このプロトコルは、バイオバンキングやその他の目的でヒト末梢血単核細胞を単離するためのハイスループット自動化互換の方法を詳述しています。
末梢血単核細胞(PBMC)は、単球とリンパ球の不均一な集団です。凍結保存されたPBMCは、長期保存で安定した生存率を示しており、フローサイトメトリー、イムノアッセイ、ゲノムシーケンシングなど、多くのダウンストリーム研究目的に理想的な細胞タイプとなっています。通常、PBMCは密度勾配遠心分離 によって単離されますが、これはロースループットのワークフローであり、スケーリングが困難でコストがかかります。この記事では、マグネティックビーズベースのPBMCアイソレーション法を使用したハイスループットワークフローを紹介します。密度勾配単離を使用して得られたPBMCによる全細胞濃度、生存率、および集団分布を比較し、細胞生存率と細胞タイプの割合は両方の技術で同等でした。単離されたPBMCは、採血後9日まで70%以上の生存率を示しましたが、採血から24時間以内に処理されたPBMCと比較して、5日後に収量は半分に減少しました。要約すると、この記事では、ビーズベースのアプローチを利用してハイスループットワークフローに適応するPBMCプロトコルについて説明し、手動と自動の両方のビーズベースの方法が処理能力を向上させ、さまざまな予算に柔軟に対応できることを実証しています。
末梢血単核細胞(PBMC)単離は、リンパ球と単球を他の全血成分から分離して分離する技術です。PBMCは、免疫療法、ワクチン開発、標的またはバイオマーカーの同定、抗体/低分子医薬品開発1,2など、さまざまなアプリケーションに使用される汎用性の高い細胞タイプです。これらの細胞は、健康な人や病気の人から単離することができ、下流のプロセスですぐに使用したり、将来の研究のために凍結保存したりできます3。場合によっては、ダウンストリームの目的がわかっている場合もあれば、バイオバンキングで一般的なように、PBMCが分離され、将来の不特定のアプリケーションのために保存される場合もあります4。
密度勾配遠心分離は、全血からPBMC5,6,7を単離するための伝統的な技術であり、遠心分離中の細胞密度に基づく構成細胞タイプの差動分離を利用します。この方法には多少のバリエーションがありますが、全血は通常、リン酸緩衝生理食塩水(PBS)で希釈し、特殊または標準的な遠心チューブ内の密度勾配培地に重ね合わせてから、遠心します。その結果、最上層の血漿層には血小板が豊富に、薄いPBMC層は密度勾配培地の上にあり、最後に最下層は赤血球(RBC)と顆粒球で構成されています。この方法は、以前は「ゴールドスタンダード」8と呼ばれていましたが、スケールアップには、処理時間が長い、遠心分離機の容量がある、他の血液製剤(血漿やRBCなど)を分注するのが難しい、自動化に手間がかかるなどの制限があります。この方法9では自動化が可能ですが、液体ハンドラーの包括的なプログラミング(遠心分離モジュールを完全に自動化する)が必要であり、長いプロセスのままです。
以下では、8ホルダー磁石による免疫磁気ビーズ分離による手動処理または完全自動処理のための装置を使用する代替ワークフローを紹介します。この方法では、抗体カクテルを細胞に添加し、不要な細胞集団(この場合は血小板、顆粒球、赤血球)に結合します。これらの不要な集団は、その後、磁気分離によって除去され、単球およびリンパ球の集団が負の画分に残り、下流の処理の準備ができている10。このネガティブセレクション法は、PBMCから抗体および磁気ビーズ複合体を除去するために追加のステップを必要とするポジティブセレクション法よりも迅速である。ネガティブセレクションは、細胞機能を保持する方法として説明されている11,12として、さらに有利である。
ヒトPBMCは、数多くのアッセイに使用される汎用性の高い細胞タイプです。ただし、分離スループットは、Biobanks16を含む多くのラボで制限となることがよくあります。以前は、NSW Health Statewide Biobankは密度勾配法を使用してPBMCを単離していました。処理能力を高めるために密度勾配分離法の自動化が検討されましたが、(i)遠心分離ユニットを備えたリキッドハンドラーのコストを完全に自動化すること、無菌製品を製造するためのHEPAユニットの追加要件、(ii)プログラミングのための訓練を受けた人員、(iii)プロトコルテストに必要な時間など、実装の障壁が特定されました。したがって、この研究では、代替方法を検討し、手動および自動処理に使用できる市販のヒトPBMCキットを特定しました。処理に必要な機器は、標準(長さ1.2m)の生物学的安全キャビネットに収まるため、無菌性が保証されます。このホワイトペーパーでは、品質を犠牲にすることなく効率を高め、試薬コストを削減するために、メーカーが推奨するプロトコル14に加えられた変更について詳しく説明します。さらに、メーカーのプロトコルは、全血(ステップ1.2)、血漿(ステップ2.2)、元の血液チューブからのRBC(ステップ2.5)の分注、細胞計数と凍結保存など、将来の研究のためのバイオバンク検体への詳細なステップに拡張されました。
この研究では、密度勾配分離、手動、および自動ビーズベースの分離の3つのPBMC単離プロトコルを比較しました。PBMC単離前のバフィーコート希釈液の除去、遠心分離のためのブレークオフ要件の排除など、メーカーのマニュアルビーズベースのプロトコールに修正が加えられ、研究者は適応性があり、費用対効果が高く、ハイスループットのPBMC単離プロトコールに従うことができました。まず、8つの一致した全血サンプルを使用してPBMCを分離し、密度勾配分離と手動ビーズベースの手法を比較しました。重要なことに、PBMCの細胞集団分布、細胞生存率、および回収率は、図2A-F、図3A、および補足図1にそれぞれ示されるように、比較した2つの方法間で有意差がありませんでした。代表的なデータでは、トリパンブルー排除法を用いた密度勾配分離法では細胞数が多くなりましたが、ヘマトロジー細胞分析装置を使用した場合はそうではありませんでした。セルカウンター上のPBMC細胞タイプ設定は、8〜50μmの細胞直径範囲を採用しているため、トリパンブルー排除法17を使用する場合、PBMCおよび顆粒球(直径約12〜15μm)がカウントされます。血液学的細胞カウンターはトリパンブルー排除法よりも高い特異性を示しましたが、一部の回収率計算は 100% を超えており、機器の誤差範囲を反映していました(補足図1を参照)。したがって、ほとんどの技術では特異的で高感度の分画的細胞カウントが得られないため、研究者はPBMC単離プロトコルからの収量を比較する際に、細胞カウント技術の組み合わせを適用することをお勧めします。さらに、どちらの技術から得られたPBMCの機能活性も比較するためのアッセイは行われなかったため、これが私たちの分析の限界です。
次に、手動および自動ビーズベースの分析法を比較したところ、8 つの一致したサンプルから PBMC の収量または生存率の間に有意差は認められませんでした(図 4A、B)。細胞集団は個別に比較せず、両方の方法で同じ抗体分離カクテルを使用しました。重要なことに、自動化されたプロトコルを使用して、8 つのサンプルを処理するハンズオン時間が 43 分から 22 分に短縮されました(図 4C)。自動化により、スループット、技術者の燃え尽き症候群の防止、検体処理の一貫性が確保されますが、試薬と消耗品のコストは、手動のビーズベースの方法よりも3〜4倍と大幅に高くなります。これは、推奨範囲である2〜5 mL(全血量10 mL以上)ではなく、1 mLのバフィーコート(全血量10 mLから)を使用するように製造プロトコルを変更した後です。.予算が限られている場合は、手動法を選択することで、試薬と消耗品のコストは密度分離法と同等に維持しながら、処理時間を~25%短縮できます。5分間のインキュベーション期間内(ステップ3.7、3.11、および3.14)にサンプルを適切にずらす(~30 s/サンプル)を確保するために、技術者1人あたり一度に8個以下のサンプルを処理することをお勧めします。
手動と自動のビーズベースのどちらの方法でも、バフィーコートの除去は、最適なPBMC分離を確保するための重要なステップです。このプロトコルでは、試薬の量が出発物質の量10に基づいているため、全血ではなくバフィーコートが使用されていることに注意することが重要です。バフィーコートの全容積を効果的に除去することは、技術的に困難な場合があります。当初、この方法では 0.5 mL のバフィーコートを詳細に除去していましたが、回復を改善するために 1 mL に増やしました。バフィーコートの適切で一貫した回収を確実にするためには、このプロセスを詳細に説明することが、プロトコールの文書化とトレーニングで重要です。バフィーコートを吸引しながらピペットチップを回転させながら、下の層からRBCをあまり吸引しないように注意することをお勧めします(ステップ2.3)。望ましくない細胞(すなわち、顆粒球および赤血球)に結合する抗体カクテルを飽和させないことが重要です。これは、収量と純度に影響を与える可能性があります10。バフィーコートの抽出中に収集される赤血球を最小限に抑えるには、ピペットの先端をプラズマとバフィーコート層の間に配置する必要があります。バフィーコートの容量は1mLから増やすことができます。しかし、収集された量の10%を超えないように注意を払わなければならない。あるいは、自動化されたリキッドハンドラーを使用して、バフィーコートを一貫して収集することができる18。しかし、リキッドハンドリング機器のプロトコルの校正とトラブルシューティングに必要な時間は、特に費用を考慮すると、ほとんどのラボでは実現できないかもしれません。
NSW Health Statewide Biobankが今後3年間で23,000のPBMCを処理するという目標を掲げていることを考えると、自動化ビーズベースのプロトコルの移行と適用は不可欠でした。ここでは、PBMCは、収集から最大9日間でACDチューブから分離でき、平均生存率は>70%であることが実証されました。採取後24時間で収量は最適でしたが、サンプルの輸送が必要になる可能性があるため、この時間枠内での処理が常に可能であるとは限りません。手動または自動ビーズベースの方法で単離されたPBMCは、収集から4日以内に単離した場合の全血>3 x 105細胞/mL、収集から10日以内に単離された場合の全血>1 x 105細胞/mLの収量を示す可能性があることが示されました。5 日間を超えるサンプルの数が少ないことは、この分析の制限として指摘されています。さらに、参加者は年齢、性別、および病歴に基づいてデータを分離していなかったため、この情報は利用できませんでした。両分析法の処理時間の遅延の影響を調べるためには比較分析が必要であるが、密度勾配法を用いたPBMC単離の遅延は細胞品質を低下させ、RBC汚染を著しく増加させることが以前に報告されている19,20。さらに、処理が遅れると顆粒球の割合が増加するため、同様の「年代」の標本は下流の分析のためにグループ化されるべきである20,21,22。注目すべきは、この実験は、酸性クエン酸デキストロース(すなわち、クエン酸三ナトリウム、クエン酸、およびデキストロース)で抗凝固された血液を使用して行われたことです。しかし、他の抗凝固剤が使用されている場合、細胞型の収量および/または割合は異なる可能性がある23;したがって、研究者は、意図されたダウンストリームPBMC分析に基づいて適切な抗凝固剤を選択することをお勧めします。
要約すると、ハイスループットワークフローに適応可能な磁気ビーズを使用したPBMC単離のプロトコルは、細胞生存率を損なうことなくスケーリングの要件を満たすために詳細に説明されています。手動分析法と自動分析法はどちらも、開始量と再懸濁量を変更することで特定の細胞濃度を生成するように最適化できます。NSW Health Statewide Biobankは、従来の密度勾配分離技術を使用した月間~60のPBMCの抽出から、この自動化に対応したビーズベースの方法を使用した月間~300のPBMCへの移行を行いました。著者らの次の目標は、自動化されたプラットフォームを使用して月に最大1200のPBMCを処理し、磁気ビーズベース(手動および自動)と密度勾配技術の両方で分離されたPBMCをさらに比較して、この技術をバイオバンクに特に焦点を当てた他の研究室に実装するように導くことです。
The authors have nothing to disclose.
NSW州保健州全体のバイオバンクは、NSW州保健病理学局、NSW州保健医療研究局、シドニー地方保健地区からの支援に感謝の意を表します。さらに、著者らは、OmicoおよびNSW Health Statewide Biobankが支援するその他の調査研究に対し、社内で生成されたデータを公開し、未使用の標本を研究目的で使用する許可を与えてくれたことに感謝します。著者らは、ジェニファー・ブライン教授(シドニー大学ニューサウスウェールズ州健康病理学)に対し、重要なリーダーシップと議論に感謝します。 図 1 は BioRender.com を使用して作成されました。
Cell cryopreservation media CS10, 100 mL (CRYOSTOR) | StemCellTM Technologies | 07930 | |
Class II Biological Safety Cabinet | Thermo ScientififcTM | 51033311 | |
CoolCell 1 mL FX | BioTools | BCS-407P | This is the control rate freezing container used. |
Distilled Water | Bacto Laboratories | 561832 | |
DxH 500 Hematology Analyzer | Beckman Coulter Life Sciences | B40601 | Referred to as external automated cell counter. |
EasyEightsTM EasySepTM Magnet | StemCellTM Technologies | 18103 | |
EasySepTM Direct Human PBMC Isolation Kit | StemCellTM Technologies | 19654 | Kit includes the magnetic bead tube and the cocktail mix tube |
Ethylenediaminetetraacetic acid | Sigma-Aldrich Pty Ltd | E6758-500G | Instructions to make 0.1M EDTA solution from EDTA salt is located in supplemental file 2. |
LymphoprepTM Density Gradient Medium | StemCellTM Technologies | 7851 | |
Megafuge ST4 Plus Centrifuge | Thermo ScientififcTM | THR75009903 | |
Orion Star A211 pH meter electrode | Thermo ScientififcTM | STARA2110 | |
Orion™ ROSS Ultra™ Glass Triode™ pH/ATC Combination Electrodes | Thermo ScientififcTM | 8302BNURCA | |
Phosphate buffered saline (PBS), solution, 1X, 500ml | Life Technologies Australia Pty Ltd | 10010023 | |
Prism | GraphPad | ||
RoboSepTM Buffer 1X | StemCellTM Technologies | 20104 | Software used for statistical analysis. |
RoboSepTM-S | StemCellTM Technologies | 21000 | Fully automated cell separator instrument. |
RoboSep™ Filter Tips | StemCellTM Technologies | 20125 | |
SepMateTM-50 (IVD) tubes | StemCellTM Technologies | 85460 | IVD – In vitro diagnostics. Also known as SepMateTM-50 tubes |
Vi-CELL XR Cell Anlayzer | Beckman Coulter Life Sciences | Internal automated cell counter. Instrument obsolete and no longer available for purchase (as of December 31, 2022). Alternative instrument is the ViCell BLU Cell Viability Analyzer (Product no. C19196). | |
Vi-CELL XR Quad Pack Reagent Kit | Beckman Coulter Life Sciences | 383722 |
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