Bugüne kadar, tüm ana merkezi sinir sisteminde yerleşik hücre tiplerinin aynı fareden eşzamanlı izolasyonu için protokoller karşılanmamış bir taleptir. Protokol, nöroinflamasyon sırasında karmaşık hücresel ağları araştırmak ve aynı anda gerekli fare sayılarını azaltmak için naif ve deneysel otoimmün ensefalomiyelit farelerinde uygulanabilir bir prosedürü göstermektedir.
Deneysel otoimmün ensefalomiyelit (EAE), multipl skleroz (MS) için en yaygın murin modelidir ve MS’in hala bilinmeyen etiyolojisini daha fazla aydınlatmak ve yeni tedavi stratejileri geliştirmek için sıklıkla kullanılmaktadır. Miyelin oligodendrosit glikoprotein peptidi 35-55 (MOG35-55) EAE modeli, bağışıklamadan sonraki 10 gün içinde artan felç ile kendi kendini sınırlayan bir monofazik hastalık seyrini yeniden üretir. Fareler, klinik bir puanlama sistemi kullanılarak günlük olarak incelenir. MS, belirli bir zamansal paterne sahip farklı patomekanizmalar tarafından yönlendirilir, bu nedenle hastalığın ilerlemesi sırasında merkezi sinir sistemi (MSS) yerleşik hücre tiplerinin rolünün araştırılması büyük ilgi görmektedir. Bu protokolün benzersiz özelliği, yetişkin EAE ve sağlıklı farelerde uygulanabilen tüm ana CNS’de yerleşik hücre tiplerinin (mikroglia, oligodendrositler, astrositler ve nöronlar) eşzamanlı izolasyonudur. Beynin ve omuriliğin yetişkin farelerden ayrılmasını, mikroglia, oligodendrositler, astrositler ve nöronları izole etmek için manyetik olarak aktive edilen hücre sınıflandırması (MACS) takip eder. Saflaştırılmış tek hücreli süspansiyonların kalite analizlerini yapmak için akış sitometrisi kullanıldı, hücre izolasyonundan sonra canlılığı doğruladı ve her hücre tipinin saflığını yaklaşık %90 olarak gösterdi. Sonuç olarak, bu protokol, sağlıklı ve EAE farelerinde karmaşık hücresel ağları analiz etmek için kesin ve kapsamlı bir yol sunar. Ayrıca, dört hücre tipinin tümü aynı farelerden izole edildiğinden, gerekli fare sayıları önemli ölçüde azaltılabilir.
Multipl skleroz (MS), santral sinir sisteminin (SSS) demiyelinizasyon, aksonal hasar, gliozis ve nörodejenerasyon ile karakterize kronik inflamatuar otoimmün bir hastalığıdır. Bu alandaki çok sayıda araştırma yaklaşımına rağmen, MS’in patofizyolojisi hala tam olarak anlaşılamamıştır 1,2,3,4. MS’i araştırmak için en yaygın hayvan modeli, klinik ve patofizyolojik özelliklerinin çoğunu paylaşan miyelin oligodendrosit glikoprotein peptidi 35-55 (MOG35-55) ile indüklenen deneysel otoimmün ensefalomiyelittir (EAE) 5,6,7,8,9 . Bağışıklık sisteminin inflamasyona, demiyelinizasyona ve nöroaksonal dejenerasyona yol açan CNS’ye özgü antijenlere karşı tepkisine dayanır. Deneysel otoimmün ensefalomiyelit (EAE), MS’de bulunan nöroinflamatuar yolakların ve sinyal kaskadlarının araştırılması için uygun bir modeldir.
MS için mevcut tedavi seçenekleri sadece kısmen etkilidir ve öncelikle hastalığın ilk inflamatuar fazına odaklanır. Bununla birlikte, MS’in nörodejeneratif bileşeni, uzun vadeli terapötik yaklaşımlar için en büyük zorluk gibi görünmektedir. Bu nedenle, otoimmün hastalıklarda moleküler ve hücresel mekanizmaların kapsamlı bir şekilde araştırılması için tekrarlanabilir ve hassas hücre izolasyon protokollerine ihtiyaç vardır. Tek bir hücre tipinin izolasyonu için bazı protokoller mevcut olsa bile 10,11,12,13,14,15, aynı anda birkaç CNS’de yerleşik hücre popülasyonunun aynı anda izolasyonu için karşılanmamış bir ihtiyaç vardır. CNS’de yerleşik hücrelerin izolasyonu için önceki protokoller, hücresel işlevselliği ve saflığı korumada eksiktir, bu da komşu hücrelerle birlikte yetiştirme 16,17,18 veya hücre içi ağların ex vivo19,20,21,22 karmaşık analizleri için uygun olmama ile sonuçlanır.
Bu protokolün amacı, yetişkin, sağlıklı ve EAE farelerinde uygulanabilen tüm ana CNS’de yerleşik hücre tiplerinin saf, canlı, tek hücreli süspansiyonlarının eşzamanlı izolasyonu için tekrarlanabilir ve kapsamlı bir yöntem oluşturmaktı. Farklı hücre tipleri, manyetik olarak aktive edilen hücre sıralaması (MACS)23 kullanılarak izole edildi. Hücre ayrımı, pozitif seleksiyonla, yani hücre tipine özgü yüzey işaretleyicilerinin manyetik olarak etiketlenmesiyle veya biyotinilasyon ve tüm istenmeyen hücrelerin tükenmesi yoluyla negatif seleksiyonla gerçekleştirilebilir. İzole edilmiş tek hücreli süspansiyonların %90’ın üzerinde bir saflık ve en az %80’inin canlılığını sağlamak için akış sitometrisi uygulandı.
Sonuç olarak, ana amaç, sağlıklı ve EAE farelerinde karmaşık hücresel ağların ve biyokimyasal sinyal kaskadlarının kapsamlı ve kesin bir analizini sunan nöroinflamatuar yolların araştırılması için çok yönlü bir araç olarak tüm ana CNS’de yerleşik hücre tiplerinin eşzamanlı izolasyonu için bir protokol oluşturmaktı.
Şimdiye kadar, kütle spektrometresi ve RNA dizilimini birleştirerek CNS’de yerleşik hücreleri ex vivo haritalama yöntemleri, sağlık ve hastalıkta çok hassas bir hücresel profilleme sunmaktadır, ancak bu alanda iddialı teknik bilgi ve uzmanlık gerektirmektedir50,51. Ayrıca, fonksiyonel analizlere izin vermezler ve çok pahalıdırlar. Bunun yanı sıra, mikroakışkan çip üzerinde beyin sistemleri, hastalık mekanizmaları için hızlı ve uygun maliyetli bir tarama ve hücre büyümesi ve göçünün kısıtlanması ile yeni terapötik yaklaşımların test edilmesini sağlar 52,53,54,55. CNS organoidleri, gelecekte hücresel modelleme, hücreler arası bağlantılar ve hastalık seyri sırasındaki etkileşimlerin araştırılması için eşdeğer bir alternatifi temsil edebilir 56,57,58,59. Bununla birlikte, floresan ve manyetik ile aktive olan hücre sınıflandırması, şu anda saf ve canlı tek hücreli süspansiyonlar ex vivo 35,60,61 üretmek için en etkili yöntemlerdir. CNS’de yerleşik hücre tiplerinin izolasyonu için diğer yerleşik üretim protokolleri, manyetik izolasyonun bireysel adımları ve önceki hücre ayrışması ile ilgili olarak benzer olsa bile, her hücre tipi için ayrı ayrı gerçekleştirilmeleri amaçlanmıştır. Buna karşılık, mevcut protokol, her CNS’de yerleşik hücre tipi için farklı izolasyon yöntemlerini mantıksal bir bağlama entegre eder, böylece aynı anda ve tek bir CNS hücre süspansiyonundan gerçekleştirilebilirler (Tablo 1, Tablo 2). Böylece, tek bir CNS hücre süspansiyonundan multi-omik analizlere ve nihayetinde karmaşık nöronal ağların keşfine olanak tanır. Bu protokolü gerçekleştirmek için birden fazla hayvandan birkaç dokuyu bir araya getirmek bir zorunluluk olmasa bile, bu havuzlama, daha fazla aşağı akış analizi için yeterli sayıda izole hücre sağlar. Tek hücre tiplerinin izolasyonu için farklı farelerin kullanılması, potansiyel hücresel etkileşimleri analiz etme olasılığını dışlayacaktır. Bunun yanı sıra, tümü önceki bir CNS ayrışmasını takip eden farklı CNS hücre tipleri için bireysel izolasyon yöntemlerinin birleştirilmesi, sonraki tüm manyetik izolasyon adımları için bir ayrışmış CNS hücre süspansiyonu kullanarak malzeme maliyetlerinden tasarruf sağlar. Ek olarak, farklı farelerin kullanımından kaynaklanan olası bir teknik önyargı en aza indirilir.
Protokolün bir sınırlaması, dişi C57BL / 6J farelerinin neredeyse özel kullanımı olabilir. EAE bağışıklama protokolü dişi fareler için tasarlanmış ve oluşturulmuştur, bu nedenle bu hücre izolasyon protokolü dişi C57BL / 6J farelerinde de uygulanmıştır. Bununla birlikte, bu protokolün geliştirilmesi sırasında, ortaya çıkan hücre sayısı veya saflıkları üzerinde herhangi bir etki tanınmadan, saf erkek fareler de kullanılmıştır. Başka bir kısıtlama, nöronların manyetik hücre izolasyonunu etkiler, çünkü pozitif bir seçim açısından nöronların izolasyonu için spesifik bir mikro boncuk yoktur. Biyotin etiketlemesi ve tüm nöronal olmayan hücrelerin tükenmesi yoluyla saf bir tek hücreli süspansiyonun elde edilebileceği varsayılmıştır (Tablo 2). Bu varsayım, NeuN’nin söz konusu akış sitometrisi saflık paneline entegre edilmiş nöronlar için spesifik bir nükleer belirteç olarak kullanılmasıyla doğrulandı. Diğer bir sınırlama, EAE farelerinde mikroglia izolasyonu ile ilgilidir. Burada elde edilen hücre verimleri, MACS protokolünden sonra ek sıralama adımı nedeniyle diğer hücre tiplerine göre azalır. Ayrıca, sıralamanın diğer hücre popülasyonlarına kıyasla mikroglia’nın mekanik stresini arttırdığı iddia edilebilir. Bireysel sıralama stratejileri, farklı miktarlarda hücre verimine yol açabilir. İzole hücre sayısı beklenenden veya istenenden azsa, geçit kurulumunun ayarlanması ve/veya canlı/ölü ayrımının iyileştirilmesi önerilir.
Protokoldeki kritik bir adım, enkazın kaldırılmasını temsil eder. İstenen üç ayrı fazı oluşturmak için gradyan çok yavaş ve nazikçe katmanlanmalıdır (Şekil 2A). Sadece iki üst fazdaki miyelin ve diğer kalıntı kalıntıları tamamen çıkarılırsa (Şekil 2E), saf tek hücreli süspansiyonlar üretilebilir ve daha fazla kontaminasyon azaltılabilir. Ortaya çıkan hücre süspansiyonları saflıktan yoksunsa, bu muhtemelen tüm mikro boncukların doğru kullanımının güvencesinin yanında ilk önce iyileştirilmesi gereken protokolün bölümüdür.
Bu tür deneylerde saflık ve canlılıkta yüksek seviyeler elde etmek zor olabilir. Sorun giderme için bazı öneriler şunlardır:
-Farklı mikro boncukların kontaminasyonunu önlemek ve özellikle sonraki yetiştirme için tekrarlanan kullanımı sağlamak için steril koşullar altında çalışmak zorunludur.
-Karışıklıkları önlemek için her tüpün etiketlenmesi şiddetle tavsiye edilir.
-Soğutulmamış reaktiflerin/tamponların kullanımından kaçının. Yüksek canlılık sağlamak için tüm deney boyunca tüm hücre süspansiyonlarını buz üzerinde saklayın.
-Farklı çalışma adımları arasındaki süreyi mümkün olduğunca kısa tutun. Protokolde denemenin duraklatılmasının önerildiği belirli bir bölüm yoktur.
-Belirtilen kuluçka sürelerine uymak son derece önemlidir.
Sonuç olarak, tüm ana CNS’de yerleşik hücre tiplerinin bir CNS replikasyonundan eşzamanlı izolasyonu için bu mevcut protokol, karmaşık nöronal ağları ve nöroinflamatuar yolları ex vivo olarak bir CNS hücre süspansiyonundan analiz etme imkanı sunar. Bu nedenle, CNS’de yerleşik hücreler, hastalık seyrinin farklı aşamalarında, örneğin nöroinflamasyon, nörodejenerasyon ve / veya EAE’de remisyon sırasında araştırılabilir. Ayrıca, hücre-hücre etkileşimleri ve biyokimyasal yollar bireysel düzeyde incelenebilir ve deney grupları içindeki değişkenlik azaltılabilir. Ayrıca, daha fazla fonksiyonel tahlil ve doğrulama için izole edilmiş CNS hücrelerinin fraksiyonlarını monokültürlerde yetiştirme fırsatı da vardır. Hepsi bir arada, bu protokol klinik öncesi ve klinik araştırma yaklaşımlarını potansiyel olarak etkileyen önemli ilerlemeler sunar.
The authors have nothing to disclose.
Figürler Adobe Illustrator (sürüm 2023) ve Servier Medical Art (https://smart.servier.com) kullanılarak oluşturulmuştur. Antonia Henes, Jürgen Manchot Stiftung tarafından desteklendi.
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 |