We provide a detailed description of a protocol for flow cytometric analysis of surface antigens and/or intracellular antigens in neural cell types. Critical aspects of experimental planning, step-by-step methodological procedures, and fundamental principles of flow cytometry are explained in order to enable neurobiologists to exploit this powerful technology.
Flow cytometry has been extensively used to define cell populations in immunology, hematology and oncology. Here, we provide a detailed description of protocols for flow cytometric analysis of the cluster of differentiation (CD) surface antigens and intracellular antigens in neural cell types. Our step-by-step description of the methodological procedures include: the harvesting of neural in vitro cultures, an optional carboxyfluorescein succinimidyl ester (CFSE)-labeling step, followed by surface antigen staining with conjugated CD antibodies (e.g., CD24, CD54), and subsequent intracellar antigen detection via primary/secondary antibodies or fluorescently labeled Fab fragments (Zenon labeling). The video demonstrates the most critical steps. Moreover, principles of experimental planning, the inclusion of critical controls, and fundamentals of flow cytometric analysis (identification of target population and exclusion of debris; gating strategy; compensation for spectral overlap) are briefly explained in order to enable neurobiologists with limited prior knowledge or specific training in flow cytometry to assess its utility and to better exploit this powerful methodology.
Flowcytometri er blevet grundigt udnyttet i immunologi, hæmatologi og onkologi at definere cellepopulationer via iboende scatter egenskaber, celleoverfladeantigen ekspression og andre fluorescensparametre 1-3. Vores indsigt i slægt udvikling og sygdom er et resultat at en betydelig grad af den kontinuerlige forfining af denne metode efter dens oprindelige 4,5 gennemførelse. Øget bevidsthed om den kvantitative og den samlede analytiske potentiale flowcytometri nylig tilskyndet sin mere udbredt anvendelse i stamcelleforskning og kan gøre det muligt på samme måde dybe fremskridt i en kortere tidsramme 6. Imidlertid har anvendelsen af flowcytometri til specifikt at analysere og isolere neurale populationer længe været opfattet som udfordrende. I modsætning til hæmatopoietiske celler, som naturligt findes i suspension, er neurale celletyper typisk høstet fra overdrevent komplekse kilder, der kan omfatte glia og forskellige other omkringliggende celler samt et indviklet netværk af proces-bærende neuroner. Følgelig har neurobiologi endnu at gennemføre alsidighed flowcytometri til dets fuldstændige potentiale i daglige forskning rutiner. Men så længe som en levedygtig enkelt cellesuspension kan genereres (og protokoller er blevet udviklet og optimeret til dette formål 7), flowcytometri og fluorescens-aktiveret cellesortering (FACS) kan betragtes som et værdifuldt element i den analytiske repertoire i neurobiologi 8-11.
. Figur 1. Princippet om flowcytometrisk analyse og komponenter i et flowcytometer flowcytometre omfatter tre vigtigste systemer: fluidik, optik og elektronik. En strømlinet flow af celler i suspension (fremstillet ud fra primært væv eller in vitro kultur) opnås ved hylsteret bomuld, lid via hydrodynamisk fokusering, begrænser prøven til dens centrum kerne. De optiske dele er sammensat af lasere, der belyser strømmen af celler og optiske filtre, der dirigerer signalet til passende detektorer. De lyssignaler detekteres konverteres til elektroniske signaler, derefter behandles af en computer og visualiseret på en skærm til dataanalyse og gating. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Brugere af flowcytometriske metoder profit fra mindst en grundlæggende forståelse af de underliggende fundamentale, herunder en cytometer byggesten (til gennemgang se 12,13; se også figur 1). En laserstråle skærer med en hydrodynamisk fokuseret strømningsteknisk strøm, der indeholder de celler i suspension, som igen passerer gennem laserstrålen i "enkelt fil« ene efter den anden. Den interceptipå en celle (eller en anden partikel, for den sags skyld) med laseren resulterer i spredning af lys fra denne forespørgsel punkt. Spredt lys kan detekteres i forlængelse af laser retning (forward scatter forbundet med størrelsen af partiklen), samt vinkelret på dens retning (side scatter, afspejler granulosity af partiklen / celle). Disse førnævnte scatter egenskaber ikke kræver specifik mærkning, hvilket er grunden til en umærket prøve (eller også celleaffald, luftbobler, etc.) vil generere et signal (begivenhed) på bivariate forward scatter versus side scatter plot almindeligvis anvendes til indledende gating. Ved anvendelse af de passende lasere og filtre specifikke for den tilsvarende excitations- og emissionsspektre, kan en celle analyseres for positivitet, lysstyrkeniveau, eller fravær af fluorescerende markører. Størstedelen af flowcytometrisk ansøgninger har fokuseret på karakterisering via celleoverfladeantigener. I modsætning til den hæmatopoietiske lineage har neurale afstamning forblevet mindre udstrækning defineret i henhold til overfladen epitop ekspressionsmønstre 5. En fordel ved at udnytte overfladeantigener er, at levende celler kan underkastes cellesortering paradigmer såsom FACS. I modsætning hertil intracellulær antigenfarvning kræver fiksering og permeabilisering skridt til at mediere epitop-antistof-interaktion, er til hinder for efterfølgende anvendelser, der kræver levedygtige celler. Notatet, stadig Herved vil for mange kvantitative analyser 14 og downstream analyser for RNA og protein-ekspression 15. Hæmatologi, immunologi og onkologi har ofte brugt mere end et dusin markører sammen for at definere bestemte subpopulationer 16. Derudover kan masse cytometri eller CyTOF nu bruges til at analysere op til 30 parametre samtidigt 17,18.
For neurale stamceller applikationer samt primære kulturer 14,19,20 heterogenitet celler ivitro er et almindeligt fænomen 21-23. Cellerne ikke repræsenterer målgruppen af interesse indebærer en potentielt forstyrrende element for eksperimentel udlæsning 24,25. Bekvemt, de forskellige cellulære delmængder stede i en heterogen cellesuspension bære forskellige (kendte eller endnu tydes) antigenekspression profiler, som kan anvendes til at definere de forskellige befolkningsgrupper. Flowcytometri kan derfor spille en afgørende rolle i løsningen af cellulær heterogenitet og dermed lette biomedicinske anvendelser (in vitro-assays, celleterapi) og optimere kvantitativ udlæsning ved at fokusere på de mest relevante delmængde 24,26. Forskellige overflade antigen kombinationer er blevet identificeret i løbet af de sidste par år for at tillade kvantificering og isolering af specifikke neurale celletyper. Dette omfatter CD133 til berigelse af neurale stamceller 27, en kombination af CD15 / CD24 / CD29 overfladeantigener til isolering af NSC, differentieringTed neuron og neurale crest celler 28 eller CD15 / CD24 / CD44 / CD184 / CD271 at isolere neurale og gliale delmængder 25, blandt andre signaturer 29,30. Beyond neuroner, gliale markører indbefatter A2B5 31, CD44 25. NG2 32 og GLAST 33. En nylig publikation har udnyttet midthjernen gulvpladen forløber markør CORIN 34,35 at berige for dopaminerge prækursorer i Parkinson-celle transplantation paradigmer 36. CD-molekyler er ikke kun markører, men funktionelt relevante mediatorer af celle-celle-interaktioner og i en celles evne til at reagere på signaler fra ekstracellulære matrixmolekyler og vækstfaktorer 37. En strategi om yderligere at styrke det arsenal af kombinatoriske CD-antigener til at karakterisere neurale afstamning udvikling er at bruge kendte intracellulære markører til at screene for og definere CD antigen kombinationer for en bestemt celletype af interesse. Vi har for nylig udnyttet en sådan tilgang og identificeret CD49f – / CD200 høje kombinatoriske udtryk mønstre som en ny tilgang til berigelse af neuronale delmængder fra neuralt differentierede induceret pluripotente stamceller dyrkningssystemer 38. Her inkluderer vi og diskuterer sidstnævnte protokol (og valgfrie variationer deraf), hvor overfladen farvning og intracellulær farvning kan anvendes samtidig til at definere neurale celle subpopulationer ved flowcytometri.
Figur 2. Blokdiagram over forsøgsprotokol muligheder. Figuren viser en skematisk gengivelse af de vigtigste trin i protokollen. Valgfri trin (CFSE farvestof eller intracellulære antigen mærkning) er angivet med lysegrå bokse. Efter høstning, er det vigtigt at vurdere levedygtigheden og celleantal af neurale cellesuspensioner før celleoverfladefarvning. Positive somsåvel som negative kontroller bør indgå i tillæg til de prøver af interesse. Prøverne kan analyseres ved flowcytometrisk analyse og / eller anvendes i celle sortering paradigmer. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Mens vi tidligere har brugt primære antistof i kombination med sekundært antistof til intracellulær farvning 38 vi nu indføre ikke-kovalent mærkning af det primære antistof via fluorescerende Fab-fragmenter (Zenon mærkning) som en lille variation, hvorved trinnene cellemanipulationsniveauet 39. Som et yderligere eksempel på protokollens alsidighed, vi ansætter en valgfri mærkning af en eksperimentel delmængde ved carboxyfluorescein succinimidylester (CFSE) før overflade antigen farvning. Sådanne CFSE pre-mærkning muliggør umiddelbar direkte sammenligning af to cellelinier eller eksperimentelle betingelser (CFSE-mærket vs. umærket) inden for en enkelt prøve rør, reducere variansen eller subtile forskelle i inkubationstid og spare antistof. CFSE er en etableret fluorescerende farvestof, der er almindeligt anvendt til cellesporing 40, i proliferation 41,42 og stregkodesystem eksperimenter 43,44. Endelig mens de faktiske sorterings- trin (FACS, immunomagnetisk celle separation eller immunopanning) er ikke en del af denne protokol, i princippet de høst- og mærkningsprocedurer her beskrevne gøre udbytte prøver, der kan udsættes til overfladen antigen eller intracellulære mærkning baseret sortering applikationer 15 25,28.
Med denne artikel, tilstræber vi at: sammenfatte en levedygtig overfladeantigen farvningsprotokol 25,28, opsummere en protokol til påvisning af intracellulære mål samt kombineret overflade og intracellulære antigen analyse 38, præsentere en intracellulær CFSE farvestof etikettering trin 41,45 som en eksperimentel mulighed for comkomparativ analyse af neurale cellepopulationer, og opsummere tilgange til flowcytometrisk analyse (passende kontrol 13,46, gating strategi og datapræsentation 47).
Protokollen præsenteres her er veletableret for neurale cellekulturer afledt fra humane stamceller, men kan også anvendes til andre neurale celle kilder, herunder primært væv eller neurale cellelinier. Ud over embryonale kilder, kan neurale stam- eller progenitorceller ekstraheres fra den neurogene områder af voksne hjerne 27. Desuden flowcytometri og FACS kan udnyttes til at kvantificere, analysere og isolere forskellige cellepopulationer, herunder modne neuroner 54, astroglia 33, …
The authors have nothing to disclose.
Our research program is funded through the Emmy Noether-Program of the German Research Foundation (DFG), grant PR1132/3-1. Further support by the Müller-Fahnenberg Foundation of the University of Freiburg is gratefully acknowledged. This study was supported in part by the Excellence Initiative of the German Research Foundation (GSC-4, Spemann Graduate School).
DMEM/F12 (1:1) (Dulbecco's Modified Eagle Medium/Nutrient Mixture F-12) | Life Technologies | 11330057 | www.lifetechnologies.com | |
DPBS without Ca2+ Mg2+ | Life Technologies | 14190169 | www.lifetechnologies.com | |
Fetal bovine serum, qualified, E.U.-approved, South America origin (FBS) | Life Technologies | 10270-106 | www.lifetechnologies.com | |
MEM Non-essential amino acids (100 x) | Life Technologies | 11140035 | www.lifetechnologies.com | |
TrypLE Express | Life Technologies | 12604013 | www.lifetechnologies.com | |
Trypan blue solution, 0.4% | Life Technologies | 15250061 | www.lifetechnologies.com | |
Paraformaldehyde | Carl Roth | 335.3 | www.carlroth.com | |
Bovine serum albumin (BSA) Fraction V | PAA Laboratories, Coelbe | K41-001 | www.gelifesciences.com | |
Tween-20 Detergent | Calbiochem | 655205 | www.merckmillipore.de | |
Carboxyfluorescein succinimidyl ester (CFSE) | eBioscience | 65-0850-84 | www.ebioscience.com | |
DMSO | AppliChem | A1584 | www.applichem.com | |
Bottle top filters express plus 0.22 µm, 250 ml | Millipore | SCGPU02RE | www.millipore.com | |
Cell culture treated flasks (T 25) | NUNC | 156367 | www.thermoscientific.com | |
Cell culture treated flasks (T 75) | NUNC | 156499 | www.thermoscientific.com | |
Conical tubes (15 ml) | Greiner Bio-One | 188271 | www.greinerbioone.com | |
Conical tubes (50 ml) | Greiner Bio-One | 227261 | www.greinerbioone.com | |
Pasteur pipet, glass (150 mm) | STEIN Labortechnik, Remchingen | S03710150 | www.stein-labortechnik.de | |
Pipet tips (0.1-10 µl) | Corning | 4125 | www.corning.com | |
Pipet tips (1-200 µl) | Corning | 4126 | www.corning.com | |
Pipet tips (100-1000 µl) | Corning | 4129 | www.corning.com | |
Serological pipets, 5 ml | Corning | 4051 | www.corning.com | |
Serological pipets, 10 ml | Corning | 4101 | www.corning.com | |
Serological pipets, 25 ml | Corning | 4251 | www.corning.com | |
Microcentrifuge tubes (0.5 ml) | Sarstedt | 72,699 | www.sarstedt.com | |
Microcentrifuge tubes (1.5 ml) | Greiner Bio-One | 616201 | www.greinerbioone.com | |
Microcentrifuge tubes (2.0 ml) | Sarstedt | 72,695,500 | www.sarstedt.com | |
Anti-Human CD24 APC monoclonal antibody | eBioscience | 17-0247-42 | www.ebioscience.com Working dilution 1:50 |
|
Anti-Human CD54 PE monoclonal antibody | eBioscience | 12-0549-42 | www.ebioscience.com Working dilution 1:50 |
|
Neuronal Class III β-Tubulin (Tuj1) polyclonal antibody | Covance | PRB-435P | www.covance.com Working dilution 1:2000 |
|
Alexa Fluor 488 Donkey anti Rabbit | Life Technologies | A21206 | www.lifetechnologies.com Working dilution 1:2000 |
|
Zenon® Fluorescein Rabbit IgG Labeling Kit | Life Technologies | Z-25342 | www.lifetechnologies.com | |
Neubauer-Improved counting chamber | Marienfeld | 0640010 | www.marienfeld-superior.com | |
Vortex | Scientific Industries | G560E | www.scientificindustries.com | |
Thermomixer comfort | Eppendorf | 5355 000.001 | www.eppendorf.com | |
Accuri C6 flow cytometer | Becton Dickinson (BD) | 653118 | www.bdbiosciences.com/instruments/accuri | |
Microcentrifuge refrigerated, PerfectSpin 24 R | Peqlab | 91-PSPIN-24R | www.peqlab.de | |
Orbital shaker, Unimax 1010 | Heidolph | 543-12310-00 | www.heidolph-instruments.de | |
Centrifuge refrigerated, Rotanta 96 RC | Hettich | 4480-50 | www.hettichlab.com | |
Class II Biological safety cabinet Safe 2020 | Thermo Scientific | 51026640 | www.thermoscientific.com | |
CO2 Incubator, Heracell 240i | Thermo Scientific | 51026331 | www.thermoscientific.com | |
Vacuum system, Vacusafe comfort | Integra Biosciences | 158320 | www.integra-biosciences.de | |
Microscope, Axiovert 40 CFL | Zeiss | 451212 | www.zeiss.de | |
Pipet controller, accu-jet pro | Brand | 26303 | www.brand.de | |
Micropipet, Pipetman neo P20N (2-20 µl) | Gilson | F144563 | www.gilson.com | |
Micropipet, Pipetman neo P200N (20-200 µl) | Gilson | F144565 | www.gilson.com | |
Micropipet, Pipetman neo P1000N (100-1000 µl) | Gilson | F144566 | www.gilson.com |