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この研究は、血管壁に常在するCD34+ 幹細胞(CD34+ VW-SC)の単離、培養、および機能決定のための安定した効率的な方法を確立しました。このわかりやすく、時間効率の良い分離法は、他の研究者が心血管疾患に関与する潜在的なメカニズムを研究するために利用できます。
常在型CD34+ 血管壁常在幹細胞および前駆細胞(VW-SC)は、血管の損傷と修復の調節における重要な役割についてますます認識されています。機能性マウスCD34+ VW-SCを安定的かつ効率的に培養する方法を確立することは、さまざまな生理学的および病理学的条件下でこれらの細胞の増殖、遊走、および分化に関与するメカニズムをさらに研究するために不可欠です。記載された方法は、磁気ビーズスクリーニングとフローサイトメトリーを組み合わせて、初代培養常在CD34+ VW-SCを精製します。その後、精製された細胞は、免疫蛍光染色とCa2+ イメージングによって機能的に同定されます。簡単に説明すると、マウス大動脈および腸間膜動脈の外膜からの血管細胞は、組織ブロックの付着を通じて得られ、続いて細胞数が少なくとも1×107に達するまで継代培養される。続いて、CD34+ VW-SCを磁気ビーズソーティングおよびフローサイトメトリーを用いて精製します。CD34+ VW-SCの同定には細胞免疫蛍光染色が含まれますが、機能的多能性は、細胞を特定の培地に曝露して配向分化させることによって決定されます。さらに、機能的な内部Ca2+ 放出および外部Ca2+ エントリーは、ATP、カフェイン、またはタプシガルギン(TG)に曝露されたFura-2/AM負荷細胞において、市販のイメージングワークステーションを使用して評価されます。この方法は、血管壁に常在するCD34+ 幹細胞の単離、培養、および同定のための安定した効率的な技術を提供し、VW-SCの調節メカニズムに関する in vitro 研究と標的薬物のスクリーニングの機会を提供します。
血管壁は、血管の発達、恒常性調節、および血管疾患の進行において極めて重要な役割を果たします。近年、多くの研究により、動脈にさまざまな幹細胞系統が存在することが明らかになっています。2004年、Qingbo Xu教授のグループは、成体血管壁の周辺にCD34、Sca-1、c-kit、およびFlk-11を発現する血管幹細胞/前駆細胞の存在を初めて報告しました。これらの血管幹細胞は、多方向の分化および増殖能を示します。通常の条件下では、彼らは比較的静止したままです。しかし、特定の因子によって活性化されると、平滑筋細胞、内皮細胞、線維芽細胞に分化することができます。あるいは、パラクリン効果を通じて血管周囲マトリックスと微小血管形成を調節し、損傷した血管の修復またはリモデリングを促進することもできます2,3,4,5,6。最近、血管壁に常在するCD34+幹細胞が、大腿動脈ガイドワイヤー損傷後の内皮細胞の再生に関与することが明らかになった2。したがって、CD34+ VW-SCの単離と定量、およびCD34+幹細胞の基本的な生物学的特性の検討は、CD34+ VW-SCの調節に関与するシグナル経路をさらに研究するために重要です。
現在、細胞分離にはさまざまな方法があり、密度勾配遠心分離などの細胞培養特性や細胞の物理的特性に基づく技術など、さまざまな方法が利用可能であり、その結果、多くの非標的細胞を含み、比較的低純度の細胞が選別されます7,8,9,10,11,12 .また、蛍光/磁気支援セルソーティングもよく用いられます。蛍光活性化セルソーティング(FACS)は、高い技術的要件を有する複雑なシステムであり、比較的高価で時間がかかり、ソーティングされた細胞の活性に潜在的に影響を及ぼす13,14。しかし、磁気活性化セルソーティング(MACS)は、回収率と細胞活性が高く、ダウンストリームアプリケーションへの影響が少ないため、より効率的で便利です8。そこで、本プロトコールでは、MACSを適用してCD34+ VW-SCを精製し、さらにフローサイトメトリーにより細胞を同定しました。血管壁幹細胞を研究するためのMACSベースの単離法の確立は非常に貴重です。まず、実験的な遺伝的および細胞生物学的研究を可能にします。第二に、血管壁に常在する幹細胞の効率的な単離と培養により、幹細胞機能を調節するシグナル伝達因子の体系的な評価とスクリーニングが可能になります。第三に、幹細胞における重要な表現型の同定は、細胞の状態を評価する上で重要な「品質管理」を提供します。したがって、精製方法の同定は、血管由来の類似幹細胞への同様のアプリケーションに役立つ可能性があります。
このレポートでは、フローサイトメトリー、免疫蛍光染色、Ca2+シグナル伝達測定による細胞同定と機能評価など、CD34+ VW-SCの培養のための安定した信頼性の高い方法の詳細なデモンストレーションを提供します。この研究は、CD34+ VW-SCの機能と生理学的および病理学的状態におけるそれらの調節メカニズムに関するさらなる詳細な研究の基礎を提供します。
この研究は承認され、動物は中国における実験動物の管理と使用に関するガイドラインに従って取り扱われました。この研究は、動物倫理委員会の承認を得て、動物実験の倫理要件を厳格に遵守しました(承認番号:SWMU2020664)。本研究では、体重18〜20 gの男女の8週齢の健康なC57BL / 6マウスを利用しました。動物は、南西医科大学(SWMU)の実験動物センターに収容されました。
1. 大動脈および腸間膜動脈からの外膜の組織ブロック培養
2. 免疫蛍光法による細胞同定
3. CD34+ VW-SCの誘起分化と特性評価
4. 血管CD34+幹細胞における細胞内Ca2+シグナル伝達の検出
CD34+ VW-SCの単離と精製
CD34+ VW-SCsの高純度は、マウス大動脈および腸間膜動脈の外来から、組織付着および磁気マイクロビーズ選別によって得られます。血管壁中のCD34+ 細胞の割合は、一般に10%〜30%である。フローサイトメトリーでは、磁気ビーズソーティングによって得られたCD34+ 細胞の純度が90%以上であることが確認されています(図1A)。細胞免疫蛍光染色により、CD34+ VW-SCは主にCD34、c-kit、Flk-1、およびKi-67を発現し、Sca-1の発現は比較的低いことが示されています(図1B)。
CD34+ VW-SCの差別化
CD34+ VW-SCは、 in vitroで内皮細胞と線維芽細胞に分化することができます。CD34+ 幹細胞は、内皮細胞マーカーCD31およびVWFの発現が増加した状態で内皮細胞に分化するように誘導できます。さらに、分化した線維芽細胞は、長い紡錘体形態を示し、線維芽細胞マーカーPDGFRαおよびビメンチンの発現が増加した(図2A、B)。さらに、フローサイトメトリーでは、細胞の分化能力も確認されました。分化後のCD34+CD31+ 内皮細胞の割合は未分化細胞と比較して1.5倍に増加し(図2C)、分化後のCD34+PDGFRa+ 線維芽細胞の割合は未分化細胞と比較して1.7倍に増加しました(図2D)。
CD34+ VW-SCにおけるCa2+シグナル伝達の特性評価
ATP(10μM)の細胞外投与は、Gタンパク質共役受容体(GPCR)を介したシグナル経路を介して細胞内Ca2+レベルを増加させ、タプシガルギン(TG)は筋小胞体(SR)Ca2+ ATPase(SERCA)を阻害して細胞内SRCa 2+貯蔵を枯渇させ、貯蔵操作型カルシウムエントリー(SOCE)を誘発しました。さらに、カフェインは、リアノジン受容体(RyR)を介したCa2+放出を活性化することにより、増加した[Ca2+]iを刺激しました(図3)。
図1:組織培養と磁気活性化セルソーティング(MACS)により回収されたCD34+ VW-SCs. (A) 精製されたCD34+ VW-SCのフローサイトメトリー評価 (B) 幹細胞マーカーCD34、c-kit、Flk-1、Sca-1、および細胞増殖マーカー(Ki-67)の発現を示す代表的な画像。スケールバー:50μmこの 図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:CD34+ VW-SCの多方向分化能の検出 (A) CD34+ VW-SCにおける内皮マーカーCD31とVWF、および線維芽細胞マーカーPDGFRαとVimentinの分化前の発現を示す代表的な画像。(B)CD34+ VW-SCにおける内皮マーカーCD31とVWF、および線維芽細胞マーカーPDGFRαとVimentinの分化後の発現を示す代表的な画像。スケールバー:50μm。(C)CD34+CD31+ 内皮細胞の分化前後の割合をフローサイトメトリーで測定した値です。(D)フローサイトメトリーで測定した分化前後のCD34+PDGFRa+ 線維芽細胞の割合。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:CD34+ VW-SCの細胞内Ca2+シグナル (A)代表曲線は、細胞内Ca2+シグナル伝達に対するATP(10 μM)の影響を示しています。(B)代表曲線は、TG(1 μM)によって誘発されるSRストアからの細胞内Ca2+放出と、2 mM Ca2+の再添加後のCa2+枯渇によって引き起こされるその後の細胞外Ca2+流入を示しています。(C)カフェイン(10 mM)活性化細胞内Ca2+シグナル伝達を示す代表曲線。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
この研究は、マウスの大動脈および腸間膜動脈から機能的なCD34+ VW-SCを取得するための迅速かつ便利な方法を提供します。この方法で得られたCD34+ VW-SCは、増殖活性と多方向分化特性を持っています。三リン酸イノシトール1,4,5-三リン酸受容体(IP3Rs)、リアノジン受容体(RyRs)、および店舗で作動するカルシウムチャネルは、CD34+ VW-SCへのCa2+の放出と侵入を媒介します。この技術の確立は、心血管疾患の構造的および機能的リモデリングに関与するCD34+ VW-SCに関与するメカニズムのさらなる研究の基礎を築くでしょう。
初代細胞単離の最も一般的な方法には、組織ブロックの接着と酵素解離が含まれます15,16。本報告では、組織ブロックの付着と磁気ビーズ選別を組み合わせて、CD34+ VW-SCの高純度を得た。選別された血管壁CD34+幹細胞はCD34陽性であり、内皮細胞マーカーCD31を発現するものはほとんどなく、これは以前の報告2と一致しています。また、Jiangら2は、マウスで新たに単離された大腿動脈細胞のシングルセルシーケンシングを使用して、CD34が主に内皮細胞集団および間葉系細胞集団で発現し、平滑筋細胞集団では発現しないことを発見しました。また、in vivoでの実験では、CD34+ VW-SCが内皮細胞に分化して、損傷後の血管修復に関与することも確認されています。VW-SCは不均一であるため、この方法で選別されたCD34+ VW-SCは、Flk-1、c-kit、Sca-1などの他の幹細胞陽性マーカーとともに、異なる亜集団を持っているため、形態が異なる可能性があります。
幹細胞をソーティングするために最も広く使用されている方法は、フローサイトメトリーおよび免疫磁気ビーズソーティング17,18,19である。FACS法は、細胞の純度と回収率が高いという特徴がありますが、FACSは比較的時間と費用がかかります。免疫磁気ビーズ分離は、免疫学、細胞生物学、磁気力学の理論を統合した、非常に特異的な細胞選別技術です。この方法はシンプルで迅速で、2時間以内に完了できます。細胞の選別方法が異なると、細胞の純度と収量に影響します20。前述の報告21と同様に、この実験で用いた選別用磁気ビーズは直径がわずか50nmであり、細胞にかかる機械的圧力が比較的少なく、細胞の損傷を引き起こさず、選別された細胞の生物学的活性に影響を与えない。また、文献8で報告されている分離方法とは異なり、T75フラスコ内の細胞数が少なくとも1×107に達することができ、細胞増殖が活発な場合、5世代にわたって継代した後に細胞を選別するのが一般的です。さらに、選別された細胞を3〜5継代培養した後、精製プロトコルを繰り返し、培養および継代中に自己分化が存在するかどうかを確認することが重要です。
VW-SCの継代培養では、0.2%LIFのDMEM高グルコース培地を使用し、FBSがVW-SCの増殖を促進し、LIFが細胞分化を阻害して幹細胞の増殖をサポートします。既存の研究11と一致して、低密度培養はVW-SCの幹性の維持に有利であり、自己分化の可能性は経年とともに増加します。さらに、一部の血清は細胞の自己分化を誘導し、生物学的特性に影響を与える可能性があるため、培養中の血清の選択も重要です10。
Ca2+は、細胞の収縮、遊走、遺伝子発現、細胞増殖、アポトーシスなど、さまざまな細胞機能を制御する主要なセカンドメッセンジャーです9。これまでの報告8では、CD34+ VW-SCの基本的特性について簡単に説明していたが、本研究では、さらに、内部カルシウム貯蔵からのCa2+放出と、ATP、カフェイン、TGによる細胞外Ca2+の流入をそれぞれ検出した。ATPは、細胞内の主要なエネルギー通貨と見なされるだけでなく、伝達分子/シグナル伝達分子としても機能するヌクレオチドです。ATPは、SRからのIP3Rsを介したCa2+放出を活性化し、複数のダウンストリームターゲットの活性を調節します。したがって、ATPに対する細胞応答は、細胞22の機能状態を反映している可能性がある。カフェインは、RyRsを介した細胞内Ca2+放出を研究するための薬理学的プローブとして長い間使用されてきました。この研究では、ATPとカフェインの両方が細胞内Ca2+を急速に増加させ、細胞内Ca2+の上昇は1分以内にベースラインまでゆっくりと減少しました。さらに、SOCEは、ほとんどの非興奮性細胞および部分的に興奮性細胞に存在します。本研究では、TGはCD34+ VW−SCのCa2+-ATP酵素を抑制して、SRのCa2+枯渇を誘導し、外部からのCa2+流入を媒介する23。CD34+ VW-SCの細胞内Ca2+に対するATP、カフェイン、およびTGの影響は、以前の研究で報告された他の細胞と一致しています24,25、この研究で単離されたCD34+幹細胞は、正常な細胞内Ca2+放出および外部Ca2+流入シグナル伝達特性を有することを示唆しています。
本研究では、マウス大動脈および腸間膜動脈由来の機能性CD34+ VW-SCを効率的に培養します。VW-SCの研究は、血管リモデリングのメカニズムに関する重要な洞察を提供する可能性があります。より多くのマーカーを用いたプロトコルの開発とCD34+ VW-SCの機能研究により、心血管疾患におけるこれらの細胞の役割がさらに明確になります。細胞精製は、臓器の発生と成長の細胞および遺伝的基盤を掘り下げるための強力なツールとして機能します。MACS精製には、細胞濃縮を精製するための便利な方法であるという利点があります。RNAシーケンシング解析などの他の技術と組み合わせることで、生理学的および病理学的状況の両方で幹細胞の増殖、遊走、および分化の根底にある新しいメカニズムを明らかにする可能性があります12。このアプローチにより、幹細胞の基本機能を促進または阻害する生物学的因子、細胞外マトリックス成分、および低分子の系統的なスクリーニングが容易になります。このような研究を実施することで、機能喪失実験や機能獲得実験を行うユニークな機会が開かれ、最終的には心血管疾患の遺伝的基盤の理解を深めることに貢献します。この方法にはいくつかの制限もあります。例えば、血管壁のCD34+ 細胞の表現型および機能的不均一性のために、常在する血管CD34+ 細胞の特定の細胞内タイプを特定するためには、より多くのマーカーが必要になります。
著者には、開示すべき利益相反はありません。
この研究は、中国国家自然科学基金会(No.82070502、31972909、32171099)、四川省四川科学技術プログラム(23NSFSC0576、2022YFS0607)からの助成金によって資金提供されました。著者らは、細胞培養の支援について浙江大学のQingbo Xuに感謝し、著者らは南西医科大学のフローサイトメトリープラットフォームの科学的および技術的支援に感謝します。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2% gelatin solution | Sigma | G1393 | |
Anti-CD31 antibody | R&D | AF3628 | |
Anti-CD34 antibody | Abcam | ab81289 | |
Anti-c-kit antibody | CST | 77522 | |
Anti-FITC MicroBeads | Miltenyi Biotec | 130-048-701 | |
Anti-FITC MicroBeads MACS | Miltenyi Biotec | 130-048-701 | |
Anti-Flk- 1 antibody | Abcam | ab24313 | |
Anti-Ki67 antibody | CST | 34330 | |
Anti-PDGFRα antibody | Abcam | ab131591 | |
Anti-Sca- 1 antibody | Invitrogen | 710952 | |
CD140a (PDGFRA) Monoclonal Antibody (APA5), FITC | eBioscience Invitrogen | 11-1401-82 | |
CD31 (PECAM-1) Monoclonal Antibody (390), APC | eBioscience Invitrogen | 17-0311-82 | |
CD34 Antibody, anti-mouse, FITC, REAfinity Clone REA383 | Miltenyi Biotec | 130-117-775 | |
cell culture hood | JIANGSU SUJING GROUP CO.,LTD | SW-CJ-2FD | |
Centrifuge | CENCE | L530 | |
CO2 incubators | Thermofisher Scientific | 4111 | |
Confocal laser scanning microscope | Zeiss | zeiss 980 | |
DMEM High Glucose Medium | ATCC | 30-2002 | |
EBM-2 culture medium | Lonza | CC-3162 | |
FACSMelody | BD Biosciences | ||
FACSMelody™ System | BD | ||
Fetal bovine serum | Millipore | ES-009-C | |
FM-2 culture medium | ScienCell | 2331 | |
Fura-2/AM | Invitrogen | M1292 | |
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor Plus 488 | Thermofisher Scientific | A32731 | |
Leukemia inhibitory factor | Millipore | LIF2010 | |
Microscope | Olympus | IX71 | |
MiniMACS Starting Kit | Miltenyi Biotec | 130-090-312 | |
Penicillin-Streptomycin-Amphotericin B Solution | Beyotime | C0224 | |
Purified Rat Anti-Mouse CD16/CD32 (Mouse BD Fc Block) | BD Pharmingen | 553141 | |
Stereo Microscope | Olympus | SZX10 | |
TILLvisION 4.0 program | T.I.L.L.Photonics GmbH | polychrome V | |
VWF Monoclonal Antibody (F8/86) | Thermofisher Scientific | MA5-14029 | |
β-Mercaptoethanol | Thermofisher Scientific | 21985023 |
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