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本文介绍了不同形状、代表不同病理的心脏细胞生长方法,并基于单个细胞的形态对这些粘附性心肌细胞进行排序。拟议的平台为不同类型的心力衰竭提供了一种高通量和药物筛查的新方法。
不同类型的心脏肥大与心脏肌细胞(CM)的体积增加以及CM形态的变化有关。虽然细胞体积对基因表达的影响是众所周知的,但细胞形状的影响尚不清楚。本文介绍了一种旨在系统分析CM形态学对基因表达影响的方法。它详细介绍了一种新的单细胞诱捕策略的发展,然后进行单细胞mRNA测序。还设计了一个微板芯片,其中包含3000个矩形纤维素微模式。这使得可以以不同的长度(宽度纵横比 (AR)增长 CMs,对应于不同类型的心力衰竭 (HF)。本文还介绍了一种协议,该协议旨在使用半自动微移细胞拾取器从其模式中拾取单个细胞,并单独将它们注入单独的解合缓冲液中。这使得可以剖查具有定义几何形态类型的单个 CM 的转录组,并根据一系列正常或病理条件来描述它们:肥大性心肌病 (HCM) 或后加载/同心与扩张性心肌病 (DCM) 或预载/偏心。总之,本文提出了不同形状(表示不同病理)的CM生长方法,并基于单细胞级别的形态对它们进行附着的CM排序。拟议的平台为不同类型的高频提供了高通量和药物筛选的新方法。
根据世界卫生组织,心血管疾病(CVD)是全世界发病率和死亡率的主要原因。CVD 极大地影响人们的生活质量,并产生了巨大的社会经济影响。心肌病,如HCM和DCM,是心肌的主要疾病,HF的主要原因与高发病率和死亡率有关。高频有很多原因,包括环境影响,如感染和接触毒素或某些药物8。HF也可以由遗传倾向引起,即突变9。据认为,影响细胞外基质(ECM)分子、集成蛋白或细胞骨骼蛋白的遗传成分的变化可能导致机械机能受损和各种类型心脏病10。
HCM的主要特点是左心室11,有时右心室12的无法解释的肥大,这经常呈现与中间隔膜的主要参与。HCM还具有舒张功能障碍和肌细胞混乱和纤维化13。在大多数情况下,心脏的收缩装置受到沙康蛋白突变的影响,导致菌细胞14的收缩性增加。相比之下,DCM的特点是一个或两个心室的分裂,并且有家族病因在30%到50%的病例15。DCM影响广泛的细胞功能,导致肌细胞收缩受损,细胞死亡和纤维修复16。
遗传学已经表明,某些类型的突变迫使单个CM在HCM3期间采用特定的形状特征,即长度为:宽度AR的方形细胞,几乎等于1:14(AR1)。DCM 也是如此,具有几乎等于 11:1 (AR11) 的拉长细胞也是如此。此外,HF可由后载量增加(例如高血压)引起。在这些情况下,血流动力学要求迫使CMs根据拉普拉斯定律采取方形形状,AR从7:15 (AR7) 到1:16,7。HF 也可以由预载量增加(例如,在导致卷过载的条件下)引起。当这种情况发生时,生物物理约束强制妈妈拉长,AR 从 7:1 变化到 11:1。
膜上的信号活动取决于全局细胞几何参数,如细胞AR、大小、膜表面积和膜曲率18。当新生儿用膜镀在基板上,这些基板被纹上以特定长度约束细胞:宽度AR时,当比例与健康成人心脏中的细胞相似时,它们表现出最佳的收缩功能。相比之下,当这些比率与失败心脏中的菌细胞的比例相似时,它们的表现很差。在肥大的早期阶段,细胞变得更宽,这反映在横截面面积的增加上。HF 发生在肥大后期,细胞通常出现拉长。因此,毫不奇怪,在体内大鼠模型慢性肥大已经报告左心室肌细胞长度增加约30%20,但成人CMs从转基因小鼠模型,急性治疗肥大刺激在体外显示类似的增加细胞宽度,而不是21。
单细胞RNA测序,允许精确分析单细胞的转录组,目前正在彻底改变对细胞生物学的理解。在回答有关单个细胞形状如何影响基因表达的问题时,这项技术是首选方法。我们比较了形状不同的单个细胞,特别是 1:1、7:1 或 11:1 的 AR。这是通过将新生儿鼠心室CMs播种到一个特别设计的芯片上,该芯片填充了纤维素涂层的微面模式2, 定义的 ARs为1:1、7:1或11:1。微模式是利用光刻技术制造的。微表层被纤维素涂层,周围是细胞恐惧症表面。因此,CMs 将仅通过生长在纤维素基材上来附加、传播和捕获微模式的固定 AR,同时避免细胞恐惧症区域。微模式不是形状良好的格式。相反,纤维素水平正好位于周围细胞恐惧症区域的相同高度。这为培养皿中生长的细胞提供了类似的条件,因为周围墙壁没有压力。此外,具有不同 AR 的微模式的表面面积相等。
实验设计有两个特别重要的方面,这导致使用单细胞RNA测序而不是批量RNA测序。首先,只有几个百分比的微模式可以由单个单元格占用。其次,有时单个单元格不能完全占据微模式表面。必须挑选完全覆盖微表层的单细胞进行单细胞RNA分析。因为只有芯片上镀有细胞的子群满足这两个标准,所以仅仅对整个芯片进行三试化并收集所有细胞进行批量RNA测序是不可行的。合格的细胞需要使用半自动细胞拾取器单独采摘。
目前尚不得而知CM形状本身是否对心肌同步体有功能内影响。本文提出的方法的主要目的是开发一个新颖的平台,研究细胞形状本身是否对转录组17有影响。虽然体外研究不同于体内研究,但本研究的目的是研究不同细胞形状对基因表达的影响,同时铭记在体内比较不同形状的细胞是非常苛刻的。这些实验的灵感来自K kuo等人19号,他使用了类似的方法,并报告说他们观察到了由于细胞形状的变化而导致的生理参数的变化。
所有涉及动物的程序都符合瑞典斯德哥尔摩卡罗林斯卡研究所动物伦理委员会的规定。
1. 微型芯片布局
2. 涂层微层芯片
3. 隔离 VM
4. 模式化 VM
注:我们将单个 CMs 与 1:1、7:1 或 11:1 的 ARs 进行比较。这是通过将孤立的新生儿CMs播种到一个特别设计的芯片上,该芯片填充了纤维素涂层的微模式,定义的 AR为1:1、7:1或11:1。微表层被纤维素涂层,周围是细胞恐惧症表面。因此,CMs 将仅通过生长在纤维素基材上来附加、传播和捕获微模式的已定义 AR。根据以下步骤对隔离的 VM 进行阵列。
5. 挑选粘附的 VM
注:经过72小时的培养期后,使用半自动细胞拾取器(材料表)从其纤维素微模式中选取图案单一CM(图3)。单元拾取器使用软件23来控制电动阶段(图3A)。70 μm玻璃微胶囊(图3B)用于挑选和注射有图案的新生儿大鼠CMs。细胞拾取器通过产生真空和通过施加压力对粘附细胞进行排序。使用注射器泵拉注射器(图3C)应用注射器1号中的真空。静液压基于重力,通过将注射器 2 号放在显微镜台上 87 厘米的距离来感应。注射器 1 和 2 分别通过 PTFE 管连接到嵌入控制单元中的阀门 1 和 2(图 3D)。PTFE 管完全充满无 RNase 水。然后将采摘的单细胞注入聚合酶链反应(PCR)管,其中含有3.55μL的解解缓冲液。
组织从2天大的新生儿心脏的左心室解剖,并分为单细胞。然后,富集的CMs被播种在含有具有不同 ARs 的纤维素图案的芯片上。经过72小时的培养,该培养基被DPBS-/-2分钟的1:1000 Vibrant染料循环绿色所取代,以可视化活细胞的核。接下来,用DPBS-/-/trypsin(1:1)对细胞进行处理,以从纤维素中松开细胞,以便使用流体真空促进细胞采摘。同时,使用连接到细胞拾取器的倒置显微镜,以10倍的放大倍率扫描整个芯片。这是由于三辛治疗而使细胞圆润之前进行的。根据扫描的图像选择合格的单元格,其坐标保存在单元格选取器软件中。只有在包含单核单细胞时,并且只有当细胞完全覆盖其纤维素微模式时,才选择微模式。细胞分拣器一个一个地挑选选定的细胞,成功挑选的每个单个细胞立即被注射到单个PCR管中,并放置在显微镜阶段。每个PCR管都含有3.55μL的解液缓冲液(表2)。从删除介质开始的排序过程在 40 分钟内完成。根据Smt-Seq2协议24(表3),对碱化单细胞进行了补充脱氧核糖核酸(cDNA)合成、PCR预扩增和纯化。通过自动电泳分析仪检查纯化cDNA的质量。图4中介绍了一个拾取单细胞预放大cDNA的电谱图。RNA-Seq库是按照智能-Seq2协议24编写的。
为了观察图案的CMs的沙康结构,图案的CMs沾染了沙α-行为素抗体。细胞用驴抗小鼠IgG Alexa Fluor 488 1:800在室温下孵育1小时,进行二次染色。核被染有1微克/mL DAPI。使用倒置共体显微镜,使用 63 倍油浸(NA 1.4)目标获得免疫荧光图像(图 5)。
图1:芯片的布局与纤维素微模式。
(A) 定制设计的芯片的图像。该芯片是一个 19.5 毫米 x 19.5 毫米盖玻片,带纤维素微板,通过硅酸盐玻璃上的光刻打印。(B) 芯片布局。芯片被划分为三个区域,每个区域由具有特定AR的纤维素微模式组成。这个数字已被哈夫特拉达兰·埃斯法哈尼等人根据《第二份材料》http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。请单击此处查看此图的较大版本。
图2:配备加热器装置的分离器。
(A) 用于全自动分离2天大的新生儿左心室的分离器。(B) 加热装置。(C) 转子盖管.(D) 现成的程序,用于组织分离的完全自动化工作流程。 请单击此处查看此图的较大版本。
图3:细胞拾取器装置。
(A) 细胞拾取器的电动阶段的放大视图。舞台上嵌入了一个用于 10 个 PCR 条的培养皿支架和 80 个孔以及一个用于校准十字线孔的孔。(B) 玻璃微胶囊的放大视图。(C) 注射器泵。(D) 控制阀 1 和 2 的打开和关闭时间窗口的控制单元安装在控制单元内。 请单击此处查看此图的较大版本。
图4:一个拾取的单细胞预放大cDNA的电图。
19 PCR预扩增周期用于获得15μL的1纳克/μL纯化cDNA产量。观察到凝胶状密度测量图中的透明带,与电图中1852 bp的峰值相对应。碎片的平均大小为 1588 bp。此外,短于 300 bp 的少量片段表示良好的 cDNA 库。 请单击此处查看此图的较大版本。
图5:具有不同AM的α(绿色)和核(蓝色)的免疫荧光染色。
染色质被 DAPI 染色了。 请单击此处查看此图的较大版本。
莫福型 | Ar | 长度 (μm) | 宽度 (μm) | 纤维素面积 (μm2) |
AR1 | 1:1 | 47 | 47 | 2209 |
AR7 | 7:1 | 126 | 18 | 2268 |
AR11 | 11:1 | 155 | 14 | 2170 |
表 1:图案化 VM 的几何形状。
组件 | 体积 (+L) |
无核水 | 0.65 |
(0.4% 卷/卷)特里顿 X-100 | 1.8 |
dNTP 混合 (25 mM) | 0.8 |
RNase抑制剂 (40 U +L-1) | 0.1 |
Oligo-dT30VN 寡核苷酸 (100 μM) | 0.1 |
ERCC RNA 尖峰混合(2.5 x 105 稀释) | 0.1 |
注入的单细胞 | 1 |
总体积 | 4.55 |
表2:单细胞自定义解解缓冲液。
组件 | 体积 (+L) |
上标 II 第一链缓冲器 (5 倍) | 2 |
DTT (100 mM) | 0.5 |
贝塔因 (5 M) | 2 |
Mgcl2 (1 M) | 0.1 |
RNase抑制剂 (40 U μL-1) | 0.25 |
上标 II 逆转录酶 (200 U μL-1) | 0.5 |
TSO (100 μM) | 0.1 |
总体积 | 5.45 |
表3:逆转录(RT)混合一个RT反应,从单个CM的利酸盐合成第一链cDNA。
本研究采用单细胞RNA测序,这是一种新型而强大的技术,可以检测单细胞的转录组。它结合了培养单个 CMs 的创新方法,因此它们采用不同的 AR,否则只能在体内观察到。
这项研究有一些局限性。例如,新生儿 CM 必须用于生成不同的形态型,因为以定义的形状培养足够重要的成人 CM 72 小时是异常具有挑战性的。此外,CMs在体内培养72小时,这可能对基因表达模式产生影响。然而,这种培养是必要的,以便细胞可以形成特定的形态型。此外,只有单核和完全覆盖纤维素微模式的单细胞被选择进行分选。每个芯片上的图案细胞必须只在一轮排序中排序。最后,大约50个细胞,大约是所选细胞的三分之一,成功地从每个芯片中拾取。有两个原因限制成功拾取的单元格的数量。首先,一些细胞过于紧密地附着在纤维素模式上,拾取流不够严格,无法成功拾取它们。其次,由于三辛治疗,一些细胞和纤维素之间的附着变得太松。因此,当微胶囊接近它们时,这些细胞被推开,离开它们的纤维素微模式,它们没有被拾起。作者并不声称这种设置与体内环境相同,但它被证明是一个可行的方法来回答研究问题。
该方法适用于不同的细胞类型(例如,hiPS-CMs)。但是,应优化以下因素以研究其他细胞类型。应使用用于特定细胞类型的附件的适用 ECM 粘合剂分子来涂装微模式。微模型的几何形状应根据研究问题和细胞类型进行修改。根据研究问题可以修改栽培周期。分离试剂及其孵育时间应针对研究细胞类型进行精确优化。例如,Accutase可用于分离胚胎和神经元干细胞,而不是 TryplE。阀门的打开时间参数应经过仔细审查,以成功、但轻轻地拾取电池。总之,我们设计了一个研究细胞形状的新平台,为该领域的研究人员提供了宝贵的资源。在此背景下,我们设计了一种实验方法,模拟血流动力学约束强加于体内CM的体外特征形状,以识别细胞结构与基因表达之间的相互作用。我们还报告了研究体外HF的新平台的发展,以及细胞形状作为基因表达的有力决定因素的识别。这是一个对生物学和医学具有深远影响的新观察。
没有。
没有。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2100 Bioanalyzer Instrument | Agilent Technologies | G2939BA | Automated electrophoresis analyzer |
Anti-Red Blood Cell MicroBeads | Miltenyi Biotec | 130-109-681 | |
Axio Observer microscope | Zeiss | Z1 | Inverted microscope |
Betaine solution (5 M) | Sigma-Aldrich, MERCK | B0300 | |
CellSorter | CELLSORTER | https://www.singlecellpicker.com/ | Cell picker |
CYTOOchamber | CYTOO | 30-010 | Custom-designed chip |
CYTOOchip | CYTOO | 10-950-00-18 | Chamber |
DMEM | Thermo Fisher Scientific | 31966-021 | high glucose, GlutaMAX Supplement |
dNTP mix (25 mM) | Thermo Fisher Scientific | R1122 | |
Donkey Anti-Mouse IgG Alexa Fluor 488 | Abcam PLC | ab150105 | |
DTT (100 mM) | Thermo Fisher Scientific | 18064071 | |
ERCC RNA Spike-In Mix | Thermo Fisher Scientific | 4456740 | |
Fetal Bovine Serum | Thermo Fisher Scientific | 10082-147 | |
Fibronectin | Sigma-Aldrich, MERCK | F4759 | |
gentleMACS C Tube | Miltenyi Biotec | 130-093-237 | Rotor-cap tube |
gentleMACS Octo Dissociator with Heaters | Miltenyi Biotec | 130-096-427 | Dissociator with heater |
Greiner CELLSTAR Petri dish | Sigma-Aldrich, MERCK | P6987 | |
HEPES (1 M) | Thermo Fisher Scientific | 15630-056 | |
Horse Serum | Sigma-Aldrich, MERCK | H0146 | |
LD column | Miltenyi Biotec | 130-042-901 | |
Medium 199 | Thermo Fisher Scientific | 31150-022 | |
NE-1000 syringe pump | New Era Pump Systems | NE-1000 | Syringe pump |
Neonatal Cardiomyocyte Isolation Cocktail, rat | Miltenyi Biotec | 130-105-420 | |
Neonatal Heart Dissociation Kit, mouse and rat | Miltenyi Biotec | 130-098-373 | |
Oligo-dT30VN oligonucleotides | IDT Technology | 5′–AAGCAGTGGTATCAACGCAGAGTACT30VN-3′ | |
RNAse inhibitor (40 U µL-1) | Clontech | 2313A | |
sarcomeric α-actinin | Sigma-Aldrich, MERCK | EA-53 | |
SP8 confocal microscope | Leica Microsystems | SP8 | Confocal microscope |
Superscript II first-strand buffer (5x) | Thermo Fisher Scientific | 18064071 | |
Superscript II reverse transcriptase (200 U µL-1) | Thermo Fisher Scientific | 18064071 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich, MERCK | T9284 | |
TryplE Express enzyme, no phenol red | Thermo Fisher Scientific | 12604013 | |
TSO (100 µM) | QIAGEN | 5′-AAGCAGTGGTATCAACGCAGAGTACATrGrG+G-3′ | |
Vibrant Dye Cycle green | Thermo Fisher Scientific | V35004 |
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