного мозга, тимуса и ткани тимуса человека, совместимые с мультиомикой одиночных клеток.
Методическая статья
* These authors contributed equally
Здесь мы представляем протоколы, которые позволяют выделить стромальные клетки из костей мыши, костного мозга, тимуса и ткани тимуса человека, совместимые с мультиомикой одиночных клеток.
Секвенирование одиночных клеток позволило картировать гетерогенные клеточные популяции в строме кроветворных органов. Эти методологии обеспечивают линзу, через которую можно изучать ранее неразрешенную гетерогенность в равновесном состоянии, а также изменения в представлении типа клеток, вызванные внешними стрессами или во время старения. Здесь мы представляем пошаговые протоколы выделения высококачественных популяций стромальных клеток из мышиной и тимуса человека, а также мышиной кости и костного мозга. Клетки, выделенные с помощью этих протоколов, подходят для создания высококачественных наборов данных мультиомики для отдельных клеток. Здесь обсуждается влияние переваривания образцов, истощения гемопоэтической линии, анализа/сортировки FACS, а также то, как эти факторы влияют на совместимость с секвенированием одиночных клеток. С примерами профилей FACS, указывающих на успешную и неэффективную диссоциацию и выход стромальных клеток ниже по потоку в анализе после секвенирования, предоставляются узнаваемые указатели для пользователей. Учет специфических требований к стромальным клеткам имеет решающее значение для получения высококачественных и воспроизводимых результатов, которые могут продвинуть знания в этой области.
У здорового взрослого человека de novo производство клеток крови происходит в костном мозге и вилочковой железе. Стромальные клетки в этих участках необходимы для поддержания кроветворения, но строма составляет менее 1% ткани 1,2,3,4. Таким образом, получение чистых изолятов стромы, поддерживающих кроветворение, представляет собой значительную проблему, особенно для мультиомики одиночных клеток, которая требует целесообразной обработки для получения образцов высокого качества. Компоненты различных коктейлей для пищеварения могут мешать определенным этапам мультиомного анализа 5,6. Представленные здесь протоколы подробно описывают выделение широкого спектра стромальных клеток из тканей костного мозга и тимуса.
Нарушения стромальных составляющих как в костном мозге, так и в тимусе приводят к глубокому нарушению развития клеток крови и могут привести к злокачественным новообразованиям 7,8,9. Строма, поддерживающая кроветворение, повреждается после цитотоксического кондиционирования и трансплантации костного мозга, что приводит к снижению секреции цитокинов и факторов роста, поддерживающих гемопоэтические стволовые клетки и клетки-предшественники (ГСК)2,10,11. Кроме того, старение влияет на стромальные клетки костного мозга и тимуса, что, вероятно, способствует старению гемопоэтических фенотипов. Тимус является первым органом, который подвергается обширной возрастной инволюции. Жировая и фиброзная ткань начинают замещать поддерживающую строму Т-клеток уже в начале периода полового созревания 12,13. В костном мозге с возрастом увеличивается содержание адипоцитов, а сосудистые и эндостальные ниши значительно ремоделируются 14,15,16.
Чтобы изучить поддерживающую строму кроветворения при множественных стрессовых состояниях и в случае тимуса как человеческой, так и мышиной ткани, мы оптимизировали ранее опубликованные протоколы пищеварения 1,2,8,17,18. Эти протоколы обеспечивают эффективную и воспроизводимую изоляцию клеток и совместимы с секвенированием РНК одиночных клеток (scRNAseq) и другими типами мультиомики.
Все работы с человеческими тканями проводились после одобрения Совета по внутреннему контролю Массачусетской больницы общего профиля (IRB). Все процедуры на животных проводились в соответствии с рекомендациями Комитета по уходу за животными и их использованию (IACUC) Массачусетской больницы общего профиля. В настоящем исследовании использовались мыши C57Bl/6 в возрасте 8-10 недель, а также самцы и самки. Животные были получены из коммерческого источника (см. Таблицу материалов).
1. Подготовка тимусовой ткани мыши
2. Подготовка ткани тимуса человека
3. Подготовка костной ткани и костного мозга мыши
ПРИМЕЧАНИЕ: Фракции костей и костного мозга получают в двух отдельных реакциях пищеварения для получения максимальной чистоты стромальных клеток и оптимальной диссоциации тканей. После этапов разложения образцы могут быть объединены и отсортированы в один стромальный компартмент.
Эти протоколы позволяют получить воспроизводимые разновидности стромальных клеток из тимуса и костного мозга, пригодные для проточного цитометрического анализа, а также для мультиомики одиночных клеток, такой как секвенирование scRNA. Мышиная ткань тимуса претерпевает значительное ремоделирование в ответ на стрессоры, такие как цитотоксическое кондиционирование, которое предшествует трансплантации костного мозга, или естественный процесс старения. Как следствие, клеточностность тимуса резко снижается в обоих этих условиях (рис. 1А). В то время как вилочковая железа 8-недельной мыши дикого типа содержит около 100 миллионов клеток, можно ожидать, что клеточность двухлетней мыши будет вдвое меньше, а вилочковая железа через 4 дня после облучения и трансплантации костного мозга может составлять всего 5 000 000 клеток (рис. 1A).
Цитотоксическое кондиционирование будет преимущественно абляцией гемопоэтических клеток, поэтому стромальный компартмент будет пропорционально обогащен (Рисунок 1B). Тем не менее, общая низкая клеточность затрудняет выделение достаточного количества стромальных клеток тимуса. Таким образом, может возникнуть необходимость в объединении животных для получения номеров ячеек, совместимых с последующими приложениями мультиомики, и для минимизации потерь материала везде, где это возможно. Для проведения мультиомики стромальных клеток тимуса флуоресцентно-активируемая сортировка клеток (FACS) живых одиночных CD45-Ter119-клеток (рис. 1C) обеспечит сортировку достаточного количества клеток из большинства стрессовых условий.
Чтобы сохранить гетерогенность компартмента стромы, мы обычно не сортируем по одному положительному маркеру стромы, а отбрасываем гемопоэтические клетки. Включение положительных маркеров стромальных клеток по-прежнему рекомендуется для анализа, чтобы убедиться в том, что была достигнута надлежащая диссоциация тканей. Тем не менее, выделение FACS несовершенно, и, как определено scRNAseq, 30%-50% отсортированных клеток будут иметь гемопоэтическое происхождение (рис. 1D, E). Это может быть улучшено путем магнитного истощения CD45+ клеток перед FACS; однако это не рекомендуется в условиях сниженной клеточности тимуса (Рисунок 1A), поскольку потеря материала, которая происходит при дополнительной обработке, связанной с магнитным истощением, приводит к тому, что выход стромы становится слишком низким для последующих применений.
Для выделения стромы тимуса человека наиболее важным этапом является ферментативное пищеварение. Если этап диссоциации будет поспешным, общий выход стромальных клеток, а также представление подтипа стромальных клеток будут значительно снижены (рис. 2A). Также рекомендуется всегда включать маркеры эндотелия тимуса и эпителия, чтобы гарантировать, что переваривание тканей было оптимальным, так как простого отрицательного гейтирования на гемопоэтические маркеры будет недостаточно для измерения фактического высвобождения стромальных клеток. Это проиллюстрировано на рисунке 2А, где процент клеток, отрицательных на гемопоэтические маркеры, выше в образце, переваренном в течение 30 минут, по сравнению с образцом, инкубированным в течение 90 минут. Однако, как видно на последовательных воротах, выход эндотелиальных и эпителиальных клеток очень низкий при более коротком протоколе пищеварения (рис. 2A).
Для выделения FACS стромальных клеток тимуса человека для мультиомных приложений предлагается окрашивание коктейлем антител гемопоэтической линии, а также антителами CD4 и CD8, в дополнение к пангемопоэтическому маркеру CD45 и эритроидному маркеру CD235a (рис. 2B) для улучшения обогащения стромальных клеток. Таким образом, для мультиомного анализа стромы тимуса человека живые, одиночные, CD45-CD235a-Lineage-CD4-CD8- клетки должны быть отсортированы методом FACS (рис. 2B). Как видно на примере scRNAseq образцов мышей, это по-прежнему приводит к контаминации 30%-50% гемопоэтических клеток, но это все еще дает приемлемое разрешение стромального компартмента тимуса человека (рис. 2C, D).
Для костной и костной стромы использовалась та же стратегия, что и для ткани тимуса; стромальные клетки выделяют путем гейтирования на клетках, отрицательных по гемопоэтическим маркерам, и дополнительные маркеры стромальных клеток включаются в качестве контроля пищеварения (рис. 3). Диссоциация кальцинированной ткани, такой как кость, приводит к значительному накоплению мусора. Добавление кальцеина в качестве красителя жизнеспособности позволит исключить большую часть этого мусора, который в противном случае ложно раздувает отсортированные цифры и снижает частоту закрытых популяций (рис. 3). Это иллюстрируется графиками FACS, сравнивающими стробирование на всех элементах и только стробирование на Calcein+ (рис. 3). Как видно из стромальных клеток тимуса человека, процент гемопоэтических маркер-отрицательных клеток не является надежным показателем эффективности диссоциации костей и тканей КМ (рис. 3). В то время как CD45-Ter119-gate может содержать большое количество клеток в образце, где стадия пищеварения не удалась, дальнейший анализ типичных костных и костных маркеров стромальных клеток CD31, CD140a и CD51 ясно демонстрирует плохое высвобождение стромы (рис. 3 и рис. 4).
Для выделения с помощью FACS стромальных клеток мышиной кости и КМ рекомендуется использовать стратегию гейтирования, как показано на рисунке 3, где мы сортируем только CD45-Ter119-Calcein+, но контролируем свойства прямого и бокового рассеяния и экспрессию маркеров стромальных клеток отсортированной популяции для обеспечения оптимального пищеварения (рисунок 3A). Комбинация гемопоэтической линии с положительным магнитным истощением костного мозга костного мозга до FACS и сортировкой по показанным воротам приводит к секвенированию одиночных клеток с >90% стромы. Пример такого прогона секвенирования scRNA (рис. 5A, B) иллюстрирует эту низкую гемопоэтическую контаминацию после аннотирования анализируемых клеток на основе транскриптома (примеры генов гемопоэтических маркеров рис. 5C). Это резко контрастирует со стромальными препаратами тимуса, в которых магнитное истощение клеток не проводилось до этапа сортировки из-за ограниченного исходного материала в ткани тимуса после трансплантации (рис. 1F).

Рисунок 1: Анализ проточной цитометрии и секвенирования РНК одиночных клеток стромы тимуса мышей. (A) Количественная оценка количества тимоцитов у 8-недельных мышей (контроль), 8-недельных мышей, получивших летальное облучение и трансплантацию за 4 дня до этого (трансплантация) и 2-летних мышей (возраст). (B) Репрезентативные графики проточной цитометрии, демонстрирующие обогащение подтипов стромальных клеток через 4 дня после летального облучения и трансплантации. (C) Стратегия гейтирования проточной цитометрии для сортировки стромы тимуса мыши для мультиомного анализа одиночных клеток. (D) UMAP мышиной тимуса с указанием стромы (синий) и кроветворных клеток (красный). (E) UMAP, показывающие гены гемопоэтических маркеров мышей в образцах тимуса. (F) Количественная оценка стромальных и кроветворных клеток мыши в образцах scRNAseq тимуса. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Анализ проточной цитометрии и секвенирования РНК одиночных клеток стромы тимуса человека. (A) Графики FACS, показывающие репрезентативные результаты влияния различных времен переваривания на высвобождение популяций стромальных клеток тимуса человека. (B) Стратегия стробирования проточной цитометрии для сортировки стромы тимуса человека для мультиомного анализа отдельных клеток. (C) UMAP тимуса человека с указанием стромы (синий) и кроветворных клеток (красный). (D) UMAP, показывающие гены гемопоэтических маркеров человека в образцах тимуса. (E) Количественная оценка стромальных и кроветворных клеток человека в образцах scRNAseq тимуса. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3: Стромальные маркеры костного мозга мышей и кальцеин полезны для оценки эффективности диссоциации. (A) Репрезентативный анализ проточной цитометрии стромальных клеток костного мозга CD45-Ter119 мышиного костного мозга, забитых на всех клетках и клетках Calcein+. С последующим CD31-гейтированием, показывающим более высокую долю клеток CD140a+CD51+ при выборе клеток Calcein+. (B) Анализ проточной цитометрии свидетельствует о неудачном переваривании в кости с отсутствующими CD140a+CD51+ клетками. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 4: Стратегия гейтирования стромы костного мозга. (A) Стратегия гейтирования проточной цитометрии для сортировки стромы костного мозга мышей по мультиомике одиночных клеток. (B) Анализ проточной цитометрии свидетельствует о неудачном переваривании костного мозга с отсутствующими CD140a+CD51+ клетками. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 5: Секвенирование одноклеточной РНК костного мозга с составом стромальных и гемопоэтических клеток. (A) UMAP костей и костного мозга мышей с указанием стромы (синий) и кроветворных клеток (красный). (B) Количественная оценка стромальных и гемопоэтических клеток в образцах костей и костного мозга мышей. (C) UMAP генов гемопоэтических маркеров в образцах костного мозга мышей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Стромальные клетки в кроветворных органах имеют решающее значение для нормального производства крови, и нарушения стромы кроветворения могут привести к серьезным нарушениям поддержания кроветворения и реакции на стресс 9,23,24. Понимание гемопоэтических стромальных клеток имеет важное значение для понимания гематологических заболеваний 7,9,10,24 и для возможности разработки терапевтических средств для борьбы с ними25,26. Однако воспроизводимое отделение гемопоэтической стромы от паренхимы является сложной задачей, особенно с появлением мультиомики одиночных клеток, которые требуют высококачественной подготовки образцов при максимальном увеличении выхода и разнообразия стромальных клеток. Описанные здесь протоколы были оптимизированы для обеспечения совместимости с большинством последующих мультиомных приложений, одновременно решая задачи выделения гемопоэтических стромальных клеток 1,2,19.
Первым вопросом, который необходимо учитывать при выделении гемопоэтических стромальных клеток, являются условия диссоциации. Оптимальная диссоциация имеет решающее значение для высвобождения клеток стромы из ткани, чтобы отразить полную гетерогенность компартмента стромы 1,2. Выбор правильной диссоциативной смеси зависит от объема эксперимента и протоколов нижележащего звена. Мы бы рекомендовали готовить диссоциационные смеси как можно более свежими и держать их на льду до использования. Некоторые компоненты трудно растворяются, например, диспаза, и для смешивания пипеток может потребоваться больше времени. Вортексинг не рекомендуется, так как это может нарушить нативную конформацию ферментов пищеварения, что в конечном итоге приведет к их инактивации. Важно отметить, что ЭДТА ингибирует ферментативную активность, и ее следует избегать на этапах активного пищеварения, но ее можно использовать для остановки реакции, если буфер, содержащий фермент, не может быть удален быстро. В дополнение к самой смеси ферментов, два момента имеют решающее значение для эффективной диссоциации ткани: (1) тщательное измельчение и нарезка для увеличения площади поверхности и (2) достаточное время инкубации с ферментами пищеварения. Например, ткань тимуса человека значительно труднее диссоциировать, чем ткань мыши, поэтому время переваривания должно быть больше. Если не будет проведена поправка на ткани человека, выход стромы и разнообразие клеток будут снижены (Рисунок 2A). Ферменты диссоциации требуют оптимальной температуры 37 °C, что неизбежно влияет на экспрессию генов27. Несмотря на то, что холодная диссоциация или диссоциация при более низких температурах была бы желательна для сохранения состояния клеток, в настоящее время не существует коммерчески доступных комбинаций ферментов холодноактивной диссоциации, подходящих для костей и костного мозга. Для любой ткани, требующей переваривания, гетерогенность и процентный вклад, полученный от разных типов клеток, будут неизменно меняться в зависимости от времени переваривания, состава ферментного коктейля и обработки. После этих начальных этапов гетерогенность и репрезентация будут дополнительно ограничены стадиями фильтрации, такими как размеры сопел во время сортировки и захвата сложных типов клеток (например, адипоцитов из стромы) и диаметры каналов жидкостных устройств. Таким образом, при сравнении наборов данных мы должны помнить, что эти различия в протоколах могут повлиять на репрезентацию субпопуляций. Из этого логически следует, что мы должны быть бдительны и следить за тем, чтобы этапы обработки данных были одинаковыми при измерении влияния возмущений в стромальных системах.
В то время как стоимость секвенирования снижалась и снижается, технологии с использованием одиночных клеток часто ограничены количеством клеток, которые могут быть проанализированы. Для оптимизации емкости каждого набора реагентов по возможности применялось магнитное истощение гемопоэтических клеток. Это позволяет избежать большого количества загрязняющих клеток, которые гораздо более многочисленны, чем строма, как во фракциях костного мозга, так и во фракциях образцов тимуса. Однако, если исходный материал ограничен, как в случае посттрансплантационной ткани тимуса, повышенная, неспецифическая потеря клеток, которую неизменно приводят стратегии магнитного истощения, может сделать это нецелесообразным. Кроме того, при подготовке и разложении тканей, дроблении, разрезании и ферментативном высвобождении компонентов внеклеточного матрикса образуется большое количество мусора. Этот тип загрязнения, если его оставить в образце для анализа, может вызвать проблемы с засорением при последующей обработке, вызвать отрицательные лунки для сортировки индекса отдельных клеток и сильно раздуть процент родительских затворов при анализе. Окрашивание кальцеином использовалось для определения положительного результата для клеток/живых клеток. Кальцеин бывает разных цветов, что делает его легко адаптируемым к вашей матрице окрашивания. При работе с кальцеином будьте осторожны, чтобы не подвергать краситель повторным циклам замораживания-размораживания (т.е. всегда готовьте свежим и храните при комнатной температуре после растворения).
Возможность мультиплексирования образцов на основе антител, штрих-кодированных с помощью олигос ДНК28 , позволяет повысить полезность реакций секвенирования одиночных клеток на таких платформах, как 10x Genomics. Антитела с хештегами, предназначенные для мультиплексирования образцов, имеют различные мишени для молекул клеточной поверхности или ядерной мембраны и специфичны как для мыши, так и для человека. В то время как система клеточных хештегов успешно используется для нескольких тканей, эксперименты, сочетающие смеси ферментов пищеварения с последующим использованием хэштегов, могут привести к резкому снижению восстановления. Мы попытались включить дополнительные этапы мытья после диссоциации и добавили ЭДТА для ингибирования активности ферментов пищеварения. Тем не менее, даже с этими шагами следует ожидать более низкой идентификации хэштегов, чем у гемопоэтических клеток. Было обнаружено, что при использовании протоколов ферментативного переваривания скорость захвата хэштегов составляла от 30% до 70%. Это происходит несмотря на то, что один и тот же клон антитела с конъюгатом флуорохрома мечет >90% стромальных клеток в той же популяции. Любой экспериментальный дизайн, сочетающий ферментативное расщепление ткани с хештегированием, должен быть опробован и должен быть предостережен для обеспечения ферментативного ингибирования.
D.T.S. является директором и акционером компаний Agios Therapeutics и Editas Medicines; основателем, директором, акционером и членом научно-консультативного совета Magenta Therapeutics и LifeVault Bio, акционером и основателем Fate Therapeutics и Garuda Therapeutics, а также директором, основателем и акционером Clear Creek Bio, консультантом FOG Pharma, Inzen Therapeutics и VCanBio, а также получателем спонсорского финансирования исследований от Sumitomo Dianippon. Д.Т.С и К.Г. являются изобретателями патентных US20220143099A1.
Нам оказали экспертную техническую поддержку специалисты со стороны центра проточной цитометрии HSCI-CRM в Массачусетской больнице общего профиля и центра Bauer Core Facility в Гарвардском университете. Т.К. и К.Г. были поддержаны Шведским исследовательским советом, а К.М. — Немецким научно-исследовательским обществом. Мы благодарим Сергея Исаева и И-Сю Ли за помощь в анализе данных секвенирования РНК одиночных клеток.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| 0,25% Трипсин-ЭДТА | Thermo Fisher Scientific | 25200-072 | |
| 7AAD (7-аминоактиномицин D) | BD Biosciences | 559925 | |
| Античеловеческий Линейный Коктейль 3-FITC | BD Biosciences | 643510 | |
| Бычья сыворотка Альбумин | Миллипор Sigma | A9647 | |
| C57Bl/6 мышей | Джексон | 664 | Самцы или самки, 8-12 недельная давность |
| Кальцеин | Fisher Scientific | 65-0853-78 | |
| Коллагеназа IV | Millipore Sigma | C5138 | |
| Стерильные клеточные фильтры Corning, белый, размер ячеек: 70 & микро; m | Fisher Scientific | 08-771-2 | |
| Disspase II | Thermo Fisher Scientific | 17105041 | |
| Dnase I Solution | Thermo Fisher Scientific | 90083 | 2500 Ед/мл |
| мышиного стрептавидина Easysep RapidSpheres Изоляционный набор | StemCell Technologies | 19860 | |
| Фетальная сыворотка крупного рогатого скота | Gibco | A31605-01 | Квалифицированный One Shot |
| Human Fc Block | BD Biosciences | 564220 | |
| Liberase TM | Millipore Sigma | 5401127001 | Research |
| Grade Medium 199 | Gibco | 12350 | |
| Мышь против человека CD235a-BV77 | BD Biosciences | 740785 | |
| Мышь против человека CD31-PE/Dazzle594 | Biolegend | 303130 | |
| Мышь против человека CD45-BV77 | Biolegend | 304050 | |
| Мышь против человека CD4-BV605 | BD Biosciences | 562658 | |
| Мышь античеловеческая CD66b-FITC | BD Biosciences | 555724 | |
| Мышь античеловеческая CD8-APC/Cy7 | BD Biosciences | 557760 | |
| Мышь античеловеческая EpCam-BV421 | Biolegend | 324220 | |
| Протекторный ингибитор РНКазы | Millipore Sigma | 3335402001 | |
| крыса антимышиная CD105-PE /dazzle594 | Biolegend | 120424 | |
| Крыса анти-мышь CD11b-Биотин | Biolegend | 101204 | |
| Крыса антимышь CD140a-APC | Fisher Scientific | 17-1401-81 | |
| Крыса антимышь CD16/CD32 (мышиный блок BD Fc) | BD Biosciences | 553142 | |
| Крыса антимышиный CD31-BUV737 | BD Biosciences | 612802 | |
| Крыса антимышиный CD31-BV421 | Biolegend | 102424 | |
| Крысиный антимышиный CD3-Биотин | Biolegend | 100244 | |
| Крысиный антимышиный CD45.2-Биотин | Biolegend | 109804 | |
| Крысиный антимышиный CD45-PE/Cy7 | Biolegend | 103114 | |
| Крысиный антимышиный CD45-PE/Cy7 | Biolegend | 103114 | |
| Крысиный антимышиный CD45-PE/Cy7 | Biolegend | 103114 | |
| Крысиный антимышиный CD45R/B220-Биотин | Biolegend | 103204 | |
| Крысиный антимышиный CD51-PE | Biolegend | 104106 | |
| Крысиный антимышиный EpCam-BV711 | BD Biosciences | 563134 | |
| Крысиный антимышиный Ly-6A/E(Sca-1)-AF700 | Biolegend | 108142 | |
| Крысиный антимышиный Ly-6G/Ly-6C(Gr1)-Биотин | Biolegend 108404 | ||
| Крысиный антимышиный Ter119-Биотин | Biolegend | 116204 | |
| Крысиный антимышиный Ter119-PE | Biolegend | 116208 | |
| Крысиный антимышиный Ter119-PE/Cy7 | Biolegend | 116222 | |
| Stemxyme | LS004107 | Уортингтона |
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение