Method Article
This protocol provides step-by-step guidelines for setting up competitive mouse bone marrow transplant experiments to study hematopoietic stem/progenitor cell function without prior purification of stem cells by cell sorting.
The gold standard definition of a hematopoietic stem cell (HSC) is a cell that when transferred into an irradiated recipient will have the ability to reestablish blood cell production for the lifespan of the recipient. This protocol explains how to set up a functional assay to compare the HSC capacities of two different populations of cells, such as bone marrow from mice of two different genotypes, and how to analyze the recipient mice by flow cytometry. The protocol uses HSC equivalents rather than cell sorting for standardization and discusses the advantages and disadvantages of both approaches. We further discuss different variations to the basic protocol, including serial transplants, limiting dilution assays, homing assays and non-competitive transplants, including the advantages and preferred uses of these varied approaches. These assays are central for the study of HSC function and could be used not only for the investigation of fundamental HSC intrinsic aspects of biology but also for the development of preclinical assays for bone marrow transplant and HSC expansion in culture.
造血是一个再生过程,确保已经通过损伤,辐射和细胞死亡丢失血细胞的补充。这个过程是由造血干细胞(HSC)在很大程度上驻留在成人骨髓确保。此外,造血干细胞可用于在自体免疫疾病,血液恶性肿瘤和免疫缺陷1治疗目的。因此,有必要更好地理解,调节造血干细胞的功能,包括其增殖扩张和它们到达和移植后嫁接接受者的骨髓能力的机制。虽然最近有研究报道一些细胞表面标志物,包括SLAM家族成员CD150和CD48,前瞻性地充实成人造血干细胞和胎儿造血干细胞约50%的纯度2-4,为造血干细胞功能的黄金标准衡量仍然是一个在体内再植测定法确定他们重新建立血液ç能力ELL生产在辐照主机5。
体内克隆再植法最初是由免耕和麦卡洛克6开发,并一直完善和扩大。按照最初的定义,保证造血干细胞通过自我更新和分化终身血细胞生成。造血干细胞的转移到照射受体从而使我们能够评估:其通过不同的血细胞谱系的分析来区分(T淋巴细胞,B淋巴细胞,粒细胞,单核细胞)和它们的通过串行移植自我更新的能力的能力。该试验通常将涉及的造血干细胞的两个群体的功能性和/或数量的比较, 如 ,细胞来自不同基因型或细胞的两只小鼠已经被处理或未处理的与可能影响造血干细胞的维持或膨胀不同的因素来在文化。供者嵌合,或转供体造血干细胞T中的贡献O型血细胞的生产然后可以通过在外周血流式细胞分析和骨髓使用细胞表面标志物或其他方法,将区分供体细胞来自接受者,或主机来确定。最广泛使用的标记物是肯定为此,我们已选择为下面提供的实施例的基因PTPRC或CD45白细胞抗原7的两个等位基因。
克隆再增殖测定法可以是竞争性或非竞争性。在非竞争性设置,控制和测试造血干细胞被转移到单独的受体小鼠和每个细胞类型的结果将是独立于其它的。在竞争激烈的环境,测试和控制的造血干细胞的功能是对竞争者的造血干细胞群体测定。这里所描述的协议使用的竞争的设置,但也可以适用于非竞争的情况。这两种方法都有其优点和局限性,我们将在详细比较他们讨论。我们还描述了不同的方法,以确保在移植造血干细胞的数目权益,解释如何通过有限稀释测定法(LDA),以适应对造血干细胞的定量测定,并同时提供对结果的解释成功和不成功的移植的例子。
在此协议中描述的所有程序已经批准制度动物伦理委员会,并按照加拿大议会关于动物保护的准则。
注:为了保持无菌/无特定病原体的住房条件,进行涉及生物安全柜或层流罩内的活体小鼠的直接处理所有过程。清洁或消毒笼子,约束装置,外壳材料,食物和水提供给适当的动物。只使用无菌,一次性针头注射和采血。无菌技术是准备移植的过程中是至关重要的。
1.受体小鼠制备方法
2.捐助者和竞争对手骨髓细胞的制备
(三)建立供体细胞HSC当量
4.骨髓移植
5.外周血分析
6.骨髓重建分析
竞争移植设置,包括继发性移植(下面进一步讨论)的一般说明可以在图1中找到。用于移植前的骨髓造血干细胞的代表性分析可以在图2中可以找到更详细的信息,双峰的排斥和死细胞可以在其他地方找到9。
图3和4为外周血和骨髓分别提供流式细胞分析的模板的示例,。这是正常的,以检测某些主机T淋巴细胞(直至所有T细胞的20%; 图3B),如T细胞是更无线电抗性。竞争者来源的细胞应该是存在于所有三个谱系。检测极限取决于分析获得的总细胞的数量很多,但根据我们的经验,总内20个细胞的单白细胞门通常就足够了。使用1%或0.5%的任意的阈值,如果供体细胞表示(如在图3所示的B淋巴,T淋巴或骨髓)高于在任何特定谱系的截止比例较低,鼠标不被认为是阳性的多向重构。当竞争移植用有限稀释测定法组合如在讨论中说明的量化施主的HSCs这一概念就变得很重要。这当然是可能的有,例如,供体来源的T和B淋巴细胞,但骨髓细胞,这通常会建议仅短暂重构的逐渐丧失。淋巴细胞有较长的半衰期比骨髓细胞(特别是Gr1hi SSChi粒/嗜中性粒细胞),并且可以甚至在不存在骨髓的造血干细胞10持续存在。
图5描绘了对于不同的原位下外周血嵌合代表性结果ations。当供体造血干细胞在功能上等同于竞争者的细胞,给体(CD45.2 +)和竞争剂(CD45.1 +)的比例衍生细胞是当量( 图5A)。在图5A和5B中的残留宿主细胞(CD45.1 + CD45.2 +)几乎完全的T淋巴细胞,因为它们是更无线电抗性。当供体细胞呈现外周血白细胞( 图5B)低得多的比例,HSC功能的某些方面可能出现故障并在讨论中描述的还需要进一步研究。竞争者细胞的存在证实了该测定的工作很好,但供体骨髓只是不太有效。这是相对于在图5C中 ,其中两个供体和竞争对手细胞存在于低数量和宿主细胞代表了大多数外周血细胞的呈现的结果。在这种情况下,移植失败和我t是不可能得出任何结论,供体与竞细胞的相对功能。不同的解决方案将在下面进一步讨论。
图 1. 实验设计 ( 一 )具有竞争力的移植,供体小鼠骨髓细胞(CD45.2 +; C57BL6背景,控制和测试)和同类竞争对手的小鼠(CD45.1 +; B6.SJL)的混合以1:1的比例,并注入照射受体小鼠的尾静脉中(CD45.1 + CD45.2 +; C57BL6的F1代点¯xB6.SJL育种对)。骨髓重建的效力外周血(PB)4,8,12和16周,移植后,并在16周后移植或更高的骨髓来确定。 (B)为了进一步评价移植细胞的自我更新,盂兰盆16周后,从移植回收ë骨髓细胞可以转移到照射辅助受体小鼠。 HSC,造血干细胞; MPP,多能祖细胞; LMPP,淋巴引MPP。 请点击此处查看该图的放大版本。
图2. 预移植骨髓造血干细胞的分析模板。在单细胞,根据CKIT(CD117)和世袭表达选择骨髓干细胞。在林暗淡/ -细胞群中,选择CKIT 明亮 SCA1 +人口(LSK)。在LSKs,选择CD150 + CD135 -造血干细胞。这一人群包含长期和短期再植的HSC(一个再植细胞的频率范围内这一人群是是吐温1/3和1/5)。骨髓造血干细胞的估计频率是由单个细胞中的门事件的数量除以在HSC门事件的数量计算。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3.移植后外周血分析模板。(A)在单细胞,首先选择GR1 明亮 SSC 喜粒细胞。 (B),然后选择CD19 + CD3e - B淋巴细胞和CD3e + CD19 - T淋巴细胞。小鼠外周血中含有淋巴细胞的相当大的比例,与B淋巴细胞是主要的细胞类型(约50%的所有的外周血细胞)。 CE)绘制2D流式细胞仪地块与CD4每个子集5.2一轴CD45.1另一方。确定供体(CD45.2 +),主机(CD45.1 + CD45.2 +)和竞争对手的细胞(CD45.1 +)每个谱系,如图所示。这是正常的,有一些剩余的宿主细胞,尤其是T淋巴细胞人口看到面板E. 请点击此处查看该图的放大版本。
图4. 移植后的骨髓造血干细胞的分析模板。在单细胞,选择和骨髓干细胞作为LSKs所示图2.在LSKs,选择CD150 + CD135-造血干细胞,CD150- CD135-多能祖细胞(或边际产量)和CD150- CD135 +淋巴-primed的MPP(或LMPPs)。 LMPPs的比例比在非照射小鼠移植后更低。绘制2D流Çytometry地皮上的其他一轴CD45.1与CD45.2每个子集。确定捐助,主机和竞争对手的细胞亚群的每个如图所示。如果照射和移植是成功的,应该有极少数剩余的主机骨髓干细胞。 请点击此处查看该图的放大版本。
图5.代表性的成果外周血嵌合体。(A)成功移植,其中造血干细胞供者在功能上等同于竞争对手的细胞。绝大多数剩余的宿主细胞(CD45.1 + CD45.2 +)一般是T淋巴细胞。 (B)成功移植,其中造血干细胞捐赠者秀相比竞争对手的细胞功能下降。这种贡献下降可能是由于将需要几个不同的因素,并进一步分析(见讨论)。 (C)移植不成功既竞争和供体细胞和剩余的宿主细胞有很大一部分的低频。这种类型的搜索结果显示比照射预期剂量低,不成功注射液(尾静脉以外的细胞活力下降,减少注射量,注射),或它们的组合。 请点击此处查看该图的放大版本。
这里所描述的协议被设计来评估针对已知竞争对手的HSCs给体(试验)造血干细胞的相对健康。竞争的情况增加了测定的相对灵敏度(更可能检测到在干细胞的健身中度减少),并提供了照射和喷射的功效的内部技术控制。然而,它不应该被用作HSC健身的绝对值衡量在竞争性重建的下降并不意味着,在没有竞争的造血干细胞不会表现良好。虽然可以说,有竞争力的设置是更好的起点,作为竞争对手的细胞会拯救缺陷的HSC功能,所有受体小鼠会生存,人们应该小心与结果的解释。确认在非竞争性设置结果将固化的结论。
这里介绍的实验设计采用HSC相当于曲总骨髓细胞antities代替流式细胞-sorted HSC的纯群体。它以均衡的造血干细胞的数目在所有群体进行研究(不同供体,竞争者),以消除不同供体之间的变异性,并确保在表型HSC的频率变化不会在HSC功能14被解释为改变是重要的。这里描述过的纯化的HSCs该方法的优点是:改善细胞存活率由于缩短处理时间和排序期间缺乏外部压力;和改进的归巢到收件人骨髓(抗体对分选的细胞的存在可与它们在骨髓15植入干扰)。相反,主要的缺点是非HSC种群的贡献给移植的结果,特别是短命的祖细胞在早期时间点移植后的作用。此外,如果在治疗或遗传修饰改变面传热的表达用于造血干细胞16的选择ë标记,有可能是造血干细胞的一个显著数"的化身"一个样品中,但不是在另一个,这将偏压的结果。然而,也可以使用纯化的HSCs,是固有的移植试验时发生同样的问题。
使用本协议所得到的结果是只有在群体水平上的定性。换句话说,移植后供体细胞的降低的贡献可能是由于;在起动人口官能HSC的一个较小的数字;个体HSC的一个能力减弱沉降进入骨髓,并在移植后的第几天和几周扩大;或具有分化和生长成在外围用于检测的成熟细胞的问题。以不从孤立一个竞争移植使用的结果,但将它们与将测量细胞增殖,存活和分化选自H测定补充它是重要的SC到循环血细胞。同样重要的是要比较的外周血( 图3)和骨髓( 图4)之间供体细胞贡献于骨髓与缺少外周血供体细胞的结合供体来源的造血干细胞的存在将指示一个分化块的。虽然在实施例中未示出,但也可以根据GPI1 17的不同同种型,以评估红细胞重构。鉴于大量存在于血液中的红细胞,它们代表检测的供体来源的细胞,移植造血干细胞的数目低或过长时间以下它们的输出时,它可以是特别有用的一高度敏感的方法。在光谱的另一端,骨髓细胞往往首先向其失败被检测,这部分是因为外周血,部分是因为它们的短半衰期的其低频率的。
能够适应第È竞争的再增殖测定中使用的有限稀释测定法(或LDA),以允许造血干细胞的定量。这将需要的受体小鼠分成其中每一个组接收竞争者的一个不同比率的几个不同的基团的数量大得多:要么排序或未排序如上所述供体细胞。作为供体细胞的数量减少,将有更多的小鼠,其中供体来源的细胞的比例不在一个或几个谱系达到预先建立的阈值。然后可以绘制每组的"负"小鼠对抗移植供体细胞的数目的频率,并确定从随后图形18,19 HSC的频率。
移植后的后续的建议的持续时间在文献中有所不同。过去有一定的共识,其中16周移植后的期间被认为是足够的,以反映长期造血干细胞的输出。但是,"我最近的报告ntermediate"造血干细胞的功能下降后不久16周都强调需要对HSC功能17,甚至更严格的评估。这当然是可以延长移植受者的随访过去16周的时间点,以满足这些问题。一个替代方案,具有可以说是高灵敏度一次以上,是次级移植( 图1B),其中,从第一移植回收被注入到照射次级接受者的骨髓细胞,第二移植提出对造血干细胞的其他增殖性压力,迫使它们的出口从休眠和只允许具有强大的自我更新的细胞以保持它们的输出。有时优选使用排序供体细胞,以更好地调整不同样品之间的HSC数字为次级移植。可替代地,有可能建立供体的估计的比率:从主骨髓造血干细胞的竞争对手( 例如, 图4),然后比较次要移植到比供体细胞的输出。此外,还必须增加移植总骨髓细胞的数量,如在移植后的骨髓功能的造血干细胞的频率永远不会到达在非照射小鼠看到的数字。最好是从多个主收件人汇集骨髓注入每总收件人二次一十月5日至10日百万个细胞。
如上所述,存在用于为什么施主HSC的一个给定的群体可能显示许多原因长期重建能力下降。一个这样的原因是造血干细胞迁移到骨髓移植(也称为归巢)之后和定居本身在骨髓龛的能力。能够适应这里提出来调查骨髓归巢和短期扩张的协议。有必要提高移植细胞(5,000-10,000造血干细胞的当量数归巢测定和移植后的第一个星期内1000-2000造血干细胞以进行分析)。在归巢测定中,接受者小鼠移植后的第16-24小时,并已达到骨髓如在本协议解释确定供体造血干细胞的数量内安乐死。为了进一步评估它们的功能,从短期收件人回收骨髓细胞可以如在图1B中说明的被移植到次要接收者。在二次收件人供体来源的细胞的比例可以被用来评价施主造血干细胞的迁移和沉降到受体骨髓的能力。
与竞争性骨髓移植的主要问题来自照射和注射产生和提出自己作为提高移植后的死亡率要么或降低重建效率。分散剂量的照射下,如这里提出,通常与更高效myeloablation相关联,并且相比单剂量20更少的毒性。与剂量这里推荐(两次450拉德),髓系和B系种群被有效地删除,但剩余的T淋巴细胞做保持( 图3)。如果有任何理由怀疑移植排斥(从不同的遗传背景供体和受体小鼠),较高剂量的照射(两种剂量的550-600拉德)和两种剂量之间的较短的延迟(4小时,而不是在第二天)应该有助于消除残余T淋巴细胞和减少因排斥移植失败的可能性。不正确注射或注射到血管周围空间,而不是的尾静脉,样品制备过程中,由于缺乏护理问题施主细胞活力,或供体细胞污染也将增加移植物衰竭和移植后的死亡率。低效照射(由于技术问题,例如),将导致降低重建效率,但不应该增加莫rtality。在所有的这些情况下,竞争者细胞在测定中存在有助于解离技术问题从供体HSC功能善意减少(如这里详细说明)作为竞争者细胞应该总是能够重建照射收件人。免疫缺陷宿主也可使用,例如,以减少对照射和/或移植物排斥的风险的需要,并且评估人类造血干细胞21-23的功能。
总之,我们在这里提出有竞争力的移植协议可以适于多种不同的用途如在讨论中详细说明。我们的方法采用HSC等同物,可减少处理时间相比,细胞分选时,在移植同时改善细胞活力。它也是一个实际的解决方案时,获得了细胞分选仪是有限的,并与定量的LDA测定时,使之成为有吸引力的起点HSC功能的分析需要更少的小鼠。
The authors declare that they have no competing financial interests.
我们感谢Roxann河图洛书,阿尔布尔与手续的人物设计和演示服务。研究实验室是由从科尔基金会转型奖的支持下,发现不授予。 419226-2012从加拿大自然科学和(NSERC)工程研究理事会和加拿大创新基金会(CFI领袖基金批准号:31377)。 KMH是Chercheur-布西尔少年的全宗德RECHERCHE魁北克 - 桑特(FRQS)。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Microtainer tubes with K2EDTA | BD Biosciences | 365974 | |
20 G needle | BD Syringe | For blood sampling from the mandibular vein | |
LabQuake Shaker rotisserie | Thermo Scientific | C415110 | |
Purified anti-mouse CD16/CD32 (clone 2.4G2, Fc Block) | BD Biosciences | 553142 | 2.50 μg/ml |
Pe-Cy7-conjugated anti-mouse CD3e (clone 145-2C11) | eBioscience | 25-0031 | 0.25 μg/ml |
PE-conjugated anti-mouse CD19 (clone 1D3) | eBioscience | 12-0193 | 0.25 μg/ml |
APC-eFluor780 (APC-Cy7 equivalent)-conjugated anti-mouse GR1 (clone RB6-8C5) | eBioscience | 47-5931 | 0.25 μg/ml |
FITC-conjugate anti-mouse CD45.1 (clone A20) | eBioscience | 11-0453 | 2.50 μg/ml |
eFluor450-conjugated anti-mouse CD45.2 (clone 104) | eBioscience | 48-0454 | 1.00 μg/ml |
Biotinylated anti-human/mouse CD45R (B220) (clone RA3-6B2) | eBioscience | 13-0452 | 1.25 μg/ml |
Biotinylated anti-mouse CD3e (clone 145-2C11) | eBioscience | 13-0031 | 1.25 μg/ml |
Biotinylated anti-mouse CD11b (clone M1/70) | eBioscience | 13-0112 | 1.25 μg/ml |
Biotinylated anti-mouse GR1 (clone RB6-8C5) | eBioscience | 13-5931 | 1.25 μg/ml |
Biotinylated anti-mouse TER119 (clone TER119) | eBioscience | 13-5921 | 0.625 μg/ml |
V500 streptavidin | BD Biosciences | 56149 | 0.5 μg/ml |
PE-conjugated anti-mouse CD117 (clone 2B8) | BD Biosciences | 553355 | 0.25 μg/ml |
PE-Cy7-conjugated anti-mouse Ly6A/E (Sca1) (clone D7) | BD Biosciences | 558162 | 0.25 μg/ml |
PerCP-eFluor710-conjugated anti-mouse CD135 (clone A2F10) | eBioscience | 46-1351 | 0.5 μg/ml |
Alexa fluor 647-conjugated anti-mouse CD150 (clone TC15-12F12.2) | Biolegend | 115918 | 0.625 μg/ml BD Biosciences and eBioscience do not carry the same clone |
1 ml tuberculin syringe with 27 G needle | BD Syringe | 309623 | |
1 ml tuberculin syringe with 25 G needle | BD Syringe | 309626 | |
70 μm cell strainer | BD Falcon | 352350 |
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