定量和大小分析外囊泡的使用可调电阻脉冲检测

Summary

外囊泡发挥生理和病理过程，包括凝血，免疫应答和肿瘤或在药物递送或再生医学作为潜在治疗剂的重要作用。该协议提出了在采用可调电阻脉冲检测各种流体隔离和非隔离外囊泡的定量和大小的表征方法。

Abstract

外囊泡（EVS），其中包括"微泡"和"外来"，是体液非常丰富。近年来，两国在电动汽车的兴趣大幅增加。电动车辆已经显示出在各种生理和病理过程，包括凝血，免疫应答和肿瘤起着重要的作用。此外，电动汽车具有潜在的治疗剂，例如作为药物递送载体或作为再生医学。由于其体积小（50〜1000纳米）的准确定量和电动车的尺寸分析在技术上具有挑战性。

这个协议描述了如何可调电阻脉冲感测（的TRP）技术，采用了qNano系统，可以被用于确定电动车辆的浓度和大小。的方法，该方法通过一种纳米尺寸的细孔依赖于它们的传输电动车辆的检测，是比较快的，足以使用小体积的样品，并且不需要的PURification和电动汽车的浓度。旁边的正常运行协议的另一种方法是使用描述样品加入已知大小和浓度的聚苯乙烯珠粒。直接在生物流体测量电动汽车时，这种实时校准技术可用于克服技术障碍遇到。

Introduction

从细胞起源囊泡体液¹非常丰富。这些所谓的胞外囊泡（电动车）（50 - 在大小为1000nm）由任一融合多泡体与细胞膜或细胞膜的直接向外出芽形成。近年来，在电动汽车科研的兴趣大大增加，从而导致过多的电动汽车为重点的出版物，其中新的功能和电动车的特征进行了描述^1。现在电动车被认为是参与生理和病理过程，如信号转导，免疫调节等血液凝固^1-4浩如烟海。在癌症，电动车似乎在转移前龛^5,6，转移亲癌变内容^7,8血管⁸的和刺激的形成的作用。除此之外，电动车进行了探讨，作为治疗药物⁹投递代理。

尽管有这些德velopments，电动汽车的可靠的定量仍然具有挑战性。传统上，间接量化方法被使用，它依赖于总蛋白含量或特定蛋白质的定量。尽管广泛使用，这些技术不占蛋白质每EV的差异，也污染蛋白聚集体和蛋白质电动车之间造成歧视。此外，这些技术都需要隔离电动车辆，这在许多情况下，使EV浓度的生物样品中的比较是不可能的。

因此，努力着手开发新的方法，让更多的精确和直接的EV测量^10。这份报告描述了可调电阻脉冲感应（跨国激进党）的可靠的定量和电动汽车的规模纹。

目前，qNano仪（ 图1a）是跨国激进党市面上唯一平台。中的TRP，非导电性弹性膜间断无线个纳米大小的孔被分隔两个流体细胞。一流体细胞填充有感兴趣的样品，而其他细胞填充有颗粒的无电解质。通过施加电压，离子流/电流被建立，其在颗粒的通孔的转移改变（ 图1b）。这个电流阻断（'电阻脉冲'）的幅度正比于粒子^11（ 图1c）的量。封锁时间可以用来评估的ζ-电势的颗粒，这依赖于颗粒的特性，如电荷或形状^12。未知粒子的大小仿形可以通过比较所引起的未知粒子与具有已知直径所造成的校准微粒的电阻脉冲电阻脉冲来进行。除了封锁事件的严重程度，这其中发生率进行测量。这计数率热力ES上的粒子浓度。由于浓度和封锁的速率是线性比例^13中 ，使用单个校准样品与已知浓度和粒径的颗粒允许浓度¹⁴和未知样品的粒度分布¹¹的测定。

颗粒通过纳米孔的运动由电kinetic-（电泳和电渗透）和流体力¹⁵确定。通过使用可变压力模块（VPM）的流体单元之间的压力差可以被诱导作为一个额外的力。施加正压力增加粒子的流动速率，这可能是有益的，当粒子浓度低。此外，压力可被施加以减少电动力学力的作用。使用纳米孔具有相对小的孔隙直径时，这一点尤为重要（NP100，NP150和NP200可能），为经常用于电动汽车的检测。这些纳米孔，施加显著压力即使当，电动力学的力可以根据粒子的表面电荷，仍不可忽视^16。通过测量颗粒速度在多重压力，一个电 - 动力学校正，从而更准确地，EV浓度可以计算出来。

在这里，提供详细的协议来确定电动车的尺寸分布和浓度。旁边的常规操作协议，另一种方法被描述，其中样品加入已知大小和浓度¹⁷的聚苯乙烯珠粒。这种实时校准技术可用于克服一些技术挑战直接在生物体液，如尿，血浆和细胞培养上清，或测量电动汽车时遇到当纳米孔的比的测量很长一段时间的稳定性不能保证。

Protocol

1，标准工作协议

1.1仪器设置和样品制备

1. 将仪器连接到一台计算机安装了IZON控制套件软件。
2. 选择要使用的纳米孔尺寸:对电动汽车ÂNP150（目标尺寸范围85 - 300毫微米）的大小和浓度测量或NP200（目标尺寸范围为100 - 400纳米）是最常用的。当与已使用的协议，涉及搬迁的大型电动车，例如通过使样品通过220纳米过滤器分离出电动汽车的工作中，NP100孔（目标尺寸范围70 - 200纳米）都可以使用。当与电动汽车在生物样品或电动汽车使用不同的协议离体工作时，NP200可以使用，因为它会堵塞较少。其它纳米孔如NP300（目标尺寸范围150 - 600纳米）或NP400（目标尺寸范围200 - 800纳米），或者甚至更大的孔洞，可用于较大型电动汽车。
3. 选择聚苯乙烯CALIBR通报BULLETIN颗粒配合步骤1.1.2选择的纳米孔。对于NP100，NP150和NP200纳米孔使用CPC100，CP100及CPC200颗粒，分别为。对于尺寸准确估计，保证校验颗粒具有类似大小的未知粒子。
4. 以确保均匀的校准微粒，涡流短时间（30秒）。任选地，应用超声处理以除去聚集物。
5. 在至少40微升的体积稀释的校准微粒在PBS中的目标浓度。注意:目标浓度变化的基础上，在步骤1.1.2中选择的纳米孔。靶浓度附带的纳米孔。
6. 应用，直接在下层液体电池取出78微升PBS;施加电解质的下部流体细胞时，当纳米孔是在位置这润湿的下部流体细胞的减少纳米孔下的气泡形成的危险。
7. 将纳米孔到4臂仪器。使用数字测径器测量两个相对臂之间的距离，并进入在毫米的距离变成了"拉伸"的输入字段，并单击"校准信号展宽"来校准纳米孔伸展。
8. 伸展纳米孔到47毫米，通过转动侧轮和因此增加了仪器的相对的臂之间的距离，重新应用78微升PBS中，以较低的流体单元之前。
   注:电气干扰会大大影响测量结果的质量。当使用笔记本电脑运行IZON控制套件软件，请确保笔记本电脑使用接地插座和插头连接到电网。手机保持在接近仪器也可以是电干扰源。电气干扰，观察基线电流不断重复的峰，常与均方根（RMS）噪声> 10 pA的。
   注:几乎所有的缓冲区可以用来稀释校准颗粒和电动汽车的跨国激进党characteri矩阵特殊积。盐的存在是为建立一个电流的一个先决条件。对于电动车的测量使用PBS作为缓冲。校准颗粒应该总是在相同的缓冲液稀释作为电动汽车，以确保精确的测量。

1.2。确定测量的最佳设置

注:拍摄前，它建立最佳的测量设置是非常重要的。造成的颗粒穿过纳米孔封锁大小是依赖于所施加的拉伸和施加的电压。对于可靠的测量RMS噪声应<10 PA和模式封锁幅度应> 0.1呐。

1. 将上液细胞和屏蔽笼上的纳米孔，并在上部流体细胞引入40微升稀释的校准微粒。使用VPM申请≥0.8千帕的正压。
2. 减少应用舒展慢慢地向44毫米同时分析造成校准封锁事件颗粒。注意:当通过纳米孔减小孔径的颗粒的运动将不太可能，因此，粒子速度将减小。然而，由于孔隙的增加相对的封锁将发生较大的封锁事件导致改进的信号与噪声的比值。增加的电压可进一步提高封锁大小也可以增加RMS噪声。
3. 减少拉伸，直到相应的阻断事件（ 图1c）在"信号跟踪"面板中观察到。 （模式> 0.1 NA）和相应的粒子速度> 100 /分钟。注意:粒子速度是一个不太严格的截止，但是作为至少500个颗粒的测量是理想的，<100 / min的粒子速率将导致记录的至少5分钟的持续时间。粒子速率比2000 /分高可导致不准确的测量值（如果存在的话，样品稀释液，应执行）。

1.3测量校准颗粒的UPER流体单元和采样测量洗衣机

1. 在从胶质母细胞瘤细胞系U87-MG / EGFRvIII的的细胞培养物上清液本条电动车的特征。这些电动车辆的分离和制备以前已描述和可视化^18。
2. 将校准颗粒在上部流体细胞。申请使用VPM和记录> 500个颗粒的压力（例如0.8千帕）。
3. 如果执行多测量压力，增加所施加的压力（例如，以1.0千帕）和记录的第二校准文件。注:至少0.2千帕的差异是必需的。
4. 除去从上液细胞的校准样品。洗上部流体细胞3次，用100μl的PBS中，以除去残留的颗粒。引入样品进入上部液细胞前，用无绒组织，从上液细胞除去任何残余的PBS中。
5. 将样品引入到上部流体细胞。确保基线电流在测量校准颗粒时所观察到的基线电流的3％。如果未在3％以内，适用如下所述，以稳定的基线电流的策略。适用的确切压力作为施加到校准微粒和记录样品的文件。
   注意:粒子速度曲线应显示恒定的粒子检测（ 图2a）。如果粒子探测，在基准电流突然下降，或RMS噪声突然增大的突然中断，孔可能堵塞;因此，暂停录制。为了恢复基准，水龙头或扭曲的屏蔽罩，适用于活塞，或者完全删除纳米孔，并用去离子水清洗，并更换仪器。
   注意:可替换地，增加纳米孔伸展到47毫米，与从虚拟池主控者的最大压力的组合，时间约为5分钟。

1.4数据分析

1. 点击";分析数据"选项卡，进入该软件的分析部分。右键单击"未处理的文件"并选择"流程文件"过程中的校准和示例文件。
2. 点击旁边的复选框样品中的"校准"列夫妇样本文件来校准记录。选择相应的样品和校准文件，并单击"确定"。注意:当使用多压力校准选项中选择就留给夫妻多个样品到多个校准文件"多压力校准"选项卡。
3. 一旦成功地耦接时，IZON控制Suite软件将显示不同样品的特征，例如大小分布（ 图2b），基线的持续时间，半峰全宽（FWHM）和浓度分析。可选:对于每个样本，各个数据点可以导出为逗号分隔的文件。

2。lternative协议 - 尖峰样品与校准珠

请注意:一般来说，标准操作程序可以与分离的电动车辆工作时使用。当与非隔离的电动车生物样品，或沾染大量蛋白质聚集体分离的EV制剂，工作操作仪器是具有挑战性的。这些挑战主要包括纳米孔阻塞（在基准电流突然下降），无法在校准测量，或在相同的样品（ 图3a）之间的粒子速度显著差异的3％恢复基准电流率高。样本显示这些困难替代协议进行量化电动车开发^17。这种方法依赖于引进大聚苯乙烯校准珠入息（ 图3b）的样品。对于该备选方案的详细过程将在下面讨论。

2.1。样片准备

注意:当使用另一种方法制备的样品中，期望建立的周围1同样的EV至珠的比例，它是必不可少的，以包括一个"校准珠只有'样品，以允许的精确"门控"校准珠和确定背景粒子（例如蛋白质聚集体）存在于该缓冲区的数目。

1. 离心机100微升细胞培养物上清液为7分钟，在300 XG
2. 加入20μl上清液至20微升PBS和10μl的75倍稀释的335纳米的聚苯乙烯珠（股票7e10 /毫升）。

2.2。样品测​​量

1. 使用1.2节中描述的策略，以确定最佳的仪器设置。
2. 样品首先测量"仅校准珠"。确保该背景检测小非珠颗粒的是尽可能地低（<珠粒10％）。
3. 测量每个单独的SAmple一次之前的记录复制以在纳米孔的条件分布的波动同样在不同的样品。测量每个样品至少重复3次。
4. 完成所有样品的记录后，重新测量的"校准珠只有'样本。

2.3。数据分析

注意:当使用替代协议，独家采用IZON控制套件软件不足够的浓度计算。附加的电子表格软件。 如表1所示浓度的计算在图3所示的样品的一个例子。

1. 打开"校准珠只有'样品和一个或多个示例文件。
2. 确定封锁事件大小（NA），可作为截止的电动汽车和聚苯乙烯小球之间的区别。确定对应于所述聚苯乙烯珠粒种群的左基部封锁值（NA）（ 图3b）。注意:确保滨尺寸测量所有的设定相同（可在"ViewSettings'，这是通过点击下面的"个人跟踪封锁"中的"弹出"按钮，进入调整）。
3. 检索的总粒子数的值，通过点击该样品的"粒子分析概要"选项卡中的每个样本。
4. 筛选使用在步骤2.3.2中确定的截止电平的数据组。通过选择"数据过滤"弹出。仅显示粒子比截止较小。
5. 检索EV计数的值从"粒子分析摘要"每个样本。
6. 减去电动汽车的量从总的颗粒，以确定的校准珠的量。
7. 确定电动汽车到珠比除以电动汽车数量由校准珠计数。
8. 通过平均确定每个与比率确定该平均背景比率＃8220;珠唯一的"校准样品。减去从每个样品此值。
9. 乘以调整后的EV-到-珠比通过校准珠的浓度来确定电动车辆的各样品的浓度。
10. 乘以在步骤2.3.9由通过加入校准珠向EV样品引入的EV稀释因子中发现的浓度。注意:在这个例子中的样品的设置，总稀释在PBS中，校准珠样品的2.5倍，因此在步骤2.3.9中发现的浓度应为2.5相乘，以确定原始EV样品浓度。
11. 计算统计值，如平均值，标准偏差，及平均每个组重复的标准误差。
    注:在某些情况下，电动汽车和尖刺的聚苯乙烯小球之间的重叠是观察。如果需要进行修正的EV浓度的低估，没有尖刺聚苯乙烯珠粒的样品也应进行测量。使用相同的cut-断所确定的步骤2.3.2确定"胎圈到EV"的比例，来计算落下的尖刺聚苯乙烯珠粒的性能范围内的电动车辆的比率。此珠至EV比率应添加到EV至珠比在步骤2.3.8确定。

2.4。可选:EV粒度分布使用替代方法。

1. 在Control Suite软件中打开一个样本记录的两倍。
2. 置的样品，仅显示颗粒大于上面所确定的截止之一的过滤器选项。这将只显示校准颗粒。
3. 将过滤后的样品为"校准文件"，进入校准珠的模式大小。
4. 夫妇的样本文件，在1.4.2中所述的步骤2.4.3创建的"校准文件"。示例文件现在会显示两个电动汽车和标定球的基础上，加标校准珠的粒径分布。
   注:标准歌剧鼎协议将最常足以满足电动汽车的尺寸分布的测定。有时然而，确切的缓冲组分是未知的（例如在血浆或尿液），这使得它不可能制备的校准珠的样品在相同的缓冲液作为感兴趣的电动汽车。掺有校准颗粒的EV样品可用于电动汽车的大小，估计在这些特定的条件。

Results

使用的TRP仪器，非导电纳米孔必须被放置在4臂的机器（ 图1a）和一个电压（ 图1b）已被应用。一旦电基线电流确立，造成颗粒穿过孔的电阻的脉冲将被检测到， 如图1c所示 。

电动车是由成胶质细胞瘤细胞系U87-MG / EGFRvIII的通过超速离心的细胞培养物上清液纯化。在NP100纳米孔测量隔离电动车（ 图2a），稳定的粒子速率情节观察。这种稳定的粒子速率剧情需要一个可靠的EV浓度测量。配对的EV-样品记录到的115纳米的聚苯乙烯校准珠，尺寸分布（ 图2b）和EV-样品的浓度估计的记录后可以得到的（数据未示出）。

（Figrue 3A）中断和/或波动。这会导致不准确的EV浓度估计。由尖峰与已知浓度和大小的聚苯乙烯小珠的样本中，EV-到-珠比可以被确定。 图3b示出尖峰细胞培养物上清液与在大小335纳米的聚苯乙烯珠后得到的结果。两个明显的群体得到遵守。诱导小于0.46 nA的封锁颗粒决心电动车，较大的颗粒被确定聚苯乙烯珠粒。电动汽车到聚苯乙烯珠的比例来计算电动汽车（ 表1）的原始浓度。 图3c示出了根据尖刺聚苯乙烯珠粒的两个种群的大小估计。纳米孔的设置重新使用导致了这样的电动车辆的> 140nm的尺寸的检测。这可以通过降低纳米孔开口被降低，然而，这也将导致更多的堵塞事件。

图1:qNano仪器和操作模式。 （一）摄影仪器。纳米孔被放置在仪器上，从上流体细胞分离较低的流体单元。流体细胞免受由屏蔽盖的环境电磁干扰（B）图解概述可调电阻脉冲感测（的TRP）。的非导电性弹性纳米孔被分隔两个流体细胞。通过施加电压，使电流通过打孔在纳米孔的孔成立。由于外囊泡移动通过纳米孔，离子流发生改变，并检测为电阻式脉冲。中的TRP纳米孔的开口尺寸可以被调整（减少或增加），由通过增加距离的仪器的相对的臂之间，或减少该距离拉伸的纳米孔（℃）电阻脉冲的说明性示例。一个电阻脉冲的幅值正比于颗粒体积:较大的脉冲表示较大的颗粒，请点击这里查看该图的放大版本。

图2:颗粒计数的情节和测量隔离电动车从U87-MG / EGFRvIII的细胞培养上清液得到大小分布（A）粒子计数的情节表明总体不变粒子探测。简要减少partic的80和100秒记录的之间观察勒检测。暂停记录和攻丝的屏蔽盖后，粒子速度稳定已恢复的记录之后，（B）隔离的电动汽车的尺寸分布校准未知样品（电动车）至115纳米的聚苯乙烯校准珠后作图。 （5 nm的垃圾桶大小）。 请点击这里查看该图的放大版本。

图3:使用另一种协议的细胞培养上清电动车的TRP量化。 （一）直接在生物流体测量电动车的时候得到的典型粒子速率曲线。堵塞毛孔造成短暂中断和波动的粒子检测率。每曲线表示的相同样品的重复测量。扣球细胞培养物上清液与335纳米的聚苯乙烯校准珠后得到的（B）的三个重复的大小分布图。所有颗粒诱导的小于0.46 nA的电阻脉冲被选择作为电动汽车（C）的加标聚苯乙烯珠粒可用于获得样品的尺寸分布。 （5 nm的垃圾桶大小）。 请点击这里查看该图的放大版本。

测量	校准仅＃1	校准仅＃2	上清＃1	上清＃2	上清＃3
平均电流（NA）	117	120	116	118	120
粒子速度	172	194	250	246	196
使用截止（NA）	0.46	0.46	0.46	0.46	0.46
总颗粒	303	317	489	488	454
外囊泡	3	1	213	215	213
尖刺校准珠	300	316	276	273	241
电动车/校准珠	0.01	0.003	0.772	0.788	0.884
样品 - 背景			0.765	0.781	0.877
Extracelullar囊泡（10 7）/毫升			7.14	7.29	8.18
样品稀释2.5倍
原料浓度电动车（10 7）/毫升			17.85	18.22	20.46

表1:使用另一种协议的示例计算EV浓度的临界值被确定为从校准珠区分电动车。接着，可以检索到电动汽车和珠子的总数。对于每个测量的EV-到-珠比率的计算。在电解质（例如蛋白质聚集体）的背景颗粒的量是通过计算EV至珠比为"仅校准珠"样品的各个测量值计算。各样品的背景比被从所获得的比值中减去。这adjusted比乘以校准珠的样品中的浓度（在此示例中:9.33e7 /毫升）。来确定电动车辆的原始浓度，所得到的浓度乘以总电动汽车的稀释因子（在本例中:2.5）。

Discussion

在这个手稿的报价方法进行定量分析，采用的TRP电动汽车的规模特征描述的协议。这些TRP平台的主要优点是样本量小，相对短的测量时间，并没有所需的样品操纵。

前提条件进行精确测量的TRP是保持条件的校准和样品测量之间是相同的。这包括相同的缓冲液的使用量以及相同的仪器设定，例如纳米孔尺寸，电压和施加压力。原VPM缺少一种机制，用于在施加压力的精确设定，从而使在样品之间施加的压力的微小差异。另外，吸液在VPM蒸发可以在不同时间点测量诱发轻微的压力差和VPM因此，应该经常被重新灌注。这些限制可能已经解决了引进VPM2，哪有一个基于点击的比例，并基于空气压力。

在这个手稿中描述的备选方案是特别适用于电动车辆的测量非纯化的生物样品¹⁷中。我们相信，缓冲成分，如糖，脂质，蛋白质和其它较大的碎片，可以在某些情况下影响测量条件太多的标准协议是适用的。另外的校准珠的样品，而不是比较两个独立的测量值引入"实时校准"。比较具有不同的和/或未知流体的背景含量样品（不同供体的例如血浆）时，这个方法是特别合适的。尽管差异电动汽车和聚苯乙烯颗粒（ 例如颗粒密度和表面电荷），理论模型和实验数据之间存在突出的聚苯乙烯小珠的可用性量化和电动汽车的尺寸分析，的前提下，该显著施加压力^15,19。为了尽量减少电动力的影响，相对较大的NP150 / NP200纳米孔和显著正压的使用建议。

电动汽车和校准珠粒按大小区分。因此，纳米孔具有通过施加拉伸，制成直径在那里检测两个电动汽车和较大的校准微粒的观察被打开。自开业以来的孔隙会降低对较小颗粒的敏感性，只比电动车具有一定规模的记录（使用335 nm的校准珠时，往往电动车> 120 nm）的大。最低检出限为电动汽车可以降低到大约90纳米，用203纳米校准珠上的NP150纳米孔。然而，这种设置可能是不可行的，当较大的电动车引起的纳米孔经常堵塞。这些阻碍电动车的存在可以强制设置的利用率，其中人口电动车，太小意图CH中的检测阈值，将不会被检测到。

难度，试图测量颗粒比大小100nm以下时，操作该系统增加。在这种情况下，检测可以通过增加电解质的盐的浓度可以提高。离子浓度的增加将导致相对增加的封锁量值为小颗粒（较大的信号 - 噪声比）。这种技术对于电动车辆的测量的生存能力有虽然被验证，如增加盐的浓度可影响电动车辆的体积。

总之，这些TRP平台，可用于直接量化和电动车的尺寸表征。因为没有隔离或电动操纵（抗体结合或荧光标记）是必需的，该平台适用于在生物流体直接EV定量。一种替代方案是提供一种能够有利于样品，其中缓冲液组分诱导显著孔隙cloggin克事件，使得标准协议不可行的可靠利用。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
qNano 仪器	Izon Science Ltd.		不适用
变压模块	Izon Science Ltd.		不适用
Nanopore	Izon Science Ltd.	NP100、NP200	纳米孔的选择因目标颗粒而异。不同的纳米孔可用于不同的靶标尺寸。
校准粒子	Izon Science Ltd.	CPC100、CPC200、CPC400	校准颗粒有不同的尺寸。
超声处理浴	多种可用		基本超声处理浴就足够
了（迷你） 涡旋器	多种可用的
免提升组织	多种可用的
磷酸盐缓冲盐水 （PBS）	多种可用的
基于 Windows 的计算机
Izon Control Suite 2.2	Izon Science Ltd. 伊松科学有限公司	N/A
电子表格软件	多个可用	N/A