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该分步协议提供了实验设置和数据分析的详细描述, 用于评估 hipsc-ec 中的炎症反应和分析生理流下的白细胞粘附。
内皮细胞 (ec) 是必不可少的调节炎症反应, 通过限制或促进白细胞招募到受影响的组织, 通过一个良好的特征级联的亲粘合剂受体, 在炎症触发时的白细胞表面。不同的人在人口和遗传背景之间的炎症反应可以促成这些差异。 人类诱导的多能干细胞 (hipsc) 已被证明是 ecs (hipsc-ec) 的可靠来源, 从而代表了一个无限的细胞来源, 可以捕获遗传特性和供体的任何遗传变异或突变。因此, hpsc-ec 可用于模拟捐助者特异性细胞的炎症反应。炎症反应可以通过确定白细胞在生理流动下对 hpsc-ec 的粘附来模拟。该分步协议提供了实验设置和数据分析的详细描述, 用于评估 hipsc-ec 中的炎症反应和分析生理流下的白细胞粘附。
炎症在许多病理条件中起着关键作用, 包括心血管和神经退行性疾病、败血症和不良药物反应 (adr)。内皮细胞 (ecs) 通过诱导酶受体 (如 e-选择素、细胞间粘附分子-1 (icam-1) 和血管细胞粘附分子-1 (vcam-1)), 在调节炎症反应方面发挥着至关重要的作用。1,2. 已知不同组织中的微血管 ec 在炎症反应3,4中表现出异质性。此外, 遗传背景或某些遗传条件可能导致个体之间炎症反应的差异;因此, 从不同的个体获得 ecs 是很重要的。最近, 人类诱导的多能干细胞 (hipsc)5, 几乎可以从任何个人,被证明是一个可靠和可再生能源的 ecs 6,7, 89. 因此, 评估 hpsc-ecs 中的炎症反应和白细胞招募是有价值的, 不仅对某些遗传疾病的建模, 而且还有助于提供个体间变异性的迹象, 并可作为在未来的个性化医疗。
流量检测为研究内皮-白细胞相互作用提供了一个有用的工具。微流体装置的进步使生理流体流动条件的再现与血管床特定剪切应力水平的精确控制。活体成像可以监测白细胞捕获、滚动、爬行、粘附和迁移等事件的级联。研究内皮-白细胞相互作用的几种流动检测已经发展, 但它们都利用初级 ecs10,11,12,13。在这里, 我们将详细描述在生理流动下评估人类白细胞粘附到 hicc-ec 的方法。在这个过程中, 我们描述了 hepsc-ec 刺激与促炎刺激的优化条件, 如肿瘤坏死因子α (tnfα), 离解, 播种到一个微流体芯片与八个平行通道。我们描述了一个逐步的协议, 用于将 hipsc-ec 与荧光标记白细胞悬浮在微流体芯片、活细胞成像和粘附白细胞的自动计数中。
该方案可用于评估药物筛选、疾病建模和个性化再生医学中 hipsc-ec 中的炎症反应。
1. 溶液和试剂的制备
2. 微流体芯片的涂层
3. hicpc-ec 的制备
请注意:在这里描述的协议中, 如前面所述的 8, 对 hipsc-ec 进行了区分、纯化、冷冻保存和解冻。
4. hipsc-ec 分离和播种到微流控芯片中
5. 人类白细胞的制备
请注意:在这里描述的协议中, 使用了商业上可获得的单核细胞系 (thp-1)。或者, 可以使用外周血单个核细胞或中性粒细胞。外周血单核细胞和中性粒细胞的分离可以使用标准程序 11进行。在细胞培养引擎盖中执行本段中描述的所有步骤。
6. 微流控泵的制备
7. 用于实时成像的微流控芯片的制备
8. 流动粘附检测与图像采集
9. 完成微流体泵的检测和清洗
10. 粘附性白细胞的计数
首先, 应检查 hicpc-ec 对促炎药 tnfα刺激的反应, 如前面所述.tnfα治疗12小时触发 e 选择素的升高与峰值在6小时后开始治疗。此外, icam-1 在治疗后6-12小时被放大。虽然我们没有观察到 vcam-1 的预期扩张, 但它通常发生在原发人脐静脉内皮细胞 (huvec) 中。我们发现一夜 (12小时) tnfα治疗是白细胞粘附试验中最方便的一种。
最佳的 hpsc-ec 离解应导致单细胞悬浮液不含细胞团块。图 2c说明了注射后的最佳 hepsc-ec 密度。通常情况下, 注射15分钟后, hpsc-ec 连接到通道底部并开始传播 (图 2d)。注射1小时后, hicpc-ec 沿通道形成一个良好的分布单层, 并将准备开始流动分析 (图 2e)。
用荧光示踪剂标记白细胞有利于自动图像定量中的相位对比图像, 因为它使细胞识别步骤更容易, 特别是因为白细胞粘附在 ecs 的单层, 而且往往很难用于软件区分不同的细胞类型。
免费的开源图像处理软件对于粘附白细胞的自动定量非常有用。这里的协议中描述的管道是基于主要对象识别使用白细胞荧光图像的自适应阈值 (图 4 a)。根据最小区域对已识别的物体进行筛选, 还可过滤掉错误识别的物体, 如细胞碎片、自动荧光或任何其他非特异性荧光信号 (图 4c, d)。
一个具有8个平行通道的微流体芯片可以比较两个独立的群体, 例如, 与独立的高 psc 不同的 ecs, 如健康的捐献者或遗传疾病患者。其他控制, 如未经治疗的 ecs, 或使用 icam-1 阻断抗体的预处理也可以包括10,11。可以一次处理两到三个微流体芯片。为了得出结论的稳定性, 建议在独立的日子里至少进行三次独立的生物实验。
图 1: 制备用于流动检测的 hicc-ec 和白细胞.(a) 用促炎刺激 (tnfα) 预处理 hicsc-ec。(b) hipsc-ec 酶解酶解、离心和再悬浮的原理图表示。(c) 通道涂层 (c, 左) 的示意图表示, 在微流体芯片中加入 hepsc-ec 后, 注射 hepsc-ec 悬浮液 (c, 中) 和细胞培养介质。(d) 白细胞洗涤步骤的示意图表示, 用荧光染料 dioc6 标记和再悬浮液。请点击这里查看此图的较大版本.
图 2: 带有 hpsc-ec 的微流控芯片.(a) 10 厘米培养皿中的微流体芯片。(b) 用于孵育的加湿室。(c、d、e)注射后在微流体通道中的 hicsc-ec 图像代表图像 0分钟 (c)、15分钟 (d)、1小时 (e)。刻度栏 = 200μm. 请点击这里查看此图的较大版本.
图 3: 活细胞成像和白细胞灌注试验的实验设置.(a、b)照片 (a) 和原理图表示 (b) 活细胞成像和流动分析的实验设置: (1)-倒置荧光显微镜与安装活体成像室 (5% co2, 37°c, 加湿), (2)-微流体泵, (3)-8 通道流形, (4)-pc 用于显微镜控制和图像采集, (5)-pc 用于微流体泵控制。(c) 微流体芯片, 其插入的8通道歧管的导管固定在板座上, 并安装在显微镜的机动阶段。(d) 流动分析的主要步骤的原理图表示。请点击这里查看此图的较大版本.
图 4: 图像分析和白细胞粘附的自动检测.(a) 具有指定设置的图像处理软件的对话框窗口, 用于识别白细胞。(b) 图像处理软件的对话框窗口, 该对话框具有基于最低接受表面积 (samin = 70 px) 的已识别对象的指定筛选标准。(c) 正确识别白细胞和过滤小表面积 (sa) 的非特定物体的例子 (像素 (最小值、最大值) = (9, 15) 的典型直径;过滤标准 samin = 70 px)。接受的对象以绿色表示, 丢弃的对象以紫色表示。(d) 由于典型直径范围不正确而不正确识别白细胞的例子 (像素 (最小值、最大) = (3, 15) 的典型直径;过滤标准 samin = 70 px)。接受的对象以绿色表示, 丢弃的对象以紫色表示。请点击这里查看此图的较大版本.
该协议描述了 hipsc-ec 治疗与促炎症刺激的特性, 如 tnfα, 功能评估白细胞粘附在流动分析中使用现场成像和自动计数的粘附白细胞。
用 tnfα对 hapsc-ec 进行隔夜刺激, 导致外观拉长, 通常表明 ecs 中激活了促炎表型。在优化阶段, 最好将 e-selectin、icam-1、vcam-1 的表达水平由 fac7、8和初级人脐静脉 ecs (huvec) 作为阳性对照来验证。
应达到最佳的 hispc-ec 离解和播种密度, 以实现在不形成细胞团块和通道块的情况下的融合单层。在灌注前重新悬浮白细胞是至关重要的, 以避免细胞沉淀, 并在检测每个通道时保持恒定的浓度。人类外周血白细胞, 如单核细胞和中性粒细胞, 可以使用, 或已建立的单核细胞系, 如 thp-1 或 hl-60 可以作为替代品。
在微流体装置的组装和流动检测过程中, 必须防止气泡被困在微流控管和通道中, 因为它们可能导致 hispc-ec 和或粘附白细胞的分离。在准备微流体装置的过程中, 流体到流体的界面或加入额外的洗涤步骤, 可以帮助防止气泡。
建议该协议由两个操作人员运行, 一个由一个操作人员准备细胞, 另一个操作人员准备微流体系统和流动检测。这确保了 ec 在加工前在恒定的时间内被镀制成微流体芯片, 并提高了结果的准确性和重现性。此外, 这还允许设置盲目的实验, 以避免结果中的偏差。
对于自动图像处理管道的成功细胞检测, 重要的是要获得具有高信噪比的聚焦图像, 并避免非特定对象 (如细胞团块) 的自动荧光。至关重要的是正确的规范最小和最大的限制的典型大小的粘附白细胞, 需要确定。人们可以使用 imagej 中的线测量工具来估计白细胞的典型大小。例如, 在我们的分析中, 我们使用了9-15 像素的范围, 这相当于10.3–17.1 微米的物理尺寸 (图 4c)。当使用错误的范围 (例如, 3-15 像素 (3.4-17.1 微米) 时, 单个白细胞不是被标识为一个细胞, 而是将其子部分标识为单独的对象 (图 4d)。这将导致要标识的对象的错误数量。
使用所提供的自适应阈值方法可以检测到许多比白细胞强度低、表面积小的物体。这可能是由于自体荧光或任何其他非特定荧光信号造成的。然而, 这些非特异性物体, 如果它们的面积低于单个白细胞的典型面积, 可以通过定义最低可接受的表面积进行过滤 (图 4c)。
这里描述的流动检测可以直接评估白细胞对 ec 单层的粘附, 阐明这两种细胞类型的相互作用, 但没有考虑到其他细胞类型, 如存在于血管壁中的周周, 也可能存在于血管壁上参与白细胞外渗的调节15。将三维培养微环境与其他细胞类型相结合, 可以提高系统的生理相关性。尽管存在这些限制, 但此处描述的用于评估炎症反应的流分析为 hipsc-ec 的基本表征和疾病建模应用提供了一个有价值的工具。
作者没有什么可透露的。
提交人希望感谢以下赠款: 欧洲研究理事会 (ercg 323182 stemcardi60/oc);荷兰组织芯片倡议, 这是荷兰政府教育、文化和科学部资助的 nwo 万有引力项目 (024.003.001)。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Vena8 Endothelial+ biochip | Cellix Ltd | V8EP-800-120-02P10 | |
Mirus Evo Nanopump | Cellix Ltd | MIRUS-EVO-PUMP | 1 x syringe pump; 1 x VenaFluxAssay Software; 1 x tubing kit; power supply and cables. |
8-channel manifold MultiFlow8 | Cellix Ltd | MIRUS-MULTIFLOW8 | |
Humidified box | Cellix Ltd | HUMID-BOX | |
Fluorescence imaging system Leica AF6000 | Leica Microsystems | ||
Electron-multiplying charge-coupled device camera | Hamamatsu | C9100 | |
Biological safety cabinet/laminar flow-hood | Cleanair | ||
CO2 cell-culture incubator | Panasonic | MCO-170AICUV | |
Centrifuge | Hitachi | himac-CT6EL | |
Handheld pipetman (P-10 (10 mL), P-200 (200 µL), P-1000 (1,000 µL) | Gilson international | 4807 (10µl), 4810 (200µl), 4809 (1000µl) | |
Sterile plastic pipette | Greiner Bio-One | 606180 (5ml), 607180 (10ml) | |
Petri dish | VWR/ Duran Group | 391-0860 | |
Culture flasks (75 cm2) | CELLSTAR | 658,170 | |
Centrifuge tube (15 mL) | CELLSTAR | 188271 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Gelatin from porcine skin, type A | Sigma-Aldrich | G1890 | |
Fibronectin (Bovine plasma) | Sigma-Aldrich | F1141 | |
DPBS, no calcium, no magnesium | Life Technologies | 14190-169 | |
Human Endothelial-SFM | Life Technologies | 11111-044 | |
Human VEGF 165 IS, premium grade | Miltenyi Biotec | 130-109-386 | |
Human FGF-2, premium grade | Miltenyi Biotec | 130-093-842 | |
Platelet-poor Plasma Derived Serum, bovine | Biomedical Technologies | BT-214 | |
Recombinant Human TNF-α | Tebu-bio | 300-01A-A | |
TrypLE Select | Life Technologies | 12563029 | |
DiOC6(3) | Sigma-Aldrich | 318426 | |
RPMI 1640 Medium | Life Technologies | 21875-034 | |
2-Mercaptoethanol (50 mM) | Life Technologies | 31350010 | |
FBS | Life Technologies | 10270-106 | |
L-glutamine | Life Technologies | 25030-024 | |
Penicillin-Streptomycin (5,000 U/mL) | Life Technologies | 15070-063 | |
Distilled water | Life Technologies | 15230-089 | |
Ethanol absolute | Merck | 1.00983.2500 | |
VCAM-1 | R&D systems | FAB5649P | |
E-Selectin | R&D systems | BBA21 | |
ICAM-1 | R&D systems | BBA20 | |
Name | Company | Software version | Comments |
Cellrofiler | CellProfiler | 2.1.1 | |
VenaFluxAssay Software | Cellix Ltd | 2.3.a |
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