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Ficoll-Paque應(yīng)用解析:PBMCs分離中病人樣本的特殊性

來源:Cytiva(思拓凡) 更新時(shí)間:2025-05-14 19:00:14 閱讀量:197
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Ficoll-Paque密度梯度介質(zhì)組成及機(jī)理淺析

1968年,Boyum, A1,2開發(fā)了一種簡單快速的離心技術(shù),通過在Cytiva Ficoll PM400試劑中加入?Nyegaard & Co公司的IsoPaque(甲泛影酸鈉)3,制備成密度梯度介質(zhì),用于人外周血中單個(gè)核細(xì)胞(Peripheral Blood Mononuclear Cells,PBMCs)的分離,并逐漸測試用于不同物種4以及樣品來源,也就是Cytiva Ficoll-Paque密度梯度離心介質(zhì)的原型。

隨即1976年,Cytiva發(fā)布了即開即用型的Ficoll-Paque PLUS密度介質(zhì),由Ficoll PM400、泛影酸鈉、EDTA和水組成4。Ficoll PM400可以單獨(dú)購買,是由蔗糖與表氯醇共聚反應(yīng)產(chǎn)生的聚蔗糖,水溶性佳,粘度低從而利于樣品快速沉降,滲透壓低因此不影響細(xì)胞密度及生理狀態(tài)6。Ficoll-Paque的密度和滲透壓則主要由泛影酸鈉提供,其見光易分解,需避光保存。

Ficoll-Paque PLUS的主要性質(zhì):

密度:20℃,1.077±0.001 g/ml。

滲透壓:288-310 mOsm/kg。

內(nèi)毒素:LAL鱟試劑檢測,內(nèi)毒素很低(<0.12 EU/mL)。

無菌狀態(tài):灌裝后高壓蒸汽滅菌,121℃ F0最少15分鐘。

儲(chǔ)存條件:未開封狀態(tài)下,4-30℃可避光保存三年。開封后需保存在4-8℃。

根據(jù)斯托克斯定律,顆粒的沉降速率v,和顆粒直徑(d)、樣品密度(ρp)和溶液密度(ρl)之差成正比;與溶液的粘稠度(η)成反比。

當(dāng)不同細(xì)胞經(jīng)過同一密度離心介質(zhì),不同顆粒直徑和密度的細(xì)胞,沉降速率不同,從而被分開。

圖1:顆粒沉降速率公式7

Boyum, A等4根據(jù)多年文獻(xiàn)報(bào)道以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),繪制出外周血各個(gè)細(xì)胞組分的密度分布,如圖2。

按照密度從低到高排序依次為:單核細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、嗜堿性粒細(xì)胞、嗜中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、紅細(xì)胞,注意不同類型細(xì)胞均存在一定范圍內(nèi)的密度分布且存在交叉。

圖2:人外周血中細(xì)胞密度分布圖

將稀釋后的外周血或血細(xì)胞8,9小心地鋪到Ficoll-Paque PLUS密度梯度介質(zhì)上面,啟動(dòng)離心時(shí),上層血液中的細(xì)胞沉降至血液/Ficoll-Paque PLUS界面,從而和PM 400接觸。

在室溫下,F(xiàn)icoll PM 400可以有效的促進(jìn)紅細(xì)胞聚集,從而加速紅細(xì)胞的沉降,使其沉淀在管底5。根據(jù)密度差異,從下往上各層細(xì)胞分布依次為:紅細(xì)胞、粒細(xì)胞、Ficoll-Paque層、單個(gè)核細(xì)胞層、血漿層,如圖3。

其中研究最多的是單個(gè)核細(xì)胞層(mononuclear cells,MNCs),血液樣品即為PBMCs,包括單核細(xì)胞(monocytes)及淋巴細(xì)胞,離心后位于血漿與Ficoll-Paque層之間,也叫白膜層;部分客戶也會(huì)回收Ficoll-Paque PLUS層之下的組分,通過裂紅試劑去除紅細(xì)胞,回收粒細(xì)胞用于研究5

圖3:Ficoll-Paque密度梯度介質(zhì)用于外周血單個(gè)核細(xì)胞PBMCs的分離。左圖:將稀釋后的血液小心鋪在Ficoll-Paque密度梯度介質(zhì)上。

中間圖:離心后出現(xiàn)分層,單個(gè)核細(xì)胞出現(xiàn)在血漿與Ficoll-Paque層之間,也叫白膜層。

右圖:吸棄頂端的血漿或儲(chǔ)存?zhèn)溆?,用移液管等小心吸取回收白膜層?/span>

Ficoll-Paque密度梯度介質(zhì)應(yīng)用匯總

2005 年,Cytiva發(fā)布了Ficoll-Paque PREMIUM,密度和經(jīng)典的Ficoll-Paque PLUS同樣為1.077 g/mL。

Ficoll-Paque Premium是在嚴(yán)格控制的環(huán)境下生產(chǎn)的,符合ISO 13485:2003,符合歐盟委員會(huì)GMP 指南無菌藥品生產(chǎn)要求,依從美國藥典章節(jié)<1043>的相關(guān)規(guī)定,因此推薦用作臨床研究和細(xì)胞治療5,提供RSF法規(guī)支持文件。

為了拓展應(yīng)用,2007年12月Cytiva又發(fā)布了Ficoll-Paque PREMIUM 1.084和Ficoll-Paque PREMIUM 1.073。不同密度梯度離心介質(zhì)的應(yīng)用總結(jié),如表1。

表1:不同F(xiàn)icoll-Paque密度梯度離心介質(zhì)的應(yīng)用分類5

據(jù)此,智薈專線將分期為大家解讀Ficoll-Paque密度梯度離心介質(zhì)的不同應(yīng)用:

 1 

典型應(yīng)用的特殊情況:Ficoll-Paque分離”病人”外周血PBMCs的注意事項(xiàng)

 2 

Ficoll-Paque分離腫瘤浸潤淋巴細(xì)胞(TILs)

 3 

Ficoll-Paque分離循環(huán)腫瘤細(xì)胞(CTCs)

 4 

Ficoll-Paque PREMIUM 1.073用于分離人間充質(zhì)干細(xì)胞

Ficoll-Paque使用注意事項(xiàng)請參考微文:

智薈錦囊之細(xì)胞分離液Ficoll知多少?

PBMCs分離應(yīng)用中病人樣本的特殊性

本期,我們將首先為大家解讀人外周血PBMCs分離應(yīng)用中,病人樣本的特殊性。

在感染性疾病中,白細(xì)胞(包括單核細(xì)胞、淋巴細(xì)胞以及粒細(xì)胞)的特征性變化,對于研究發(fā)病機(jī)理及治療非常重要15。

以膿毒癥為例,根據(jù)2016年國際共識(shí)16,膿毒癥被定義為由感染引起的宿主反應(yīng)失調(diào),造成危及生命的器官功能障礙。其發(fā)病機(jī)理尚未完全明確,免疫病理學(xué)研究對其分子內(nèi)型界定、發(fā)展新的治療策略以及患者護(hù)理至關(guān)重要17 ,這其中,外周血PBMCs樣本必不可少。

2008年,EricaL. T. van den Akker等18研究了使用Ficoll-Paque PLUS(1.077 g/mL)分離健康人和膿毒癥病人血液中白細(xì)胞的典型特征。樣品來自4位健康人(無急性和慢性疾病,年齡51、36、21、3歲)和3位膿毒癥病人(診斷24小時(shí)內(nèi)取樣,不含嗜中性白血球減少癥及免疫抑制療法樣本),如表2。

表2:3位病人樣本概況。三者的白細(xì)胞數(shù)量均有上升,尤其是病人1。從分化數(shù)據(jù)來看,淋巴細(xì)胞都有不同程度的降低。均有未成熟粒細(xì)胞-桿狀核細(xì)胞(band cells)和髓細(xì)胞(myelocytes)的出現(xiàn)13

參考Ficoll-Paque PLUS標(biāo)準(zhǔn)操作流程,使用肝素抗凝管(直徑10 mm)采集5 mL新鮮血液,生理鹽水進(jìn)行2倍稀釋,小心地鋪到10 mL Ficoll-Paque PLUS溶液上。20℃,400 g離心20 min。取白膜層即獲得單個(gè)核細(xì)胞,包括單核細(xì)胞和淋巴細(xì)胞;回收Ficoll-Paque以下細(xì)胞層,加入10 mL氯化銨裂紅試劑,冰上30 min裂解紅細(xì)胞,獲得粒細(xì)胞。

二者均使用生理鹽水離心(850 g,5 min)清洗兩次,臺(tái)盼藍(lán)染色顯示活細(xì)胞比例高于95%。  將分離得到的白膜層MNCs及底層粒細(xì)胞,使用anti-CD14以及anti-CD45抗體進(jìn)行標(biāo)記,并進(jìn)行流式細(xì)胞術(shù)(FACS)分析。

結(jié)果如圖1所示,左側(cè)為1位健康人樣本(無任何急性和慢性疾?。覀?cè)為膿毒癥病人1的樣本。相對于健康人,病人樣本在中間白膜層(interface)出現(xiàn)了明顯的粒細(xì)胞(R3)污染。 

圖4:健康人以及膿毒癥病人(分別取一個(gè)血樣)流式細(xì)胞術(shù)結(jié)果圖。使用Ficoll-Paque PLUS 1.077分離白膜層外周血單核細(xì)胞(interface,圖a)以及底部粒細(xì)胞(bottom fraction, 圖b,已裂紅),anti-CD14以及anti-CD45抗體進(jìn)行標(biāo)記。

R1:橘色,CD45-,如血小板或紅細(xì)胞。

R2:綠色,CD14+,單核細(xì)胞。

R3:粉色,CD45弱陽,粒細(xì)胞。R4:藍(lán)色,CD45強(qiáng)陽,淋巴細(xì)胞。

將4位健康人和3位病人樣本的流式結(jié)果匯總后,分析白膜層和底層的細(xì)胞分布及比例,如圖5。

圖5:4位健康人和3位病人血樣,使用Ficoll-Paque PLUS 1.077分離白膜層外周血單核細(xì)胞(interface,圖a)以及底部粒細(xì)胞(bottom fraction, 圖b,已經(jīng)過裂紅處理)后,進(jìn)行FACS檢測, 計(jì)算得到不同類型細(xì)胞的百分比。4位健康人取平均值作為control。

灰色:淋巴細(xì)胞;藍(lán)色點(diǎn):單核細(xì)胞;

白色:粒細(xì)胞。

結(jié)果顯示:

白膜層MNCs:健康人樣本中含有88-100%的MNCs,只有0-12%(Ave. 11%)的粒細(xì)胞。但是,病人樣本中含有11–52%單個(gè)核細(xì)胞MNCs以及48–89%(Ave. 62%,p=0.007)的粒細(xì)胞,并具有個(gè)體差異12

管底部分離到的粒細(xì)胞純度高,且在健康人(92–98%)和病人(97–99.8%)之間無顯著差異,可以用于后續(xù)研究。

通過Cytospin實(shí)驗(yàn),將單層細(xì)胞沉積到載玻片上,使用May-Grünwald-Giemsa染色(MGG染色),顯微鏡下檢測白細(xì)胞分化,一方面佐證了FACS的結(jié)果,另外發(fā)現(xiàn),膿毒癥病人白膜層以及管底部分離的粒細(xì)胞,均含有未成熟的粒細(xì)胞,即4-21%的桿狀核細(xì)胞和髓細(xì)胞,其余為成熟的多形核粒細(xì)胞(Polymorphonuclear Leukocytes, PMNs)。

相反地,健康人樣品中,則只有成熟的PMNs,基本沒有檢出未成熟形態(tài)粒細(xì)胞15或比例非常低(0.4 – 1.6%)17。對于成熟粒細(xì)胞的分離,CD16和CD11b作為常用標(biāo)記物,可用于磁珠分選19。

綜上,在病人樣品中,一方面膿毒癥造成淋巴細(xì)胞絕對數(shù)量的減少,即膿毒癥相關(guān)的淋巴細(xì)胞減少癥(SALT)17;另一方面由于疾病誘導(dǎo)的應(yīng)力反應(yīng),部分粒細(xì)胞為未成熟狀態(tài),密度較低而停留在白膜層中。

因此,造成白膜層粒細(xì)胞污染較多,單個(gè)核細(xì)胞比例顯著降低。在動(dòng)物中也有類似情況,豬瘟也會(huì)造成Ficoll-Paque分離的豬血液樣本中,白膜層中出現(xiàn)未成熟粒細(xì)胞的污染20。

由于未成熟粒細(xì)胞的大小和密度有差異,它們通過Ficoll密度介質(zhì)的行為不同3,較難通過密度梯度進(jìn)一步分離。

2010年

Sergey N Preobrazhensky等21發(fā)現(xiàn),將10例健康人的血液先使用氯化銨裂紅,剩余的白細(xì)胞程序降溫并冷凍保存在-80度,3個(gè)月后進(jìn)行密度梯度分離,白膜層中有明顯的粒細(xì)胞污染。使用anti-CD15抗體進(jìn)行FACS分析,發(fā)現(xiàn)每例冷凍白細(xì)胞樣本中,粒細(xì)胞CD15抗原表達(dá)均顯著高于MNCs。后續(xù),作者嘗試將冷凍后的樣本先使用anti-CD15磁珠孵育,再進(jìn)行分離,則白膜層幾乎沒有粒細(xì)胞。

作者建議類似操作推廣到其它白膜層會(huì)出現(xiàn)粒細(xì)胞污染的樣品中,包括前述膿毒癥患者以及熱力燒傷(白膜層有40%粒細(xì)胞污染)22等病人樣品,以及長時(shí)間室溫保存血樣中23,24。類似問題還出現(xiàn)在慢性感染9,25,26、自身免疫性疾病27、病毒感染(如COVID-19)33、健康妊娠人群28中,都發(fā)現(xiàn)有更低密度的粒細(xì)胞存在。

CD15也是中性粒細(xì)胞的分子標(biāo)記,在中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞表面以及部分單核細(xì)胞表面都有表達(dá)。

2021年

Judith Schenz等17證實(shí),使用密度梯度介質(zhì)分離膿毒癥病人外周血PBMCs后,通過anti-CD15磁珠分選可以有效去除白膜層中的低密度粒細(xì)胞,其表現(xiàn)為未成熟的中性粒細(xì)胞特征18并具有?髓源性免疫抑制功能,且在重癥患者中比例更高29

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí),anti-CD15磁珠分選不影響剩余PBMCs的功能,如細(xì)胞表面CD分子表達(dá)、線粒體超氧化物ROS表達(dá)(細(xì)胞沒有被進(jìn)一步活化)、單核細(xì)胞表面 HLA-DR表達(dá)(抗原遞呈功能)、刺激后細(xì)胞因子分泌。

Cytiva細(xì)胞治療整體解決方案

通過Ficoll-Paque密度梯度離心介質(zhì),從健康人或病人樣本中分離得到的PBMCs細(xì)胞,還可以進(jìn)一步使用磁珠或流式分選、細(xì)胞因子刺激、貼壁培養(yǎng)等方法篩選特定的細(xì)胞類型,如T淋巴細(xì)胞30、NK細(xì)胞31,32等。

Cytiva提供自動(dòng)化、全封閉、符合GMP要求的全流程解決方案,如圖6:

搭配Ficoll-Paque密度梯度介質(zhì),全自動(dòng)、封閉細(xì)胞處理系統(tǒng)Sepax C-Pro,可用于細(xì)胞分離富集、磁珠孵育、病毒離心感染、細(xì)胞濃縮,洗滌、稀釋和分裝,適用于小于1 L樣品。

2024年上市的Sefia Select系統(tǒng):整合了Sefia S-2000系統(tǒng)(類似Sepax C-Pro,增加了溫控和取樣模塊,單次最大處理量可達(dá)10 L)以及磁力分離模塊, 實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分離富集、磁珠孵育與分選、細(xì)胞收獲與制劑分裝自動(dòng)化。

2024年上市的Sefia expansion系統(tǒng),用于細(xì)胞的激活、轉(zhuǎn)導(dǎo)和擴(kuò)增培養(yǎng)。同時(shí),Cytiva還推出了開創(chuàng)性的ELEVECTA穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系,用于AAV的生產(chǎn)。

用于免疫細(xì)胞大量擴(kuò)增的Xuri W25波浪式生物反應(yīng)器,培養(yǎng)體積300 mL-25 L,低剪切力,可灌流。

用于細(xì)胞復(fù)蘇的VIA Thaw,用于程序性降溫冷凍的VIA Freeze。

HyClone經(jīng)典培養(yǎng)基、Xuri T細(xì)胞擴(kuò)增培養(yǎng)基以及Xuri IL-2、IL-15、IL-21生長因子。

Chronicle自動(dòng)化軟件,為全自動(dòng)云端管理系統(tǒng),幫助實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)。

圖6:Cytiva細(xì)胞治療整體解決方案

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參考文獻(xiàn)

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