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Method Article
* Questi autori hanno contribuito in egual misura
Il protocollo descrive l'isolamento, la coltura e la profilazione delle cellule endoteliali dall'arteria mesenterica umana. Inoltre, viene fornito un metodo per preparare l'arteria umana per la trascrittomica spaziale. Proteomica, trascrittomica e saggi funzionali possono essere eseguiti su cellule isolate. Questo protocollo può essere riproposto per qualsiasi arteria di medie o grandi dimensioni.
Le cellule endoteliali (CE) sono cruciali per la funzione vascolare e di tutto il corpo attraverso la loro risposta dinamica ai segnali ambientali. Chiarire il trascrittoma e l'epigenoma delle CE è fondamentale per comprendere i loro ruoli nello sviluppo, nella salute e nella malattia, ma è limitato nella disponibilità di cellule primarie isolate. Le recenti tecnologie hanno permesso la profilazione ad alto rendimento del trascrittoma EC e dell'epigenoma, portando all'identificazione di sottopopolazioni di cellule EC precedentemente sconosciute e traiettorie di sviluppo. Mentre le colture EC sono uno strumento utile nell'esplorazione della funzione e della disfunzione della CE, le condizioni di coltura e i passaggi multipli possono introdurre variabili esterne che alterano le proprietà della CE nativa, tra cui la morfologia, lo stato epigenetico e il programma di espressione genica. Per superare questa limitazione, il presente documento dimostra un metodo per isolare le EC primarie umane dalle arterie mesenteriche dei donatori con l'obiettivo di catturare il loro stato nativo. Le CE nello strato intimale sono dissociate meccanicamente e biochimicamente con l'uso di particolari enzimi. Le cellule risultanti possono essere utilizzate direttamente per il sequenziamento di RNA di massa o RNA a singola cellula o placcate per la coltura. Inoltre, viene descritto un flusso di lavoro per la preparazione del tessuto arterioso umano per la trascrittomica spaziale, in particolare per una piattaforma disponibile in commercio, sebbene questo metodo sia adatto anche per altre tecniche di profilazione del trascrittoma spaziale. Questa metodologia può essere applicata a diversi vasi raccolti da una varietà di donatori in stato di salute o malattia per ottenere informazioni sulla regolazione trascrizionale ed epigenetica della CE, un aspetto fondamentale della biologia cellulare endoteliale.
Rivestendo il lume dei vasi sanguigni, le cellule endoteliali (CE) sono regolatori cruciali del tono vascolare e della perfusione tissutale. Le CE sono notevoli nella loro capacità di reagire all'ambiente extracellulare e adattarsi ai cambiamenti nella dinamica e nella composizione del flusso sanguigno. Queste risposte dinamiche sono mediate attraverso una rete di eventi di segnalazione intracellulare, comprese le modulazioni trascrizionali e post-trascrizionali con risoluzione spazio-temporale. La disregolazione di queste risposte è implicata in molte patologie, tra cui, ma non solo, malattie cardiovascolari, diabete e cancro 1,2.
Gran parte degli studi fa uso di linee cellulari o modelli animali per interrogare il trascrittoma CE. Il primo è uno strumento utile, data la relativa facilità d'uso e l'economicità. Tuttavia, la coltivazione seriale può introdurre alterazioni fenotipiche alle CE, come le caratteristiche fibroblastiche e la mancanza di polarizzazione, disconnettendole dal loro stato in vivo 3. Le cellule primarie, ad esempio la vena ombelicale umana EC (HUVEC) sono state una scelta popolare dal 1980, ma derivano da un letto vascolare di sviluppo che non esiste negli adulti, quindi è improbabile che rappresenti pienamente gli EC maturi. Gli animali, in particolare i modelli murini, rappresentano meglio l'ambiente fisiologico o fisiopatologico delle CE e consentono l'interrogazione dei trascrittomi a seguito di perturbazioni genetiche. Le CE murine possono essere isolate da vari tessuti, tra cui l'aorta, i polmoni e i tessuti adiposi utilizzando procedure basate su enzimi 4,5,6,7. Tuttavia, le cellule isolate non possono essere utilizzate per passaggi multipli a meno che non siano trasformate6 e sono spesso limitate in numero, il che richiede il raggruppamento da più animali 5,8,9.
L'avvento di nuove tecnologie che esplorano l'architettura dei vasi a livello trascrittomico, in particolare con la risoluzione a singola cellula, ha permesso una nuova era della biologia endoteliale rivelando nuove funzioni e proprietà delle CE 5,10,11,12,13,14. Una ricca risorsa costruita dai ricercatori di Tabula Muris ha raccolto profili trascrittomici a singola cellula di 100.000 cellule tra cui EC in 20 diversi organi murini15, che hanno rivelato sia geni marcatori EC comuni che firme trascrittomiche uniche con differenze inter-e intra-tessuto 5,13. Tuttavia, ci sono chiare differenze tra topo e uomo nel genoma, nell'epigenoma e nel trascrittoma, specialmente nelle regioni non codificanti 16,17,18. Questi inconvenienti di cui sopra sottolineano l'importanza dell'analisi delle CE utilizzando campioni umani al fine di ottenere un profilo fedele delle CE nel loro stato nativo in salute e malattia.
La maggior parte dei metodi di isolamento EC si basano sulla dissociazione fisica attraverso l'omogeneizzazione, il taglio fine e la tritatura del tessuto prima dell'incubazione con enzimi proteolitici per tempi diversi. Gli enzimi e le condizioni variano anche considerevolmente tra i tipi di tessuto, dalla tripsina alla collagenasi, usati da soli o in combinazione 19,20,21. Un ulteriore arricchimento o purificazione basato su anticorpi sono spesso inclusi per aumentare la purezza delle CE. Tipicamente, gli anticorpi contro i marcatori di membrana EC, ad esempio CD144 e CD31 sono coniugati a perline magnetiche e aggiunti alla sospensione cellulare22,23. Tale strategia può essere generalmente adattata per l'isolamento CE da più tessuti umani e murini, comprese le tecniche introdotte in questo protocollo.
Nel loro stato nativo, le CE interagiscono con più tipi di cellule e possono esistere in nicchie vascolari in cui la vicinanza cellulare è cruciale per la funzione. Mentre gli studi di sequenziamento dell'RNA monocellulare e mononucleare (scRNA e snRNA-seq) sono stati fondamentali per le recenti scoperte nella descrizione dell'eterogeneità DELLA CE, il processo di dissociazione interrompe il contesto tissutale e il contatto cellula-cellula, che sono anche importanti per comprendere la biologia CE. Sviluppato nel 2012 e nominato Metodo dell'anno nel 202024, il profilo del trascrittoma spaziale è stato utilizzato per profilare l'espressione genica globale mantenendo le caratteristiche spaziali in vari tessuti tra cui il cervello25, il tumore26 e il tessuto adiposo27. Le tecnologie possono essere mirate, utilizzando sonde specializzate specifiche per particolari sequenze di RNA attaccate a reagenti di affinità o tag fluorescenti, rilevando così geni selezionati a risoluzione subcellulare 28,29,30,31. Possono anche essere non mirati32,33, in genere utilizzando oligonucleotidi spazialmente codificati per catturare l'RNA, che insieme vengono convertiti in cDNA per la successiva preparazione della libreria seq e quindi hanno il vantaggio di dedurre l'espressione genica dell'intero tessuto in modo imparziale. Tuttavia, la risoluzione spaziale non è attualmente raggiunta a un singolo livello cellulare con tecnologie disponibili in commercio. Ciò può essere superato in una certa misura con l'integrazione dei dati con i dati scRNA-seq, consentendo in definitiva la mappatura del trascrittoma a singola cellula in un contesto tissutale complesso pur mantenendo le sue informazioni spaziali originali34.
Qui, viene descritto un flusso di lavoro per profilare il trascrittoma EC utilizzando l'arteria mesenterica superiore umana, un'arteria periferica che è stata utilizzata per studiare la vasodilatazione, il rimodellamento vascolare, lo stress ossidativo e l'infiammazione 35,36,37. Vengono descritte due tecniche: 1) isolare e arricchire le CE dall'intima dei vasi sanguigni combinando dissociazione meccanica e digestione enzimatica adatte al sequenziamento del trascrittoma monocellulare o alla successiva coltura in vitro; 2) preparare sezioni arteriose per la profilazione del trascrittoma spaziale (Figura 1). Queste due tecniche possono essere eseguite in modo indipendente o complementare per profilare le CE e le cellule circostanti. Inoltre, questo flusso di lavoro può essere adattato per l'uso su qualsiasi arteria media o grande.
Studi sui tessuti umani sono stati condotti su campioni deidentificati ottenuti dal Southern California Islet Cell Resource Center di City of Hope. I consensi di ricerca per l'uso di tessuti umani post mortem sono stati ottenuti dai parenti più prossimi dei donatori e l'approvazione etica per questo studio è stata concessa dall'Institutional Review Board di City of Hope (IRB n. 01046).
1. Dissociazione fisica (tempo stimato: 1-2 h)
2. Preparazione per studi scRNA-seq (tempo stimato: 3-4 h)
3. Profilazione del trascrittoma spaziale (tempo stimato: 3-4 h)
4. Sequenziamento dell'analisi dei dati (tempo stimato: fino a 1 settimana a seconda della familiarità con il software)
NOTA: solo per l'analisi trascrittomica spaziale, andare al passaggio 4.8. I dati scRNA-seq vengono elaborati utilizzando la pipeline standardizzata allineata al trascrittoma di riferimento hg38 umano. Il pacchetto R Seurat (v3.2.2) viene utilizzato per analizzare i dati scRNA-seq seguendo le linee guidapubblicate 40.
L'analisi delle CE dell'arteria mesenterica utilizzando una combinazione di dissociazione meccanica ed enzimatica o crioconservazione per l'uso in vari saggi a valle è descritta qui (Figura 1). Le EC possono essere profilate nelle arterie mesenteriche utilizzando i seguenti passaggi: A) dissociazione meccanica dall'intima accoppiata con la digestione della collagenasi alle cellule di coltura; B) generazione di sospensione monocellulare per scRNA-seq; o C) le sezioni trasversali dell'arteria...
Il flusso di lavoro presentato descrive in dettaglio una serie di tecniche per profilare gli EC da un singolo pezzo di arteria umana con risoluzione a singola cellula e spaziale. Ci sono diversi passaggi critici e fattori limitanti nel protocollo. Una chiave per la profilazione del trascrittoma è la freschezza del tessuto e l'integrità dell'RNA. È importante mantenere i tessuti sul ghiaccio il più possibile prima dell'elaborazione per ridurre al minimo la degradazione dell'RNA. Tipicamente, i tessuti post-mortem veng...
S.Z. è fondatore e membro del consiglio di amministrazione di Genemo, Inc.
Questo lavoro è stato supportato dalle sovvenzioni NIH R01HL108735, R01HL145170, R01HL106089 (a Z.B.C.); DP1DK126138 e DP1HD087990 (a S.Z.); una sovvenzione della Fondazione Ella Fitzgerald e un Progetto della Famiglia Wanek (a Z.B.C.); e una sovvenzione per la rete di semi Human Cell Atlas (a Z.B.C. e S.Z.). La ricerca riportata in questa pubblicazione ha incluso il lavoro svolto nel nucleo di genomica integrativa presso City of Hope supportato dal National Cancer Institute del National Institutes of Health con il numero di premio P30CA033572. Gli autori desiderano ringraziare il Dr. Ismail Al-Abdullah e il Dr. Meirigeng Qi del team di trapianto di isole presso City of Hope per l'isolamento dei tessuti umani, il Dr. Dongqiang Yuan presso City of Hope per la sua assistenza con l'analisi scRNA-seq e il Dr. Marc Halushka presso la Divisione di Patologia Cardiovascolare, Johns Hopkins University School of Medicine per le sue preziose intuizioni sull'istologia vascolare.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.5 mL micro-centrifuge tube | USA Scientific | 1615-5500 | |
10 cm dish | Genesee Scientific | 25-202 | |
23G needles | BD | 305145 | |
2-methylbutane | Thermo Fisher | AC327270010 | |
40 µm strainer | Fisher | 14100150 | |
4200 TapeStation System | Agilent Technologies | G2991BA | |
5 mL tube | Thermo Fisher | 14282300 | |
6-well plate | Greiner Bio-One | 07-000-208 | |
Attachment factor | Cell Applications | 123-500 | Attachment reagent in the protocol |
Black wax | Any commercial black wax can be used | ||
Bovine serum albumin heat shock treated | Fisher | BP1600-100 | |
CaCl2 | Fisher | BP510 | |
Centrifuge | Eppendorf | ||
Chloroform | Fisher | C607 | |
Collagenase D | Roche | 11088866001 | |
Cryostat | Leica | ||
Cryostat brushes | |||
D-Glucose | Fisher | D16-1 | |
Dimethyl sulfoxide | Fisher | MT25950CQC | |
Dispase II | Roche | 4942078001 | Bacteria-derived protease in the protocol |
Disposable Safety Scalpels | Myco Instrumentation | 6008TR-10 | |
D-PBS | Thermo Fisher | 14080055 | |
Ethanol | Fisher | BP2818-4 | |
Fetal bovine serum | Fisher | 10437028 | |
Hemocytometer | Fisher | 267110 | |
HEPES | Sigma Aldrich | H3375-100g | |
High sensitivity D1000 sample buffer | Agilent Technologies | 5067-5603 | |
High sensitivity D1000 screen tape | Agilent Technologies | 5067-5584 | |
Incubator | Kept at 37 °C 5% CO2 | ||
Isopropanol | Fisher | BP26324 | |
KCl | Fisher | P217-3 | |
Liquid nitrogen | |||
Medium 199 | Sigma Aldrich | M2520-10X | |
Metal cannister | |||
Microscope | Leica | To assess cell morphology | |
Microvascular endothelial culture medium | Cell Applications | 111-500 | |
NaCl | Fisher | S271-1 | |
New Brunswick Innova 44/44R Orbital shaker | Eppendorf | ||
Optimal Cutting Temperature compound | Fisher | 4585 | |
Plastic cryomolds | Fisher | 22363553 | |
RNA screen tape | Agilent Technologies | 5067-5576 | |
RNA screen Tape sample buffer | Agilent Technologies | 5067-5577 | |
RNase ZAP | Thermo Fisher | AM9780 | |
RNase-free water | Takara | RR036B | RNase-free water (2) in kit |
Sterile 12" long forceps | F.S.T | 91100-16 | |
Sterile fine forceps | F.S.T | 11050-10 | |
Sterile fine scissors | F.S.T | 14061-11 | |
Superfrost PLUS Gold Slides | Fisher | 1518848 | |
TRIzol reagent | Fisher | 15596018 | |
Trypan Blue | Corning | MT25900CI | |
TrypLE Express Enzyme (1X) phenol red | Thermo Fisher | 12605010 | Cell-dissociation enzyme in the protocol |
Visium Accessory Kit | 10X Genomics | PN-1000215 | |
Visium Gateway Package, 2rxns | 10X Genomics | PN-1000316 | |
Visium Spatial Gene Expression Slide & Reagent Kit, 4 rxns | 10X Genomics | PN-1000184 |
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