本研究描述了一种从胚胎干细胞中分离富含携带免疫刺激性粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子的外泌体富集型细胞外囊泡的方法。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本研究描述了一种从胚胎干细胞中分离富含携带免疫刺激性粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子的外泌体富集型细胞外囊泡的方法。
胚胎干细胞(ESCs)是一类具有自我更新能力并能分化为所有类型胚胎细胞的多能干细胞。与其他多种细胞类似,ESCs 会向细胞外环境释放小的膜性囊泡,例如外泌体。外泌体作为细胞间通讯的重要介质,在多种(病理)生理过程中发挥基础性作用。粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)作为一种细胞因子,可调节免疫应答。外泌体中存在 GM-CSF 可能增强其免疫调节功能。本研究中,GM-CSF 在小鼠胚胎干细胞系 ES-D3 中实现了稳定过表达。我们建立了一种从过表达 GM-CSF 的 ES-D3 细胞中分离高质量外泌体富集型细胞外囊泡(EVs)的实验方案。通过多种实验方法对外泌体富集型 EVs 进行了表征。重要的是,在外泌体富集型 EVs 中检测到大量 GM-CSF 的存在。总体而言,携带 GM-CSF 的胚胎干细胞来源的外泌体富集型 EVs 可能作为无细胞囊泡发挥其免疫调节功能。
胚胎干细胞(ESCs)来源于着床前胚胎的囊胚阶段1。作为多能干细胞,ESCs 具有自我更新的能力,并可分化为任何类型的胚胎细胞。由于其显著的发育潜能和长期增殖能力,ESCs 在生物医学研究中具有极高的价值1。目前的研究工作主要集中于 ESCs 在多种重大病理疾病治疗中的潜力,包括糖尿病、心脏病和神经退行性疾病2,3,4。
已知包括胚胎干细胞(ESCs)在内的哺乳动物细胞会向细胞外环境释放大小不一的囊泡,这些细胞外囊泡(EVs)因其在细胞间通讯中的作用而具有多种生理和病理功能5。在不同亚型的EVs中,外泌体(exosomes)是当内体中间区室——多泡体(MVBs)与质膜融合时,由多种细胞类型释放到细胞外空间的小型膜性囊泡6。已有研究报道,外泌体介导细胞间通讯,并在多种(病理)生理过程中发挥关键作用7,8。外泌体继承了其亲代细胞的部分生物学功能,因为其含有来自细胞质的生物分子,包括蛋白质和核酸。因此,针对特定疾病激发免疫反应的相关抗原或因子可被包裹于特定类型细胞来源的外泌体中9。这为探索肿瘤来源的外泌体作为抗肿瘤疫苗的临床试验奠定了基础10。
GM-CSF 是一种由多种类型免疫细胞分泌的细胞因子11。越来越多的证据表明,GM-CSF 能够激活并调节免疫系统,在抗原呈递过程中发挥关键作用12。例如,一项临床研究报告指出,GM-CSF 作为疫苗佐剂可刺激机体对肿瘤的免疫应答13。目前已有多种基于 GM-CSF 的癌症免疫治疗策略,旨在利用 GM-CSF 强效的免疫刺激活性,并已在临床试验中得到研究验证14。其中,一种由经辐照后可分泌 GM-CSF 的肿瘤细胞组成的癌症疫苗,在晚期黑色素瘤患者中显示出一定前景,能够诱导细胞免疫和体液抗肿瘤反应,进而导致转移性肿瘤发生继发性坏死15。
由于胚胎干细胞(ESCs)来源的外泌体具有与原始胚胎干细胞相似的生物学活性,因此携带粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)的胚胎干细胞外泌体可能作为无细胞囊泡来调节免疫反应。本文描述了一种从表达GM-CSF的胚胎干细胞中制备高质量外泌体富集型细胞外囊泡(EVs)的详细方法。这些外泌体富集的EVs有望作为免疫调节性囊泡,用于调控免疫反应。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
1. 培养ES-D3细胞
2. GM-CSF 表达质粒的构建
注意:构建转染质粒 pEF1α-mGM-CSF-IRES-hrGFP,用于在 ES-D3 细胞中过表达 GM-CSF。该质粒中,小鼠 GM-CSF cDNA 与标记蛋白人源化 Renilla reniformis GFP(hrGFP)的表达由人肽链延伸因子 1α(EF1α)启动子驱动17,18。
3. 过表达GM-CSF的ES-D3细胞的制备
注意:将质粒 pEF1α-mGM-CSF-IRES-hrGFP 转染至 ES-D3 细胞中,以过表达 GM-CSF。同时共转染质粒 pBabe-Neo 至 ES-D3 细胞中,以利于稳定转染细胞的筛选18,20。
4. 外泌体富集的细胞外囊泡的分离
5. 通过透射电子显微镜表征外泌体富集的细胞外囊泡
注意:使用透射电子显微镜(TEM)分析从胚胎干细胞(ESCs)中分离的富含外泌体的细胞外囊泡(EVs)的组成和结构5。
6. 通过蛋白质印迹分析评估外泌体富集的细胞外囊泡
7. 通过ELISA测定富含外泌体的细胞外囊泡中的GM-CSF浓度
注意:使用小鼠 GM-CSF 检测试剂盒,按照生产商说明书进行 ELISA 检测,评估外泌体富集的细胞外囊泡中 GM-CSF 的含量,并作部分修改。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
在小鼠 ESCs 中 GM-CSF 过表达。
为了在 ES-D3 细胞中稳定过表达 GM-CSF,将小鼠 GM-CSF cDNA 克隆至转染载体中,构建表达载体 pEF1α-mGM-CSF-IRES-hrGFP(图 1A)。通过转染在 ES-D3 细胞中实现 GM-CSF 的过表达,约 20% 的瞬时转染 ES-D3 细胞呈 GFP 阳性。通过 FACS 获得稳定过表达 GM-CSF 或空载体对照的细胞克隆。如 图 1B 所示,表达 GM-CSF 的 ES-D3 细胞系或表达空载体的 ES-D3 细胞系的 GFP 荧光强度明显高于其亲本细胞。采用 ELISA 检测不同细胞系培养上清液中的 GM-CSF 浓度(图 2)。表达 GM-CSF 的 ES-D3 细胞在培养上清液中产生的 GM-C...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本研究展示了一种高效制备富含外泌体(exosome-enriched EVs)并携带免疫刺激蛋白GM-CSF的方法,可用于研究富含外泌体的EVs在免疫调节方面的作用。多项研究表明,外泌体具有免疫调节和抗肿瘤功能22。因此,表达GM-CSF的胚胎干细胞(ESC)来源的外泌体也可能具有调节免疫反应的生物学活性。在本实验方案中,通过转染技术在小鼠ES-D3细胞中稳定过表达外源性小鼠GM-CSF(图1)。重要的是,在过表达GM-CSF的ES-D3细胞所分离出的富含外泌体的EVs中,检测到大量GM-CSF蛋白(图5)。
这些数据表明,几乎所有GM-CSF均存在于外泌体富集的细胞外囊泡(EVs)中。作为一种细胞因子,大部分GM-CSF蛋白被分泌到细胞外11。与其他外泌体 cargo 物质(如mRNA、miRNA和蛋白质)类似,细胞质中的GM-CSF分子被包裹在多泡体(MVBs)的腔...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
Kavitha Yaddanapudi、Chi Li 和 John W. Eaton 提交了一项美国专利申请:“包含工程化胚胎干细胞来源的外泌体的组合物及其使用方法”。
我们感谢 Arkadiusz Slusarczyk 先生以及肯塔基生物医学研究基础设施网络(KBRIN, P20GM103436)在获取透射电子显微镜图像方面提供的帮助。本研究部分得到了以下资助:NIH AA018016-01(J.W.E.)、肯塔基州研究挑战信托基金(J.W.E.)、NIH CA106599 和 CA175003(C.L.)、NIH CA198249(K.Y.)以及 Free to Breathe 研究基金(K.Y.)。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 小牛肠碱性磷酸酶 | New England Biolabs | M0290S | 质粒DNA去磷酸化 |
| 抗Annexin V单克隆抗体 | Santa Cruz Biotechnology | 克隆H-3, sc-74438 | Western blot, RRID:AB_1118989 |
| 抗CD81单克隆抗体 | Santa Cruz Biotechnology | 克隆B-11, sc-166029 | Western blot, RRID:AB_2275892 |
| 抗细胞色素c单克隆抗体 | Santa Cruz Biotechnology | 克隆A-8, sc-13156 | Western blot, RRID:AB_627385 |
| 抗Flotillin-1单克隆抗体 | Santa Cruz Biotechnology | 克隆C-2; sc-74566 | Western blot, RRID:AB_2106563 |
| 抗GAPDH多克隆抗体 | Rockland | 600-401-A33S | Western blot, RRID:AB_11182910 |
| 辣根过氧化物酶标记的抗小鼠IgG山羊抗体 | Thermo Fisher | 31430 | Western blot, RRID:AB_228307 |
| 抗氧化磷酸化复合物IV亚基IV(COX IV)单克隆抗体 | Thermo Fisher | 克隆20E8C12 A21348 | Western blot, RRID:AB_221509 |
| 抗蛋白二硫键异构酶(PDI)多克隆抗体 | Enzo | ADI-SPA-890 | Western blot, RRID:AB_10616242 |
| 辣根过氧化物酶标记的抗兔IgG山羊抗体 | Thermo Fisher | 31460 | Western blot, RRID:AB_228341 |
| BCA(双辛可宁酸)蛋白定量试剂盒 | Thermo Fisher | 23223 | 测定蛋白质浓度 |
| Bis-Tris PAGE凝胶,ExpressPlus,4-20% | Genscript | M42015 | Western blot |
| 羧苄青霉素二钠盐 | Thermo Fisher | 10177012 | 筛选E. coli菌落 |
| Avanti J-26 XPI离心机 | Beckman Coulter | 低速离心 | |
| JA-10离心转子 | Beckman Coulter | 09U1597 | 低速离心 |
| Nalgene PPCO离心瓶 | Thermo Fisher | 3120-0500PK | 低速离心 |
| 带碳支持膜的铜网 | Electron Microscopy Sciences | FF200-Cu | 获取透射电子显微镜图像 |
| EcoRI | New England Biolabs | R0101 | 质粒DNA酶切 |
| 增强型化学发光检测系统 | Thermo Fisher | 32106 | Western blot |
| FACScalibur流式细胞仪 | Becton Dickinson | 检测ES-D3细胞中GFP表达水平 | |
| 胎牛血清 | ATCC | SCRR-30-2020 | ES-D3细胞培养基 |
| Fisherbrand无菌细胞筛,孔径:40μm | Thermo Fisher | 22-363-547 | 过滤ES-D3细胞用于FACS分选 |
| 明胶(0.1%) | Thermo Fisher | ES006B | ES-D3细胞培养 |
| GM-CSF ELISA试剂盒 | Thermo Fisher | 88733422 | 测定GM-CSF浓度 |
| KnockOut Dulbecco’s改良Eagle’s培养基 | Thermo Fisher | 10-829-018 | ES-D3细胞培养基 |
| 白血病抑制因子 | Thermo Fisher | ESG1106 | ES-D3细胞培养基 |
| L-谷氨酰胺 | VWR | VWRL0131-0100 | ES-D3细胞培养基 |
| Lipofectamine 2000转染试剂 | Thermo Fisher | 11668019 | 转染ES-D3细胞 |
| Microplate读板仪,PowerWave XS | BioTek | 测定GM-CSF浓度 | |
| MoFlo XDP高速细胞分选仪 | Beckman Coulter | 分离单个ES-D3细胞克隆 | |
| NEB 5-alpha感受态E. coli | New England Biolabs | C2988J | 构建GM-CSF表达质粒 |
| 新霉素 | Thermo Fisher | 10-131-035 | 筛选ES-D3细胞克隆 |
| 非必需氨基酸 | Thermo Fisher | SH3023801 | ES-D3细胞培养基 |
| 脱脂奶粉 | Thermo Fisher | NC9022655 | Western blot |
| Opti-MEM I低血清培养基 | Thermo Fisher | 31985062 | 转染ES-D3细胞 |
| 多聚甲醛 | Electron Microscopy Sciences | 15710 | 获取透射电子显微镜图像 |
| 青霉素/链霉素 | VWR | sc45000-652 | ES-D3细胞培养基 |
| 质粒pEF1a-FD3ER-IRES-hrGFP | Addgene | 37270 | 构建GM-CSF表达质粒 |
| PVDF膜 | Millipore EMD | IPVH00010 | Western blot |
| QIAprep Spin Miniprep试剂盒(250) | QIAGEN | 27106 | 构建GM-CSF表达质粒 |
| QIAquick凝胶回收试剂盒(50) | QIAGEN | 28704 | 构建GM-CSF表达质粒 |
| Quick Ligation连接试剂盒 | New England Biolabs | M2200S | 构建GM-CSF表达质粒 |
| 透射电子显微镜 | Hitachi | HT7700 | 获取透射电子显微镜图像 |
| 胰蛋白酶 | VWR | 45000-660 | ES-D3细胞培养 |
| OptimaTM L-100 XP超速离心机 | Beckman Coulter | 高速离心 | |
| 45Ti超速离心转子 | Beckman Coulter | 09U4454 | 高速离心 |
| 聚碳酸酯超速离心管 | Beckman Coulter | 355622 | 高速离心 |
| UranyLess染色液 | Electron Microscopy Sciences | 22409 | 获取透射电子显微镜图像 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。