细胞外囊泡在生理和病理过程中发挥重要作用,包括凝血、免疫反应以及癌症,也可作为药物递送或再生医学中潜在的治疗剂。本方案介绍了利用可调电阻脉冲传感技术对多种液体中已分离和未分离的细胞外囊泡进行定量和粒径表征的方法。
细胞外囊泡在生理和病理过程中发挥重要作用,包括凝血、免疫反应以及癌症,也可作为药物递送或再生医学中潜在的治疗剂。本方案介绍了利用可调电阻脉冲传感技术对多种液体中已分离和未分离的细胞外囊泡进行定量和粒径表征的方法。
细胞外囊泡(EVs),包括“微囊泡”和“外泌体”,在体液中含量丰富。近年来,人们对细胞外囊泡的研究兴趣显著增长。研究表明,细胞外囊泡在多种生理和病理过程中发挥重要作用,如凝血、免疫反应以及癌症。此外,细胞外囊泡具有作为治疗剂的潜力,例如用作药物递送载体或再生医学中的工具。由于其体积微小(50 至 1,000 nm),对细胞外囊泡进行精确的定量和粒径分析在技术上具有挑战性。
本方案描述了如何利用qNano系统中的可调电阻脉冲传感(tRPS)技术来测定细胞外囊泡(EVs)的浓度和大小。该方法基于EVs通过纳米级孔道时的检测信号,具有操作快速、所需样本量小等优点,且无需对EVs进行纯化或浓缩。除常规操作流程外,本文还介绍了一种替代方法,即使用已知大小和浓度的聚苯乙烯微球掺入样本进行检测。这种实时校准技术可用于克服在生物液体中直接测量EVs时遇到的技术难题。
源自细胞的囊泡在体液中含量极为丰富1。这些被称为细胞外囊泡(extracellular vesicles, EVs)的结构,大小在50–1,000 nm之间,可通过多泡体与细胞膜融合形成,也可由细胞膜直接向外出芽产生。近年来,科学界对EVs的兴趣显著增加,涌现出大量以EVs为核心的研究论文,不断揭示其新的功能与特性1。目前认为,EVs参与多种生理和病理过程,如信号转导、免疫调节以及血液凝固1–4。在癌症中,EVs似乎在前转移微环境的形成5,6、促癌物质的转移7,8以及血管生成的刺激8中发挥重要作用。此外,EVs还被探索作为治疗剂的递送载体9。
尽管取得了这些进展,细胞外囊泡(EVs)的可靠定量仍然具有挑战性。传统上采用间接定量方法,这些方法依赖于对总蛋白含量或特定蛋白的定量。尽管这些技术被广泛使用,但它们无法考虑每个EV所含蛋白的差异,也不能区分污染的蛋白聚集体与EV内的蛋白。此外,这些技术需要分离EV,这在许多情况下使得生物样本中EV浓度的比较无法实现。
因此,研究人员致力于开发新型方法,以实现对细胞外囊泡(EV)更精确、更直接的测量10。本报告介绍了采用可调电阻脉冲传感技术(tRPS)对EV进行可靠定量和粒径分析的方法。
目前,qNano 仪器(图 1a)是唯一 commercially available 的 tRPS 平台。在 tRPS 中,一张带有纳米级孔道的非导电弹性膜将两个液体腔室分隔开。其中一个腔室中加入待测样品,而另一个腔室则加入无颗粒的电解质溶液。通过施加电压,形成离子流/电流,当颗粒穿过孔道时,该电流会发生改变(图 1b)。这种电流阻断(“电阻脉冲”)的幅度与颗粒的体积成正比11(图 1c)。阻断持续时间可用于评估颗粒的 zeta 电位,其依赖于颗粒的电荷或形状等特性12。通过将未知颗粒引起的电阻脉冲与已知直径的标准校准颗粒产生的电阻脉冲进行比较,可实现对未知颗粒的尺寸分析。除了阻断事件的幅度外,还测量其发生频率。该计数率取决于颗粒浓度。由于浓度与阻断频率呈线性正比关系13,因此使用一种已知浓度和粒径的校准样品,即可测定未知样品的浓度14和粒径分布11。
粒子通过纳米孔的运动由电动力学(电泳和电渗)力和流体力共同决定15。通过使用可变压力模块(VPM),可在流体池之间施加压力差,从而引入额外的作用力。施加正压可提高粒子的通过速率,在粒子浓度较低时尤为有利。此外,压力还可用于减弱电动力学力的影响。这一点在使用相对孔径较小的纳米孔(如常用于检测细胞外囊泡EV的NP100、NP150及可能的NP200)时尤为重要。对于这些纳米孔,即使施加显著压力,电动力学力仍可能因粒子表面电荷的不同而不可忽略16。通过在多个压力条件下测量粒子通过速率,可计算出经电动力学校正的、因而更为准确的EV浓度。
本文提供了用于确定细胞外囊泡(EVs)尺寸分布和浓度的详细实验方案。除常规操作流程外,还描述了一种替代方法,即在样品中加入已知尺寸和浓度的聚苯乙烯微球进行加标17。这种实时校准技术可用于克服在直接检测尿液、血浆、细胞培养上清液等生物流体中的EVs时所遇到的部分技术难题,或在长时间测量过程中无法保证纳米孔稳定性的挑战。
1. 标准操作规程
1.1 仪器设置与样品准备
1.2. 确定测量的最佳设置
注意:在开始记录之前,必须建立最佳的测量参数。粒子通过纳米孔时引起的阻断幅度取决于施加的拉伸力和电压。为了获得可靠的测量结果,RMS 噪声应<10 pA,且阻断幅度的众数应>0.1 nA。
1.3 校准颗粒的测量、上清液流路池的清洗及样品测量
1.4 数据分析
2. 替代方案——使用校准微球对样本进行加标
注意:通常情况下,标准操作程序适用于分离后的EVs。当处理含有大量蛋白质聚集体的生物样本中的非分离EVs或受污染的分离EV制备物时,仪器操作可能具有挑战性。这些挑战主要包括纳米孔阻塞率高(基线电流突然下降)、无法将基线电流恢复至校准测量值的3%范围内,或相同样本之间的颗粒计数率存在显著差异(图3a)。针对表现出上述困难的样本,已开发出一种用于定量EVs的替代方案17。该方法依赖于将较大的聚苯乙烯校准微球引入待测样本中(图3b)。下文将详细讨论该替代方案的具体操作步骤。
2.1. 样品制备
注意:使用替代方法制备样品时,应建立约1:1的细胞外囊泡(EV)与微珠比例。此外,必须包含一个“仅校准微珠”样品,以便准确“设门”校准微珠,并确定缓冲液中背景颗粒(例如蛋白质聚集体)的数量。
2.2. 样品测量
2.3. 数据分析
注意:使用替代方案时,仅使用 Izon Control Suite 软件不足以完成浓度计算,还需额外的电子表格软件。表1列出了图3所示样品浓度计算的一个示例。
2.4. 可选:使用替代方法测定EV的尺寸分布。
使用 tRPS 仪器时,需将一个非导电的纳米孔放置在仪器的四个臂上(图 1a),并施加电压(图 1b)。当建立稳定的电学基线电流后,颗粒通过纳米孔时引起的电阻脉冲将被检测到,如图 1c所示。
通过超速离心法从胶质母细胞瘤细胞系 U87-MG/EGFRvIII 的细胞培养上清中纯化出细胞外囊泡(EVs)。在 NP100 纳米孔上检测分离的 EVs 时,可观察到稳定的粒子速率图(图 2a),而可靠的 EVs 浓度测量必须具备这一稳定的粒子速率图。将 EVs 样品的记录与 115 nm 聚苯乙烯校准微球的记录配对后,即可获得 EVs 样品的粒径分布(图 2b)和浓度估算结果(数据未显示)。
EVs 还在胶质母细胞瘤细胞培养上清液中进行了直接定量。在对生物样本中的 EVs 进行测量时,纳米孔堵塞常导致粒子速率图出现中断和/或波动图3a这会导致EV浓度估算不准确。通过向样本中添加已知浓度和尺寸的聚苯乙烯微球,可确定EV与微球的比例。 图 3b 展示了在细胞培养上清液中加入粒径为335 nm的聚苯乙烯微球后获得的结果。观察到两个明显的群体:引起小于0.46 nA阻断电流的颗粒被确定为细胞外囊泡(EVs),较大的颗粒被确定为聚苯乙烯微球。通过EVs与聚苯乙烯微球的比例用于计算EVs的原始浓度(表1). 图 3c 基于掺入的聚苯乙烯微球对两个群体的大小进行估算。所使用的纳米孔装置实现了对细胞外囊泡(EVs)的检测 >140 纳米大小。通过减小纳米孔开口可进一步降低此值,但同时也会导致更多的堵塞事件。

图 1:qNano 仪器及其工作模式。(A) 仪器照片。仪器上放置有一个纳米孔,将下部液池与上部液池分隔开。屏蔽帽可使液池免受环境电磁干扰。(B) 可调电阻脉冲传感(tRPS)示意图。一个非导电的弹性纳米孔将两个液池分隔开。通过施加电压,可在纳米孔上的穿孔中形成电流。当细胞外囊泡通过纳米孔时,离子流发生变化,并被检测为电阻脉冲。在 tRPS 中,可通过增加或减小仪器相对臂之间的距离来拉伸纳米孔,从而调节(缩小或扩大)纳米孔的开口尺寸。(C) 电阻脉冲的示意图例。单个电阻脉冲的幅度与颗粒体积成正比:较大的脉冲表示较大的颗粒。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:通过测量 U87-MG/EGFRvIII 细胞培养上清液中分离的细胞外囊泡(EVs)所获得的颗粒计数图和粒径分布图。 (A) 颗粒计数图显示颗粒检测总体保持恒定。在记录的 80 至 100 秒之间观察到颗粒检测的短暂减少。暂停记录并轻敲屏蔽盖后,颗粒速率恢复稳定,随后继续记录。(B) 在将未知样品(EVs)校准至 115 nm 聚苯乙烯校准微球后绘制出分离 EVs 的粒径分布图(5 nm 为一区间)。请点击此处查看该图的高清版本。

图 3:使用替代方案通过tRPS定量分析细胞培养上清液中的细胞外囊泡(EVs)。(A) 直接在生物流体中检测EVs时获得的典型颗粒速率图。孔道堵塞会导致颗粒检测速率出现短暂中断和波动。每张图代表同一样品的重复测量结果。(B) 在细胞培养上清液中加入335 nm聚苯乙烯校准微球后获得的三次重复尺寸分布图。所有引起小于0.46 nA电阻脉冲的颗粒均被选为EVs。(C) 加入的聚苯乙烯微球可用于获取样品的尺寸分布图。(5 nm为一个尺寸区间)。请点击此处查看该图的高清版本。
| 测量项目 | 仅校准 #1 | 仅校准 #2 | 上清液 #1 | 上清液 #2 | 上清液 #3 |
| 平均电流 (nA) | 117 | 120 | 116 | 118 | 120 |
| 颗粒速率 | 172 | 194 | 250 | 246 | 196 |
| 使用的阈值 (nA) | 0.46 | 0.46 | 0.46 | 0.46 | 0.46 |
| 总颗粒数 | 303 | 317 | 489 | 488 | 454 |
| 细胞外囊泡 | 3 | 1 | 213 | 215 | 213 |
| 添加的校准微球 | 300 | 316 | 276 | 273 | 241 |
| 细胞外囊泡/校准微球 | 0.01 | 0.003 | 0.772 | 0.788 | 0.884 |
| 样品 - 背景 | 0.765 | 0.781 | 0.877 | ||
| 细胞外囊泡 (107)/ml | 7.14 | 7.29 | 8.18 | ||
| 样品稀释 2.5 倍 | |||||
| 原始浓度 细胞外囊泡 (107)/ml | 17.85 | 18.22 | 20.46 |
表1:使用替代方案计算细胞外囊泡(EV)浓度的示例。通过设定阈值以区分EV与校准微球。随后可获取EV和微球的总数。对每次测量计算EV与微球的比值。通过计算“仅校准微球”样本各次测量EV-to-bead比值的平均值,得出电解液中背景颗粒(例如蛋白聚集体)的数量。对每个样本,从测得的比值中减去该背景比值。将校正后的比值乘以样本中校准微球的浓度(本示例中:9.33e7/ml)。为确定EV的原始浓度,将所得浓度再乘以EV的总稀释倍数(本示例中:2.5)。
本论文所述方案提供了利用tRPS对细胞外囊泡(EVs)进行定量和粒径表征的方法。tRPS平台的主要优势在于所需样本量小、测量时间相对较短,且无需对样本进行复杂处理。
准确进行tRPS测量的前提是在校准和样品测量之间保持条件一致。这包括使用相同的缓冲液以及相同的仪器设置,例如纳米孔尺寸、电压和施加的压力。原始的VPM缺乏精确设定施加压力的机制,从而导致不同样品间施加的压力存在微小差异。此外,在不同时间点进行测量时,VPM中引液的蒸发可能引起微小的压力变化,因此需要频繁重新引液。这些局限性可能已通过VPM2的引入得到解决,VPM2采用基于点击的刻度调节,并以气压为驱动基础。
本文所述的替代方案特别适用于未纯化生物样本中细胞外囊泡(EVs)的检测17。我们认为,缓冲液中的组分(如糖类、脂质、蛋白质及其他较大碎片)在某些情况下可能对检测条件产生过大影响,导致标准方案无法适用。通过在样本中直接加入校准微球,而非比较两次独立测量结果,可实现“实时校准”。当比较具有不同或未知流体背景成分的样本(例如 不同供体的血浆)时,该方法尤为适用。尽管细胞外囊泡与聚苯乙烯颗粒之间存在差异(例如 颗粒密度和表面电荷),但理论模型和实验数据均表明,在施加足够压力的前提下,聚苯乙烯微球可用于细胞外囊泡的定量和粒径分析15,19。为尽量减少电动力学效应的影响,建议使用相对较大的NP150/NP200纳米孔并施加显著的正压力。
通过尺寸区分EVs与校准微珠。因此,需施加拉伸以打开纳米孔,使其直径达到可同时检测EVs和较大校准颗粒的水平。由于孔径的扩大将降低对较小颗粒的检测灵敏度,因此仅记录大于特定尺寸的EVs(通常在使用335 nm校准微珠时,EVs >120 nm)。当在NP150纳米孔上使用203 nm校准微珠时,EVs的最低检测限可降低至约90 nm。然而,若较大的EVs频繁导致纳米孔堵塞,则该设置可能不可行。此类阻塞性EVs的存在可能迫使采用另一种设置,即一部分尺寸过小而无法达到检测阈值的EVs群体将无法被检测到。
当尝试测量尺寸小于100 nm的颗粒时,系统的操作难度会增加。在这种情况下,可通过提高电解质的盐浓度来改善检测效果。离子浓度的增加将导致小颗粒产生相对更大的阻塞信号(更高的信噪比)。然而,该技术用于细胞外囊泡(EVs)测量的可行性仍需验证,因为盐浓度的升高可能会影响EVs的体积。
综上所述,tRPS 平台可用于细胞外囊泡(EVs)的直接定量和尺寸表征。由于无需进行分离或对 EV 进行操作(如抗体结合或荧光标记),该平台适用于生物液体中 EV 的直接定量。本文还提供了一种替代方案,适用于因缓冲液成分导致严重孔道堵塞、从而无法可靠使用标准方案的样本。
本方案的制定及本文的撰写部分得到了荷兰脑基金会、Schumacher Kramer基金会和Bohnen基金的经济支持。本视频文章的制作部分由Izon资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| qNano 仪器 | Izon Science Ltd. | N/A | |
| 可变压力模块 | Izon Science Ltd. | N/A | |
| 纳米孔 | Izon Science Ltd. | NP100, NP200 | 纳米孔的选择取决于目标颗粒。针对不同尺寸的目标颗粒,可选用不同的纳米孔。 |
| 校准颗粒 | Izon Science Ltd. | CPC100, CPC200, CPC400 | 校准颗粒提供多种尺寸。 |
| 超声波清洗槽 | 多种可选 | 基本的超声波清洗槽即可满足要求 | |
| (小型)涡旋振荡器 | 多种可选 | ||
| 无残留擦拭纸 | 多种可选 | ||
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | 多种可选 | ||
| 基于 Windows 系统的计算机 | |||
| Izon 控制套件 2.2 | Izon Science Ltd. | N/A | |
| 电子表格软件 | 多种可选 | N/A |
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可