הכנת תרחיף חד-תאי מעורקי התרדמה של העכבר לריצוף חד-תאי

Summary

כאן אנו מתארים פרוטוקול עיכול תאים דו-שלבי להכנת תרחיף חד-תאי של עורקי התרדמה של עכברים.

Abstract

עורקי התרדמה הם כלי דם מרכזיים בצוואר המספקים דם וחמצן למוח, אך היצרות התרדמה מתרחשת כאשר עורקי התרדמה נסתמים על ידי פלאק. חשיפת ההרכב התאי של עורק התרדמה ברמת התא הבודד חיונית לטיפול בטרשת עורקים של התרדמה. עם זאת, אין פרוטוקול מוכן לשימוש להכנת מתלים חד-תאיים מעורקי התרדמה. כדי לקבל פרוטוקול מתאים לדיסוציאציה של עורקי התרדמה הרגילים ברמת התא הבודד עם פחות נזק לתאים, תכננו שיטת עיכול דו-שלבית על ידי שילוב תהליך העיכול של collagenase/DNase וטריפסין. ספירת פלואורסצנטיות כפולה של Acridine orange/propidium iodide (AO/PI) שימשה לזיהוי כדאיות התא וריכוזו, ונמצא כי התרחיף החד-תאי עונה על הדרישות לריצוף תא יחיד, עם כדאיות של תאים מעל 85% וריכוז תאים גבוה. לאחר עיבוד נתונים של תא בודד, חציון של ~2500 תעתיקים לכל תא זוהו בכל תא עורק התרדמה. יש לציין כי מגוון סוגי תאים של עורק התרדמה התקין, כולל תאי שריר חלק וסקולריים (VSMCs), פיברובלסטים, תאי אנדותל (ECs), מקרופאגים ותאים דנדריטיים (Mφ/DCs), היו ניתנים לגילוי בו זמנית. פרוטוקול זה עשוי להיות מיושם להכנת תרחיף חד תאי של כלי דם מרקמות אחרות עם שינויים מתאימים.

Introduction

טרשת עורקים היא מחלה דלקתית כרונית הקשורה לגורמי סיכון כגון לחץ דם גבוה, היפרליפידמיה, והמודינמיקה¹. התפצלויות בעורק התרדמה מועדות לשינויים המודינמיים ומובילות להיווצרות רובד התרדמה. ההצגה הקלינית של טרשת עורקים קרוטיד יכולה להיות חריפה כגון שבץ מוחי ואיסכמיה מוחית חולפת, או כרונית כגון איסכמיה מוחית חולפת חוזרת ודמנציה וסקולרית². מבחינה מכנית, רובד התרדמה הוא תוצאה של אינטראקציה בין תאי דופן כלי דם שונים ותאי דם שונים בתנאים פתולוגיים. לכן, חשיפת האטלס החד-תאי של כלי התרדמה בתנאים פיזיולוגיים ופתולוגיים חשובה במיוחד למניעה וטיפול בהתפתחות פלאק התרדמה.

ריצוף RNA חד-תאי הוא אחת הטכנולוגיות החזקות ביותר של המחקר הביולוגי בגלל הרזולוציה הגבוהה במיוחד שלו וזיהוי הטרוגניות התא מאותו סוג תא של אורגניזמים ^3,4. חוקרים השתמשו בריצוף RNA חד-תאי כדי לערוך מחקרים בתחומים רבים, כגון מחלות לב וכלי דם⁵ וסרטן⁶. עם זאת, הפרדה מהירה ומדויקת של רקמות לתאים בודדים היא עדיין אחד האתגרים העיקריים. דיסוציאציה אנזימטית היא שיטה נפוצה הכוללת בעיקר קולגנאז, פפאין, טריפסין, DNase והיאלורונידאז. בפרט, collagenases הם מיני האנזימים העיקריים לעיכול של תא יחיד, בעיקר הידרוליזה של רכיבי קולגן ברקמות חיבור. סוגים שונים של collagenase ישימים לדיסוציאציה של רקמות שונות, כגון בלוטת החלב⁷, גלומרולוס⁸, זווית אירידוקרנית⁹, מפרק הברך 10, אבי העורקים¹¹ וריאה¹². בשל התכונות הפיזיולוגיות הייחודיות של רקמות שונות, דיסוציאציה באותה שיטה עלולה לגרום לבעיות רבות ברכישת תאים בודדים, כגון כדאיות נמוכה של תאים, מספר תאים נמוך ופסולת תאים גדולים. לכן, המצאת שיטות העיכול לרקמות שונות חיונית להכנת תרחיפים חד-תאיים באיכות גבוהה.

פרוטוקול זה נועד לפתח שיטת עיכול תאים דו-שלבית להכנת תרחיף חד-תאי של עורק התרדמה של עכברי בר. בהתאם למאפיינים של עורק התרדמה, שילבנו collagenase/DNase עם טריפסין כדי לקבל תרחיף חד-תאי באיכות גבוהה של עורק התרדמה של עכבר, מכיוון ש-collagenase יכול לבצע הידרוליזה של קולגן ברקמות התרדמה, אשר התעכל עוד יותר על-ידי טריפסין לתרחיף חד-תאי. ספירת פלואורסצנטיות כפולה של Acridine orange/propidium iodide (AO/PI) שימשה לזיהוי כדאיות התא וריכוזו, ונמצא כי התרחיף החד-תאי עונה על הדרישות לריצוף תא יחיד, עם כדאיות של תאים מעל 85% וריכוז תאים גבוה. לאחר עיבוד נתונים של תא בודד, ארבעה סוגי תאים, כולל תאי שריר חלק וסקולריים (VSMCs), פיברובלסטים, תאי אנדותל (ECs), מקרופאגים ותאים דנדריטיים (Mφ/DCs), זוהו בעורקי התרדמה הרגילים של עכברים לאחר העיכול. היתרונות של פרוטוקול זה הם: 1) ניתן לזהות סוגי תאים מרובים בעורק התרדמה, 2) כדאיות התא נשמרת היטב, 3) ניתן לחזור עליו בקלות ללא ציוד מיוחד. פרוטוקול זה מתאים לחוקרים המעוניינים לחקור מולטיומיקה חד-תאית של עורקי התרדמה בעכבר. פרוטוקול זה עשוי גם להיות מועיל בדיסוציאציה של כלי דם אחרים עם שינויים מתאימים.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

כל נהלי בעלי החיים המתוארים להלן אושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של אוניברסיטת סוצ'ו.

1. ריאגנטים והכנת חומרים

1. השתמשו ב-1x PBS ללא סידן ומגנזיום וב-2.5 U/mL הפרין נתרן מלח להכנת תמיסת הזילוח. יש לאחסן בטמפרטורה של 4°C, ולהתקרר מראש על קרח בעת השימוש.
2. הכינו מגיב דיסוציאציה A המכיל 125 CDU/mL collagenase II ו-60 U/mL DNase I על ידי דילול 1250 CDU/mL collagenase II ו-3000 U/mL DNase I עם HBSS. יש לאחסן בטמפרטורה של 4°C עד לשימוש.
3. הכינו מגיב דיסוציאציה B המכיל ריכוז סופי של 0.12% טריפסין על ידי דילול 1 מ"ל של 0.25% טריפסין ללא EDTA (ללא פנול אדום) לתוך 1 מ"ל של 1x PBS. יש לאחסן בטמפרטורה של 4°C עד לשימוש.
4. הכינו 10 מ"ל של 1.5% FBS ו-10 מ"ל של 5% FBS ב-1x PBS. יש להשתמש ב-1.5% FBS לבריכות עורקי התרדמה ולשמור על קרח לפני השימוש. השתמש ב-5% FBS כדי לנטרל את העיכול ולאחסן בטמפרטורת החדר (RT).
5. קבל את החומרים הניסיוניים, כולל מזרקים 1 מ"ל, מזרקים 20 מ"ל עם מחטים 26-G, צלחות תרבית תאים שש בארות, צינורות צנטריפוגות 1.5 מ"ל, מסננות תאים סטריליים 40 מיקרומטר ומכלי קרח.

2. הכנת ציוד

1. לעקר את כל ציוד הניתוח, כולל מיקרוסקופ סטריאוסקופי, מספריים מנתחים, מספריים לניתוח מיקרו ומלקחיים עדינים.
2. הפעל את מונה התאים האוטומטי ותחזק אותו ב- RT.
3. הפעל את אמבט המים ל 37 מעלות צלזיוס מראש.
4. מצננים מראש את המיקרוצנטריפוגה ל-4°C לפני השימוש.

3. בידוד עורק התרדמה של העכבר

1. מרדימים את העכבר באמצעות 1.25% tribromoethanol על ידי הזרקה intraperitoneal (0.24 מ"ל עבור כל 10 גרם של משקל גוף) ולהפוך את העכבר כדי לבדוק אם יש רפלקס ימין לאחר 3 דקות. לאחר מכן, להרדים את העכבר על ידי נקע צוואר הרחם ולהניח אותו על גבו. רססו את עור העכבר ב-75% אלכוהול.
2. השתמש מספריים ניתוח מעוקר כדי לפתוח את העור ולחשוף את חלל החזה. פתח את הסרעפת.
3. ממשיכים לחתוך כלפי מעלה ללסת התחתונה ומסירים בזהירות עודפי רקמות חיבור ושומן, תוך חשיפת עורק התרדמה.
4. חותכים את הווריד הנבוב התחתון של העכבר כדי לגרום לדם לזרום מתוך מחזור הדם הסגור.
5. להזריק 20 מ"ל של פתרון זילוח prechilled לתוך החדר השמאלי עם מזרק לאט וברציפות.
   הערה: אם הזלוף מצליח, איברים עשירים בדם כגון הכבד, הטחול והכליות יהפכו אפורים-לבנים.
6. מקלפים את כל השומן ורקמות החיבור סביב עורק התרדמה בעזרת מספריים לניתוח מיקרו תחת מיקרוסקופ סטריאוסקופי.
   הערה: שלב זה צריך להיעשות לאט ובזהירות כדי למנוע נזק לעורק התרדמה.
7. בודדו את עורק התרדמה מהעכבר, שטפו עם 1x PBS כדי לשטוף שוב את הדם, והעבירו לצלחות של שש בארות המכילות 1.5% FBS על קרח.

4. עיכול עורק התרדמה לתרחיף חד תאי

1. השתמש מספריים micro-dissecting לנתח את עורק התרדמה לאורך, ושכב שטוח על צלחת תרבית תאים אחרת 6 בארות המכילה 1 מ"ל של 1.5% FBS על קרח.
2. שטפו את האינטימה בזהירות עם 1.5% FBS כדי להסיר את שאריות הדם.
   הערה: השטיפה צריכה להיות עדינה ואיטית כדי למנוע פגיעה בתאי אנדותל.
3. חתכו כל עורק התרדמה לכ-2 מ"מ² חתיכות רקמה באמצעות מספריים מיקרו-דיסקרטיים ב-1.5% FBS.
4. מעבירים את חתיכות הרקמה הללו לצינור צנטריפוגה בנפח 1.5 מ"ל עם קצוות נשא ברוחב 1 מ"ל, צנטריפוגה ב 400 x גרם למשך 5 דקות ב 4 מעלות צלזיוס כדי לשקוע את הרקמות לתחתית.
5. להשליך את supernatant ולהשעות מחדש את הרקמות ב 500 μL של מגיב דיסוציאציה A.
6. הניחו את הצינור באמבט מים בטמפרטורה של 37°C למשך שעה אחת. פיפטה בעדינות עם פיפטה 1 מ"ל כל 10 דקות.
7. הוסף 500 μL של 5% FBS לתוך הצינור ומערבבים היטב עם פיפטה 1 מ"ל.
8. סנן את תרחיף התא דרך מסננת תאים סטרילית בגודל 40 מיקרומטר לתוך צינור צנטריפוגה חדש בנפח 1.5 מ"ל וצנטריפוגה במהירות 400 x גרם למשך 5 דקות ב- 4 מעלות צלזיוס.
9. הסר את supernatant בזהירות להשעות מחדש את גלולת התא ב 200 μL של מגיב דיסוציאציה B.
10. הכניסו לאמבט מים בטמפרטורה של 37°C ועיכלו במשך 5 דקות נוספות. יש למרוח פיפטה בעדינות כל 2 דקות במהלך העיכול כדי לנתק לחלוטין לתרחיף חד-תאי.
11. השתמש 200 μL של 5% FBS כדי לסיים את תגובת העיכול, וצנטריפוגה ב 400 x גרם במשך 5 דקות ב 4 ° C.
12. השליכו את הסופרנאטנט והשהו מחדש את גלולת התא ב-100 מיקרוליטר של 1x PBS על קרח.

5. בדיקת תרחיף תאים וריצוף RNA חד-תאי

1. הוסף 10 μL של תמיסת AO/PI לתוך 10 μL של תרחיף חד-תאי וערבב בעדינות עם פיפטה של 20 μL.
2. פיפטה 20 μL של התערובת לתוך שקופית התא ולחכות 1 דקה.
3. טען את השקופית במכשיר מונה התאים האוטומטי.
4. בחר את בדיקת הכדאיות של AO/PI ולאחר מכן המתן לדוח האיכות.
5. השתמש בערכת מגיב 3ʹ חד-תאי כדי ליצור חרוזי ג'ל חד-תאיים בתחליב על בקר חד-תאי ולהגביר את cDNA המקודד במחזור תרמי בהתאם לפרוטוקול היצרן.
   הערה: כאן, Chromium Single Cell 3ʹReagent Kits v3 שימש.
6. בצע רצף על רצף עם אסטרטגיית קריאה של 150 bp (PE150) מקצה זוגי. השתמש ביישום תוכנה (Cell Ranger) כדי להמיר קבצי קריאת בסיס גולמיים לקבצי fastq באמצעות צינור mkfastq . לאחר מכן, השתמש בצינור הספירה של Cell Ranger לביצוע יישור, סינון, ספירת ברקוד וספירת מזהים מולקולריים ייחודיים (UMI) כדי ליצור מטריצות ברקוד¹³.
7. בצע הפחתת ממדיות נתונים והדמיה חזותית עם חבילת R Seurat¹⁴.
   1. ראשית, הפונקציה Read10X() של Seurat קוראת בפלט של צינור Cell Ranger ולאחר מכן משתמשת במטריצת הספירה כדי ליצור אובייקט Seurat. לאחר מכן, סנן את התאים עם ביטוי של <200 או >4000 גנים או יחס גנים מיטוכונדריאלי שהיה יותר מ -10% על ידי תת-קבוצה () פונקציה של Seurat.
   2. השתמש ב- NormalizeData () וב- FindVariableFeatures() כדי לנרמל את הנתונים ולזהות 2000 תכונות משתנות מאוד, בהתאמה.
   3. בצע ניתוח רכיבים ראשי (PCA) על הנתונים שקנה המידה שלהם השתנה, וקבץ את התאים באשכולות עם dims = 30 ורזולוציה = 0.5. לבסוף, השתמש בפונקציה RunUMAP () כדי להציג באופן חזותי את ערכות הנתונים של תא בודד ובפונקציה FindAllMarkers() כדי למצוא כל סמן ביולוגי של אשכול.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

פרוטוקול זה מתאר שיטת עיכול תאים דו-שלבית להכנת תרחיף חד-תאי של עורקי התרדמה של עכברים (איור 1). שיטת עיכול תאים דו-שלבית זו משלבת collagenase/DNase עם טריפסין כדי לנתק ביעילות את דופן כלי התרדמה של העכבר כדי להשיג מתלים חד-תאיים באיכות גבוהה לריצוף תא יחיד. לאחר הדיסוציאציה, ריכוז הת...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

כאן אנו מספקים פרוטוקול מפורט להכנת תרחיף חד-תאי איכותי מעורק התרדמה של עכברי בר, שבו נבנתה שיטת עיכול דו-שלבית המשלבת את תהליך העיכול של collagenase/DNase וטריפסין. לאחר בדיקת האיכות של ההשעיה של תא בודד, מצאנו כי הוא עונה על הדרישות לריצוף תא בודד, עם כדאיות של תאים מעל 85% וריכוז תאים גבוה. יתר על כ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
0.25% EDTA-free trypsin	Beyotime	C0205	Dilute 1 mL of 0.25% EDTA-free trypsin into 1 mL of 1x PBS.
0.9% NaCl saline solution	Beyotime	ST341	Dilute the heparin sodium solution into a final concentration of 10 mg/mL
1 mL syringes	SKJYLEAN	sk-r009	To perform cardiac perfusion
1.5 mL centrifuge tubes	KIRGEN	KG2211W	To centrifuge the tissue piece and cell suspension
20 mL syringes	SKJYLEAN	sk-r013	To perform cardiac perfusion
40 µm cell strainer	JETBIOFIL	css010040	To filter undigested tissue fragments
AO/PI kit	Hengrui Biological	RE010212	To identify whether the cell is alive or dead
Automated cell counter	Countstar	Mira FL	To analyze the cell morphology and cell viability of digested carotid vascular cells
Cell Ranger software	10× Genomics	3.0.2	To process Chromium single-cell RNA-seq output and perform clustering and gene expression analysis
Chromium Single Cell 3'Reagent Kits v3	10× Genomics	1000075	To prepare single-cell RNA-seq libraries of single-cell suspension
Collagenase II	Sigma-Aldrich	C6885	Dilute with HBSS to a final concentration of 125 CDU/mL
Deoxyribonuclease I	Worthington	LS002140	Dilute with HBSS to a final concentration of 60 U/mL
Fetal bovine serum	HyClone	SH30088.03	Termination of the digestion reaction
Hank's balanced salt solution	Gibco	14175095	Store at the room temperture
Heparin sodium salt	Solarbio Life Science	H8060	Dilute with 0.9% NaCl to a final concentration of 10 mg/mL
Microcentrifuge	Thermo Fisher Scientific	75002560	Applied for spining down the tissues and cell pellets
NovaSeq 6000	Illumina	N/A	Sequencer
Phosphate-buffered saline	Solarbio Life Science	P1000	Used for cardiac perfusion and resuspension of cells
Seurat package- R	Satija Lab	3.1.2	To performed dimensionality reduction, visualization, and analysis of scRNA-sequencing data
Six-well cell culture plates	NEST	703002	Place the vascular tissue
Water bath	Jinghong	DK-S22	Keep the digestion temperature at 37 °C