Заявление об этике
Данное исследование было одобрено Комитетом по этике Четвертой больницы города Шицзячжуан (номер одобрения 20200031). До сбора образцов от всех доноров плацентарной ткани было получено письменное информированное согласие. Все процедуры с участием людей проводились в соответствии с Хельсинкской декларацией. Полный список реагентов, расходных материалов, оборудования и программного обеспечения, использованных в данном протоколе, приведен в Таблице материалов.
Сбор данных
Данные RNA-seq были получены из базы данных GEO. Наборы данных включали GSE75010, который содержит данные экспрессии генов 157 плацент с ПЭ и 173 плацент без ПЭ (N = 330). GSE10588 содержит данные экспрессии генов 26 нормальных плацент и 17 плацент с тяжелой формой ПЭ (N = 43). GSE60438 содержит данные профилирования транскриптома decidua basalis пациенток с преэклампсией и при нормотензивной беременности (N = 125). Данные транскриптома отдельных клеток были получены из набора данных GEO GSE183338. Он включает образцы отдельных ядер из ворсин хориона/материнско-плодного интерфейса при ПЭ и здоровой беременности.
Анализ дифференциально экспрессируемых генов (DEG)
Сначала были предварительно обработаны и нормализованы наборы данных GSE75010, GSE10588 и GSE60438, содержащие дифференциально экспрессируемые гены (ДЭГ), связанные с преэклампсией. Затем, на основе информации о группировке образцов, был проведен дифференциальный анализ с использованием пакета R «limma»14. Были отобраны гены со значениями p < 0.05 и |log2FC| > 0.5. Графики «вулкан» для ДЭГ были построены с помощью пакета R ggplot2. Тепловые карты для 20 наиболее значимых ДЭГ были созданы с использованием пакета R pheatmap. Впоследствии было определено пересечение ДЭГ, выбранных из трех наборов данных, и для генов-кандидатов была построена сеть белок-белковых взаимодействий (PPI) с использованием онлайн-платформы STRING при значении показателя взаимодействия ≥0.15. Затем из этой PPI-сети были определены 20 основных (хабовых) генов на основе степени их связности, ранжированной с помощью программного обеспечения Cytoscape. Результаты PPI-сети были визуализированы с помощью Cytoscape или STRING.
Анализ обогащения
Анализ обогащения генов был выполнен с использованием пакетов ClusterProfiler и DOSE в сочетании с веб-сайтом Metascape. Базы данных были получены из GO и KEGG. Анализ обогащения проводили с помощью функции «EnrichGO». Пути с p < 0.05 считались статистически значимо обогащенными. Результаты обогащения были визуализированы с помощью пакетов «ggplot2» и «ggpubr».
Машинное обучение
Для выявления надежных и биологически значимых дифференциально экспрессируемых генов (ДЕГ), связанных с преэклампсией (ПЭ), был проведен анализ отбора признаков с использованием нескольких моделей машинного обучения на основе общедоступного набора данных транскриптома GSE60438 (платформа: GPL6884). Этот набор данных содержит профили экспрессии образцов базальной оболочки плаценты, собранных при кесаревом сечении у женщин с преэклампсией и при нормотензивной беременности. Предварительно отфильтрованные ДЕГ были стандартизированы, а матрица экспрессии вместе с соответствующей информацией о клинических группах была использована в качестве входных данных для четырех различных алгоритмов машинного обучения с целью снижения систематической ошибки модели и повышения стабильности отбора признаков.
Четыре алгоритма применялись одновременно, без определенной последовательности. LASSO выполнялся с использованием пакета «glmnet» для проведения регрессионного анализа и выбора значимых генов-признаков. К функции потерь был добавлен член регуляризации L1, который сводит к нулю коэффициенты менее важных признаков, обеспечивая тем самым отбор признаков. SVM-RFE был реализован с помощью пакета «e1071» для построения метода опорных векторов с рекурсивным исключением признаков. Сначала с помощью SVM обучался классификатор, после чего наименее информативные признаки итеративно удалялись на основе весов признаков, что позволило получить оптимальный набор признаков. XGBoost применялся с использованием пакета «xgboost» для построения множества деревьев решений. Каждое дерево подстраивалось под остатки предыдущего дерева, а взвешенные результаты суммировались для получения окончательного прогноза. Boruta выполнялся с помощью пакета «randomForest», генерируя теневые признаки, которые конкурировали с реальными признаками при обучении случайного леса. Были сохранены признаки, значения важности которых существенно превышали уровень случайного шума.
Анализ данных транскриптома отдельных клеток
Данные транскриптома отдельных клеток были получены из базы данных GEO, а матрица сырых подсчетов была извлечена из набора GSE183338. Матрица подсчетов была импортирована с помощью функции «Read10X» пакета Seurat и преобразована в формат dgCMatrix. Отдельные объекты были объединены в один общий объект с помощью функции «merge», а метки клеток были сделаны уникальными с помощью «RenameCells». Клетки низкого качества фильтровались на основе следующих критериев: гены, экспрессируемые менее чем в трех клетках, были удалены, а клетки, экспрессирующие менее 200 генов, исключены. Клетки, прошедшие контроль качества, были нормализованы, и были определены высоковариабельные гены. Глобальная масштабирующая нормализация была выполнена с использованием «LogNormalize» (scale factor = 10,000), высоковариабельные гены (n = 2,000) были выбраны с помощью «FindVariableFeatures», а данные были масштабированы с помощью «ScaleData». Был проведен анализ главных компонентов высоковариабельных признаков, и были сохранены 30 главных компонентов. Эффекты батча между образцами были скорректированы методом Harmony. Визуализация и снижение размерности клеток были выполнены с помощью UMAP. Графы общих ближайших соседей были построены с помощью «FindNeighbors» и «FindClusters» на основе алгоритма Louvain. Параметр разрешения в «FindClusters» был оптимизирован в диапазоне от 0,1 до 1. Дерево кластеризации было визуализировано с помощью функции «clustree», и для определения клеточных кластеров было выбрано разрешение 0,9. Потенциальные дублеты были удалены с помощью алгоритма Scrublet. Аннотация клеточных кластеров проводилась путем идентификации дифференциально экспрессируемых маркерных генов с использованием функции «FindAllMarkers». Применялся непараметрический критерий суммы рангов Вилкоксона с поправкой Бонферрони. Идентичность клеток определялась на основе поверхностных маркеров, соответствующей литературы и базы данных классификации клеток Cell Classification Database15.
Культура клеток
Клетки линии трофобласта HTR-8/SVneo культивировали в среде RPMI-1640 с добавлением 10% фетальной бычьей сыворотки и 1% пенициллина/стрептомицина. Гипоксические условия создавали путем культивирования клеток при 1% O₂, 5% CO₂ и 94% N₂ в течение 24 h; контрольные образцы в условиях нормоксии содержали при 20% O₂ и 5% CO₂16. Все процедуры по культивированию клеток следует проводить в боксе биологической безопасности II класса с использованием асептических методов. Отработанные питательные среды, реагенты для трансфекции и клеточные отходы должны утилизироваться в соответствии с внутренними правилами биобезопасности учреждения.
Трансфекция клеток
Были синтезированы плазмиды, содержащие sh-SASH1, sh-NC, OE-SASH1 и OE-NC. Клетки HTR-8/SVneo высевали в шестилуночные планшеты с плотностью 5 × 105 клеток на лунку. Затем клетки трансфицировали 2 µg плазмиды sh-SASH1, sh-NC, OE-SASH1 или OE-NC на лунку с использованием реагента для трансфекции согласно инструкциям производителя. Вкратце, плазмидную ДНК и реагент P3000 разводили в Opti-MEM, смешивали с Lipofectamine 3000, который предварительно разводили в Opti-MEM, инкубировали в течение 15 min при комнатной температуре и добавляли к клеткам при достижении конфлюентности 70–80%. Через сорок восемь часов после трансфекции экспрессию SASH1 оценивали с помощью RT-qPCR и вестерн-блоттинга. Целевые последовательности shRNA, использованные для нокдауна SASH1, приведены в Дополнительной таблице 1.
Количественная ПЦР в реальном времени
Общую РНК экстрагировали из клеток HTR-8/SVneo и подвергли обратной транскрипции в кДНК с использованием набора для обратной транскрипции при 42 °C в течение 30 мин, с последующим нагревом до 85 °C в течение 5 мин. Количественную ПЦР в реальном времени (qPCR) проводили с использованием мастер-микса SYBR Green при следующих условиях циклирования: 95 °C в течение 10 мин, затем 40 циклов: 95 °C в течение 15 с и 60 °C в течение 1 мин. Относительный уровень экспрессии мРНК рассчитывали методом ΔΔCt, используя β-actin в качестве внутреннего контроля. Последовательности праймеров, использованных в данном эксперименте, приведены в Дополнительной таблице 2.
Метод вестерн-блоттинга
Общий белок экстрагировали из клеток HTR-8/SVneo с использованием лизирующего буфера. Лизаты клеток собирали, инкубировали на льду и центрифугировали при 12,000 × g в течение 30 мин при 4 °C для удаления нерастворимых остатков. Концентрацию белка определяли с помощью спектрофотометра. Равные количества белка (50 µg) разделяли методом SDS-PAGE с последующим переносом на ПВДФ-мембраны. Мембраны блокировали 5% раствором обезжиренного молока и инкубировали с первичными антителами в течение ночи при 4 °C. После промывки мембраны инкубировали с соответствующими вторичными антителами, а полосы белков визуализировали с помощью системы усиленной хемилюминесцентной детекции.
Для детекции белков использовали первичные антитела к SASH1 и β-актину. Соответствующие вторичные антитела, конъюгированные с пероксидазой хрена (HRP) — козьи антитела против кроличьих и мышиных — применялись для визуализации. β-актин использовали в качестве внутреннего контроля нагрузки для обеспечения равного количества белка в пробах. Интенсивность белковых полос измеряли и количественно определяли с помощью программного обеспечения ImageJ.
Выделение P-EXOS
P-EXOS выделяли из ткани ворсин плаценты, полученной из дононорских плацент здоровых женщин после планового кесарева сечения. Ткань ворсин плаценты тщательно промывали стерильным PBS, измельчали на фрагменты размером примерно 1 mm3 и культивировали в среде RPMI-1640 с добавлением 10% FBS, обедненной экзосомами, при 37 °C в атмосфере 5% CO2 в течение 48 ч. Кондиционированную среду подвергали дифференциальному центрифугированию следующим образом: 300 × g в течение 10 мин для удаления клеток и тканевого детрита; 2,000 × g в течение 20 мин для удаления клеточного детрита; и 10,000 × g в течение 30 мин для удаления микровезикул; все этапы проводили при 4 °C. Полученный супернатант подвергали ультрацентрифугированию при 120,000 × g в течение 70 мин при 4 °C для осаждения экзосом. Осадок один раз промывали PBS и повторно центрифугировали при 120,000 × g в течение 70 мин при 4 °C. Конечный осадок ресуспендировали в PBS. Изолированные экзосомы характеризовали с помощью вестерн-блот-анализа на маркеры экзосом (PLAP, CD63 и TSG101, с использованием GM130 в качестве отрицательного контроля), а затем исследовали с помощью просвечивающей электронной микроскопии для анализа морфологии.
Эксперимент по клеточному поглощению P-EXOS
Для подтверждения интернализации P-EXOS клетками экзосомы были флуоресцентно помечены липофильным мембранным красителем PKH67 согласно протоколу производителя. Кратко: P-EXOS инкубировали с PKH67 (4 µM) в разбавителе Diluent C в течение 5 мин при комнатной температуре, после чего реакцию останавливали добавлением равного объема 1% бычьего сывороточного альбумина (BSA). Помеченные экзосомы повторно выделяли методом ультрацентрифугирования (120,000 × g, 70 мин, 4 °C) для удаления несвязанного красителя. Затем помеченные PKH67 P-EXOS (50 µg/mL) добавляли к клеткам HTR-8/SVneo и совместно инкубировали в течение 24 ч в условиях нормоксии или гипоксии (1% O₂). После этого клетки трижды промывали PBS, фиксировали 4% параформальдегидом в течение 15 мин, а ядра контрастировали DAPI (1 µg/mL). Интернализацию экзосом, помеченных PKH67, визуализировали с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (CLSM; возбуждение 490 nm, эмиссия 502 nm). Для функциональных экспериментов по совместному культивированию клетки HTR-8/SVneo обрабатывали P-EXOS в концентрации 50 µg/mL (в белковом эквиваленте) в полной среде RPMI-1640 с добавлением 10% FBS, обедненной экзосомами, в условиях гипоксии (1% O₂) в течение 24 ч.
Иммуноферментный анализ (ELISA)
Собрали супернатанты культур клеток и измерили уровни IL-6, IL-1β и TNF-α с помощью соответствующих наборов ИФА (ELISA kit) для IL-6, IL-1β и TNF-α согласно инструкциям производителей. Оптическую плотность при 450 nm измеряли с помощью микропланшетного ридера, а фактические концентрации рассчитывали по стандартным кривым.
Метод TUNEL (терминальный дезоксинуклеотидилтрансферазоподобный метод маркировки концов разрывов dUTP)
Апоптотические клетки выявляли с помощью набора для анализа TUNEL в соответствии с инструкциями производителя. Кратко: клетки фиксировали 4% параформальдегидом в течение 15 мин при комнатной температуре, пермеабилизировали 0,1% Triton X-100 в PBS в течение 5 мин на льду и инкубировали с реакционной смесью TUNEL в течение 60 мин при 37 °C в темноте. Ядра контрастировали красителем DAPI, а TUNEL-положительные клетки визуализировали с помощью флуоресцентного микроскопа и количественно оценивали, подсчитывая процент TUNEL-положительных клеток как минимум в пяти случайно выбранных полях обзора для каждого образца.
Статистический анализ
Все данные были проанализированы с использованием программ R и GraphPad Prism. Непрерывные переменные представлены как среднее значение ±SD. Сравнение двух групп проводили с помощью t-критерия Стьюдента, тогда как сравнение нескольких групп осуществляли с помощью однофакторного ANOVA с последующим апостериорным тестом Тьюки. Статистическую значимость категориальных переменных оценивали с помощью критерия хи-квадрат или точного теста Фишера. Если не указано иное, корреляция между молекулами рассчитывалась с помощью корреляционного анализа Спирмена. Эксперименты по характеристике экзосом проводились с использованием P-EXOS, выделенных от трех независимых доноров плаценты. Эксперименты на клеточных моделях выполняли в трех независимых биологических повторах, представляющих собой независимые эксперименты, проведенные в разное время на клетках HTR-8/SVneo разных пассажей, при этом в каждом повторе использовались P-EXOS, выделенные от разных доноров плаценты. Значение p < 0,05 считалось статистически значимым.