本方案旨在加速并有效分离出高纯度的人乳来源细胞外囊泡。
本方案旨在加速并有效分离出高纯度的人乳来源细胞外囊泡。
细胞外囊泡(EVs)是一类尺寸约为20-1000 nm的纳米级颗粒,因其治疗潜力而受到广泛关注。特别是源自人乳的细胞外囊泡(HBMDEVs)已在坏死性小肠结肠炎的实验模型中显示出保护作用;坏死性小肠结肠炎是一种主要影响早产儿的肠道疾病,死亡率可高达50%。然而,传统的细胞外囊泡分离技术,如差速超速离心法、尺寸排阻色谱法等,要么耗时较长,要么需要专用仪器,均难以在临床环境中实际应用。因此,亟需一种简便的分离方法,以实现HBMDEVs对患者的快速反应性给药。本文提出的方法结合了人乳的离心处理以去除脂肪和细胞碎片,以及对剩余脱脂乳进行快速超滤,从而获得高产量且功能完整的细胞外囊泡。该技术的应用可能使HBMDEVs在临床环境中成为一种切实可行的治疗选择。
细胞外囊泡(EVs)是普遍存在的纳米级颗粒,大小约为20-1000 nm, 通过 内体途径(当微囊泡与质膜融合,促进细胞内容物释放到细胞外空间)或质膜途径(即出芽)。EVs 包含来源于宿主细胞的多种组分,如脂质、蛋白质、核酸、多种代谢物及其他成分,具体组成取决于其来源。此外,EVs 在细胞间通讯、血管生成、免疫抑制、肿瘤微环境重塑以及癌症进展等方面具有重要作用。1,2,3,4值得注意的是,人乳(HBM)富含细胞外囊泡(EV),且可从哺乳期母亲中便捷获取5近年来,源自人乳的细胞外囊泡(HBMDEVs)作为治疗疾病的载体正受到越来越多的关注1,2早产或低出生体重新生儿易感染多种疾病,包括坏死性小肠结肠炎。坏死性小肠结肠炎以回肠或结肠坏死为特征,临床表现从轻度肠道炎症至多系统器官衰竭不等,婴儿死亡率可高达50%6. 母乳来源的细胞外囊泡预处理足以在坏死性小肠结肠炎实验模型中预防肠道炎症 体外 和 体内2,7因此,在临床环境中,使用HBMDEVs可能是治疗坏死性小肠结肠炎的一种可行方案。
尽管HBMDEVs具有治疗潜力,但目前的分离技术存在已知的局限性,即这些方法要么耗时较长,要么需要专用设备,二者在临床环境中均不具备普遍适用性。"金标准"的EV分离方法涉及多轮差速超速离心,该方法虽然能够获得较为满意的EV产量,但可能影响其结构完整性和功能活性8,9。此外,超速离心时间至少需要2 h,在临床环境中属于昂贵的资源消耗9。分离试剂盒已被证明既节省时间,又在一定程度上具有成本效益。然而,使用此类方法进行分离同样会导致产量较低,因而可扩展性差。因此,亟需开发出既节省时间又具有成本效益、同时不牺牲EV产量的HBMDEV分离技术。
本方案旨在利用现有临床可用且经美国食品药品监督管理局(FDA)批准的工具,概述一种快速从人脑膜(HBM)中分离细胞外囊泡(EVs)的逐步操作方法。为实现这一目标,采用标准离心法及临床级滤膜扩展系统,从人脑膜(HBM)中分离出EVs。这些囊泡的尺寸处于预期范围内,形态学特征与已知的EVs一致,富含EV标志物,并在功能上与采用传统超速离心法分离的EVs相似。因此,该HBM来源EVs的分离方案可能有助于在临床环境中实现EVs的快速、便捷分离与应用。
母乳在阿拉巴马大学伯明翰分校(UAB)区域重症监护室采集。在母乳解冻供患者使用后,因患者无法摄入整份喂养量而剩余的样本被收集。这些喂养液通常会被丢弃,但本研究将其收集用于科研。样本来自去标识化的个体,并在实验前储存于−80 °C。样本采集已获得阿拉巴马大学伯明翰分校机构审查委员会协议号N160203002的批准。所用试剂和设备列于材料表中。
1. 细胞外囊泡分离(差速超速离心法)
2. 细胞外囊泡分离(快速过滤法)
3. 纳米颗粒示踪分析
4. 细胞外囊泡的负染色及透射电子显微镜观察
注意:用于透射电子显微镜(TEM)的样本其外泌体浓度范围为 108。
5. 蛋白质浓度
6. 蛋白质印迹
7. 体外培养 IEC-6 细胞
使用超速离心法和快速分离法分离细胞外囊泡
教科书式地,从人乳中分离细胞外囊泡(EV)需通过离心去除乳脂及其他大颗粒物质,随后进行过滤、多轮超速离心,并将富集EV的样品重悬于磷酸盐缓冲液(PBS)中。快速过滤法则利用离心去除乳脂和细胞碎片,继而进行过滤。 通过 0.22 µm 滤膜延长过滤器,进一步去除残留碎片,从而获得与传统超速离心法相当的外泌体富集样本图1).
滤芯扩展快速过滤系统中人脑微血管内皮囊泡的表征
纳米颗粒示踪分析显示,经超速离心处理的(图2A)以及快速滤过分离的HBMDEVs(图2B)。两种方法均表明,分离得到的EVs平均大小约为100 nm。EVs携带多种 cargo(如蛋白质、脂质、miRNA等),从宿主细胞分泌至不同靶标。因此,首个检测的目标蛋白为热休克蛋白70(Hsp70),该蛋白已知可被运输 通过 细胞外囊泡13Western blot 分析显示,通过快速过滤法分离的细胞外囊泡在 Hsp70 表达水平上与超速离心法分离的囊泡相当图3A 和 补充图 1A)。此外,EVs 可被鉴定 通过 CD9 和 CD63 等四次跨膜蛋白的表面表达14Western blot 分析表明,分离的 EVs 通过 快速过滤确实表达 CD9(图3B 和 补充图 2B)和 CD63(图3C 和 补充图3C最后,对HBMDEVs进行形态学分析 通过 透射电子显微镜显示两种分离技术获得的囊泡形态相似(图 4A- D).
多家实验室已证实,细胞外囊泡(EVs)具有保护特性,可在细胞应激期间促进细胞存活2,3,7。与先前发表的研究类似,采用快速过滤法分离的EVs能够保护肠道上皮细胞(IEC-6)免受过氧化氢诱导的细胞死亡2(图5A、B)。这些数据表明,采用快速过滤法分离的HBMDEVs不仅在特性上与差速超速离心法分离的EVs相当,而且在功能上也相似。

图1:人乳中细胞外囊泡(EVs)分离过程中超速离心法与快速过滤法的原理示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2采用超速离心法和快速过滤法从人乳中分离细胞外囊泡的纳米颗粒示踪分析 (A采用超速离心法分离的人乳细胞外囊泡(以1×PBS按1:1000稀释)的纳米颗粒追踪分析(NTA)结果。所示数据为3–4次独立实验中的一次代表性结果。B人乳来源细胞外囊泡经快速过滤法分离后的纳米颗粒追踪分析. 所示数据为3至4次独立实验中的一次代表性结果。 请点击此处以查看该图的放大版本。

图3:通过超速离心和快速过滤分离的细胞外囊泡(EVs)的Western blot分析。(A)热休克蛋白70(Hsp70)10 µg的一秒曝光结果。“L”表示蛋白分子量标记,“U”表示超速离心法,“R”表示快速过滤法。通过快速过滤获得的样品经110,000 × g 离心70分钟浓缩,重复两次。所示图像为四次独立实验中的一次代表结果。(B)CD9蛋白10 µg的二十秒曝光结果。“L”表示蛋白分子量标记,“U”表示超速离心法,“R”表示快速过滤法。快速过滤样品经110,000 × g离心70分钟浓缩,重复两次。所示图像为四次独立实验中的一次代表结果。(C)CD63蛋白10 µg的二十秒曝光结果。“L”表示蛋白分子量标记,“U”表示超速离心法,“R”表示快速过滤法。快速过滤样品经110,000 × g离心70分钟浓缩,重复两次。所示图像为四次独立实验中的一次代表结果。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4:通过超速离心法和快速过滤法分离的细胞外囊泡(EVs)的透射电子显微镜分析。 (A)通过超速离心法分离的EVs在8,000倍放大下的电子显微图像。比例尺 = 800 nm。所示图像代表三次独立实验中的一次。(B)通过超速离心法分离的EVs在20,000倍放大下的电子显微图像。比例尺 = 200 nm。所示图像代表三次独立实验中的一次。(C)通过快速过滤法分离的EVs在8,000倍放大下的电子显微图像。比例尺 = 800 nm。EVs通过在110,000 × g 条件下离心70分钟进行浓缩,重复两次。所示图像代表三次独立实验中的一次。(D)通过快速过滤法分离的EVs在20,000倍放大下的电子显微图像。比例尺 = 200 nm。EVs通过在110,000 × g 条件下离心70分钟进行浓缩,重复两次。所示图像代表三次独立实验中的一次。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5:通过超速离心和快速过滤分离的细胞外囊泡(EVs)的功能分析。(A)在无EV的完全RPMI-1640培养基中培养的IEC-6细胞的细胞活力。细胞同时用400 µM H2O2和10 µg/mL EV处理过夜。所示数据为两次独立实验中的一次。(B)在无EV的完全RPMI-1640培养基中培养的IEC-6细胞的细胞计数。细胞同时用400 µM H2O2和10 µg/mL EV处理过夜。所示数据为两次独立实验中的一次。 请点击此处查看该图的放大版本。
补充图1:通过超速离心法和快速过滤法分离的细胞外囊泡中Hsp70的Western印迹表征。对10 µg热休克蛋白70(Hsp70)进行1秒曝光。“L”表示蛋白分子量标记,“U”表示超速离心法,“R”表示快速过滤法。快速过滤样品经110,000 × g离心70分钟浓缩,重复两次。每个样品代表一个独立的生物学重复。请点击此处下载该文件。
补充图2:通过超速离心法和快速过滤法分离的细胞外囊泡中CD9的Western印迹表征。 对10 µg的CD9进行5分钟曝光。“L”表示蛋白分子量标记,“U”表示超速离心法,“R”表示快速过滤法。快速过滤样品经110,000 × g 离心70分钟浓缩,共进行两次。每个样品代表一个独立的生物学重复。 请点击此处下载该文件。
补充图3:通过超速离心和快速过滤分离的细胞外囊泡中CD63的蛋白质印迹表征。 对10 µg CD63进行10分钟曝光。“L”表示蛋白分子量标记,“U”表示超速离心,“R”表示快速过滤。快速过滤样品经110,000 × g 离心浓缩,每次70分钟,共进行两次。每个样品代表一个独立的生物学重复。 请点击此处下载该文件。
文献表明,细胞外囊泡(EVs)可能调控多种炎症机制,并具有保护性益处,因此正受到越来越多的关注2,7。然而,EVs在临床应用中的一个局限在于分离EVs并获得足够产量所需的时间较长8,15。本文概述了一种使用美国食品药品监督管理局(FDA)批准的过滤系统从人乳(HBM)中快速高效分离EVs的分步操作方案。该方法的实用性在于,相较于传统EVs分离方法,可将操作时间缩短一半,同时不降低产量。因此,若在未来可批准EVs疗法,本方案可能有助于实现人乳来源EVs在临床环境中的实际治疗应用。
现有的EV分离方案已证明能从来源液体中稳定且高效地获得EV。然而,无论是作为金标准的差速超速离心法,还是商用试剂盒的使用,传统的分离方法均存在一定的局限性。EV的分离 通过 差速超速离心法虽然有效,但耗时较长,其操作流程中累计离心时间至少约3 h2,8,15分离时间结合准确定量EV数量的方案,使得在临床环境中受时间限制的情况下使用EV变得具有挑战性。此外,尽管商业试剂盒效果良好,但成本较高。同时,由于这些试剂盒价格昂贵,每套试剂盒可处理的样本数量也较少。8,15.
本方案克服了上述局限性,在不牺牲外泌体得率和纯度的前提下,节省了时间和成本。为确保本方案的有效性,在实施过程中必须遵循若干关键步骤。首先,需对人乳样品进行稀释并进行初始离心,以去除细胞外碎片和乳脂。去除这些杂质对于防止滤器扩展系统堵塞至关重要,从而避免单个样品需使用多个滤器。此外,使用磷酸盐缓冲液(PBS)冲洗滤器扩展系统十分关键,该步骤可对滤器进行预处理,使其处于适宜状态以准备加样。预处理有助于确保样品在加样过程中不发生损失。需要注意的是,根据乳汁样品的具体成分,即使在过滤前已进行稀释和离心,仍可能需要使用不止一套滤器扩展装置。若出现此情况,可更换新的滤器继续操作;但每次更换后的新滤器扩展装置在用于样品过滤前必须重新进行预处理。
该方案在分离人乳中的细胞外囊泡(EVs)方面具有高效性和可重复性,但仍存在一些局限性需要考虑。在样品过滤之前,离心步骤(两次离心总时间约20分钟)是必要的。若尝试在未离心的情况下直接过滤稀释后的样品,将导致滤膜扩展系统反复堵塞、样品损失,并为EV分离流程增加 额外时间 。此外,样品纯度有限,这一点已通过纳米颗粒跟踪分析(NTA)和透射电子显微镜(TEM)分析得到证实。若在过滤前未对样品进行离心处理,可能会将不需要的污染物引入样品中,进而根据分离所得EVs的后续下游应用,产生脱靶效应。另外,本方案目前仅针对人乳中EVs的分离进行了验证,因此其在其他体液EVs分离中的有效性尚未被研究。鉴于所有体液均具有水相特性,若将本方案用于其他来源的EVs分离,预计在EV纯度和得率方面不会存在显著差异。
还应注意,该方案在分离小型细胞外囊泡(sEV)方面具有较高效率。根据纳米颗粒跟踪分析(NTA)结果,HBM来源的细胞外囊泡(EVs)大小约为100 nm,表明样品中不存在较大的EVs。其原因是样品经过了0.22 µm滤膜过滤,这种过滤方式主要用于分离外泌体及其他较小的EVs,这也是本研究进行时实验室的主要研究重点。理论上,使用孔径更大的滤膜可能有助于较大EVs的分离。然而,这些问题超出了本研究的范围。
人乳来源的细胞外囊泡(EV)是一种天然的治疗资源,易于获取,可用于临床。将EV研究推进到临床应用的一个限制因素是,缺乏一种任何机构都可能采用的实用方法来分离EV。本方案旨在克服这一局限性,可轻松应用于医院环境,并利用现有医院级别、经美国食品药品监督管理局(FDA)批准的过滤系统实施,该系统可商业获得,且价格远低于标准超速离心机。该方法具有成本效益,能够利用临床环境中已使用的过滤系统,获得富含EV且纯度高的样本。
作者声明,本研究、作者身份和/或本文发表不存在潜在的利益冲突。
图片和图示使用 biorender.com 生成。本出版物中报告的研究由阿拉巴马大学伯明翰分校高分辨率成像设施支持。本研究由美国国立卫生研究院/儿童健康与人类发展研究所(NIH/NICHD)资助,项目编号为 5R21HD104481。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| (H+L) HRP偶联抗小鼠抗体 | Bio-Rad | 1721011 | |
| (H+L) HRP偶联抗兔抗体 | Bio-Rad | 1706515 | |
| 0.20 毫米针头滤器 | Fisherbrand | 09-719C | |
| 0.70 微米细胞筛 | Corning | 431751 | |
| 1.5 M Tris HCl | 实验室自制 | ||
| 15 mL 离心管 | Falcon | 352096 | |
| 16英寸滤器延长装置 | B-BRAUN | FE2012F | |
| 1 M Tris HCl | Teknova | T1068 | |
| 1× PBS | Gibco | 10010-031 | |
| 50 mL 离心管 | Falcon | 353070 | |
| 5× 还原性上样缓冲液 | Thermo Scientific | 39000 | |
| 丙烯酰胺 | Fisher Scientifc | BP1410-1 | |
| 两性霉素B | Gibco | 15290-018 | |
| AMT NanoSprint43 Mark-II 相机 | AMT | ||
| 抗生素-抗真菌素混合液(Anti-Anti) | Gibco | 15240-062 | |
| 抗CD63抗体 | Novusbio | NBP2-32830 | |
| 抗CD9抗体 | Invitrogen | 10626D | |
| 过硫酸铵(APS) | Thermo Scientific | 17874 | |
| BCA蛋白定量试剂盒 | Pierce | 23227 | |
| Beckman离心管 | Beckman coulter | 344059 | |
| BrightStar ECL化学发光检测试剂 | Alkali Scientific | XR92 | |
| 外泌体去除胎牛血清 | Fisher Scientific | NC0464480 | |
| 快速封闭缓冲液 | Pierce | 37575 | |
| 胎牛血清 | Life Technologies | 10082147 | |
| Hsp70 | Invitrogen | MA3-006 | |
| 人胰岛素 | Sigma-Aldrich | I9278-5ML | |
| 过氧化氢 | Fisher Scientific | H325-500 | |
| IEC-6 | ATCC | CRL-1592 | |
| JEOL 1400 FLASH 透射电子显微镜 | JEOL USA Inc | ||
| 上样指示用还原性缓冲液 | Thermo Scientific | 39000 | |
| 脱脂奶粉 | Bioworld | 30620074-1 | |
| Nanosight NS 300 纳米颗粒追踪分析仪 | Malvern Instruments Ltd. | ||
| 硝酸纤维素膜 | Life technologies | 88018 | |
| PELCO easiGlow 等离子体处理仪 | Ted Pella | ||
| 蛋白酶抑制剂小片剂 | Pierce | A32955 | |
| RIPA裂解缓冲液 | Pierce | 89901 | |
| RPMI 1640 培养基 | Fisher Scientifc | 11875119 | |
| 十二烷基硫酸钠(SDS) | Fisher Scientifc | BP2436-200 | |
| T-25 培养瓶 | Thermo Scientific | 156367 | |
| Tris缓冲盐溶液(TBS) | 实验室自制 | ||
| 四甲基乙二胺(TEMED) | Bio-Rad | 161-0801 | |
| 胰蛋白酶-EDTA溶液 | Gibso | 25200-056 | |
| 吐温20 | Thermo Scientific | J20605-AP |