Dieses Protokoll beschreibt die Differenzierung von naiven CD4+ T-Zellen in pathogene Th17-Zellen in vitro. Konkret kann in Kombination mit einem auf Multiparameter-Durchflusszytometrie basierenden Ansatz mit dieser Differenzierungsmethode eine Reinheit von 90 % pathogener Th17-Zellen aus naiven CD4+ T-Zellen gewonnen werden.
In vitro T-Zell-Differenzierungstechniken sind sowohl für die funktionelle als auch für die mechanistische Untersuchung von CD4+ T-Zellen unerlässlich. Pathogene Th17-Zellen wurden in jüngster Zeit mit einer Vielzahl von Krankheiten in Verbindung gebracht, darunter Multiple Sklerose (MS), rheumatoide Arthritis, akutes Atemnotsyndrom (ARDS), Sepsis und andere Autoimmunerkrankungen. Die derzeit bekannten in vitro Differenzierungsprotokolle haben jedoch Schwierigkeiten, eine hohe Reinheit von pathogenen Th17-Zellen zu erreichen, wobei die Induktionseffizienz oft unter 50% liegt, was eine zentrale Herausforderung in in vitro Experimenten darstellt. In diesem Protokoll schlagen wir ein verbessertes in vitro Kultur- und Differenzierungsprotokoll für pathogene Th17-Zellen vor, das verwendet wird, um naive CD4+ T-Zellen, die aus der Milz der Maus isoliert wurden, direkt in pathogene Th17-Zellen zu differenzieren. Dieses Protokoll enthält detaillierte Anweisungen zur Isolierung von Splenozyten, zur Reinigung naiver CD4+ T-Zellen und zur Differenzierung pathogener Th17-Zellen. Durch dieses Protokoll können wir eine Differenzierungsreinheit von ca. 90% für pathogene Th17-Zellen erreichen, was den Grundbedürfnissen vieler zellulärer Experimente entspricht.
Nach dem Verlassen des Thymus passieren naive CD4+ T-Lymphozyten sekundäre lymphatische Organe. Antigen-präsentierende Zellen, die homologe Antigene an naive CD4+ T-Zellen weitergeben, aktivieren diese und starten eine Reihe von Differenzierungsprogrammen, die schließlich zur Produktion hochspezialisierter T-Helfer (Th)-Zelllinien führen1. Die Produktion von Interleukin 17 (IL-17) charakterisiert Th17-Zellen, eine Subpopulation von proinflammatorischen Th-Zellen2. Th17-Zellen spielen eine Rolle bei der Abwehr des Wirts gegen extrazelluläre Krankheitserreger und bei der Pathogenese vieler Autoimmunerkrankungen wie Autoimmun-Uveitis und Multipler Sklerose. Signale von T-Zell-Rezeptoren und Zytokinen IL-6 und transformierender Wachstumsfaktor-β (TGF-β) induzieren die Differenzierung von naiven T-Zellen in Th17-Zellen durch die Phosphorylierung des Signaltransducers und des Aktivators der Transkription (STAT)33. STAT3 wird in einer positiven Rückkopplungsschleife durch Signalübertragung, die durch IL-23 und IL-21 vermittelt wird, weiter verstärkt 4,5. Die Phosphorylierung von STAT3 kann die Expression der Transkriptionsfaktoren RORγt und RORα induzieren, die als Hauptschalter das Zytokinprofil von IL-17A, IL-17F, IL-21 und IL-22 in Th17-Zellen regulieren6. Es wurde jedoch berichtet, dass IL-6- und TGF-β-induzierte Th17-Zellen nicht ausreichen, um Autoimmunerkrankungen auszulösen, die eine Kostimulation durch IL-23 oder eine separate Kostimulation von IL-6, IL-1β und IL-23 in Abwesenheit von TGF-βerfordern 7,8.
Th17-Untergruppen, die eine experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis (EAE) nicht effektiv induzieren können, werden manchmal als nicht-pathogenes Th17 bezeichnet, während Th17-Untergruppen, die EAE induzieren können, als pathogenes Th179 bezeichnet werden. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass pathogenes Th17 und nicht-pathogenes Th17 zwar den Kerntranskriptionsfaktor RORγt koexprimieren, es jedoch große Unterschiede in der Fähigkeit zur Produktion von IL-17A und proinflammatorischen und entzündungshemmenden Eigenschaften gibt10. Zusätzlich zu der hohen Expression von RORγt, CCR6, STAT4 und RUNX4, die gemeinsame charakteristische Transkriptionsfaktoren von Th17 sind, zeigen pathogene Th17-Zellen auch zusätzliche Gensignalexpressionsmerkmale im Zusammenhang mit der Krankheit, wie z. B. TBX21, IFN-γ und CXCR3, die die Eigenschaften von Th1-Zelluntergruppen aufweisen. Pathogene Th17-Zellen können hohe Mengen an Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierendem Faktor (GM-CSF), IFN-γ, TNF-α und anderen Zytokinen sezernieren11,12. Der Phänotyp der nicht-pathogenen Th17-Zellen ist instabil, und nur unter der Stimulation durch CD3 und das Zytokin IL-2 können sich einige dieser Zellen zu pathogenen Th17-Zellen differenzieren. In gängigen klinischen Krankheitsmodellen wie rheumatoider Arthritis, Multipler Sklerose und akutem Atemnotsyndrom üben pathogene Th17-Zellen daher primär pathogene Wirkungen aus.
Pathogene und nicht-pathogene Th17-Zellen können sich in vitro unter dem Einfluss verschiedener Zytokine differenzieren. In den letzten Jahren wurden in mehreren Studien Methoden vorgeschlagen, um die Differenzierung von Th17-Zellen unter Verwendung verschiedener Arten und Konzentrationen von Zytokinen zu induzieren. Th17-Zellen werden durch eine Kombination aus IL-6, IL-1β und IL-23 stimuliert 13,14,15,16. Es wurde gezeigt, dass IL-6 und TGF-β, zwei Zytokine, die für die Differenzierung von Th17-Zellen notwendig sind, die Expression von RORγt und Th17-Zelldifferenzierung synergistisch regulieren, indem sie mit zwei verschiedenen konservierten nicht-kodierenden DNA-Sequenzen am Rorc-Genlocus 17 interagieren. Die stabile Phase pathogener Th17-Zellen wird hauptsächlich durch IL-23aufrechterhalten 18,19. IL-23 bindet an seinen Rezeptor und aktiviert den JAK-STAT-Signalweg20, wodurch die Phosphorylierung von Jak2 und Tyk2 bewirkt und die Phosphorylierung von STAT1, STAT3, STAT4 und STAT5 gefördert wird. IL-4 und IFN-γ sind negative Regulatoren dieses Signalwegs. Studien haben jedoch gezeigt, dass IL-1β die Transkription von Rorα und Rorγt über den mTOR-Signalweg positiv regulieren kann, um die Stabilität des Th17-Zellphänotyps21 aufrechtzuerhalten.
Aufgrund der Heterogenität zahlreicher Studien haben wir als Kontrollen die Induktionsprotokolle für pathogene und nicht-pathogene Th17-Zellen aus dem neuesten Stand der Forschung gewählt22. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass, wenn man davon ausgeht, dass alles nach diesem Protokoll durchgeführt wird, nach 5 Tagen Kultur unter der Bedingung der Erzeugung von pathogenem Th17 mehr als 90% der überlebenden Zellen pathogene Th17-Zellen sein können.
Dieses Verfahren bot eine produktive Möglichkeit, die Anzahl der Milz-naiven CD4+ T-Zellen von Mäusen für die in vitro Produktion von pathogenen Th17-Zellen zu erhöhen. Obwohl wir mehr Zytokine verwenden als andere berichtete Th17-Zellkulturmedien, sind wir bestrebt, die Wachstumsbedingungen von pathogenen Th17-Zellen zu optimieren. Wir erwägen eine weitere Optimierung unseres induzierten Differenzierungsprotokolls.
Hier haben wir einfach Durchflusszytometrie und qPCR verwendet, um die Produktion von charakteristischen Zytokinen zu untersuchen. Mit ein paar kleinen Modifikationen kann dieser Ansatz auch für andere Funktionstests, wie z.B. die Zellproliferation, verwendet werden.
Wir haben ein in China hergestelltes Lymphozyten-Isolationskit verwendet, um Milz-Lymphozyten von Mäusen zu isolieren, da es effektiv und zeitsparend ist. Auch Lösungen zur Lymphozytentrennung auf Basis anderer Marken können den Zweck der Trennung von Milz-Lymphozyten von Mäusen in verschiedenen Schritten erfüllen. Eine andere Methode besteht darin, die roten Blutkörperchen der erhaltenen Milzzellsuspension direkt zu lysieren; Wir fanden jedoch heraus, dass die roten Blutkörperchen der Milz oft nicht auf einmal lysiert werden können.
Bei der Ausführung dieses Protokolls können einige Probleme auftreten. Erstens kann die Anzahl naiver CD4+ T-Zellen, die durch magnetische Bead-Sortierung gewonnen werden, sehr gering sein (Protokollschritt 3). Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass der Prozess des Zerkleinerns von Organen unzureichend ist. Es ist wichtig sicherzustellen, dass das Organ richtig homogenisiert ist. Durch die Erhöhung der Spülhäufigkeit während des Homogenisierungsprozesses wird die Rückgewinnungsrate verbessert. Um eine höhere Anzahl von Milz-naiven CD4+ T-Zellen zu erhalten, empfehlen wir, jüngere Mäuse (6-10 Wochen alt) zu verwenden. Für die Trennung von Milz-Lymphozyten stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, wobei die Ausbeute je nach verwendeter Trennflüssigkeit variieren kann. Es wird empfohlen, eine universell zertifizierte Trennflüssigkeit zu verwenden und zu versuchen, die Lymphozytenschicht so weit wie möglich zu extrahieren.
Zweitens kann der Anteil von CD4+ T-Zellen in der Durchflusszytometrie <80% betragen (Protokollschritt 5). Eine mögliche Ursache für dieses Problem könnte eine ungenaue Splenozytenzahl sein, die zu einer Zellzahl führt, die größer ist als die des zusätzlichen Antikörpercocktails und der magnetischen Kügelchen. Um die Wirksamkeit der naiven CD4+ T-Zellreinigung zu erhöhen, muss die Zellzählung präzise sein. Darüber hinaus können 10 % mehr Antikörper-Cocktails und magnetische Beads verwendet werden, als in diesem Protokoll empfohlen. Schließlich kann die Durchflusszytometrie unmittelbar nach dem Sortieren naiver CD4+ T-Zellen durchgeführt werden.
Drittens kann es sein, dass sich während der Kultur nicht viele T-Zell-Cluster gebildet haben und die meisten Zellen während der Differenzierung von T-Zellen abgestorben sind (Protokollschritt 4). Der mögliche Grund für dieses Problem könnte die ungenaue Bestimmung der Zellzahlen für naive CD4+ T-Zellen vor der Aussaat sein, was zu einer geringen Zelldichte führt. Es wird empfohlen, eine genauere Zählmethode anzuwenden, um die gewünschte Zelldichte von ca. 4 × 105 Zellen/ml für jede Vertiefung in einer 48-Well-Platte zu erreichen. Eine weitere mögliche Ursache können technische Probleme mit dem CO2 -Inkubator sein, wie z. B. falsche Temperatur oder CO2 -Konzentration. Schließlich kann eine übermäßige Krafteinwirkung beim Wechseln des Zellkulturmediums möglicherweise zum Zelltod führen.
Viertens können die relativen Expressionsniveaus der charakteristischen Zytokingene niedrig sein (Protokollschritt 7). Um die Authentizität der extrahierten RNA zu gewährleisten, wird empfohlen, eine Nanotröpfchen-Nachweiskonzentration von mehr als 100 ng/ml zu verwenden. Der mögliche Grund für die Abnahme der Konzentration kann die ungesunde Natur der kultivierten Zellen sein, wie z. B. ein großer Teil der gesammelten Zellen tot oder im Prozess des Todes. Um die wahre RNA-Konzentration zu erhalten, ist es notwendig, die Situation zu lösen, die zu einem schlechten Wachstum während der Zellkultur führen kann. Ein alternativer Grund für diese Besorgnis könnte die zu niedrige endgültige Zellzahl sein, die während der RNA-Extraktion erreicht wurde, möglicherweise aufgrund eines versehentlichen Zellverlusts während der Entsorgung des Überstands. Der Einsatz fortschrittlicher RNA-Extraktionstechniken wie einstufiger RNA-Extraktionskits könnte sich als vorteilhaft erweisen. Das ideale OD260/OD280-Verhältnis, gemessen mit Nanodrop, sollte im Bereich von 1,9 bis 2,1 liegen. Bei einem zu niedrigen Verhältnis kann es zu einer Proteinkontamination kommen. Eine Erhöhung der Häufigkeit des Waschens von RNase-freien Puffern kann dazu beitragen, dieses Problem zu entschärfen. Umgekehrt impliziert ein ungewöhnlich niedriges Verhältnis einen potenziellen RNA-Abbaus. Um diesem Problem entgegenzuwirken, wird empfohlen, RNase-freies Wasser zu verwenden und 1,5-ml-Röhrchen für die RNase-Dekontamination zu verwenden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das aktuelle Protokoll die Verwendung eines neuen Zellkulturmediums beschreibt, um naive CD4+ T-Zellen in vitro direkt zur Differenzierung in pathogene Th17-Zellen zu induzieren. Verglichen mit der direkten Trennung besteht kein Zweifel daran, dass diese Methode direkter, kostengünstiger und effizienter ist. Die Konfiguration des Mediums ist ebenfalls sehr einfach, so dass die konstruierten Th17-Zellen intuitiver für nachfolgende Experimente verwendet werden können, was ein sehr gutes Zellmodell für die Untersuchung vieler Krankheiten darstellt.
The authors have nothing to disclose.
Die Arbeit wurde unterstützt durch das National Key R&D Program of China (Nr. 2022YFC2304604), die National Natural Science Foundation of China (Nr. 81971812), die National Natural Science Foundation of China (Nr. 82272235), die Science Foundation der Gesundheitskommission der Provinz Jiangsu (Nr. ZDB2020009), Schlüsselforschungs- und Entwicklungsprogramm der Provinz Jiangsu (Soziale Entwicklung) Sonderprojekt (Nr. BE2021734), Nationales Schlüssel-Forschungs- und Entwicklungsprogramm des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie (Nr. 2020YFC083700), Schlüssellabor für Intensivmedizin der Provinz Jiangsu (BM2020004), Schlüsselprojekt der Nationalen Naturwissenschaftlichen Stiftung Chinas (81930058), Nationale Naturwissenschaftsstiftung Chinas (82171717), Mittel für die Grundlagenforschung der Zentraluniversitäten (2242022K4007), und das Jiangsu Provincial Natural Science Foundation General Project (BK20211170).
Antibodies | |||
Rat anti-mouse CD62L, BV650, clone MEL-14, 1:200 dilution | BD | Cat# 564108; RRID: AB_2738597 | |
Rat monoclonal anti-CD4, FITC, clone RM4-5, 1:200 dilution | BioLegend | Cat#100509; RRID: AB_312712 | |
Rat monoclonal anti-IL-17A, PE, clone TC11-18H10.1, 1:200 dilution | BioLegend | Cat#506903; RRID: AB_ 315463 | |
Rat monoclonal anti mouse/human CD44, APC, clone IM&, 1:200 dilution | BioLegend | Cat#103012; RRID: AB_312963 | |
Rat monoclonal anti-RORγT, APC, clone B2D, 1:200 dilution | Invitrogen | Cat#17-6981-80; RRID: AB_2573253 | |
Rat monoclonal FOXP3 antibody, PE, clone FJK-16s, 1:200 dilution | Invitrogen | Cat#12-5773-82; RRID: AB_465936 | |
Chemicals, peptides, and recombinant proteins | |||
Anti-Mouse CD3 SAFIRE purified | biogems | Cat#05112-25 | |
Anti-Mouse CD28 SAFIRE purified | biogems | Cat#10312-25 | |
Anti-Mouse IFN gamma | biogems | Cat#80822-25 | |
Anti-Mouse IL-4 | biogems | Cat#81112-25 | |
Ethanol | Xilong scientific | Cat#64-17-5 | |
Fetal bovine serum | Gibco | Cat#10437-028 | |
FcR Blocking reagent | Miltenyi Biotec | Cat#130-092-575 | |
GlutaMAX supplement | gibco | Cat#35050079 | |
Mouse rIL-1 beta | Sino Biological | Cat#50101-MNAE | |
Mouse rIL-6 | Sino Biological | Cat#50136-MNAE | |
Mouse rIL-23 | Sino Biological | Cat#CT028-M08H | |
Mouse TGF beta 1 | Sino Biological | Cat#50698-M08H | |
PBS | Procell | Cat#PB180327 | |
Recombinant Murine IL-2 | peprotech | Cat#212-12 | |
RPMI 1640 with L-glutamine | Gibco | Cat#11875-119 | |
Penicillin-streptomycin solution | Gibco | Cat#15070063 | |
β-mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | Cat#M6250-100ML | |
Critical commercial assays | |||
Animal Organ Lymphocyte Separation Solution Kit | Tbdscience | Cat#TBD0018SOP | Contains animal spleen tissue lymphocyte separation liquid, tissue sample diluent (cat no. 2010C1119), sample cleaning solution (cat no. 2010X1118), sample washing solution (cat no. TBTDM-W), tissue homogenate flushing liquid (F2013TBD) |
ChamQ SYBR qPCR Master Mix (High ROX Premixed) | Vazyme | Cat#Q341-02 | https://www.vazymebiotech.com/product-center/chamq-sybr-qpcr-master-mix-high-rox-premixed-q341.html. |
Fixation/permeabilization Concentrate | invitrogen | Cat#00-5123-43 | |
Fixation / Permeabilization Diluent | invitrogen | Cat#00-5223-56 | |
Fixable Viability Dye EF506 | invitrogen | Cat#65-0866 | |
HiScript II Q RT SuperMix for qPCR (+gDNA wiper) | Vazyme | Cat#R223-01 | https://www.vazymebiotech.com/product-center/hiscript-ii-q-rt-supermix-for-qpcr-gdna-wiper-r223.html. |
Leukocyte Activation Cocktail | BD | Cat#550583 | |
Mouse IL-17A (Interleukin 17A) ELISA Kit | Elabscience® | Cat#E-EL-M0047 | |
Naïve CD4+ T cells isolation kit, mouse | STEMCELL | Cat#19765 | EasySep kit contains mouse CD4+ T cell isolation cocktail [cat no. 19852C.1], mouse memory T cell depletion cocktail [cat no. 18766C], streptavidin RapidSphered 50001 [cat no. 50001], normal rat serum [cat no. 13551]); only store rat serum at -20 °C; other components to be stored at 2-8 °C. |
Permeabilization Buffer | invitrogen | Cat#00-8333-56 | |
SPARKeasy Cell RNA Kit | Sparkjade | Cat#AC0205-B | https://www.sparkjade.com/product/detail?id=85 |
Experimental models: Organisms/strains | |||
Mouse: C57BL/6 | Gempharmatech | Cat#000013 | |
Oligonucleotides | |||
Mouse Il17a TaqMan primers with probe | ribobio | NA | |
Mouse Il17f TaqMan primers with probe | ribobio | NA | |
Mouse Il23r TaqMan primers with probe | ribobio | NA | |
Mouse Rora TaqMan primers with probe | ribobio | NA | |
β-actin TaqMan primers with probe | ribobio | NA | |
Software and algorithms | |||
Cytek Aurora | Cytek | https://spectrum.cytekbio.com/ | |
FlowJo v10.8.1 | Tree Star | https://www.flowjo.com | |
GraphPad prism 9 | GraphPad Software | https://www.graphpad-prism.cn | |
Other | |||
1 mL syringe | Kindly | NA | |
1.5 mL Centrifuge tubes | Eppendorf | Cat#MCT-150-C | |
5 mL Round-bottom tubes | Corning | Cat#352235 | |
15 mL Centrifuge tubes | NEST | Cat#601052 | |
48-Well tissue culture plate (flatten bottom) | Corning | Cat#3548 | |
50 mL Centrifuge tubes | NEST | Cat#602052 | |
70 µm Cell strainer | Biosharp | Cat#BS-70-XBS | |
96-well Unskirted qPCR Plates | VIOX scientific | Cat#V4801-M | |
100 mm Petri dish | Corning | Cat#430167 | |
Centrifuge | Eppendorf | 5425R | |
Cell culture CO2 incubator | Thermo Fisher | HEPA Class100 | |
Cytek Aurora | Cytek | NA | |
dissecting scissors | RWD | S12003-09 | |
Hemocytometer | AlphaCell | Cat#J633201 | |
NanoDrop 2000 Spectrophotometer | Thermo Fisher | ND-2000 | |
Real-time PCR System | Roche | LightCycler96 | |
Surgical tweezers | RWD | F12005-10 | |
Thermal cycler | Bio-Rad | C1000 Touch |
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