ここでは、細胞分裂の数、表面細胞の表現型、および細胞の親族関係を同時に測定できるフローサイトメトリーベースの技術を紹介します。これらのプロパティは、順列ベースのフレームワークを使用して統計的にテストできます。
同じ細胞の表現型と運命を同時に評価できる技術はほとんどありません。表現型を特徴付けるために使用されている現在のプロトコルのほとんどは、大規模なデータセットを生成することはできますが、目的の細胞の破壊を必要とし、その機能的運命を評価することは不可能です。したがって、造血のような不均一な生物学的分化システムは説明が困難です。細胞分裂追跡色素に基づいて、我々はさらに、多くの単一造血前駆細胞の親族関係、分裂数、および分化状態を同時に決定するためのプロトコルを開発しました。このプロトコルは、様々な生物学的供給源から単離されたマウスおよびヒト造血前駆細胞の ex vivo 分化能の評価を可能にする。さらに、フローサイトメトリーと限られた数の試薬に基づいているため、比較的安価な方法で、シングルセルレベルで大量のデータを迅速に生成できます。また、堅牢な統計フレームワークと組み合わせたシングルセル解析用の分析パイプラインも提供しています。このプロトコルは、単一細胞レベルでの細胞分裂と分化のリンクを可能にするため、対称的および非対称的な運命コミットメント、自己複製と分化のバランス、および特定のコミットメント運命の分裂数を定量的に評価するために使用できます。全体として、このプロトコルは、単一細胞の観点から、造血前駆細胞間の生物学的差異を解明することを目的とした実験デザインに使用できます。
過去10年間は、細胞生物学および分子生物学への単一細胞アプローチの世界的な普及によって特徴づけられました。シングルセルゲノミクス1,2のステップに続いて、今日では、毎年急成長している新しいシングルセルオミクス技術を使用して、単一細胞の多くの成分(DNA、RNA、タンパク質など)を研究することが可能です。これらの技術は、ヒト細胞とモデル生物細胞の両方を使用して、免疫学、神経生物学、腫瘍学などの分野の新旧の質問に光を当てました3。個々の細胞間の違いを強調することにより、シングルセルオミクスは、造血幹細胞と前駆細胞(HSPC)の不均一性を中心に、離散的な均質集団の古典的なモデルから離れて、造血の新しいモデルの定義を促しました4,5。
すべてのオミクス技術のいくつかの欠点の1つは、目的の細胞が破壊され、その機能を評価する可能性を妨げることです。逆に、単一細胞移植アッセイおよび系統追跡技術などの他の単一細胞法は、in vivoで個々の細胞の運命を評価することによって祖先細胞の機能性の読み出しを提供する6,7。系統追跡技術では、目的の細胞を遺伝性遺伝子7または蛍光標識8,9で標識し、複数の単一細胞の運命を同時に追跡できます。しかしながら、出発細胞の特性評価は、典型的には、フローサイトメトリー10によって評価されたいくつかの表面タンパク質の発現など、限られた数のパラメータに制限される。さらに、シングルセル系譜追跡技術では、通常、DNA/RNAシーケンシングまたはイメージングを介して、細胞標識の面倒な検出が必要です。この最後の点は、特に1回の実験でテストできる条件の数を制限します。
単一細胞の機能性を研究するために使用される別のクラスの方法は、単一HSPCのex vivo細胞培養システムである。 実行が容易なこれらのゴールドスタンダードアッセイでは、個々の細胞を96ウェルの細胞培養容器にソーティングし、培養後に、通常はフローサイトメトリーまたは形態素解析によって細胞子孫の表現型を特徴付けます。これらのアッセイは、主にHSPCの成熟細胞への長期分化、典型的には培養2〜3週間後に特徴付けるために使用されてきた11,12。あるいは、それらは、ヒト幹細胞移植に対する医学的利益を約束して、ex vivo HSPCs13、14、15、16、17、18を維持および拡大しようとするために使用されている19。最後に、それらは短期培養20を使用してHSPCの早期コミットメントを研究するために使用されており、この培養で生成される細胞数が少ないことが主な制限要因です。これらの異なる種類のex vivoアッセイの1つの欠点は、それらがin vivoの複雑さを部分的にしか反映していないことです。それでも、それらはヒトHSPC分化を研究するためのまれな方法の1つです。
既存のシングルセル法(シングルセルオミクス、系統追跡、ex vivo培養)から欠落している情報の1つは、HSPCダイナミクスを研究する際に考慮すべき重要なパラメーターである細胞分裂の正確な検出です21。フローサイトメトリーで分割数を評価する簡単な方法は、5-(および6)-カルボキシフルオレセインジアセテートスクシンイミジルエステル(CFSE)22などの可溶性「タンパク質色素」を使用することです。これらの分裂色素は染色された細胞の細胞質内に拡散し、半分に希釈され、細胞分裂ごとに2つの娘細胞に渡され、最大10の分裂を列挙することができます。いくつかの分割色素を組み合わせることで、複数の個体前駆細胞を同じウェルに播種することができ、それぞれの個体色素が異なる子孫の分離を可能にするようにする。これは、マウスリンパ球に最初に導入されたマルチプレックスクローンおよび分裂追跡のための細胞色素の使用の背後にある原理です23,24。
ここでは、マウスおよびヒトのHSPCで使用するためのMultiGenアッセイの開発を紹介します。これにより、多くの単一細胞を同時に試験して、分化、分裂、および親族関係の特性をex vivoでテストできます。このハイスループットで、実行が容易で、安価なアッセイにより、細胞の表現型、実行された分裂数、およびウェル内の他の細胞との細胞の親族関係とクローン関係をすべて同時に測定できます。対称的および非対称的な運命のコミットメント、自己複製と分化のバランス、および特定のコミットメントの運命に必要な分割の数を定量的に評価するために使用できます。このプロトコルには、蛍光活性化セルソーター(FACS)とプレートリーダー付きフローサイトメーターに加えて、細胞培養に必要な機器が必要です。ヒトHSPCでのアッセイを実行するための技術プロトコルに加えて、細胞ファミリー25の概念に関連する細胞特性を評価するために必要な統計的テストを含む詳細な分析フレームワークも提供します。このプロトコルは、マウスHSPCコンパートメント26,27を記述するためにすでに正常に使用されています。
以下のプロトコルは、磁気的に富化されたCD34+ 細胞を出発物質28として使用する。このようにして、異なる血液源(例えば、臍帯血、骨髄、末梢血)からヒトHSPCを効率的に染色および単離することができる。CD34– 画分は、異なるタイプの実験対照を設定するためのプロトコルの一部として使用されるため、廃棄しないことが重要です。上記の細胞量と体積は、実験ワークフローと必要性に応じてスケールアップまたはスケールダウンできます。同様に、このプロトコルは、細胞ソーティングおよびフローサイトメトリーのステップに使用される抗体を改変するだけで、異なるタイプの前駆細胞の研究に適合させることができます。
MultiGenアッセイは、リンパ球23,24,35およびマウス造血細胞26,27の研究に役立ってきた、ハイスループットで実行が容易で安価なアッセイです。ここでは、ヒトHSPCコミットメントの初期段階を、短期間培養を用いて単一細胞レベルでex vivoで解読できるアプローチの新しい開発を紹介します(図6)。単一細胞ex vivo培養システムは、通常、成熟細胞へのHSPCの長期的な運命を評価するために使用されますが、一部の運命は他の運命よりも早く発生し36、分析がより少ない運命に偏る可能性があります。さらに、これらの文化システムは通常、運命のコミットメント中に分裂に関する情報を見逃しています。最初のコミットメントステップは、文化の開始時に早くも発生し、時には分割26,37なしで発生することが示されており、早期の運命のコミットメントを研究するには、短期的な文化と追跡部門が不可欠です。運命、分裂、親族関係を同時に追跡することにより、このアッセイは、ヒトHSPCにおける最初の分裂と運命決定の役割を理解することを可能にします。 アッセイを使用すると、コミットメントプロセスがいくつの分裂後に発生するか、それらの初期祖先の自己複製と分化のバランス、およびそれらの特性が世代間でどのように受け継がれるかを推測することができます。私たちの知る限り、これはヒトHSPCのこれらのタイプの測定を単一細胞分解能で可能にする唯一のアッセイです。さらに、細胞分裂色素のさまざまな組み合わせを使用して、分析のスループットを向上させ、このアッセイを大規模なデータセットを迅速に生成するための貴重なツールにしました。色素の組み合わせにより、同じウェル内の複数のファミリーを追跡できるため、短期培養での分析に利用できる細胞の数が増えます。他の色素(黄色色素など)を添加したり、CFSEとCTVの比率を変更したりすることで、組み合わせの数をさらに増やすことができます。ただし、これにより、分析できる他のパラメータの数が減ります。
図6:プロトコルの概略図。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
分析を成功させるには、ウェルの数が多く、分析する細胞の数が少ないため、プレートリーダーを備えた分析装置でフローサイトメトリー分析を実行する必要があります。新世代のベンチアナライザーは、細胞損失の割合を減らすためにデッドボリュームが小さいため、このアッセイに特に適しています。これにより、各井戸全体を回収する際のより高い効率が保証され、70%の範囲で推定される効率が促されます26。フローサイトメトリー取得中の細胞損失を推定することは、個々のファミリーの解析に不可欠です。例えば、細胞死がないと仮定して分裂数をカウントし、各科当たりの細胞数を推定することができる。それにもかかわらず、特に試験された培養条件での細胞死の推定および定義された数の細胞を用いて実験的に回収率を測定する場合、いくつかの確認実験を実行することが望ましい。
このプロトコルの重要なステップの1つは、ピーク割り当てです。すでに述べたように、良質のピーク分布は、細胞選別時の非常に狭いピークの単離に強く依存します。それにもかかわらず、分布に基づいて正しい分割数を割り当てることは依然として困難です。セルソーティングとフローサイトメトリー解析は2つの異なるマシンで行われるため、各シグナルの強度を直接比較することはできないため、ヒストグラムの右端に観察された最初のピークがピーク0なのかピーク1なのかを知ることは難しい場合があります。この点で、可能な解決策はほとんどありません。1つの方法は、これらの細胞によって行われる分裂の数を正確に測定するために直交実験を行うことである(例えば、生細胞イメージング)。別の可能性は、フローサイトメトリー分析を実行する前に、倒立明視野顕微鏡下でウェル内の細胞数を単純にカウントすることです。これにより、平均分裂数が推測されます(細胞死がないと仮定します)。最後に、ピーク割り当ての事後ソリューションは、異常な数の「不可能なファミリ」の検出です。これらのファミリーは、世代当たりの細胞数が可能な限り多い(例えば、第2世代に5つの細胞、または第1世代に2つの細胞と第2世代に1つの細胞)で構成される。不可能なファミリーを除外する可能性は、統計分析ステップでコード化され、不可能なファミリーにフラグが立てられます。これらのエラーの発生が高すぎる場合は、ピーク割り当てを修正する必要があると考えるのが妥当です。
このプロトコルでは、大規模なデータセットの生成と解釈において不可欠なステップとなっているため、アッセイのためのデータ表現と分析のいくつかの例を含めました38。最初の例は、分析されたすべてのセルの全体を示すヒートマップで、ファミリごとに整理されています。これは、データの一般的な特性と潜在的な結論を調査するための効率的なツールです:ファミリーは複数の細胞タイプによって構成されていますか、それとも組成が均一である傾向がありますか?家族は複数の世代に分散していますか、それともほとんど同じ回数に分かれていますか?この探索的分析は、より具体的なプロットと統計的検定で補完する必要があります。対称的および非対称的な運命コミットメント、分割なしの分化、自己複製と分化のバランス、および特定のコミットメント運命の分割数を定量的に評価するために使用できます。実験計画では、質問の種類に応じて細胞培養長を設定することが基本です。たとえば、最初の 2 つの質問 (対称/非対称バランスと分割なしの分化) では、非常に短い培養ステップを計画すると、分割を 1 つだけ実行したか、まったく実行していない多数のファミリを分離できます26。逆に、より長い実験では、分化のさまざまな段階でファミリーをサンプリングするため、特定の細胞コミットメントに必要な分裂数を調べることができます。それにもかかわらず、この方法は、細胞色素希釈が7つまたは8つ以上の分裂を正確に追跡することができないので、長期培養(2〜3週間)用に設計されていない22。結果として、このツールは造血前駆細胞の早期関与を研究するためにほとんど適合されており、これらの細胞の長期的な分化特性について確固たる結論を出すようには設計されていません。
統計的枠組みは、このタイプのデータの分析のために特別に開発され、順列26の概念に基づいています。これは、細胞型分布および実施された分裂数に対する家族依存性の観察のために必要であった。言い換えれば、同じファミリーの一部である細胞は、同様の表現型を示し、同じ回数分裂する可能性も高くなります。詳細な分析はこの作業の範囲を超えていますが、さまざまな条件を評価するには、提供されている一連の統計的検定で十分です。
結論として、このプロトコルは、造血幹および前駆細胞の細胞動態を ex vivoで迅速かつ安価な方法で評価するための貴重なツールを構成します。分析するHSPCの種類、培養条件、およびタイプに関する柔軟性と汎用性により、さまざまな実験条件を試験することができます。フローサイトメトリーベースのアッセイとして、ほとんどのラボで実装でき、広範な事前知識を必要としないため、スクリーニングやパイロット実験に適しています。
The authors have nothing to disclose.
フローサイトメトリー実験のセットアップにご協力いただいたキュリーフローファシリティ研究所のメンバーに感謝します。また、複数の議論の中で、チームペリエの他のメンバーの貢献に感謝したいと思います。ジュリア・マルキンゴ博士とフィル・ホジキン教授(ウォルターエンドエリザホール医学研究所)がリンパ球上の細胞分裂色素のマルチプレックスのプロトコルを共有してくれたことに感謝します。このプロトコルの開発に必要な生物学的資源を提供してくれたセントルイス病院の臍帯血バイオバンクに感謝します。この研究は、CNRSおよびBettencourt-Schueller FoundationからのATIP-Avenir助成金(L.P.へ)、 Labex CelTisPhyBio (ANR-10-LBX-0038)(L.P.およびA.D.へ)、Idex Paris-Science-Lettres Program(ANR-10-IDEX-0001-02 PSL)(L.P.へ)、Canceropole INCA Emergeation(2021-1-EMERG-54b-ICR-1、L.P.へ)、ITMO MIIC助成金(21CM044、L.P.へ)によって支援された。欧州連合のホライズン2020研究およびイノベーションプログラムERC StG 758170-Microbar(LPへ)の下での欧州研究会議(ERC)からの資金提供に加えて、ADはフランス財団からのフェローシップによって支援されました。
1.5 mL polypropylene microcentrifuge tubes | vWR | 87003-294 | |
15-mL polypropylene tubes | vWR | 734-0451 | |
50-mL polypropylene tubes | vWR | 734-0448 | |
96-well U-bottom culture plate | Falcon | 353077 | |
Anti-human Lin APC | Thermo Fisher | 22-7776-72 | Dilution 1/40 |
ARIA III | BD | Can be replaced with any FACS sorter able to sort individual cells in 96-wells plate | |
Carboxyfluorescein succinimidyl ester (CFSE) | Life Technologies | C34570 | |
Cell Trace Violet (CTV) | Life Technologies | C34571 | |
Compensation beads | BD | 552843 | |
Dulbecco’s modified Eagle medium (DMEM) | Life Technologies | 11320033 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Thermo Scientific | J62948-36 | Prepare a solution 0.5 M, in sterilised water |
FC block Fc1.3216 | BD | 564220 | Dilution 1/50 |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Dutscher | S1900-500C | Batch S00CH |
FlowJo v10.8.1 | BD | ||
Mouse anti-human CD10 PerCP-5.5, clone HI10a | Biolegend | 312216 | Dilution 1/20 |
Mouse anti-human CD123 BUV395, clone 7G3 | BD | 564195 | Dilution 1/15 |
Mouse anti-human CD34 APC-Cy7, clone 581 | Biolegend | 343513 | Dilution 1/40 |
Mouse anti-human CD38 BV650, clone HB7 | Biolegend | 356620 | Dilution 1/40 |
Mouse anti-human CD45RA AF700, clone HI100 | BD | 560673 | Dilution 1/20 |
Mouse anti-human CD45RA PE-Cy7, clone HI100 | BD | 560675 | Dilution 1/20 |
Mouse anti-human CD90 PE, clone 5E10 | Biolegend | 328110 | Dilution 1/20 |
Phosphate Buffered Saline (PBS) 1X | Life Technologies | 10010001 | |
Python | |||
R | |||
Sterile 12×75 mm conical polypropylene tubes | Falcon | ||
ZE5 | Biorad | Can be replaced with any flow cytometry analyzer equipped with a plate reader | |
Laboratory prepared | |||
Cell culture media | Depends from the specific experiment. Prepare fresh daily and store at +4 °C until use | ||
DMEM + 10% FBS | Can be stored in sterile conditions, at +4 °C up to 1 year. To prepare 500 mL, add 50 mL of FBS to 450 mL DMEM | ||
PBS 1X + EDTA 0.1% | Can be stored in sterile conditions, at room temperature, up to 1 year. To prepare 500 mL, add 3.42 mL of EDTA 0.5 M to 500 mL PBS 1X | ||
Staining buffer | Can be stored in sterile conditions, at +4 °C up to 1 year. To prepare 500 mL, add 2 mL of EDTA 0.5 M and 1 mL FBS to 500 mL PBS 1X |