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Method Article
O protocolo aqui apresentado permite a identificação e análise de alta dimensão de células-tronco musculares e progenitoras por citometria de massa de célula única e sua purificação por FACS para estudos aprofundados de sua função. Essa abordagem pode ser aplicada para estudar a dinâmica de regeneração em modelos de doenças e testar a eficácia de intervenções farmacológicas.
A regeneração do músculo esquelético é um processo dinâmico impulsionado por células-tronco musculares adultas e sua progênie. Principalmente quiescentes em um estado estacionário, as células-tronco musculares adultas são ativadas após a lesão muscular. Após a ativação, eles proliferam e a maior parte de sua progênie se diferencia para gerar células musculares competentes para fusão, enquanto o restante se auto-renova para reabastecer o pool de células-tronco. Embora a identidade das células-tronco musculares tenha sido definida há mais de uma década, com base na co-expressão de marcadores de superfície celular, os progenitores miogênicos foram identificados apenas recentemente usando abordagens unicelulares de alta dimensão. Aqui, apresentamos um método de citometria de massa de célula única (citometria por tempo de voo [CyTOF]) para analisar células-tronco e células progenitoras na lesão muscular aguda para resolver a dinâmica celular e molecular que se desdobra durante a regeneração muscular. Essa abordagem é baseada na detecção simultânea de novos marcadores de superfície celular e fatores-chave de transcrição miogênica cuja expressão dinâmica permite a identificação de células-tronco ativadas e populações de células progenitoras que representam marcos da miogênese. É importante ressaltar que uma estratégia de classificação baseada na detecção dos marcadores de superfície celular CD9 e CD104 é descrita, permitindo o isolamento prospectivo de células-tronco musculares e células progenitoras usando classificação de células ativadas por fluorescência (FACS) para estudos aprofundados de sua função. As células progenitoras musculares fornecem um elo perdido crítico para estudar o controle do destino das células-tronco musculares, identificar novos alvos terapêuticos para doenças musculares e desenvolver aplicações de terapia celular para medicina regenerativa. A abordagem apresentada aqui pode ser aplicada para estudar células-tronco musculares e progenitoras in vivo em resposta a perturbações, como intervenções farmacológicas direcionadas a vias de sinalização específicas. Também pode ser usado para investigar a dinâmica das células-tronco musculares e progenitoras em modelos animais de doenças musculares, avançando nossa compreensão das doenças com células-tronco e acelerando o desenvolvimento de terapias.
O músculo esquelético constitui o maior tecido em massa do corpo e regula múltiplas funções, da visão à respiração, da postura ao movimento, bem como o metabolismo1. Portanto, manter a integridade e a função do músculo esquelético é fundamental para a saúde. O tecido muscular esquelético, que consiste em feixes compactados de miofibras multinucleadas cercadas por uma complexa rede de nervos e vasos sanguíneos, exibe notável potencial regenerativo 1,2.
Os principais impulsionadores da regeneração do músculo esquelético são as células-tronco musculares adultas (MuSCs). Também conhecidas como células satélites, devido à sua localização anatômica única adjacente à membrana plasmática da miofibra e abaixo da lâmina basal, foram identificadas pela primeira vez em 19613. Os MuSCs expressam um marcador molecular único, o fator de transcrição pareado box 7 (Pax7)4. Principalmente quiescentes em adultos saudáveis, eles são ativados após lesão muscular e proliferam para dar origem a descendentes que (i) se diferenciam em células musculares competentes para fusão que formarão novas miofibras para reparar danos musculares ou (ii) se auto-renovam para reabastecer o pool de células-tronco5.
No nível celular e molecular, o processo de regeneração é bastante dinâmico e envolve transições de estado celular, caracterizadas pela expressão coordenada de fatores-chave de transcrição miogênicos, também conhecidos como fatores reguladores miogênicos (MRFs)6,7. Estudos anteriores de desenvolvimento in vivo, experimentos de rastreamento de linhagem e trabalho de cultura de células usando mioblastos mostraram que a expressão sequencial desses fatores de transcrição impulsiona a miogênese, com o fator miogênico 5 (Myf5) sendo expresso na ativação, a diferenciação miogênica 1 (MyoD1) marcando o compromisso com o programa miogênico e a expressão de miogenina (MyoG) marcando a diferenciação 8,9,10,11, 12,13,14. Apesar desse conhecimento e da descoberta de marcadores de superfície celular para purificar MuSCs, faltam estratégias e ferramentas para identificar e isolar populações discretas ao longo da via de diferenciação miogênica e resolver uma progressão miogênica in vivo 15,16,17,18.
Aqui, apresentamos um novo método, baseado em pesquisas publicadas recentemente, que permite a identificação de células-tronco e progenitoras no músculo esquelético e a análise de sua dinâmica celular, molecular e de proliferação no contexto da lesão muscular aguda19. Essa abordagem se baseia na citometria de massa de célula única (também conhecida como Citometria por Tempo de Voo [CyTOF]) para detectar simultaneamente os principais marcadores de superfície celular (integrina α7, CD9, CD44, CD98 e CD104), fatores de transcrição miogênica intracelular (Pax7, Myf5, MyoD e MyoG) e um análogo de nucleosídeo (5-Iodo-2′-desoxiuridina, IdU), para monitorar células na fase S19,20, 21,22,23. Além disso, o protocolo apresenta uma estratégia baseada na detecção de dois marcadores de superfície celular, CD9 e CD104, para purificar essas populações celulares por classificação celular ativada por fluorescência (FACS), permitindo assim futuros estudos aprofundados de sua função no contexto de lesões e doenças musculares. Embora os mioblastos primários tenham sido amplamente utilizados no passado para estudar os estágios finais da diferenciação miogênica in vitro, não se sabe se eles recapitulam o estado molecular das células progenitoras musculares encontradas in vivo24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30. A produção de mioblastos é trabalhosa e demorada, e o estado molecular dessa cultura primária muda rapidamente após a passagem31. Assim, progenitores miogênicos recém-isolados e purificados com este método fornecerão um sistema mais fisiológico para estudar a miogênese e o efeito de manipulações genéticas ou farmacológicas ex vivo.
O protocolo aqui apresentado pode ser aplicado para abordar uma variedade de questões de pesquisa, por exemplo, para estudar a dinâmica do compartimento miogênico in vivo em modelos animais de doenças musculares, em resposta a manipulações genéticas agudas ou em intervenções farmacológicas, aprofundando assim nossa compreensão da disfunção das células-tronco musculares em diferentes contextos biológicos e facilitando o desenvolvimento de novas intervenções terapêuticas.
Os procedimentos em animais foram aprovados pela inspeção dinamarquesa de experimentos com animais (protocolo # 2022-15-0201-01293) e os experimentos foram realizados em conformidade com as diretrizes institucionais da Universidade de Aarhus. A analgesia (buprenorfina) é fornecida na água potável 24 horas antes da lesão para que os camundongos se adaptem ao sabor. O fornecimento de buprenorfina na água potável é continuado por 24 horas após a lesão. Juntamente com uma injeção subcutânea (s.c.) de buprenorfina no momento da lesão muscular aguda, a buprenorfina na água potável após a injeção de notexina aliviará a dor associada à lesão. Embora seja recomendado administrar uma injeção s.c. de buprenorfina no momento da lesão muscular aguda, seguida de buprenorfina na água de beber, a buprenorfina na água de beber antes da lesão é opcional. No entanto, os pesquisadores devem seguir os padrões e diretrizes de bem-estar animal estabelecidos pela agência reguladora competente.
NOTA: Para experimentos de citometria de massa de célula única (CyTOF) de músculos lesionados dos membros posteriores, comece na seção 1: Analgesia em água 24 h antes da lesão muscular até 24 h após a lesão. Para a classificação do tronco muscular e das células progenitoras de camundongos não lesionados, execute as seções 5 e 6: Eutanásia + Dissecção e dissociação do músculo esquelético e continue na seção 11: Coloração com anticorpos conjugados com fluoróforo para FACS. Uma visão geral da configuração experimental e do protocolo é mostrada na Figura 1.
1. Analgesia em água 24 h antes da lesão muscular até 24 h após a lesão
2. Preparando-se para o procedimento de lesão aguda
NOTA: Use etanol 70% para desinfetar a bancada de trabalho, a configuração do cone do nariz e a caixa de indução.
3. Lesão aguda por injeção de notexina
CUIDADO: A notoxina tem atividade fosfolipase A2 e é o principal componente do veneno da cobra-tigre australiana (Notechis scutatus), com um LD50 intravenoso de 5–17 mg de notoxina / kg em camundongos32,33. No presente protocolo, o músculo tibial anterior (TA) de cada membro posterior é injetado com 10 μL de 5 mg/mL de notexina, e o músculo gastrocnêmio (GA) de cada membro posterior é injetado duas vezes (uma vez em cada cabeça do músculo) com 15 μL de 5 mg/mL de notexina. É importante realizar as injeções intramusculares (i.m.) corretamente para limitar os danos e inspecionar frequentemente os animais injetados para garantir o mínimo de dor.
4. Injeção de 5-Iodo-2'-desoxiuridina
CUIDADO: Suspeita-se que o 5-iodo-2'-desoxiuridina (IdU) cause defeitos genéticos e prejudique a fertilidade ou o feto. Leia a ficha de dados de segurança (SDS) antes de manusear. Equipamento de proteção individual deve ser usado durante o manuseio. Use uma capela ao pesar o pó IdU. Os materiais que estiveram em contato com o IdU devem ser descartados de acordo com os regulamentos de segurança locais.
NOTA: A marcação de IdU in vivo é usada para monitorar a divisão celular durante o curso do tempo de lesão porque o IdU, um análogo da timidina iodada, é incorporado ao DNA das células na fase S. A IdU é injetada por via intraperitoneal (i.p.) a 20 mg/kg de peso corporal 8 h antes do sacrifício do camundongo.
5. Eutanásia
NOTA: Consulte a Tabela 1 para obter receitas de buffer. Prepare o meio de lavagem (mistura de nutrientes F-10 (presunto), soro de cavalo a 10%, 1x caneta / estreptococo) e filtre através de uma membrana de polietersulfona (PES) em um recipiente de poliestireno. Prepare o tampão de dissociação (meio de lavagem suplementado com 650 U / mL de colagenase, tipo II) e mantenha no gelo. As medições de citometria de massa CyTOF são muito sensíveis a contaminantes. Por esse motivo, é essencial usar reagentes do mais alto grau analítico para o processamento de amostras. Para evitar a contaminação por metais, é altamente recomendável usar plásticos estéreis e copos novos que nunca foram lavados com detergente, pois muitos sabões de laboratório contêm altos níveis de bário. Recomenda-se o uso de água duplamente filtrada, destilada e deionizada para a preparação do reagente. A solução salina tamponada com fosfato (PBS) é preparada internamente. Dilua os estoques 10x para 1x e filtre o PBS 1x com filtros de 0,2 μm. Filtre o PBS 1x novamente no início de cada experimento. As ferramentas de dissecação não devem ser limpas com detergente devido à presença de bário.
6. Dissecção e dissociação do músculo esquelético
7. Coloração viva/morta com fixação de cisplatina e paraformaldeído
CUIDADO: A cisplatina e o paraformaldeído (PFA) são cancerígenos. Leia a FISPQ antes de manusear. O paraformaldeído (PFA; 16%) é um irritante para a pele, os olhos e as vias respiratórias. Use equipamento de proteção individual e manuseie essas substâncias sob uma hotte. Durante a fixação das células, a concentração final de PFA será de 1,6%. Medidas de proteção corretas devem ser tomadas e os resíduos devem ser manuseados de acordo com os regulamentos locais.
NOTA: Prepare DMEM sem soro frio (4 ° C) e quente (37 ° C). Prepare o DMEM suplementado com 10% de FBS, filtre através de uma membrana PES em um recipiente de poliestireno e mantenha no gelo. Prepare PBS e meios de coloração celular (CSM; PBS, 0,5% BSA, 0,02% azida de sódio) em um frasco de vidro dedicado a CyTOF e filtre através de uma membrana PES. O CSM pode ser armazenado a 4 °C por até 6 meses.
8. Coloração com anticorpos conjugados com metal
CUIDADO: O metanol (MeOH) é altamente inflamável e corrosivo para o trato respiratório. Leia a FISPQ antes de manusear. Use equipamento de proteção individual e manuseie esta substância sob um exaustor. Manuseie os resíduos de acordo com os regulamentos locais.
NOTA: A lista de anticorpos (Ab) direcionados a marcadores de superfície e marcadores intracelulares pode ser encontrada na Tabela 2.
Conjugação de anticorpos: A maioria dos anticorpos usados neste protocolo foram conjugados internamente porque não estavam disponíveis comercialmente. Protocolos para conjugação metálica de anticorpos foram publicados anteriormente, e os kits de conjugação estão agora disponíveis comercialmente37,38. A imunoglobulina tipo G (IgG) é compatível com os protocolos de conjugação disponíveis. É de grande importância que a formulação de anticorpos usada para conjugação de metais esteja livre de proteínas transportadoras contendo cisteína (por exemplo, albumina de soro bovino (BSA)), que podem afetar a eficiência da conjugação competindo pelos grupos maleimida livres do polímero e podem interferir na quantificação do anticorpo conjugado com metal. O teor de cisteína da gelatina é muito menor do que o da BSA. No entanto, recomenda-se que, se a formulação de anticorpos contiver proteínas transportadoras, essas proteínas sejam removidas antes da conjugação. Agora é possível solicitar anticorpos livres de BSA e gelatina do fabricante. Conservantes de moléculas pequenas (por exemplo, azida sódica, glicerol e trealose) são compatíveis com protocolos de conjugação de metais37,38.
Titulação de anticorpos: Após cada conjugação de metais, os anticorpos devem ser titulados para determinar a concentração ideal de anticorpos que fornece a relação sinal-ruído máxima. Para titulação de anticorpos, execute uma diluição serial dupla de 6 etapas e core ambas as amostras conhecidas por expressar (por exemplo, células musculares, controles positivos) e não (controles negativos) a proteína de interesse 19,21,37,38.
Prepare uma nova solução de trabalho Cell-ID Intercalator-Ir (estoque = 500 μM; solução intercalator-ir) diluindo o estoque a 0,1 μM em PBS / 1,6% PFA.
9. Preparação da amostra para carregamento no citômetro de massa
NOTA: Os pellets de células ficam muito soltos quando em tampão CAS (Tabela de Materiais). Durante as lavagens com tampão CAS, não aspire ao ressecamento. Em vez disso, mantenha um volume residual conforme descrito abaixo.
10. Análise de dados CyTOF
NOTA: Para análise downstream, os arquivos FCS normalizados podem ser analisados localmente ou carregados em soluções de software baseadas em nuvem, como Cytobank, Cell Engine, OMIQ ou FCS Express42.
11. Coloração com anticorpos conjugados com fluoróforo para FACS
NOTA: As células usadas para controles de cor única não corados e controles de fluorescência menos um (FMO) podem se originar do conjunto TA e GA de um mouse extra, se disponível. Alternativamente, o quadríceps (músculo anterior superior da coxa) pode ser dissecado e digerido em uma suspensão de célula única, seguindo o mesmo procedimento do conjunto TA+GA acima e usado para controles. Prepare o tampão FACS (PBS, soro de cabra a 2,5%, EDTA 2 mM), filtre através de uma membrana PES em um recipiente de poliestireno e mantenha no gelo. O buffer FACS pode ser armazenado a 4 °C por até 1 mês. Uma lista de anticorpos usados para FACS pode ser encontrada na Tabela 3.
Aqui, apresentamos uma visão geral da configuração experimental para usar essa abordagem combinada, que inclui (i) análise CyTOF de alta dimensão de um curso de tempo de lesão aguda por injeção de notexina para estudar a dinâmica celular e molecular de células-tronco e progenitoras no músculo esquelético (Figura 1, esquema superior); e (ii) FACS de células-tronco e progenitoras usando dois marcadores de superfície celular, CD9 e CD104, para iso...
A regeneração do músculo esquelético é um processo dinâmico que depende da função das células-tronco adultas. Embora estudos anteriores tenham se concentrado no papel das células-tronco musculares durante a regeneração, sua progênie in vivo foi pouco estudada, principalmente devido à falta de ferramentas para identificar e isolar essas populações de células 15,16,17,18....
Os autores declaram não haver conflito de interesses.
Agradecemos aos membros do FACS Core Facility no Departamento de Biomedicina da Universidade de Aarhus pelo apoio técnico. Agradecemos a Alexander Schmitz, gerente da Unidade de Citometria de Massa do Departamento de Biomedicina, pela discussão e apoio. Ilustrações científicas foram criadas usando Biorender.com. Este trabalho foi financiado por uma bolsa inicial da Aarhus Universitets Forskningsfond (AUFF) e uma bolsa do pacote inicial (0071113) da Fundação Novo Nordisk para a EP
Name | Company | Catalog Number | Comments |
15 mL centrifuge tube | Fisher Scientific | 07-200-886 | |
20 G needle | KDM | KD-fine 900123 | |
28 G, 0.5 mL insulin syringe | BD | 329461 | |
29 G, 0.3 mL insulin syringe | BD | 324702 | |
3 mL syringes | Terumo medical | MDSS03SE | |
40 µm cell strainers | Fisher Scientific | 11587522 | |
5 mL polypropylene tubes | Fisher Scientific | 352002 | |
5 mL polystyrene test tubes with 35 µm cell strainer | Falcon | 352235 | |
5 mL syringes | Terumo medical | SS05LE1 | |
50 mL centrifuge tube | Fisher Scientific | 05-539-13 | |
5-Iodo-2-deoxyuridine (IdU) | Merck | I7125-5g | |
anti-CD104 FITC (clone: 346-11A) | Biolegend | 123605 | Stock = 0.5 mg/mL |
anti-CD11b APC-Cy7 (Clone: M1/70) | Biolegend | 101226 | Stock = 0.2 mg/mL |
anti-CD31 APC-Cy7 (clone: 390) | Biolegend | 102440 | Stock = 0.2 mg/mL |
anti-CD45 APC-Cy7 (Clone: 30-F11) | Biolegend | 103116 | Stock = 0.2 mg/mL |
anti-CD9 APC (clone: KMC8) | ThermoFisher Scientific | 17-0091-82 | Stock = 0.2 mg/mL |
anti-Sca1 (Ly6A/E) APC-Cy7 (clone: D7) | Biolegend | 108126 | Stock = 0.2 mg/mL |
anti-α7 integrin PE (clone: R2F2)) | UBC AbLab | 67-0010-05 | Stock = 1 mg/mL |
BD FACS Aria III (4 laser) instrument | BD Biosciences | N/A | 405, 488, 561, and 633 nm laser |
Bovine Serum Albumin | Sigma Aldrich | A7030-50G | |
Buprenorphine 0.3 mg/mL | Ceva | Vnr 054594 | |
CD104 (Clone: 346-11A) | BD Biosciences | 553745 | Dy162; In-house conjugated |
CD106/VCAM-1 (Clone: 429 MVCAM.A) | Biolegend | 105701 | Er170; In-house conjugated |
CD11b (Clone: M1/70) | BD Biosciences | 553308 | Nd148; In-house conjugated |
CD29/Integrin β1 (Clone: 9EG7) | BD Biosciences | 553715 | Tm169; In-house conjugated |
CD31 (Clone: MEC 13.3) | BD Biosciences | 557355 | Sm154; In-house conjugated |
CD34 (Clone: RAM34) | BD Biosciences | 551387 | Lu175; In-house conjugated |
CD44 (Clone: IM7) | BD Biosciences | 550538 | Yb171; In-house conjugated |
CD45 (Clone: MEC 30-F11) | BD Biosciences | 550539 | Sm147; In-house conjugated |
CD9 (Clone: KMC8) | Thermo Fisher Scientific | 14-0091-85 | Yb174; In-house conjugated |
CD90.2/Thy1.2 (Clone: 30-H12) | BD Biosciences | 553009 | Nd144; In-house conjugated |
CD98 (Clone: H202-141) | BD Biosciences | 557479 | Pr141; In-house conjugated |
Cell Acquisition Solution/Maxpar CAS-buffer | Standard Biotools | 201240 | |
Cell-ID Intercalator-Iridium | Standard Biotools | 201192B | cationic nucleic acid intercalator |
Cisplatin | Merck | P4394 | Pt195 |
Cisplatin (cis-Diammineplatinum(II) dichloride) | Merck | P4394 | |
Clear 1.5 mL tube | Fisher Scientific | 11926955 | |
Collagenase, Type II | Worthington Biochemical Corporation | LS004177 | |
Counting chamber | Merck | BR718620-1EA | |
CXCR4/SDF1 (Clone: 2B11/CXCR4 ) | BD Biosciences | 551852 | Gd158; In-house conjugated |
DAPI (1 mg/mL) | BD Biosciences | 564907 | |
Dark 1.5 mL tube | Fisher Scientific | 15386548 | |
Dispase II | Thermo Fisher Scientific | 17105041 | |
Dissection Scissors | Fine Science Tools | 14568-09 | |
DMEM (low glucose, with pyruvate) | Thermo Fisher Scientific | 11885-092 | |
EDTA (Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt) | Merck | E5134 | Na2EDTA-2H20 |
EQ Four Element Calibration Beads (EQ beads) | Standard Biotools | 201078 | Calibration beads |
Fetal Bovine Serum, qualified, Brazil origin | Thermo Fisher Scientific | 10270106 | |
Forceps Dumont #5SF | Fine Science Tools | 11252-00 | |
Forceps Dumont #7 | Hounisen.com | 1606.3350 | |
Goat serum | Thermo Fisher Scientific | 16210-072 | |
Helios CyTOF system | Standard Biotools | N/A | |
Horse Serum, heat inactivated, New Zealand origin | Thermo Fisher Scientific | 26-050-088 | |
IdU | Merck | I7125 | I127 |
Iridium-Intercalator | Standard Biotools | 201240 | Ir191/193 |
Isoflurane/Attane Vet | ScanVet | Vnr 055226 | |
Methanol | Fisher Scientific | M/3900/17 | |
Myf5 (Clone: C-20) | Santa Cruz Biotechnology | Sc-302 | Yb173; In-house conjugated |
MyoD (Clone: 5.8A) | BD Biosciences | 554130 | Dy164; In-house conjugated |
MyoG (Clone: F5D) | BD Biosciences | 556358 | Gd160; In-house conjugated |
Nalgene Rapid-Flow Sterile Disposable Bottle Top 0.20 μM PES Filters | Thermo Fisher Scientific | 595-4520 | |
Notexin | Latoxan | L8104 | Resuspend to 50 µg/ml in sterile PBS. Keep stocks (e.g. 50 µl) at -20 °C |
Nutrient mixture F-10 (Ham's) | Thermo Fisher Scientific | 31550031 | |
pAkt (Clone: D9E) | Standard Biotools | 3152005A | Sm152 |
Pax7 (Clone: PAX7) | Santa Cruz Biotechnology | Sc-81648 | Eu153; In-house conjugated |
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) (Pen/Strep) | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | |
PES Filter Units 0.20 μM | Fisher Scientific | 15913307 | |
PES Syringe Filter | Fisher Scientific | 15206869 | |
Petri dish | Sarstedt | 82.1472.001 | |
PFA 16% EM grade | MP Biomedicals | 219998320 | |
Potassium chloride (KCl) | Fisher Scientific | 10375810 | |
Potassium phosphate, monobasic, anhydrous (KH2PO4) | Fisher Scientific | 10573181 | |
pRb (Clone: J112-906) | Standard Biotools | 3166011A | Er166 |
pS6 kinase (Clone: N7-548) | Standard Biotools | 3172008A | Yb172 |
Sca-1 (Clone: E13-161.7) | BD Biosciences | 553333 | Nd142; In-house conjugated |
Sodium Azide | Sigma Aldrich | S2002 | |
Sodium chloride (NaCl) | Fisher Scientific | 10553515 | |
Sodium phosphate, dibasic, heptahydrate (Na2HPO4-6H2O) | Merck | S9390 | |
Sterile saline solution 0.9% | Fresenius | B306414/02 | |
α7 integrin (Clone: 3C12) | MBL international | K0046-3 | Ho165; In-house conjugated |
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