Этот протокол описывает метод выделения фибро-адипогенных предшественников (FAP) и миогенных предшественников (MP) из скелетных мышц крыс. Использование крысы в моделях мышечных травм обеспечивает повышенную доступность тканей из атрофических мышц для анализа и более широкий репертуар проверенных методов для оценки мышечной силы и походки у свободно движущихся животных.
Фибро-адипогенные предшественники (FAP) являются резидентными интерстициальными клетками в скелетных мышцах, которые вместе с миогенными предшественниками (MP) играют ключевую роль в гомеостазе мышц, травмах и восстановлении. Современные протоколы идентификации и изоляции FAP используют проточную цитометрию / флуоресцентно-активированную сортировку клеток (FACS), а исследования, оценивающие их функцию in vivo, на сегодняшний день были проведены исключительно на мышах. Больший размер, присущий крысе, позволяет проводить более полный анализ FAP в моделях травм скелетных мышц, особенно в сильно атрофированных мышцах или когда исследователям требуется значительная масса тканей для проведения нескольких анализов вниз по течению. Крыса дополнительно предоставляет больший выбор мышечных функциональных анализов, которые не требуют седации или жертвоприношения животных, тем самым сводя к минимуму заболеваемость и использование животными, позволяя проводить серийные оценки. Протоколы проточной цитометрии / FACS, оптимизированные для мышей, являются видоспецифичными, в частности, ограниченными характеристиками коммерчески доступных антител. Они не были оптимизированы для отделения ФАПов от крыс или сильно фиброзных мышц. Был разработан протокол проточной цитометрии /FACS для идентификации и изоляции FAP и MPs как из здоровых, так и из денервированных скелетных мышц крыс, основанный на дифференциальной экспрессии поверхностных маркеров CD31, CD45, Sca-1 и VCAM-1. Поскольку специфические для крыс первичные антитела, подтвержденные проточной цитометрией, сильно ограничены, была выполнена внутренняя конъюгация антитела, нацеленного на Sca-1. С помощью этого протокола была подтверждена успешная конъюгация Sca-1, а проточная цитометрическая идентификация FAP и MP была подтверждена клеточной культурой и иммуноокрашиванием FACS-изолированных FAP и MP. Наконец, мы сообщаем о новом временном курсе FAPs в пролонгированной (14 недель) модели денервации крыс. Этот метод предоставляет исследователям возможность изучать FAP в новой модели животных.
Фибро-адипогенные клетки-предшественники (FAP) представляют собой популяцию резидентных мультипотентных клеток-предшественников в скелетных мышцах, которые играют решающую роль в гомеостазе мышц, восстановлении и регенерации и, наоборот, также опосредуют патологические реакции на повреждение мышц. Как следует из названия, FAP были первоначально идентифицированы как популяция-прародитель с потенциалом дифференцироваться в фибробласты и адипоциты1 и претендовали на то, чтобы быть ключевыми медиаторами фиброзно-жировой инфильтрации скелетных мышц при хронических травмах и заболеваниях. Дальнейшие исследования показали, что ФАП дополнительно способны к остеогенезу и хондрогенезу2,3,4. Таким образом, они более широко обозначены в литературе как мезенхимальные или стромальные прародители3,5,6,7,8. При остром повреждении скелетных мышц ФАП косвенно помогают в регенеративном миогенезе, временно размножаясь, чтобы обеспечить благоприятную среду для активированных мышечных клеток-сателлитов и их последующих миогенных предшественников(МП) 1,9,10. Параллельно с успешной регенерацией ФАП подвергаются апоптозу, возвращая их количество к исходным уровням1,9,10,11. Напротив, при хронической мышечной травме ФАП перекрывают проапоптотические сигналы, что приводит к их стойкости9,10,11 и аномальному восстановлению мышц.
В исследованиях in vivo, оценивающих клеточные и молекулярные механизмы, с помощью которых FAP опосредуют мышечные реакции, использовались мышиные животные модели на сегодняшний день1,7,9,10,11, 12,13,14. В то время как генетически модифицированные мыши являются мощными инструментами для использования в этих анализах, небольшой размер животного ограничивает доступность тканей для изучения в долгосрочных локализованных моделях травм, где атрофия мышц может быть глубокой, такой как травматическая денервация. Кроме того, измерение мышечной силы и физической функции требует измерений ex vivo или in situ, которые требуют прекращения работы мыши, или методов in vivo, которые требуют хирургического вмешательства и/ или общей анестезии для оценки сократительной производительности мышц15,16,17,18,19,20 . У крыс существуют хорошо проверенные и глобально используемые мышечные функциональные анализы, в дополнение к анализу более сложного двигательного поведения, такого как анализ походки (например, индекс седалищной функции, анализ подиума), которые выполняются у бодрствующих и спонтанно движущихся животных21,22,23,24 . Это дополнительно оптимизирует принципы минимальной заболеваемости в экспериментах на животных и количество используемых исследовательских животных. Таким образом, крыса предоставляет исследователю FAPs дополнительную гибкость большего поврежденного мышечного объема для белкового и клеточного анализа и возможность проводить серийные оценки статической и динамической функциональной активности и поведения мышечного комплекса у бдительного животного.
FAP в основном были идентифицированы и выделены из целых мышечных образцов с использованием проточной цитометрии и флуоресцентно-активированной сортировки клеток (FACS) соответственно. Это лазерные анализы, которые способны идентифицировать несколько специфических клеточных популяций на основе характерных признаков, таких как размер, гранулярность и конкретная комбинация клеточной поверхности или внутриклеточных маркеров25. Это очень выгодно при изучении системы органов, такой как скелетные мышцы, поскольку гомеостаз и регенерация являются сложными, многофакторными процессами, координируемыми множеством типов клеток. Основополагающее исследование идентифицировало FAP, а также MP, используя методы проточной цитометрии в скелетных мышцах мышей1. Они продемонстрировали, что FAP являются мезенхимальными по своей природе, поскольку в них отсутствовали поверхностные антигены, специфичные для клеток эндотелиального (CD31), кроветворного (CD45) или миогенного (Integrin-α7 [ITGA7]) происхождения, но экспрессировали маркер мезенхимальных стволовых клеток Sca-1 (Stem cell antigen 1)1 и дифференцировали в фиброгенные и адипогенные клетки в культуре. Другие исследования продемонстрировали успешную изоляцию мезенхимальных предшественников в мышцах на основе экспрессии альтернативного маркера стволовых клеток, рецептора фактора роста тромбоцитов альфа (PDGFRα)2,7,8, и дальнейший анализпоказал,что они, вероятно, являются той же клеточной популяцией, что и FAPs3. ФАП в настоящее время обычно идентифицируются в проточной цитометрии с использованием Sca-1 или PDGFRα в качестве положительного маркера отбора1,9,10,11, 12,13,14,26,27,28,29,30,31 . Однако использование PDGFRα является предпочтительным для тканей человека, поскольку прямой человеческий гомолог мышиного Sca-1 еще не идентифицирован32. Кроме того, сообщалось о других белках клеточной поверхности в качестве маркеров МП (например, VCAM-1), обеспечивая потенциальную альтернативу ITGA7 в качестве индикатора клеток миогенной линии во время выделения FAPs33.
Хотя проточная цитометрия/FACS является мощной методологией изучения роли и патогенного потенциала ФАП в скелетных мышцах1,9,10,11, 13,29,она технически ограничена специфичностью и оптимизацией необходимых ей реагентов. Поскольку проточная цитометрическая идентификация и выделение FAP были разработаны и проведены на мышиных животных моделях1,9,10,11,29,это создает проблемы для исследователей, которые хотят изучать FAP в других модельных организмах. Многие факторы, такие как оптимальный размер обрабатываемой ткани, а также специфичность и доступность реагентов и/или антител, различаются в зависимости от используемого вида.
В дополнение к техническим барьерам для изучения ФАП на новой модели животных, они в значительной степени изучались в острых, токсичных условиях – обычно с помощью внутримышечной химической инъекции или кардиотоксина. Оценка долгосрочной динамики ФАП ограничивается главным образом оценкой мышечной дистрофии Дюшенна с использованием mdx мышиноймодели9,10, 11и моделей комбинированной мышечной травмы, такой как массивный разрыв вращательной манжеты, где одновременная трансекция сухожилия и денервация выполняются на мускулатуре плеча26,27,28 . Реакция ФАПов на единственное оскорбление хронической травматической денервацией, распространенной при несчастных случаях на производстве в тяжелой промышленности, сельском хозяйстве и при родовых травмах (травма плечевого сплетения)34,35,36,37 со значительной заболеваемостью, не была так хорошо охарактеризована, часто ограничена краткосрочными временными рамками11,38.
Мы описываем метод выявления и изоляции ФАПов и депутатов от здоровых, а также сильно атрофических и фиброзных скелетных мышц у крыс. Во-первых, продемонстрирована идентификация CD31-/CD45-/Sca-1+/VCAM-1-FAPs и CD31-/CD45-/Sca-1-/VCAM-1+ MPs с использованием протокола окрашивания тканевой сбраживания и проточной цитометрии, а последующая валидация наших результатов осуществляется с помощью культуры и иммуноцитохимического окрашивания клеток, выделенных FACS. Используя этот метод, мы также сообщаем о новом временном курсе FAPs в долгосрочной изолированной модели травмы денервации у крыс.
Оптимизированный, проверенный протокол изоляции FAPs для мышц крыс имеет важное значение для исследователей, которые хотят изучить модели травм, которые неосуществимы у мыши по биологическим или техническим причинам. Например, мыши не являются оптимальной животной моделью для изучения…
The authors have nothing to disclose.
Мы хотели бы поблагодарить Основные объекты проточной цитометрии в Университете Оттавы и Исследовательский центр биомедицинских наук Кинана (KRC), больницу Сент-Майклс Юнити Хелс Торонто за их опыт и руководство по оптимизации протокола проточной цитометрии / FACS, представленного в этой рукописи. Эта работа была профинансирована Фондом «Медицина от дизайна новых идей 2018» (MbDNI-2018-01) для JB.
5 mL Polypropylene Round-Bottom Tube | Falcon | 352063 | |
5 mL Polystyrene Round-Bottom Tube with Cell-Strainer Cap | Falcon | 352235 | |
10 cm cell culture dishes | Sarstedt | 83.3902 | |
12-well cell culture plate | ThermoFisher | 130185 | |
12 mm glass coverslips, No.2 | VWR | 89015-724 | |
10 mL Syringe | Beckton Dickenson | 302995 | |
15 mL centrifuge tubes | FroggaBio | 91014 | |
20 gauge needle | Beckton Dickenson | 305176 | |
25mL Serological pipette | Sarstedt | 86.1685.001 | |
40µm cell strainer | Fisher Scientific | 22363547 | |
50mL centrifuge tubes | FroggaBio | TB50 | |
AbC Total Antibody Compensation Beads | ThermoFisher | A10497 | |
Ammonium Chloride, Reagent Grade | Bioshop | AMC303.500 | |
APC Conjugation Kit, 50-100µg | Biotium | 92307 | |
Aquatex Aqueous Mounting Medium | Merck | 108562 | |
Biolaminin 411 LN | Biolamina | LN411 | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Bioshop | ALB001 | |
Calcium Chloride | Bioshop | CCL444.500 | |
Collagenase Type II | Gibco | 17101015 | |
CountBright Plus Absolute Counting Beads | ThermoFisher | C36995 | |
Dexamethasone | Millipore Sigma | D4902 | |
Dispase | Gibco | 17105041 | |
Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM) (1X) | Gibco | 11995-065 | (+)4.5 g/L D-Glucose (+)L-Glutamine (+)110 mg/L Sodium Pyruvate |
EDTA | FisherScientific | S311 | |
FACSClean Solution | Beckton Dickenson | 340345 | |
FACSDiva Software | Beckton Dickenson | — | |
FACSRinse Solution | Beckton Dickenson | 340346 | |
Fetal Bovine Serum | Sigma | F1051 | |
Flow Cytometry Sheath Fluid | Beckton Dickenson | 342003 | |
FlowJo Software | Beckton Dickenson | — | |
Fluorescent Mounting Medium | Dako | S302380-2 | |
Goat anti-mouse Alexa Fluor 555 secondary antibody | Invitrogen | A21424 | |
Goat anti-rabbit Alexa Fluor 488 secondary antibody | Invitrogen | A11008 | |
Goat anti-rabbit Alexa Fluor 555 secondary antibody | Invitrogen | A21429 | |
Goat Serum | Gibco | 16210-064 | |
Ham's F10 Media | ThermoFisher | 11550043 | (+) Phenol Red (+) L-Glutamine (-) HEPES |
Hank’s Balanced Salt Solution (HBSS) (1X) | Multicell | 311-513-CL | |
Heat Inactivated Horse Serum | Gibco | 26050-088 | |
Hemocytometer | Reichert | N/A | |
HEPES, minimum 99.5% titration | Sigma | H3375 | |
Horse Serum | ThermoFisher | 16050130 | |
Human Transforming Growth Factor β1 (hTGF-β1) | Cell Signaling | 8915LF | |
Humulin R | Lilly | HI0210 | |
IBMX | Millipore Sigma | I5879 | Also known as 3-Isobutyl-1-methylxanthine |
Isopropanol | Sigma | I9516 | Also known as 2-propanol |
Lewis Rat, Female | Charles River Kingston | 004 (Strain Code) | 200-250 grams used |
LSRFortessa X-20 Benchtop Cytometer | Beckton Dickenson | — | |
Microcentrifuge | Eppendorf | EP-5417R | |
MoFlo XDP Cell Sorter | Beckman Coulter | — | |
Mouse Anti-CD31::FITC Antibody | Abcam | ab33858 | Clone TLD-3A12 |
Mouse Anti-CD45::FITC Antibody | Biolegend | 202205 | Clone OX-1 |
Mouse Anti-CD106::PE Antibody | Biolegend | 200403 | Also known as VCAM-1 |
Mouse Anti-MHC Antibody | Developmental Studies Hybridoma Bank (DSHB) | N/A | Also known as MF20 |
Mouse Anti-Pax7 Antibody | Developmental Studies Hybridoma Bank (DSHB) | N/A | |
Neutral Buffered Formalin, 10 % | Sigma | HT501128 | |
Oil Red O | Millipore Sigma | O0625 | |
PE-Cy7 Conjugation Kit | Abcam | ab102903 | |
Penicillin-Streptomycin | Sigma | P4333 | |
Phosphate Buffered Saline, pH 7.4 (1X) | Gibco | 10010-023 | (-)Calcium Chloride (-)Magnesium Chloride |
Potassium Bicarbonate, Reagent Grade | Bioshop | PBC401.250 | |
Rabbit Anti-Fibroblast Specific Protein 1 (FSP-1) Antibody | Invitrogen | MA5-32347 | FSP-1 also known as S100A4 |
Rabbit Anti-Integrin-a7 Antibody | Abcam | ab203254 | |
Rabbit Anti-Laminin Antibody | Sigma | L9393 | |
Rabbit Anti-Perilipin-1 Antibody | Abcam | ab3526 | |
Rabbit Anti-Sca-1 Antibody | Millipore Sigma | AB4336 | |
Rabbit Recombinant Anti-Collagen Type I Antibody | Abcam | ab260043 | Also known as Col1a1 |
Rabbit Recombinant Anti-PDGFR Alpha Antibody | Abcam | ab203491 | |
Recombinant Human FGF-basic | Gibco | PHG0266 | |
Sodium Azide | Sigma | S2002 | |
Triton-X-100 | Fisher Scientific | BP151 | |
Troglitazone | Millipore Sigma | T2573 | |
Tween-20 | Bioshop | TWN510 |