Ad oggi, i protocolli per l’isolamento simultaneo di tutti i principali tipi di cellule residenti nel sistema nervoso centrale dallo stesso topo sono una richiesta insoddisfatta. Il protocollo mostra una procedura applicabile nei topi con encefalomielite autoimmune naïve e sperimentale per studiare reti cellulari complesse durante la neuroinfiammazione e contemporaneamente ridurre il numero di topi richiesti.
L’encefalomielite autoimmune sperimentale (EAE) è il modello murino più comune per la sclerosi multipla (SM) ed è spesso utilizzato per chiarire ulteriormente l’eziologia ancora sconosciuta della SM al fine di sviluppare nuove strategie di trattamento. Il modello EAE del peptide glicoproteico oligodendrocitario della mielina 35-55 (MOG35-55) riproduce un decorso autolimitante della malattia monofasica con paralisi ascendente entro 10 giorni dall’immunizzazione. I topi vengono esaminati quotidianamente utilizzando un sistema di punteggio clinico. La SM è guidata da diversi meccanismi patogenetici con uno specifico pattern temporale, quindi lo studio del ruolo dei tipi di cellule residenti nel sistema nervoso centrale (SNC) durante la progressione della malattia è di grande interesse. La caratteristica unica di questo protocollo è l’isolamento simultaneo di tutti i principali tipi di cellule residenti nel SNC (microglia, oligodendrociti, astrociti e neuroni) applicabili nell’EAE adulto e nei topi sani. La dissociazione del cervello e del midollo spinale dai topi adulti è seguita dallo smistamento cellulare attivato magneticamente (MACS) per isolare microglia, oligodendrociti, astrociti e neuroni. La citometria a flusso è stata utilizzata per eseguire analisi di qualità delle sospensioni monocellulari purificate, confermando la vitalità dopo l’isolamento cellulare e indicando la purezza di ciascun tipo di cellula di circa il 90%. In conclusione, questo protocollo offre un modo preciso e completo per analizzare reti cellulari complesse in topi sani e EAE. Inoltre, il numero di topi richiesti può essere sostanzialmente ridotto poiché tutti e quattro i tipi di cellule sono isolati dagli stessi topi.
La sclerosi multipla (SM) è una malattia infiammatoria cronica autoimmune del sistema nervoso centrale (SNC) caratterizzata da demielinizzazione, danno assonale, gliosi e neurodegenerazione. Nonostante i numerosi approcci di ricerca in questo campo, la fisiopatologia della SM non è ancora pienamente compresa 1,2,3,4. Il modello animale più comune per lo studio della SM è l’encefalomielite autoimmune sperimentale (EAE) indotta dal peptide glicoproteico oligodendrocitario della mielina 35-55 (MOG35-55), che condivide molte delle sue caratteristiche cliniche e fisiopatologiche 5,6,7,8,9 . Si basa sulla risposta del sistema immunitario contro gli antigeni specifici del SNC che portano all’infiammazione, alla demielinizzazione e alla degenerazione neuroassonale. L’encefalomielite autoimmune sperimentale (EAE) è un modello adatto per lo studio delle vie neuroinfiammatorie e delle cascate di segnalazione riscontrate nella SM.
Le attuali opzioni terapeutiche per la SM sono solo parzialmente efficaci e si concentrano principalmente sulla fase infiammatoria iniziale della malattia. Tuttavia, la componente neurodegenerativa della SM sembra essere la sfida principale per gli approcci terapeutici a lungo termine. Pertanto, sono necessari protocolli di isolamento cellulare riproducibili e precisi per studiare in modo completo i meccanismi molecolari e cellulari nelle malattie autoimmuni. Anche se esistono alcuni protocolli per l’isolamento di un singolo tipo di cellula 10,11,12,13,14,15, c’è un’esigenza insoddisfatta per l’isolamento simultaneo di più popolazioni cellulari residenti nel SNC contemporaneamente. I precedenti protocolli per l’isolamento delle cellule residenti nel SNC non sono in grado di preservare la funzionalità e la purezza cellulare, con conseguente co-coltivazione con cellule vicine 16,17,18 o l’inidoneità per analisi complesse di reti intracellulari ex vivo 19,20,21,22.
Lo scopo di questo protocollo è stato quello di stabilire un metodo riproducibile e completo per l’isolamento simultaneo di sospensioni unicellulari vitali pure di tutti i principali tipi di cellule residenti nel SNC, applicabile in topi adulti sani e EAE. I diversi tipi di cellule sono stati isolati utilizzando il cervaglio cellulare attivato magneticamente (MACS)23. La separazione cellulare può essere ottenuta sia mediante selezione positiva, cioè marcatura magnetica di marcatori di superficie specifici per tipo di cellula, sia mediante selezione negativa tramite biotinilazione e svuotamento di tutte le cellule indesiderate. La citometria a flusso è stata applicata per garantire una purezza superiore al 90% e una vitalità di almeno l’80% delle sospensioni isolate a singola cellula.
In conclusione, l’obiettivo principale è stato quello di stabilire un protocollo per l’isolamento simultaneo di tutti i principali tipi di cellule residenti nel SNC come strumento versatile per lo studio delle vie neuroinfiammatorie offrendo un’analisi completa e precisa di reti cellulari complesse e cascate di segnalazione biochimica in topi sani e EAE.
Finora, i metodi per mappare le cellule residenti nel SNC ex vivo combinando la spettrometria di massa e il sequenziamento dell’RNA offrono un profilo cellulare molto preciso in salute e malattia, ma richiedono conoscenze tecniche e competenze ambiziose in questo campo50,51. Inoltre, non consentono analisi funzionali e sono molto costosi. Oltre a ciò, i sistemi microfluidici brain-on-a-chip forniscono uno screening rapido e conveniente per i meccanismi della malattia e la sperimentazione di nuovi approcci terapeutici con la restrizione della crescita e della migrazione cellulare 52,53,54,55. Gli organoidi del SNC potrebbero anche rappresentare un’alternativa equivalente in futuro per lo studio della modellazione cellulare, delle connessioni intercellulari e delle interazioni durante i decorsi della malattia 56,57,58,59. Tuttavia, la selezione cellulare attivata dalla fluorescenza e dal magnetismo sono attualmente i metodi più efficaci per generare sospensioni monocellulari pure e vitali ex vivo 35,60,61. Anche se altri protocolli di produzione consolidati per l’isolamento dei tipi di cellule residenti nel SNC sono simili per quanto riguarda le singole fasi dell’isolamento magnetico e della precedente dissociazione cellulare, essi sono destinati ad essere eseguiti separatamente per ciascun tipo di cellula. Al contrario, l’attuale protocollo integra diversi metodi di isolamento per ogni tipo di cellula residente nel SNC in un contesto logico in modo che possano essere eseguiti simultaneamente contemporaneamente e da una singola sospensione di cellule del SNC (Tabella 1, Tabella 2). Pertanto, consente analisi multi-omiche da una singola sospensione cellulare del SNC e, infine, l’esplorazione di reti neuronali complesse. Anche se non è necessario raggruppare diversi tessuti di più animali per eseguire questo protocollo, questo raggruppamento garantisce un numero adeguato di cellule isolate per ulteriori analisi a valle. L’utilizzo di topi diversi per l’isolamento dei singoli tipi cellulari escluderebbe la possibilità di analizzare potenziali interazioni cellulari. Oltre a ciò, la combinazione di metodi di isolamento individuali per i diversi tipi di cellule del SNC, che seguono tutti una precedente dissociazione del SNC, consente di risparmiare sui costi dei materiali utilizzando una sospensione di cellule del SNC dissociata per tutte le fasi successive dell’isolamento magnetico. Inoltre, viene ridotta al minimo una potenziale distorsione tecnica causata dall’uso di mouse diversi.
Una limitazione del protocollo potrebbe essere l’uso quasi esclusivo di topi femmina C57BL/6J. Il protocollo di immunizzazione EAE è stato progettato e stabilito per topi femmina, quindi questo protocollo di isolamento cellulare è stato implementato anche nei topi femmina C57BL/6J. Tuttavia, durante lo sviluppo di questo protocollo sono stati utilizzati anche topi maschi naïve, senza riconoscere alcun effetto sul numero di cellule o sulla purezza risultante. Un’altra restrizione riguarda l’isolamento delle cellule magnetiche dei neuroni in quanto non esistono microsfere specifiche per l’isolamento dei neuroni in termini di selezione positiva. Si è ipotizzato che una sospensione unicellulare pura potesse essere ottenuta attraverso la marcatura della biotina e l’esaurimento di tutte le cellule non neuronali (Tabella 2). Questa ipotesi è stata verificata dall’utilizzo di NeuN come marcatore nucleare specifico per i neuroni, integrato nel pannello di purezza della citometria a flusso menzionato. Un’altra limitazione riguarda l’isolamento della microglia nei topi EAE. In questo caso, la resa cellulare risultante è diminuita rispetto agli altri tipi di cellule a causa dell’ulteriore fase di smistamento dopo il protocollo MACS. Inoltre, si potrebbe sostenere che lo smistamento aumenta lo stress meccanico della microglia rispetto alle altre popolazioni cellulari. Le singole strategie di selezione possono portare a diverse quantità di rese cellulari. Se il numero di celle isolate è inferiore a quello previsto o desiderato, si consiglia di regolare l’impostazione del gating e/o di migliorare la discriminazione tra vivi e morti.
Un passaggio critico del protocollo rappresenta la rimozione dei detriti. Il gradiente deve essere stratificato molto lentamente e delicatamente per creare le tre fasi separate desiderate (Figura 2A). Solo se la mielina e gli altri residui di detriti nelle due fasi superiori vengono rimossi completamente (Figura 2E), è possibile generare sospensioni unicellulari pure e ridurre ulteriormente la contaminazione. Se le sospensioni cellulari risultanti mancano di purezza, questa è probabilmente la sezione del protocollo che dovrebbe essere migliorata per prima insieme alla garanzia del corretto utilizzo di tutte le microsfere.
Ricevere alti livelli di purezza e vitalità può essere difficile in questo tipo di esperimento. Di seguito sono riportati alcuni consigli per la risoluzione dei problemi:
-Lavorare in condizioni sterili è obbligatorio per prevenire la contaminazione delle diverse microsfere e consentire un uso ripetuto, soprattutto per la coltivazione successiva.
-Si consiglia vivamente di etichettare ogni tubo per evitare confusioni.
-Evitare l’uso di reagenti/tamponi non raffreddati. Conservare tutte le sospensioni cellulari su ghiaccio durante l’intero esperimento per garantire un’elevata vitalità.
-Mantenere il tempo tra le diverse fasi di lavoro il più breve possibile. Non esiste una parte specifica del protocollo in cui si consiglia di mettere in pausa l’esperimento.
-È molto importante rispettare i periodi di incubazione specificati.
In conclusione, questo attuale protocollo per l’isolamento simultaneo di tutti i principali tipi di cellule residenti nel SNC da una replica del SNC offre la possibilità di analizzare reti neuronali complesse e vie neuroinfiammatorie ex vivo da una sospensione cellulare del SNC. Pertanto, le cellule residenti nel SNC possono essere studiate durante le diverse fasi del decorso della malattia, ad esempio durante la neuroinfiammazione, la neurodegenerazione e/o la remissione nell’EAE. Inoltre, le interazioni cellula-cellula e i percorsi biochimici possono essere studiati a livello individuale e la variabilità all’interno dei gruppi sperimentali può essere ridotta. C’è anche l’opportunità di coltivare frazioni delle cellule isolate del SNC in monocolture per ulteriori saggi funzionali e validazione. Tutto in uno, questo protocollo offre progressi significativi che potenzialmente influenzano gli approcci di ricerca preclinica e clinica.
The authors have nothing to disclose.
Le figure sono state create utilizzando Adobe Illustrator (versione 2023) e Servier Medical Art (https://smart.servier.com). Antonia Henes è stata sostenuta dalla 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 |