Hasta la fecha, los protocolos para el aislamiento simultáneo de todos los principales tipos de células residentes en el sistema nervioso central del mismo ratón son una demanda insatisfecha. El protocolo muestra un procedimiento aplicable en ratones con encefalomielitis autoinmune naïve y experimental para investigar redes celulares complejas durante la neuroinflamación y, al mismo tiempo, reducir el número de ratones requerido.
La encefalomielitis autoinmune experimental (EAE) es el modelo murino más común para la esclerosis múltiple (EM) y se utiliza con frecuencia para dilucidar aún más la etiología aún desconocida de la EM con el fin de desarrollar nuevas estrategias de tratamiento. El modelo EAE del péptido glicoproteico de oligodendrocitos de mielina 35-55 (MOG35-55) reproduce un curso monofásico autolimitado de la enfermedad con parálisis ascendente dentro de los 10 días posteriores a la inmunización. Los ratones son examinados diariamente utilizando un sistema de puntuación clínica. La EM está impulsada por diferentes mecanismos patológicos con un patrón temporal específico, por lo que la investigación del papel de los tipos de células residentes en el sistema nervioso central (SNC) durante la progresión de la enfermedad es de gran interés. La característica única de este protocolo es el aislamiento simultáneo de todos los principales tipos de células residentes en el SNC (microglía, oligodendrocitos, astrocitos y neuronas) aplicables en EAE adultos y ratones sanos. La disociación del cerebro y la médula espinal de los ratones adultos es seguida por la clasificación de células activadas magnéticamente (MACS) para aislar la microglía, los oligodendrocitos, los astrocitos y las neuronas. Se utilizó citometría de flujo para realizar análisis de calidad de las suspensiones unicelulares purificadas, confirmando la viabilidad después del aislamiento celular e indicando la pureza de cada tipo celular de aproximadamente el 90%. En conclusión, este protocolo ofrece una forma precisa y completa de analizar redes celulares complejas en ratones sanos y EAE. Además, el número de ratones requerido puede reducirse sustancialmente, ya que los cuatro tipos de células se aíslan de los mismos ratones.
La esclerosis múltiple (EM) es una enfermedad autoinmune inflamatoria crónica del sistema nervioso central (SNC) caracterizada por desmielinización, daño axonal, gliosis y neurodegeneración. A pesar de los numerosos enfoques de investigación en este campo, la fisiopatología de la EM aún no se comprende completamente 1,2,3,4. El modelo animal más común para investigar la EM es la encefalomielitis autoinmune experimental (EAE) inducida por el péptido glicoproteico de oligodendrocitos de mielina 35-55 (MOG35-55), que comparte muchas de sus características clínicas y fisiopatológicas 5,6,7,8,9 . Se basa en la respuesta del sistema inmunitario contra los antígenos específicos del SNC que conducen a la inflamación, la desmielinización y la degeneración neuroaxonal. La encefalomielitis autoinmune experimental (EAE) es un modelo adecuado para la investigación de las vías neuroinflamatorias y las cascadas de señalización que se encuentran en la EM.
Las opciones terapéuticas actuales para la EM son solo parcialmente efectivas y se centran principalmente en la fase inflamatoria inicial de la enfermedad. Sin embargo, el componente neurodegenerativo de la EM parece ser el principal desafío para los enfoques terapéuticos a largo plazo. Por lo tanto, se requieren protocolos de aislamiento celular reproducibles y precisos para investigar los mecanismos moleculares y celulares en las enfermedades autoinmunes de manera integral. Aunque existen algunos protocolos para el aislamiento de un solo tipo de célula 10,11,12,13,14,15, existe una necesidad insatisfecha para el aislamiento simultáneo de varias poblaciones celulares residentes en el SNC a la vez. Los protocolos previos para el aislamiento de células residentes en el SNC carecen de preservación de la funcionalidad y pureza celular, lo que resulta en el cocultivo con células vecinas 16,17,18 o la inadecuación para análisis complejos de redes intracelulares ex vivo 19,20,21,22.
El objetivo de este protocolo fue establecer un método reproducible y completo para el aislamiento simultáneo de suspensiones unicelulares viables puras de todos los principales tipos de células residentes en el SNC, aplicable en ratones adultos sanos y EAE. Los diferentes tipos celulares se aislaron mediante clasificación celular activada magnéticamente (MACS)23. La separación celular puede lograrse mediante selección positiva, es decir, marcaje magnético de marcadores de superficie específicos del tipo celular, o mediante selección negativa a través de la biotinilación y el agotamiento de todas las células no deseadas. Se aplicó citometría de flujo para asegurar una pureza superior al 90% y una viabilidad de al menos el 80% de las suspensiones unicelulares aisladas.
En conclusión, el objetivo principal fue establecer un protocolo para el aislamiento simultáneo de todos los principales tipos de células residentes en el SNC como una herramienta versátil para la investigación de vías neuroinflamatorias que ofrezca un análisis completo y preciso de redes celulares complejas y cascadas de señalización bioquímica en ratones sanos y EAE.
Hasta ahora, los métodos para mapear células residentes en el SNC ex vivo mediante la combinación de espectrometría de masas y secuenciación de ARN ofrecen un perfil celular muy preciso en salud y enfermedad, pero requieren un conocimiento técnico ambicioso y experiencia en este campo50,51. Además, no permiten análisis funcionales y son muy caros. Además de eso, los sistemas microfluídicos de cerebro en un chip proporcionan una detección rápida y asequible de los mecanismos de la enfermedad y la prueba de nuevos enfoques terapéuticos con la restricción del crecimiento y la migración celular 52,53,54,55. Los organoides del SNC también podrían representar una alternativa equivalente en el futuro para la investigación del modelado celular, las conexiones intercelulares y las interacciones durante el curso de la enfermedad 56,57,58,59. Sin embargo, la clasificación celular activada por fluorescencia y magnética son actualmente los métodos más efectivos para generar suspensiones unicelulares puras y viables ex vivo 35,60,61. Aunque otros protocolos de fabricación establecidos para el aislamiento de tipos de células residentes en el SNC son similares en cuanto a los pasos individuales del aislamiento magnético y la disociación celular previa, están destinados a realizarse para cada tipo de célula por separado. Por el contrario, el protocolo actual integra diferentes métodos de aislamiento para cada tipo de célula residente en el SNC en un contexto lógico, de modo que se pueden realizar simultáneamente a la vez y a partir de una sola suspensión de células del SNC (Tabla 1, Tabla 2). Por lo tanto, permite análisis multiómicos a partir de una sola suspensión celular del SNC y, eventualmente, la exploración de redes neuronales complejas. Incluso si no es necesario agrupar varios tejidos de varios animales para realizar este protocolo, esta agrupación garantiza un número adecuado de células aisladas para su posterior análisis. El uso de diferentes ratones para el aislamiento de los tipos de células individuales excluiría la posibilidad de analizar las posibles interacciones celulares. Además, la combinación de métodos de aislamiento individuales para los diferentes tipos de células del SNC, que siguen una disociación previa del SNC, ahorra costes de material mediante el uso de una suspensión de células del SNC disociada para todos los pasos de aislamiento magnético siguientes. Además, se minimiza un posible sesgo técnico causado por el uso de diferentes ratones.
Una limitación del protocolo podría ser el uso casi exclusivo de ratones hembra C57BL/6J. El protocolo de inmunización EAE ha sido diseñado y establecido para ratones hembra, por lo que este protocolo de aislamiento celular se implementó también en ratones hembra C57BL/6J. Sin embargo, durante el desarrollo de este protocolo también se utilizaron ratones machos naïf, sin que se reconociera ningún efecto sobre el número de células o las purezas resultantes. Otra restricción afecta al aislamiento celular magnético de las neuronas, ya que no existen microperlas específicas para el aislamiento de las neuronas en términos de una selección positiva. Se asumió que se podía obtener una suspensión unicelular pura mediante el marcaje de biotina y el agotamiento de todas las células no neuronales (Tabla 2). Esta hipótesis se verificó mediante el uso de NeuN como marcador nuclear específico para neuronas, integrado en el panel de pureza de citometría de flujo mencionado. Otra limitación se refiere al aislamiento de microglía en ratones EAE. Aquí, los rendimientos de celdas resultantes disminuyen en comparación con los otros tipos de celdas debido al paso de clasificación adicional después del protocolo MACS. Además, se podría argumentar que la clasificación aumenta el estrés mecánico de la microglía en comparación con las otras poblaciones celulares. Las estrategias de clasificación individuales pueden conducir a diferentes cantidades de rendimientos celulares. Si el número de células aisladas es menor de lo esperado o deseado, se recomienda ajustar la configuración de la compuerta y/o mejorar la discriminación entre vivos y muertos.
Un paso crítico en el protocolo representa la remoción de escombros. El degradado debe superponerse muy lenta y suavemente para crear las tres fases separadas deseadas (Figura 2A). Solo si la mielina y otros residuos de desechos en las dos fases superiores se eliminan por completo (Figura 2E), se pueden generar suspensiones unicelulares puras y se puede reducir una mayor contaminación. Si las suspensiones celulares resultantes carecen de pureza, esta es probablemente la sección del protocolo que debe mejorarse primero junto con la garantía del uso correcto de todas las microperlas.
Recibir altos niveles de pureza y viabilidad puede ser un desafío en este tipo de experimento. Algunas recomendaciones para la resolución de problemas son:
-Trabajar en condiciones estériles es obligatorio para evitar la contaminación de las diferentes microperlas y permitir su uso repetido, especialmente para su posterior cultivo.
-Se recomienda encarecidamente etiquetar cada tubo para evitar confusiones.
-Evite el uso de reactivos/tampones no refrigerados. Almacene todas las suspensiones celulares en hielo durante todo el experimento para garantizar una alta viabilidad.
-Mantenga el tiempo entre los diferentes pasos de trabajo lo más corto posible. No hay ninguna parte específica en el protocolo en la que se recomiende pausar el experimento.
-Es muy relevante cumplir con los períodos de incubación especificados.
En conclusión, este protocolo actual para el aislamiento simultáneo de todos los principales tipos de células residentes en el SNC a partir de una réplica del SNC ofrece la posibilidad de analizar redes neuronales complejas y vías neuroinflamatorias ex vivo a partir de una suspensión celular del SNC. Así, las células residentes en el SNC pueden ser investigadas durante diferentes etapas del curso de la enfermedad, por ejemplo, durante la neuroinflamación, la neurodegeneración y/o la remisión en EAE. Además, las interacciones célula-célula y las vías bioquímicas pueden estudiarse a nivel individual y se puede reducir la variabilidad dentro de los grupos experimentales. También existe la oportunidad de cultivar fracciones de las células aisladas del SNC en monocultivos para realizar más ensayos funcionales y validaciones. Todo en uno, este protocolo ofrece avances significativos que pueden afectar los enfoques de investigación preclínica y clínica.
The authors have nothing to disclose.
Las figuras se crearon con Adobe Illustrator (versión 2023) y Servier Medical Art (https://smart.servier.com). Antonia Henes contó con el apoyo de 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 |