À ce jour, les protocoles d’isolement simultané de tous les principaux types de cellules résidentes du système nerveux central à partir d’une même souris sont une demande non satisfaite. Le protocole montre une procédure applicable chez les souris naïves et expérimentales atteintes d’encéphalomyélite auto-immune pour étudier les réseaux cellulaires complexes au cours de la neuroinflammation et réduire simultanément le nombre de souris requis.
L’encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE) est le modèle murin le plus courant pour la sclérose en plaques (SEP) et est fréquemment utilisée pour élucider davantage l’étiologie encore inconnue de la SEP afin de développer de nouvelles stratégies de traitement. Le modèle EAE du peptide de glycoprotéine oligodendrocytaire de myéline 35-55 (MOG35-55) reproduit une évolution monophasique auto-résolutive avec paralysie ascendante dans les 10 jours suivant l’immunisation. Les souris sont examinées quotidiennement à l’aide d’un système de notation clinique. La SEP est induite par différents mécanismes pathologiques avec un schéma temporel spécifique, de sorte que l’étude du rôle des types de cellules résidentes du système nerveux central (SNC) au cours de la progression de la maladie est d’un grand intérêt. La caractéristique unique de ce protocole est l’isolement simultané de tous les principaux types de cellules résidentes du SNC (microglie, oligodendrocytes, astrocytes et neurones) applicables chez les EAE adultes et les souris saines. La dissociation du cerveau et de la moelle épinière des souris adultes est suivie d’un tri cellulaire activé magnétiquement (MACS) pour isoler la microglie, les oligodendrocytes, les astrocytes et les neurones. La cytométrie en flux a été utilisée pour effectuer des analyses de qualité des suspensions unicellulaires purifiées, confirmant la viabilité après isolement cellulaire et indiquant la pureté de chaque type de cellule d’environ 90 %. En conclusion, ce protocole offre un moyen précis et complet d’analyser des réseaux cellulaires complexes chez des souris saines et EAE. De plus, le nombre de souris requis peut être considérablement réduit car les quatre types de cellules sont isolés des mêmes souris.
La sclérose en plaques (SEP) est une maladie auto-immune inflammatoire chronique du système nerveux central (SNC) caractérisée par une démyélinisation, des lésions axonales, une gliose et une neurodégénérescence. Malgré de nombreuses approches de recherche dans ce domaine, la physiopathologie de la SEP n’est toujours pas entièrement comprise 1,2,3,4. Le modèle animal le plus courant pour l’étude de la SEP est l’encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE) induite par le peptide de glycoprotéine oligodendrocytaire de myéline 35-55 (MOG35-55), qui partage bon nombre deses caractéristiques cliniques et physiopathologiques5,6,7,8,9 . Il est basé sur la réponse du système immunitaire contre les antigènes spécifiques du SNC conduisant à l’inflammation, à la démyélinisation et à la dégénérescence neuroaxonale. L’encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE) est un modèle approprié pour l’étude des voies neuro-inflammatoires et des cascades de signalisation observées dans la SEP.
Les options thérapeutiques actuelles pour la SEP ne sont que partiellement efficaces et se concentrent principalement sur la phase inflammatoire initiale de la maladie. Cependant, la composante neurodégénérative de la SEP semble être le défi majeur pour les approches thérapeutiques à long terme. Par conséquent, des protocoles d’isolement cellulaire reproductibles et précis sont nécessaires pour étudier de manière exhaustive les mécanismes moléculaires et cellulaires des maladies auto-immunes. Même s’il existe des protocoles pour l’isolement d’un seul type de cellule 10,11,12,13,14,15, il existe un besoin non satisfait pour l’isolement simultané de plusieurs populations de cellules résidentes du SNC à la fois. Les protocoles précédents pour l’isolement des cellules résidentes du SNC ne préservent pas la fonctionnalité et la pureté cellulaires, ce qui entraîne une co-culture avec des cellules voisines 16,17,18 ou l’inadaptation à des analyses complexes de réseaux intracellulaires ex vivo 19,20,21,22.
L’objectif de ce protocole était d’établir une méthode reproductible et complète pour l’isolement simultané de suspensions unicellulaires pures et viables de tous les principaux types de cellules résidentes du SNC, applicable chez les souris adultes saines et EAE. Les différents types de cellules ont été isolés à l’aide du tri cellulaire activé par magnétisme (MACS)23. La séparation cellulaire peut être réalisée soit par sélection positive, c’est-à-dire par marquage magnétique de marqueurs de surface spécifiques au type cellulaire, soit par sélection négative par biotinylation et épuisement de toutes les cellules indésirables. La cytométrie en flux a été appliquée pour assurer une pureté supérieure à 90 % et une viabilité d’au moins 80 % des suspensions unicellulaires isolées.
En conclusion, l’objectif principal était d’établir un protocole pour l’isolement simultané de tous les principaux types de cellules résidentes du SNC en tant qu’outil polyvalent pour l’étude des voies neuro-inflammatoires offrant une analyse complète et précise des réseaux cellulaires complexes et des cascades de signalisation biochimique chez les souris saines et EAE.
Jusqu’à présent, les méthodes de cartographie ex vivo des cellules résidentes du SNC en combinant la spectrométrie de masse et le séquençage de l’ARN offrent un profilage cellulaire très précis dans la santé et la maladie, mais nécessitent des connaissances techniques et une expertise ambitieuses dans ce domaine50,51. De plus, ils ne permettent pas d’analyses fonctionnelles et sont très coûteux. En outre, les systèmes microfluidiques de cerveau sur puce permettent de dépister rapidement et à moindre coût les mécanismes de la maladie et de tester de nouvelles approches thérapeutiques avec la restriction de la croissance et de la migration cellulaires 52,53,54,55. Les organoïdes du SNC pourraient également représenter une alternative équivalente à l’avenir pour l’étude de la modélisation cellulaire, des connexions intercellulaires et des interactions au cours de l’évolution de la maladie 56,57,58,59. Cependant, le tri cellulaire activé par fluorescence et par magnétisme est actuellement la méthode la plus efficace pour générer des suspensions unicellulaires pures et viables ex vivo 35,60,61. Même si d’autres protocoles manufacturaux établis pour l’isolement des types de cellules résidentes du SNC sont similaires en ce qui concerne les étapes individuelles de l’isolement magnétique et de la dissociation cellulaire préalable, ils sont destinés à être effectués pour chaque type de cellule séparément. En revanche, le protocole actuel intègre différentes méthodes d’isolement pour chaque type de cellule résidente du SNC dans un contexte logique afin qu’elles puissent être effectuées simultanément à la fois et à partir d’une seule suspension de cellules du SNC (Tableau 1, Tableau 2). Ainsi, il permet des analyses multi-omiques à partir d’une seule suspension de cellules du SNC et, éventuellement, l’exploration de réseaux neuronaux complexes. Même s’il n’est pas indispensable de mettre en commun plusieurs tissus provenant de plusieurs animaux pour réaliser ce protocole, cette mise en commun permet d’assurer un nombre suffisant de cellules isolées pour une analyse ultérieure en aval. L’utilisation de souris différentes pour l’isolement des types de cellules individuelles exclurait la possibilité d’analyser les interactions cellulaires potentielles. En outre, la combinaison de méthodes d’isolement individuelles pour les différents types de cellules du SNC, qui suivent toutes une dissociation préalable du SNC, permet d’économiser des coûts matériels en utilisant une suspension de cellules dissociées du SNC pour toutes les étapes d’isolement magnétique suivantes. De plus, un biais technique potentiel causé par l’utilisation de souris différentes est minimisé.
L’une des limites du protocole pourrait être l’utilisation presque exclusive de souris femelles C57BL/6J. Le protocole d’immunisation EAE a été conçu et établi pour les souris femelles, de sorte que ce protocole d’isolement cellulaire a également été mis en œuvre chez les souris femelles C57BL/6J. Néanmoins, des souris mâles naïves ont également été utilisées lors du développement de ce protocole, sans reconnaître d’effet sur le nombre ou la pureté des cellules résultantes. Une autre restriction concerne l’isolement cellulaire magnétique des neurones car il n’existe pas de microbilles spécifiques pour l’isolement des neurones en termes de sélection positive. On a supposé qu’une suspension unicellulaire pure pouvait être obtenue par marquage à la biotine et épuisement de toutes les cellules non neuronales (tableau 2). Cette hypothèse a été vérifiée par l’utilisation de NeuN comme marqueur nucléaire spécifique pour les neurones, intégré dans le panel de pureté de la cytométrie en flux mentionné. Une autre limitation concerne l’isolement de la microglie chez les souris EAE. Ici, les rendements cellulaires qui en résultent sont diminués par rapport aux autres types de cellules en raison de l’étape de tri supplémentaire après le protocole MACS. De plus, on pourrait soutenir que le tri augmente le stress mécanique de la microglie par rapport aux autres populations cellulaires. Les stratégies de tri individuelles peuvent conduire à des rendements cellulaires différents. Si le nombre de cellules isolées est inférieur à ce qui est prévu ou souhaité, il est recommandé d’ajuster la configuration de la barrière et/ou d’améliorer la discrimination entre les cellules vivantes et mortes.
Une étape cruciale du protocole est l’enlèvement des débris. Le gradient doit être superposé très lentement et doucement pour créer les trois phases distinctes souhaitées (Figure 2A). Ce n’est que si la myéline et les autres résidus de débris dans les deux phases supérieures sont totalement éliminés (figure 2E) que des suspensions unicellulaires pures peuvent être générées et que la contamination peut être réduite. Si les suspensions cellulaires résultantes manquent de pureté, c’est probablement la partie du protocole qu’il faut améliorer en premier après l’assurance de la bonne utilisation de toutes les microbilles.
Recevoir des niveaux élevés de pureté et de viabilité peut être difficile dans ce type d’expérience. Voici quelques recommandations de dépannage :
-Le travail dans des conditions stériles est obligatoire pour éviter la contamination des différentes microbilles et permettre une utilisation répétée, en particulier pour la culture ultérieure.
-L’étiquetage de chaque tube pour éviter les confusions est fortement recommandé.
-Évitez l’utilisation de réactifs/tampons non refroidis. Conservez toutes les suspensions cellulaires sur de la glace pendant toute la durée de l’expérience pour assurer une viabilité élevée.
-Garder le temps entre les différentes étapes de travail aussi court que possible. Il n’y a pas de partie spécifique dans le protocole où il est recommandé de mettre l’expérience en pause.
-Il est très important de respecter les périodes d’incubation spécifiées.
En conclusion, ce protocole actuel pour l’isolement simultané de tous les principaux types de cellules résidentes du SNC à partir d’une réplique du SNC offre la possibilité d’analyser ex vivo des réseaux neuronaux complexes et des voies neuro-inflammatoires à partir d’une suspension de cellules du SNC. Ainsi, les cellules résidentes du SNC peuvent être étudiées à différents stades de l’évolution de la maladie, par exemple au cours de la neuroinflammation, de la neurodégénérescence et/ou de la rémission de l’EAE. De plus, les interactions cellule-cellule et les voies biochimiques peuvent être étudiées au niveau individuel et la variabilité au sein des groupes expérimentaux peut être réduite. Il est également possible de cultiver des fractions des cellules isolées du SNC en monoculture pour d’autres tests fonctionnels et une validation. Tout en un, ce protocole offre des avancées significatives pouvant affecter les approches de recherche préclinique et clinique.
The authors have nothing to disclose.
Les figures ont été créées à l’aide d’Adobe Illustrator (version 2023) et de Servier Medical Art (https://smart.servier.com). Antonia Henes a reçu le soutien de la Jürgen Manchot Stiftung.
70 μm cell strainers | Corning, MA, USA | 352350 | CNS tissue dissociation |
ACSA-2 Antibody, anti-mouse, PE-Vio 615 (clone REA-969) | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, NRW, Germany | 130-116-244 | Flow cytometry, store at 4 °C |
Adult Brain Dissociation Kit, mouse, and rat | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, NRW, Germany | 130-107-677 | Tissue dissociation,contains debris and red blood cell removal solutions; prepare aliquots of enzyme A and P upon arrival and store them at -20 °C; store the remaining kit at 4 °C |
Anti-ACSA-2 MicroBead Kit, mouse | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, NRW, Germany | 130-097-678 | MACS of astrocytes, store at 4 °C |
Anti-mouse CD16/32 antibody | BioLegend, London, UK | 101301 | Flow cytometry, store at 4 °C |
Anti-O4 MicroBeads, human, mouse, rat | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, NRW, Germany | 130-094-543 | MACS of oligodendrocytes, store at 4 °C |
AstroMACS Separation buffer | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, NRW, Germany | 130-091-221 | MACS of astrocytes, store at 4 °C |
Biotin Antibody, PE (clone Bio3-18E7) | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, NRW, Germany | 130-113-853 | Flow cytometry, store at 4 °C |
BRAND Neubauer counting chamber | Thermo Fisher Scientific,Waltham, MA, USA | 10195580 | Cell counting |
Brilliant Violet 510 anti-mouse CD45 Antibody (clone 30-F11) | BioLegend, London, UK | 103137 | Flow cytometry, store at 4 °C |
CD11b MicroBeads, human, mouse | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, NRW, Germany | 130-049-601 | MACS of microglia, store at 4 °C |
DNAse I, recombinant, Rnase-free | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | 4716728001 | Flow cytometry, store at -20° C |
D-PBS with Calcium, Magnesium, Glucose, Pyruvat | Thermo Fisher Scientific,Waltham, MA, USA | 14287080 | Buffer, store at 4 °C |
D-PBS, without calcium, without magnesium | Thermo Fisher Scientific,Waltham, MA, USA | 14190250 | Buffer, store at 4 °C |
eBioscience Fixable Viability Dye eFluor 780 | Thermo Fisher Scientific,Waltham, MA, USA | 65-0865-14 | Flow cytometry, store at 4 °C |
eBioscience Foxp3/Transcription factor staining buffer set | Thermo Fisher Scientific,Waltham, MA, USA | 00-5523-00 | Flow cytometry, store at 4°C |
Falcon (15 mL) | Thermo Fisher Scientific,Waltham, MA, USA | 11507411 | Cell tube |
Falcon (50 mL) | Thermo Fisher Scientific,Waltham, MA, USA | 10788561 | Cell tube |
Falcon Round-Bottom Polystyrene Test Tubes with Cell Strainer Snap Cap, 5 mL | Thermo Fisher Scientific,Waltham, MA, USA | 08-771-23 | Flow cytometry |
FcR Blocking Reagent, mouse | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, NRW, Germany | 130-092-575 | MACS of oligodendrocytes, store at 4 °C |
Female C57BL/6J mice | Charles River Laboratories, Sulzfeld, Germany | Active EAE induction | |
Fetal calf serum (FCS) | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | F2442-50ML | Flow cytometry, store at -5 to -20 °C |
FITC Rat Anti-CD 11b (clone M1/70) | BD Biosciences, San Jose, CA, USA | 553310 | Flow cytometry, store at 4 °C |
Freund’s Complete adjuvant | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | AR001 | Active EAE induction, store at 4 °C |
GentleMACS C Tubes | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, NRW, Germany | 130-093-237 | CNS tissue dissociation |
GentleMACS Octo Dissociator with Heaters | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, NRW, Germany | 130-096-427 | CNS tissue dissociation |
Graphpad Prism 8.4.3 | Graphpad by Dotmatics | Graphical Analysis | |
Isoflurane | AbbVie, North Chicago, IL, USA | Active EAE induction, store at 4 °C | |
Kaluza Analysis Software V2.1.1 | Beckman Coulter, Indianapolis, IN, USA | Flow cytometry analysis | |
LS Columns | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, NRW, Germany | 130-042-401 | MACS |
MACS BSA Stock Solution | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, NRW, Germany | 130-091-376 | PB-buffer |
MACS MultiStand | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, NRW, Germany | 130-042-303 | MACS |
MOG35–55 peptide | Charité, Berlin, Germany; alternatives: Genosphere Biotechnologies (Paris, France) or sb-Peptide (Saint Egrève, France) | Active EAE induction, store at -20 °C | |
Mycobacterium tuberculosis strain H37 Ra | Becton, Dickinson and Company (BD),Franklin Lakes, NJ, USA | Active EAE induction, store at 4 °C | |
Neuron Isolation Kit, mouse | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, NRW, Germany | 130-115-390 | MACS of neurons, store at 4 °C |
O4 Antibody, anti-human/mouse/rat, APC, (clone REA-576) | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, NRW, Germany | 130-119-897 | Flow cytometry, store at 4 °C |
Pertussis toxin in glycerol | Hooke Laboratories Inc., Lawrence, MA, USA | BT-0105 | Active EAE induction; store at -20 °C |
pluriStrainer Mini 100 μm | pluriSelect Life Science UG, Leipzig, Sachsen, Germany | 43-10100-40 | Flow cytometry |
QuadroMACS Separator | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, NRW, Germany | 130-090-976 | MACS |
Recombinant Alexa Fluor 647 Anti-NeuN antibody (clone EPR12763) | Abcam, Cambridge, UK | EPR12763 | Flow cytometry, store at -20 °C |
Stainless Steel Brain Matrices, 1 mm | Ted Pella, Redding, CA, USA | 15067 | CNS tissue dissection |
Trypan blue solution, 0.4% | Thermo Fisher Scientific,Waltham, MA, USA | 15250061 | Cell counting |
UltraPure 0.5 M EDTA, pH 8.0 | Thermo Fisher Scientific,Waltham, MA, USA | 15575020 | Flow cytometry, store at room temperature |