摘要 本方案提供了一种标准化的操作流程,用于从骨关节炎患者髌下脂肪垫组织中分离和表征小型细胞外囊泡(sEVs)。
方法文章
* These authors contributed equally
摘要 本方案提供了一种标准化的操作流程,用于从骨关节炎患者髌下脂肪垫组织中分离和表征小型细胞外囊泡(sEVs)。
细胞外囊泡(EVs),尤其是定义为直径小于200 nm的小细胞外囊泡(sEVs),是细胞间通讯的重要介质,几乎由所有细胞类型释放至多种生物体液中。髌下脂肪垫(IPFP)与膝骨关节炎(OA)的发生和发展密切相关。然而,目前仍缺乏从IPFP组织外植体直接分离sEVs的标准化方法。本文介绍了一种可重复的实验方案,用于从OA患者获取的IPFP组织中分离和表征sEVs。收集IPFP组织培养的条件培养基后,首先通过低速离心去除细胞和碎片,随后采用超速离心富集符合sEV尺寸范围的囊泡。根据细胞外囊泡研究最低信息标准(MISEV2023)的建议,利用涵盖不同功能类别的代表性蛋白标志物对所得囊泡进行表征:CD63作为膜相关四跨膜蛋白,ALIX和TSG101作为参与ESCRT(运输所需内体分选复合物)介导生成过程的胞质蛋白,Calnexin作为内质网驻留蛋白用于监测潜在的非囊泡污染。该流程可获得特征明确的sEV制备物,适用于骨关节炎研究中的功能实验或蛋白质组学分析等下游应用。
小细胞外囊泡(sEVs)是一类异质性的小细胞外囊泡亚型,根据国际细胞外囊泡学会(ISEV)在细胞外囊泡研究最低信息标准(MISEV2023)指南中提出的操作性分类,被定义为直径通常小于200 nm的囊泡1。几乎所有类型的细胞均可向生物体液中释放sEVs,因其在生理和病理条件下作为细胞间通讯的重要介质而受到越来越多的关注2,3。
小细胞外囊泡(sEVs)的膜富含多种功能蛋白。其中,CD63等四跨膜蛋白家族成员与囊泡膜的组织和融合相关4。此外,参与运输所需内体分选复合物(ESCRT)的胞质蛋白,如ALIX和TSG101,在sEV的生物合成与分泌过程中起关键作用。因此,这些蛋白可作为可靠标志物,用于确认所分离囊泡的内体来源5,6。
髌下脂肪垫(IPFP)已被认为是一种活跃的关节相关组织,与骨关节炎(OA)的起始和进展密切相关7,8。在炎症和退行性条件下,推测来源于IPFP的sEVs携带炎症介质和致病信号,从而促进滑膜炎症和软骨降解9。因此,对OA患者IPFP组织释放的sEVs进行表征,可能为疾病相关的细胞间通讯网络提供关键见解。
鉴于小细胞外囊泡(sEVs)作为分子介质和潜在治疗剂的研究兴趣日益增加,建立一种高得率、高纯度且可重复的分离方法至关重要。尽管差速超速离心法仍是应用最广泛的纯化策略之一10,但针对细胞培养上清液或生物液体优化的方案可能无法直接适用于IPFP等实体脂肪来源组织。高脂含量、致密的细胞外基质以及可变的酶消化条件均可能影响囊泡的回收率和纯度。
组织外植体培养是一种生理相关性较高的方法,可在最大程度保留天然细胞结构和细胞间相互作用的同时,减少过度的酶消化破坏,从而能够在接近天然的条件下收集释放的sEVs。然而,目前尚缺乏专门针对IPFP外植体培养中sEV分离的标准化操作流程。
本文介绍了一种通过差速超速离心法从骨关节炎患者髌下脂肪垫外植体培养物中分离和表征小型细胞外囊泡的逐步实验方案,为后续的功能研究和转化研究提供了可重复的方法学框架。
本研究使用骨关节炎患者的IPFP组织已获得河北医科大学第一医院伦理委员会批准(批准文号:[2024] 018)。样本收集在批准的有效期内进行,并在获取组织前取得所有参与者的书面知情同意。
1. 培养基与溶液的制备
2. IPFP 组织的制备及条件培养基的收集
3. 使用差速超速离心法分离sEVs
注意:所有以下步骤均需在 4 °C 或冰上进行。
4. 通过蛋白质印迹分析对sEV进行表征
5. 通过纳米颗粒跟踪分析(NTA)对sEV进行表征
6. 通过透射电子显微镜(TEM)对小细胞外囊泡(sEVs)进行表征
通过多模式表征证实了从小块人髌下脂肪垫(IPFP)组织中成功分离出小细胞外囊泡(sEVs)。
透射电子显微镜(TEM)显示,分离的囊泡呈现出典型的杯状形态,并具有清晰定义的脂质双层膜结构,符合小细胞外囊泡(sEVs)的结构特征(图1)11。

图1: 小细胞外囊泡(sEVs)的透射电子显微镜(TEM)图像。 典型的透射电镜图像显示了从小腿髌下脂肪垫(IPFP)组织中分离出的小细胞外囊泡(sEVs)所具有的典型杯状形态和完整的脂质双分子层结构。红色箭头指示代表性的小细胞外囊泡颗粒。请点击此处查看该图的放大版本。
纳米颗粒示踪分析(NTA)结果显示,分离得到的颗粒经稀释校正后的浓度为 3.88 × 1010 个颗粒/mL。颗粒平均直径为 151.4 ± 5.0 nm,众数粒径为 123.8 ± 4.7 nm,表明其粒径分布与小细胞外囊泡(sEVs)群体一致(图 2)。

图 2: 小细胞外囊泡(sEVs)的纳米颗粒追踪分析。 sEVs 的粒径分布与浓度特征,显示大多数颗粒的粒径在 30–200 nm 范围内。请点击此处查看该图的放大版本。
Western blot 分析证实了已知小细胞外囊泡(sEV)标志物的存在,包括 CD63、TSG101 和 Alix。相比之下,内质网标志物 Calnexin 未被检测到。Calnexin 的缺失表明细胞内细胞器的污染极少,而若其存在则提示存在来自细胞碎片或非囊泡物质的污染,这与当前细胞外囊泡表征指南一致(图 3)12。

图3:小细胞外囊泡(sEVs)的蛋白质印迹分析。 在IPFP-sEVs中检测到典型sEV标志物ALIX(98 kDa)、TSG101(50 kDa)和CD63(49 kDa),而非EV对照标志物Calnexin(90 kDa)在sEV样本中未检出,但在IPFP裂解液中存在。请点击此处查看该图的放大版本。
综上所述,这些结果表明,本研究所描述的方案能够从人膝关节内脂肪垫(IPFP)组织中可靠地分离出结构完整且经分子验证的小细胞外囊泡(sEVs)。
本方案提供了一种可重复且实用的工作流程,用于通过组织块培养结合差速超速离心法从人髌下脂肪垫(IPFP)组织中分离小细胞外囊泡(sEVs)。通过多种互补的表征方法对分离的囊泡进行了验证,包括透射电子显微镜(TEM)、纳米颗粒追踪分析(NTA)以及对已确立的细胞外囊泡标志物的蛋白质印迹检测1。TEM确认了具有典型形态的膜包被囊泡的存在,NTA显示其粒径分布符合sEV群体特征,蛋白质印迹分析证实了CD63、Alix和TSG101的存在,同时未检测到Calnexin,表明细胞内细胞器污染极少。这些结果共同证明了本方案在从IPFP组织中分离结构完整且分子特征明确的小细胞外囊泡方面的有效性与可靠性。
本方案的一个关键方法学特征是采用组织外植体培养而非酶消化法来收集细胞外囊泡(EV)。酶解离方法(如胶原酶消化)可能破坏细胞膜,并诱导EV相关表面蛋白发生人工蛋白水解切割,从而可能改变囊泡组成并引入非囊泡污染物13。相比之下,外植体培养可保持组织完整性,使活细胞在生理相关条件下分泌囊泡,所获得的EV群体更能准确反映组织微环境中的天然分泌特征14。该方法对于研究组织特异性囊泡信号传导尤为重要,可避免酶处理相关的人工假象,从而提高所分离囊泡的生物学相关性和可重复性。
尽管组织外植体培养具有生物学优势,但其固有地受到扩散依赖性释放动力学的限制。囊泡回收效率取决于多种因素,如组织碎片大小、培养基体积与组织比例、振荡条件以及收集频率。在本实验方案中,将IPFP组织精细剪碎以增加表面积,促进囊泡向培养基中的扩散。外植体在轻柔振荡条件下维持培养,以促进均匀扩散,并防止囊泡在组织表面局部积聚。所有样本均采用相对于组织质量一致的培养基体积,以尽量减少囊泡浓度的变异性。在规定时间间隔收集条件培养基,以减少长时间暴露和潜在降解,从而提高回收效率与可重复性。尽管基于外植体的系统无法完全消除扩散限制,但这些参数有助于确保稳定的囊泡产量。
由于差速超速离心法具有操作简便、可扩展性强以及与组织来源样本兼容性好等优点,被选为主要的分离方法15。该方法能够高效回收足量的囊泡,以满足后续结构和分子分析的需求。在超速离心前,通过逐步离心和过滤步骤去除细胞、碎片及较大颗粒,从而提高样本纯度。尽管差速超速离心可能同时富集大小相似的蛋白质聚集体或脂蛋白,但Western blot分析中内质网标志物Calnexin的缺失表明,细胞内膜成分的污染极少。这些结果与当前细胞外囊泡分离指南一致,强调应将物理分离方法与多模式验证相结合1。
其他分离方法,包括尺寸排阻色谱法和密度梯度超速离心法,可通过更好地分离可溶性蛋白质和脂蛋白而获得更高的纯度1,15。然而,这些方法通常需要更长的处理时间、回收得率较低,且技术复杂性更高。尺寸排阻色谱法常产生稀释的样品,需要额外的浓缩步骤;而密度梯度超速离心法操作繁琐,不适用于常规临床样本的处理15。相比之下,差速超速离心法在回收效率、处理时间和可重复性之间提供了良好的平衡,因此非常适合需要从人体组织样本中稳定分离囊泡的研究。
在本实验方案中,分离的囊泡被重悬于无菌磷酸盐缓冲液中,这种缓冲液因其生理渗透压以及与后续分析的兼容性而被广泛使用。然而,先前的研究报道指出,在磷酸盐缓冲液中长期储存可能影响囊泡的稳定性,并促进聚集或逐渐发生功能改变,尤其是在反复冻融循环过程中16。为尽量减少这些影响,囊泡样品应分装后于 -80 °C 保存,以避免反复冻融。在此条件下,囊泡的形态和标志物表达保持稳定,适用于结构和分子特征分析。
应考虑本方案存在的一些局限性。尽管本研究采用传统的负染透射电镜(TEM)进行形态学验证,但需注意该技术在脱水过程中可能引起轻微的结构伪影,而冷冻电子显微镜仍是保存囊泡天然状态的金标准11。较高的离心力可能导致囊泡聚集或非囊泡成分共沉淀,不同供体组织之间的差异也可能影响囊泡的得率。尽管如此,通过组织块培养、逐级离心、过滤以及标志物验证的联合方法,仍可稳定分离出具有适当结构和分子特征的囊泡。未来的研究可根据需要引入额外的纯化步骤,例如尺寸排阻色谱法,以进一步提高囊泡纯度,满足对下游应用高度敏感性的要求。
总体而言,本方案提供了一种可靠且可重复的方法,用于从人膝关节内脂肪垫(IPFP)组织中分离小细胞外囊泡。通过保持细胞外囊泡生理分泌状态,并采用标准化的分离与验证流程,该方法能够稳定地回收适用于结构、分子及功能分析的囊泡。该方法将有助于未来深入研究脂肪组织来源的细胞外囊泡在关节生物学及疾病机制中的作用。
所有作者均无任何利益冲突需要声明。
本研究由国家重点研发计划(项目编号:2023YFC3604905)、河北省财政厅(项目编号:ZF2024132 和 ZF2024143)以及恒瑞-河北医学协同创新与发展合作项目(HR2002048)资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 40 mL PET 离心管 | himac(Eppendorf Himac Technologies) | 5720411148 | 聚对苯二甲酸乙二醇酯,26 × 90 毫米 |
| 70 µm细胞筛 | 北京兰杰科技术 | 560049 | 用于组织碎片清除 |
| 抗Alix抗体 | 上海阿比源生物科技 | CY7215 | sEV阳性标志物 |
| 抗钙联蛋白抗体 | 上海阿比源生物科技 | CY5839 | 阴性标志物(ER污染) |
| 抗 CD63 抗体 | Affinity Biosciences | DF2305 | 四跨膜蛋白标志物 |
| 抗TSG101抗体 | 上海阿比奥韦生物科技 | CY5985 | sEV阳性标志物 |
| BCA 蛋白检测试剂盒 | 上海雅美生物科技 | ZJ102 | 用于蛋白质定量 |
| 细胞培养瓶(T175) | NEST Biotechnology | 560229 | 用于IPFP外植体培养 |
| 离心管(50 mL) | BIOFIL | 560041 | 用于初始低速步骤 |
| 无外泌体胎牛血清 | Cyagen Biosciences | FBSNE-01061 | 用于组织培养 |
| HRP 标记的山羊抗兔 IgG | 上海阿比源生物科技 | AB0101 | 用于WB的二抗 |
| 即用型蛋白上样缓冲液(变性,还原,5×)×) | 上海雅美生物科技 | LT101 | 用于蛋白质变性 |
| Micro BCA 蛋白检测试剂盒 | 赛默飞世尔科技 | 23235 | 用于蛋白质定量 |
| Millex-GP 滤器单元(0.22 µm) µm) | 北京兰杰科技术 | 560360 | 无菌,用于囊泡过滤 |
| 纳米颗粒追踪分析仪 | 马尔文帕纳科 | NanoSight NS300 | 用于大小和浓度分析 |
| Omni-Flash 无冰快速转移缓冲液 | 上海雅美生物科技 | PS201S | 用于蛋白质印迹转膜 |
| 磷钨酸(2%) | Sigma-Aldrich | P4006 | 用于透射电镜负染色 |
| 蛋白上样缓冲液(变性,非还原,5×)×) | 上海雅美生物科技 | LT103 | 用于蛋白质变性 |
| 无蛋白快速封闭缓冲液(5×) | 上海雅美生物科技 | PS108 | 封闭膜 |
| RIPA裂解缓冲液 | 北京索莱宝科技有限公司 & 技术有限公司 | R0010 | 用于sEV蛋白提取 |
| TBS(20×) | 北京索莱宝科技有限公司 & 技术有限公司 | T1080 | 用于配制洗涤缓冲液 |
| 透射电子显微镜 | 日立 | HT7800 | 用于形态学表征 |
| Tris/MOPS/SDS 电泳缓冲液 | 上海雅美生物科技 | PS120 | 用于蛋白质分离 |
| Tween-20 | 北京索莱宝科技有限公司 &科技有限公司 | T8220 | 用于配制洗涤缓冲液 |
| 超速离心机 | himac(Eppendorf Himac Technologies) | CP100NX | 高速分离系统 |
| 超灵敏化学发光检测试剂盒 | 上海雅美生物科技 | SQ201 | 用于蛋白质条带的可视化 |
| 通用抗体稀释缓冲液 | 上海雅美生物科技 | PS119L | 一抗/二抗 |
