לדוגמא הכנה לניתוח Cytometry Mass
Summary
This article describes the collection and processing of samples for mass cytometry analysis.
Abstract
Mass cytometry מנצל נוגדנים מצומדות עם תוויות מתכת כבדה, גישה הגדילה את מספר הפרמטרים וההזדמנויות לניתוח עמוק הרבה מעבר למה שאפשר להשיג עם זרימת קרינה המבוססת קונבנציונלית cytometry. כמו בכל טכנולוגיה חדשה, ישנם צעדים קריטיים המסייעים להבטיח את הדור האמין של נתונים איכותיים. אנו מציגים כאן פרוטוקול אופטימיזציה המשלב טכניקות מרובות לעיבוד דגימות תאים לניתוח cytometry ההמוני. השיטות שתוארו כאן תעזורנה למשתמש להימנע ממכשולים נפוצים להשיג תוצאות עקביות על ידי מזעור השתנות, מה שעלול להוביל נתונים לא מדויקים. כדי ליידע עיצוב ניסיוני, את הרציונל מאחורי צעדים אופציונליים או חלופה בפרוטוקול והיעילות שלהם בחשיפת ממצאים חדשים בתחום הביולוגיה של מערכת נחקרת מכוסית. לבסוף, הוא הציג נתוני נציג כדי להמחיש את תוצאות צפויות מן presente הטכניקותד כאן.
Introduction
Cytometry מאפשרת מדידה בו זמנית של הנוגדן מכוון מרובים ברמה תא בודד באוכלוסיות גדולות של תאים. בשנת cytometry זרימת קרינה המבוססת מסורתית, מספר הפרמטרים שניתן לכמת מוגבל על ידי חפיפה ספקטרלית בין ספקטרום הפליטה של fluorophores המרובה, אשר דורש חישובי פיצוי מורכבים יותר ויותר ככל שגדל מספר פרמטרים. מגבלות אלה מטופלות על ידי המוני cytometry, שבו נוגדנים כבדים מצומדות מתכת מזוהות לכמת ידי זמן של ספקטרומטריית מסת טיסה (TOF) כדי להרחיב את מספר הפרמטרים מאוד שנאספו בו זמנית להניב פרופיל חלבון-שפע ממדי גבוה עבור כל תא יחיד.
הבנה בסיסית של פעולתו של המסה cytometry המכשיר מועילה המשתמש ועלולה להיות חיוני לפתרון בעיות. לקבלת תיאור מפורט יותר של כוונון והפעלה מכונית cytometry ההמונית,לראות את כתב יד 1 קשור. בקצרה, מדגם התא מסומן עם פאנל של נוגדנים מצומדות מתכת מיקוד סמנים פני התא, חלבונים ציטופלסמית, חלבונים גרעיניים, חלבונים או אפיטופים אחרים הנכנס הכרומטין של עניין (איור 1i). תאי שכותרתו נטענים על גבי המכונה, או אחד בכל פעם על ידי הזרקה ידנית או באמצעות autosampler כי דגימות צלחת 96-היטב. תאי טעון מוזרקים דרך nebulizer, אשר מייצר נתזי טיפות נוזל בבועה התאים (איור 1ii). ספריי זה ממוקמים כך התאים מיוננים על ידי לפיד פלזמת ארגון. יינון זה יוצר ענן חלקיקים מורכבים מכל אטומי המרכיבים של כל תא (1iii איור). כמו ענן החלקיקים הזה נוסע הגלאי, אטומי מסה אטומיים נמוכים מופרדים מן יוני מסה הגבוהים על ידי מסנן מונית quadrupole. יוני המסה הגבוהים הנותרים ממשיכים הגלאי, שבו abund אהה של כל איזוטופ מכמתים (1iv איור). הנתונים הגולמיים שנאספו על ידי הגלאי, מנותחים על ידי תוכנת מכשיר cytometry ההמונית לזהות אירועי תא. עבור כל אירוע התא מזוהה, האות זוהה בכל ערוץ כימות הציל לקובץ .fcs פלט. ערוצי המונית המשמשים לאיתור הנוגדנים כבד מתכת מצומדות להפגין חפיפה ספקטרלית מינימאלית, אשר נעה בין 0-4% עם רוב התרומות מתחת 1%. בגלל הצטלבות נמוכה זו בין ערוצים, זה בדרך כלל לא נחוץ להפוך את הנתונים עם מטריצת פיצויים לפני הניתוח 2. עם זאת, יש להיזהר בעת העיצוב של לוח ניסיוני של נוגדנים כדי להבטיח כי נוגדן עם אפיטופ גבוה שפע אינו מוקצה ערוץ מסה שתורם אות לערוץ מוקצה נוגדנים נמוך שפע, הכיוון שהדבר עלול ליצור אוכלוסייה גבוהה באופן מלאכותי באפיק קבלת תרומת האות.
<p clתחת = "jove_content"> ההכנה המדויקת של דגימות עבור המוני cytometry ניתוח התלות גבוהה סוגי דגימות נאספות ואת ההשערה הניסיונית נבדקת. אנו מספקים דוגמאות של שני פרוטוקולי ניקיון סוגים שונים של תאים (תאי גזע עובריים אנושיים) תאים ראשוניים (לבודד תאי האפיתל גידול עכבר שד). כאשר מתחיל מחקר cytometry ההמוני, מומלץ לבצע תחילה ניסוי פיילוט קטן כדי להבטיח כי כל הפרוטוקולים והנוגדנים להיות מנוצלים פועלים כראוי בידי החוקר. הדבר נכון במיוחד כאשר חיוני נוגדנים מצומדות מותאם אישית כדי לשמש, כמו תגובת ההפחתה החלקית במהלך נטיית הנוגדן בעל הפוטנציאל לשבש זיקת נוגדן; ולכן, כל נוגדן מותאם אישית צריך להיות תוקף אמפירי כדי להבטיח דיוק הנתונים. שיקולים נוספים כוללים קביעה אם נוגדנים פני תא כדי להיות בשימוש assay יכירו האפיטופים שלהם לאחר קיבוע או אם הם neאד להיות מיושם לחיות תאים. חלק הקיבעון יכול למנוע צביעה נכונה עם נוגדנים פני תא כידוע להתרחש עם פפטיד-MHC מכתים 3, 4. Performing מכתים נוגדן תא השטח על תאים חיים עשוי להיות נחוץ עבור נוגדנים מסוימים, אבל זה מונע את האפשרות של barcoding לפני תיוג נוגדן כמו שיטות barcoding ביותר מבוצעות לאחר קיבוע 5 למרות barcoding מבוססי נוגדנים 6, 7 הוא חריג.בעת קביעת מספר התאים להיות מוכן לניתוח, חשוב לדעת כי רק חלק קטן של התאים הועמסו על המכונית יאותר ולהפיק נתונים. הפסד זה נובע בעיקר מחוסר יעילות כאשר nebulizer תרסיסים מדגם בבית לפיד. הפסד האחוז המדויק תלוי המסה cytometry התקנת מכונית וסוג התא אבל יכול לנוע בין 50-85% וצריך להיותבחשבון בעת תכנון הניסוי. פרוטוקול זה ממוטב עבור 2×10 6 תאים לדגימה אך ניתן להתאים לעיבוד גודל מדגם קטן או גדול. פרוטוקול זה יכול לשמש עם שינויים מינימליים עבור גודל מדגם מ 1 x 10 6 4 x 10 6, אולם חשוב כי גודל המדגם להישמר עקבי במסגרת ניסוי. שינויים במספר תאים יכולים להשפיע על עוצמת מכתים barcoding נוגדנים צריך להישמר עקבי בערך ברחבי דגימות כדי להשוות ישירות.
כמה נהלים, כגון תיוג תא מת תיוג DNA, צריכות להתבצע הרוב המכריע, אם כל העיצובים הניסיונות לא. התיוג של תאים מתים בניסויי ניתוח רק סמני משטח יכול להיות מושג באמצעות Rh103, אבל Rh103 יש להימנע עבור ניסויים שבם permeabilization נדרש כפי שהיא גורמת להפסד מכתים. בניסויים מעורבים permeabilization, מומלץ לנצל cisplatin <sעד class = "Xref"> 8 ו, במידת האפשר, נוגדן הכרה PARP ביקע או ביקע caspase לזהות תאים אפופטוטיים מת.
דגימות ברקודים יכולות להפחית את צריכת נוגדן, להקטין זמן רכישה ולחסל מדגם ל-מדגם 9 השתנות. תהליך barcoding כרוך החלת דוגמת קוד ספציפי וייחודי לכל התאים, אשר משמש להקצות לכל התא מדגם של מקורו. לאחר barcoding דגימות עשוי להיות ונקווה לפני מכתים נוגדן, תהליך המבטיח את כל דגימות מגואלות באותה מידה. כדי למזער שגיאות ניסיון, זה נבון ברקוד ומכניס כל דגימות כי יש להשוות ישירות זה לזה. נכון לעכשיו קיימות מספר שיטות barcoding דגימות עבור המוני ניתוח cytometry 5, 6, 7, שניים מהם מוצגים כאן (ראו להלן).
עם Reagen זמין כרגעTS אפשר לכמת את השפע של 38 הנוגדן מכוון, לזהות תאים S-שלב 10, להבחין בין תאים חיים ומתים 8 ולמדוד רמות הסלולר של היפוקסיה 11 בניסוי מרובב של דגימות מרובות. יכולת זו כדי לאסוף נתונים סלולריים גבוה פרמטר אחד עבור אוכלוסיות תאים גדולות מאפשרת פרופיל משופר של אוכלוסיות תאים הטרוגנית מאוד וכבר הפיקה מספר תובנה ביולוגיות רומן 12, 13, 14, 15, 16. זיקוק הנתונים מורכבים והתוצאה למידע לפירוש דרש שימוש באלגוריתמים חישוביים כולל עץ פורש מהלך האירועים מנורמל צפיפות (ספייד) 17 ו viSNE 18.
מאמר זה מציג נגישסקירה של איך לעצב ולבצע מסה cytometry הניסוי ומציג ניתוח בסיסי של המוני cytometry נתונים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול המובא כאן הועסק בהצלחה לעיבוד של שורות תאים בתרבית שונות (H1 ו- H9 hESCs, mESCs, MCF7, HEK 293, KBM5, HMEC, MCF10a) ודגימות רקמה עיקריות (מח עצם עכבר, כבד עוברי בעכבר, מבוגר עכבר כבד, גידולי עכבר). בלי קשר למקור, כל הרקמות שניתן ניתק לתוך תאים בודדים תוך שמירה על מצב הסלולר צריך להיות …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Work in the Barton lab was supported by a grant from the Cancer Prevention and Research Institute of Texas (CPRIT RP110471). This research was supported in part, by a training grant fellowship for Ryan L. McCarthy from the National Institutes of Health Training Program in Molecular Genetics 5 T32 CA009299. The core facility that maintains and runs the mass cytometry machine is supported by CPRIT grant (RP121010) and NIH core grant (CA016672).
Materials
| mTeSR1 medium kit | Stem Cell technologies | 05850 | Warm at room temperature before use |
| DMEM F-12 | ThermoFisher | 11330-032 | Warm at 37°C before use |
| Accutase | Stem Cell technologies | 07920 | Warm at 37°C before use |
| Bovine serum albumin | Equitech | BAH62 | |
| phosphate buffered saline | Hyclone | SH30256.01 | |
| Saponin | Sigma-Aldrich | 47036 | |
| Cell ID Pt194 | Fluidigm | Provided at 1mM | |
| Cell ID Pt195 | Fluidigm | Provided at 1mM | |
| Cell ID Pt196 | Fluidigm | Provided at 1mM | |
| Cisplatin | Enzo Life Sciences | ALX-400-040-M250 | Soluble to 25mg/ml in DMSO |
| Cell-ID 20-plex Pd Barcoding Kit | Fluidigm | 201060 | |
| 5-Iodo-2'-deoxyuridine | Sigma-Aldrich | I7125 | Soluble to 74mg/ml in 0.2N NaOH |
| Rhodium 103 intercelating agent | Fluidigm | 201103A | |
| Methanol | Fisher | BP1105-4 | Chill at -20°C before use |
| Sodium Azide | Sigma-Aldrich | S2002 | |
| 5ml round bottom tubes | Falcon | 352058 | |
| 5ml 35um filter cap tubes | Falcon | 352235 | |
| EQ four element calibration beads | Fluidigm | 201078 | |
| Hyaluronidase Type I-S | Sigma-Aldrich | H3506 | |
| Collagenase from Clostridium histolyticum | Sigma-Aldrich | C9891 | |
| Disposable Scalpel #10 | Sigma-Aldrich | Z69239 |
References
- Leipold, M. D., Maecker, H. T. Mass cytometry: protocol for daily tuning and running cell samples on a CyTOF mass cytometer. J Vis Exp. , e4398 (2012).
- Leipold, M. D. Another step on the path to mass cytometry standardization. Cytometry A. 87, 380-382 (2015).
- Newell, E. W., et al. Combinatorial tetramer staining and mass cytometry analysis facilitate T-cell epitope mapping and characterization. Nat Biotechnol. 31, 623-629 (2013).
- Leong, M. L., Newell, E. W. Multiplexed Peptide-MHC Tetramer Staining with Mass Cytometry. Methods Mol Biol. 1346, 115-131 (2015).
- Zunder, E. R., et al. Palladium-based mass tag cell barcoding with a doublet-filtering scheme and single-cell deconvolution algorithm. Nat Protoc. 10, 316-333 (2015).
- Lai, L., Ong, R., Li, J., Albani, S. A CD45-based barcoding approach to multiplex mass-cytometry (CyTOF). Cytometry A. 87, 369-374 (2015).
- Mei, H. E., Leipold, M. D., Schulz, A. R., Chester, C., Maecker, H. T. Barcoding of live human peripheral blood mononuclear cells for multiplexed mass cytometry. J Immunol. 194, 2022-2031 (2015).
- Fienberg, H. G., Simonds, E. F., Fantl, W. J., Nolan, G. P., Bodenmiller, B. A platinum-based covalent viability reagent for single-cell mass cytometry. Cytometry A. 81, 467-475 (2012).
- Krutzik, P. O., Nolan, G. P. Fluorescent cell barcoding in flow cytometry allows high-throughput drug screening and signaling profiling. Nat Methods. 3, 361-368 (2006).
- Behbehani, G. K., Bendall, S. C., Clutter, M. R., Fantl, W. J., Nolan, G. P. Single-cell mass cytometry adapted to measurements of the cell cycle. Cytometry A. 81, 552-566 (2012).
- Edgar, L. J., et al. Identification of hypoxic cells using an organotellurium tag compatible with mass cytometry. Angew Chem Int Ed Engl. 53, 11473-11477 (2014).
- Bendall, S. C., et al. Single-cell mass cytometry of differential immune and drug responses across a human hematopoietic continuum. Science. 332, 687-696 (2011).
- Horowitz, A., et al. Genetic and environmental determinants of human NK cell diversity revealed by mass cytometry. Sci Transl Med. 5, 208ra145 (2013).
- Zunder, E. R., Lujan, E., Goltsev, Y., Wernig, M., Nolan, G. P. A continuous molecular roadmap to iPSC reprogramming through progression analysis of single-cell mass cytometry. Cell Stem Cell. 16, 323-337 (2015).
- Han, L., et al. Single-cell mass cytometry reveals intracellular survival/proliferative signaling in FLT3-ITD-mutated AML stem/progenitor cells. Cytometry A. 87, 346-356 (2015).
- Bendall, S. C., et al. Single-cell trajectory detection uncovers progression and regulatory coordination in human B cell development. Cell. 157, 714-725 (2014).
- Qiu, P., et al. Extracting a cellular hierarchy from high-dimensional cytometry data with SPADE. Nat Biotechnol. 29, 886-891 (2011).
- Amir el, A. D., et al. viSNE enables visualization of high dimensional single-cell data and reveals phenotypic heterogeneity of leukemia. Nat Biotechnol. 31, 545-552 (2013).
- Behbehani, G. K., et al. Transient partial permeabilization with saponin enables cellular barcoding prior to surface marker staining. Cytometry A. 85, 1011-1019 (2014).
- Finck, R., et al. Normalization of mass cytometry data with bead standards. Cytometry A. 83, 483-494 (2013).
- Chester, C., Maecker, H. T. Algorithmic Tools for Mining High-Dimensional Cytometry Data. J Immunol. 195, 773-779 (2015).
- Diggins, K. E., Ferrell, P. B., Irish, J. M. Methods for discovery and characterization of cell subsets in high dimensional mass cytometry data. Methods. 82, 55-63 (2015).
- Leelatian, N., Diggins, K. E., Irish, J. M. Characterizing Phenotypes and Signaling Networks of Single Human Cells by Mass Cytometry. Methods Mol Biol. 1346, 99-113 (2015).
- van der Maaten, L. J. P., Hinton, G. E. Visualizaing Data using t-SNE. J. Mach. Learn. Res. 9, 2431-2456 (2008).
- Kling, J. Cytometry: Measure for measure. Nature. 518, 439-443 (2015).
- Gregori, G., et al. Hyperspectral cytometry. Curr Top Microbiol Immunol. 377, 191-210 (2014).
- Chattopadhyay, P. K., et al. Brilliant violet fluorophores: a new class of ultrabright fluorescent compounds for immunofluorescence experiments. Cytometry A. 81, 456-466 (2012).
- Rieger, A. M., Havixbeck, J. J., Barreda, D. R. X-FISH: Analysis of cellular RNA expression patterns using flow cytometry. J Immunol Methods. 423, 111-119 (2015).
- Frei, A. P., et al. Highly multiplexed simultaneous detection of RNAs and proteins in single cells. Nat Methods. 13, 269-275 (2016).
