Мультимодальный анализ антиген-специфических иммунных реакций после стимуляции цельной крови патоген-ассоциированными антигенами
Для создания репрезентативного набора данных был выбран здоровый взрослый донор, серопозитивный на ВПГ-1 и ЦМВ, получивший вакцинацию против SARS-CoV-2. В дополнение к нестимулированному контролю, были использованы следующие стимулы, как описано выше: лизат вируса простого герпеса 1 (ВПГ) (рекомендация производителя, неопубликованные данные), цитомегаловирус (ЦМВ) pp6522, коронавирус тяжелого острого респираторного синдрома 2 (SARS-CoV-2) Prot_S 5,23, лизат Aspergillus fumigatus (повсеместно распространенный возбудитель окружающей среды)4,24CRX-527 (стимул Toll-подобного рецептора 4 на основе липополисахарида, который сам по себе не должен активировать Т-клетки)25, и CPI (положительный контроль активации CD4+ Т-клеток, состоящий из пептидов ЦМВ, вируса парагриппа и вируса гриппа)26. Данные проточной цитометрии и стратегия гейтирования показаны на рисунке 3. Как правило, рекомендуется измерять как можно больше лимфоцитов при нацеливании на популяции редких клеток (50 000 - 100 000 лимфоцитов), поскольку точность и надежность измерений зависят от общего числа событий. Нестимулированный образец используется для гейтирования отдельных субпопуляций клеток (например, клеток CD3+CD4+). Вентили для CD45RO и CCR7 для фенотипирования Т-клеток памяти должны быть установлены на общую популяцию CD3+CD4+, а затем перенесены на активационно-маркерные популяции, поскольку низкое количество событий на последних часто препятствует четкой идентификации отдельных популяций. Для отдельных ворот может потребоваться незначительная коррекция, например, для учета различий в жизнеспособности лимфоцитов. Активация CD154 (или лиганда CD40) была описана как глобальный, последовательный и быстро индуцированный маркер активации Т-хелперных клеток28,29. ИФН-γ считается одним из наиболее заметных и специфичных для 1-го типа маркеров активации Т-клеток30,31. Важно отметить, что этот анализ был протестирован и опубликован с различными маркерами дополнительной активации, истощения и цитокинов (см. Таблицу 4 и24).
Частоты активационно-маркер-положительных популяций в нестимулированной выборке представляют собой неспецифический фон и были вычтены из частот, стимулированных антигеном. После вычитания неспецифического фона у репрезентативного донора было 0,75% (ВПГ), 0,09% (ЦМВ), 0,06% (SARS-CoV-2), 0,34% (A. fumigatus), 0,00% (CRX-527) и 1,21% (CPI) специфических CD154+/CD3+CD4+ Т-хелперов соответственно. Экспрессия ИФН-γ может быть проанализирована аналогичным образом, в результате чего образуется 0,12% (ВПГ), 0,07% (ЦМВ), 0,03% (SARS-CoV-2), 0,04% (A. fumigatus), 0% (CRX-527) и 0,74% (CPI) клеток ИФН-γ+/CD3+CD4+ .
Популяции Т-клеток можно далее подразделить на наивные Т-клетки (TN, CD45RO-CCR7+), Т-клетки центральной памяти (TCM, CD45RO+CCR7+), эффекторные Т-клетки памяти (TEM, CD45RO+CCR7-) и эффекторные Т-клетки (а также эффекторные Т-клетки памяти, реэкспрессирующие CD45RA, TE/TEMRA, CD45RO-CCR7-). Среди глобальных CD3+CD4+ Т-клеток репрезентативный донор имел 38,34% TN, 38,33% TCM, 20,77% TEM и 2,56% TE/TEMRA соответственно, что было определено с использованием нестимулированной выборки (рис. 3A). Тем не менее, среди антиген-специфических реактивных Т-хелперов (CD154+IFN-γ+) TCM и TEM были наиболее заметными субпопуляциями, со средними значениями 22,14% и 73,97% соответственно.
Данные о дополнительных популяциях лейкоцитов были ранее опубликованы с использованием данной методики24. Используемые комбинации антител представлены в таблице 4 для дальнейшего ознакомления.
Кроме того, чтобы продемонстрировать весь потенциал этой методологии, был проведен ИФА-γ ИФА на втором наборе стимулированных образцов (без добавления брефельдина А). Для предотвращения превышения дальности обнаружения набора ИФН-γ ИФА плазму из образцов, стимулированных CPI, предварительно разбавляли в соотношении 1:4. Были измерены и нормализованы следующие концентрации ИФН-γ на мл объема крови субъекта, т.е. скорректированы на разведение как в пробирках для стимуляции, так и в разведениях до ИФА: 0 пг/мл (без стимуляции), 69,4 пг/мл (ВПГ), 471 пг/мл (ЦМВ), 17,8 пг/мл (SARS-CoV-2), 61,9 пг/мл (A. fumigatus), 34,0 пг/мл (CRX-527) и 1958 пг/мл (CPI).
Наконец, РНК была выделена из одних и тех же образцов с одинаковыми результатами. Средний выход составил 719 нг, а средний коэффициент поглощения 260 нм/280 нм составил 1,98.
В целом, этот набор данных показывает, что представленный протокол позволяет проводить многогранный спектр считывания и сопутствующий анализ различных инфекций-ассоциированных антигенов с использованием минимального объема крови, т.е. 8 мл в сумме для множественных стимулов и методов считывания.
Репрезентативный набор данных для транскрипционного анализа для отслеживания ответа на вакцинацию с использованием цельной крови, стимулированной антигеном
В качестве доказательства принципа транскрипционных исследований, проведенных на цельной крови, стимулированной антигенами, кровь была собрана у 9 здоровых взрослых субъектов непосредственно до и через 1 месяц после первой бустерной вакцинации BNT162b2 (мРНК-вакцина против SARS-CoV-2)32,33 через 7-9 месяцев после первоначальной серии двухдозовой вакцины. Средний выход РНК из 500 мкл нестимулированной и стимулированной Prot_S цельной крови составил 1,1 мкг высокочистой РНК со средним коэффициентом поглощения 260/280 1,99. После анализа nCounter количество РНК было нормализовано по 12 домашним генам панели (среднее геометрическое). После этого для каждого субъекта и гена определяли соотношение нормализованных количеств мРНК в Prot_S-стимулированных образцах по сравнению с нестимулированным фоновым контролем. Были определены медианные и медианные отношения измерений после и до вакцинации, а также проведен анализ обогащения путей с использованием программного пакета, указанного в Таблице материалов. Обогащение канонических путей было признано значимым при абсолютном значении z-балла ≥ 1,25 и скорректированном p-значении Бенджамини-Хохберга < 0,05. Значительно отличающиеся друг от друга пути обобщения обобщены на рисунке 4A, а упрощенная сеть скорректированных на фон изменений в ответе на Prot_S после и до вакцинации показана на рисунке 4B. Кроме того, более сильная индукция репрезентативных генов, скорректированная на фон, связанная с созреванием антигенпрезентирующих клеток и индуцированной Prot_S активацией Т-клеток после бустерной вакцинации, показана на рисунке 4C (p < 0,01-0,03). Наконец, увеличение скорректированных на фон Prot_S-специфичных Т-хелперов типа 1 (CD69+ИФН-γ+) после вакцинации у большинства доноров было подтверждено с помощью проточной цитометрии с использованием второго набора стимулирующих пробирок (p = 0,03, рис. 4D).
Сравнение вирус-реактивных Т-клеточных ответов в протоколах полномасштабного и малообъемного иммуноферментного анализа на основе цельной крови
Затем сравнивали частоты вирус-реактивных CD154+IFN-γ+ Т-хелперов (CD3+CD4+ клеток) у здоровых добровольцев с использованием полномасштабных (500 μл, WB) и малых (250 μл, WBS) протоколов стимуляции антигена цельной крови (рис. 5). Как сообщалось ранее34, минимальные неспецифические фоновые частоты CD154+ИФН-γ+ клеток наблюдались при любом протоколе, несмотря на двойную костимуляцию (в среднем 0,010% и 0,011% для WB и WBS соответственно). Следует отметить, что, хотя неспецифические фоновые реакции вычитаются из антиген-специфических реакций, они все же способствуют увеличению погрешности анализа, о чем говорилось ранее27. Повышенные фоновые сигналы (т.е. >0,07-0,1% CD154+ Т-клеток или >0,05% CD154+ИФН-γ+ клеток) могут указывать на контаминацию образца, острую инфекцию субъекта или могут быть результатом ненадлежащего предварительного аналитического обращения с образцом.
Средние частоты лизат-реактивных Т-клеток ВПГ у серопозитивных доноров (n = 5) составили 0,151% и 0,107% в системах WB и WBS соответственно по сравнению с 0,012% и 0,004% у серонегативных доноров (n = 4). При пуле пептидов ЦМВ pp65 серопозитивные доноры (n = 4) имели 0,041% и 0,049% реактивных Т-клеток по сравнению с 0,001% и 0,004% у серонегативных доноров (n = 5). Коэффициенты корреляции Лина составили 0,868 для ВПГ и 0,985 для ЦМВ, что свидетельствует о сильной корреляции (рис. 5A). Примечательно, что ЦМВ-специфическое тестирование Т-клеток может быть отрицательным у здоровых серопозитивных субъектов, у которых не было недавних событий реактивации. Как общий, так и антиген-реактивный репертуар CD3+CD4+ Т-хелпертуарных клеток был дополнительно дифференцирован на основе экспрессии CCR7 и CD45RO (рис. 5B). Обнадеживает тот факт, что результаты, полученные с использованием протоколов WB и WBS, были сопоставимы как для общей, так и для антиген-реактивной популяции. Как и ожидалось, в обоих анализах доля более дифференцированных Th-клеток памяти (т.е. эффекторных клеток памяти) была выше среди антиген-реактивных Т-клеток, чем среди общей популяции Th-клеток. Как и ожидалось, только несколько наивных Т-клеток были активированы вирусными стимуляторами (рисунок 5B).
Кроме того, в другой серии экспериментов стимулированные супернатанты культур были проанализированы с помощью ИФН-γ ИФА (рис. 5C). Был замечен минимальный неспецифический фон (средние значения 1,29 пг/мл и 2,18 пг/мл в протоколах WB и WBS соответственно). Образцы крови серопозитивных доноров, инфицированных ВПГ, показали средние концентрации ИФН-γ, индуцированные ВПГ, с поправкой на фон, 111 пг/мл и 125 пг/мл в системах WB и WBS соответственно. Напротив, концентрации ИФН-γ в серонегативных образцах были постоянно ниже 10 пг/мл в обеих системах (коэффициент корреляции Лина = 0,972, рис. 5C). Аналогичным образом, стимуляция pp65 крови от серопозитивных доноров ЦМВ привела к средним концентрациям ИФН-γ 258 пг/мл и 272 пг/мл в системах WB и WBS соответственно, в то время как минимальная индуцированная pp65 секреция ИФН-γ наблюдалась в обеих системах с использованием серонегативных образцов (коэффициент корреляции Лина = 0,953, рис. 5C).

Рисунок 1: Блок-схема, обобщающая экспериментальные процедуры и показания. Звездочка означает, что Брефельдин А необходим для некоторых маркеров активации Т-клеток (например, CD154) и внутриклеточного окрашивания цитокинов. Смотрите шаги протокола 2.5 и 2.6. #: Кровь для проточной цитометрии первоначально переносится в центрифужные пробирки объемом 15 мл для лизиса эритроцитов, тогда как кровь для анализа цитокинов и транскриптомики переносится в микроцентрифужные пробирки объемом 1,5 мл. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Лизис эритроцитов. После того, как стимулированная кровь была ресуспендирована в (А) буфере для лизиса эритроцитов, ее инкубируют до тех пор, пока (В) жидкость не станет прозрачной, но не дольше 6 мин. (В) При использовании пробирки объемом 15 мл ее чешуя должна стать видимой через все более прозрачный образец. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3: Репрезентативный набор данных и схемы проточного цитометрического гейтирования. (A) Синглетные события идентифицируются свойствами FSC-A и FSC-H. Из них лимфоциты гейтируются с помощью FSC-A и SSC-A. Лимфоциты дифференцируются в CD3+CD4+ Т-хелперы. Уровни экспрессии CD45RO и CCR7 используются для фенотипирования популяций клеток памяти и эффекторных клеток. В качестве маркеров активации использовали ИФН-γ и CD154. Гейты были установлены на основе популяции ИФН-γ-CD154- в нестимулированной выборке. Впоследствии ворота переносили на стимулированные образцы (В). Характеристика популяций памяти активированных Т-клеток была достигнута путем переноса квадрантного гейта CCR7/CD45RO из популяции CD3+CD4+ в популяцию ИФН-γ+CD154+CD3+CD4+. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 4: Антиген-индуцированные транскрипционные изменения после бустерной вакцинации против SARS-CoV-2. (A) У 9 здоровых взрослых субъектов проанализировано обогащение транскрипционных путей в цельной крови, стимулированной спайковым белком (Prot_S) SARS-CoV-2, по сравнению с до(первой) бустерной вакцинацией мРНК BNT162b2. Показаны иммунозависимые канонические пути с p-значением, скорректированным по шкале Беньямини-Хохберга (BH-adj.) <0,05 (-log10[BH-adj. p] >1,3) и абсолютным z-показателем >1,25. (B) Упрощенная сеть, обобщающая гены и пути, более сильно обогащенные S-стимулированной цельной кровью после бустерной вакцинации, по сравнению с до. (C) Скорректированные на фон уровни экспрессии репрезентативных генов, связанных с презентацией антигена и активацией Т-клеток в цельной крови, стимулированной Prot_S, до и после бустерной вакцинации. Парный тест Вилкоксона. (D) Скорректированные по фону частоты Prot_S-специфичных ИФН-γ+CD69+ Т-клеток до и после бустерной вакцинации. Парный тест Вилкоксона. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 5: Реактивность противовирусных Т-клеток в проточной цитометрии и ИФА. (A) Показаны корреляционные графики частот CD154+IFN-γ+/CD3+CD4+ Т-клеток (проточная цитометрия) с коррекцией фона из установленных (WB) и малых (WBS) анализов цельной крови. Зелеными и красными точками обозначены субъекты, которые являются серонегативными и серопозитивными по отношению к тестируемому вирусу соответственно. (B) С помощью проточной цитометрической оценки экспрессии CD45RO и CCR7 были определены фенотипы памяти/эффекторных Т-клеток среди глобальных CD3+CD4+ Т-клеток и антиген-реактивных ИФН-γ+CD154+CD3+CD4+ Т-клеток после стимуляции лизатом ВПГ или ЦМВ pp65 с использованием крови серопозитивных доноров (n = 5 и 4 соответственно). Показаны средние распределения. Зеленый: наивные Т-клетки (TN), CD45RO-CCR7+. Серый: Т-клетки центральной памяти (TCM), CD45RO+CCR7+. Синий: эффекторные Т-клетки памяти (TEM), CD45RO+CCR7-. Оранжевый: эффекторные Т-клетки и эффекторные Т-клетки памяти, реэкспрессирующие CD45RA (TE/TEMRA), CD45RO-CCR7-. (C) Корреляционные графики фонового скорректированного высвобождения ИФН-γ (ИФА), измеренные с использованием анализов WB и WBS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Таблица 1: Содержимое стимульной трубки. Суммируются исходные концентрации стимулов и растворителей. Полномасштабный анализ цельной крови (WB) проводится с использованием 500 μL гепаринизированной цельной крови лития, в то время как для мелкосерийного анализа (WBS) требуется всего 250 μL крови. Для WBS все объемы реагентов составляют половину от объемов WB. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.
Таблица 2: Демографические данные здоровых взрослых субъектов, отобранных для создания репрезентативных наборов данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.
Таблица 3: Репрезентативная проточная цитометрическая панель для анализа Т-клеток. Эта проточная цитометрическая панель была использована для создания репрезентативного набора данных. Результаты подробно показаны на рисунке 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.
Таблица 4: Ранее опубликованные проточные цитометрические панели. Данные с использованием этих комбинаций антител были ранее опубликованы Tappe et al.24. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.