Name: 定量和大小分析外囊泡的使用可调电阻脉冲检测 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-10-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 1 s
Description: 学习使用可调电阻脉冲传感技术对细胞外囊泡进行定量与粒径分析。该方法无需分离或标记即可直接检测生物流体中的囊泡，适用于细胞培养上清液及复杂样本的表征研究。

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1. 标准操作规程
1.1 仪器设置与样品准备
<ol>
	<li>将仪器连接至已安装 Izon Control Suite 软件的计算机。</li>
	<li>选择要使用的纳米孔尺寸：用于细胞外囊泡（EVs）的尺寸和浓度测定时，最常用的是 NP150（目标尺寸范围 85 - 300 nm）或 NP200（目标尺寸范围 100 - 400&#160; nm）。当处理通过去除较大囊泡的分离方法获得的 EVs 时（例如将样品通过 220 nm 滤膜过滤），可使用 NP100 纳米孔（目标尺寸范围 70 - 200 nm）。当处理生物样本中的 EVs 或采用其他方法分离的 EVs 时，建议使用 NP200，因其更不易堵塞。对于更大类型的 EVs，可使用其他纳米孔，如 NP300（目标尺寸范围 150 - 600 nm）或 NP400（目标尺寸范围 200 - 800 nm），甚至更大的纳米孔。</li>
	<li>选择与步骤 1.1.2 中选定的纳米孔相匹配的聚苯乙烯校准颗粒。对于 NP100、NP150 和 NP200 纳米孔，应分别使用 CPC100、CP100 和 CPC200 颗粒。为确保准确的尺寸估算，校准颗粒的尺寸应与待测未知颗粒相近。</li>
	<li>为确保校准颗粒的均匀性，短暂涡旋振荡（30 秒）。可选步骤：进行超声处理以去除聚集物。</li>
	<li>将校准颗粒用 PBS 稀释至目标浓度，体积至少为 40 µl。注意：目标浓度取决于步骤 1.1.2 中选择的纳米孔，具体浓度值随纳米孔产品提供。</li>
	<li>向下方流体池中加入 78 µl PBS，随即移除；此润湿操作可减少在纳米孔就位后向下方流体池添加电解液时纳米孔下方产生气泡的风险。</li>
	<li>将纳米孔放置于仪器的四个臂上。使用数显卡尺测量两个相对臂之间的距离，并将该距离（单位：mm）输入“Stretch”输入框，然后点击“calibrate stretch”以校准纳米孔的拉伸程度。</li>
	<li>通过旋转侧轮增大仪器相对臂之间的距离，将纳米孔拉伸至 47 mm，随后再次向下方流体池中加入 78 µl PBS。 
	注意：电磁干扰会显著影响测量质量。当使用笔记本电脑运行 Izon Control Suite 软件时，务必确保笔记本电脑通过接地插座和插头连接至电网。靠近仪器放置的手机也可能成为电磁干扰源。电磁干扰在基线电流中表现为持续重复的峰形信号，通常伴随均方根（RMS）噪声 &#62;10 pA。 
	注意：几乎所有缓冲液均可用于稀释校准颗粒和 EVs 以进行 tRPS 表征。盐的存在是建立电流的前提条件。对于 EVs 的测量，应使用 PBS 作为缓冲液。为确保测量准确性，校准颗粒必须始终与 EVs 使用相同的缓冲液进行稀释。</li>
</ol>
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&#60;10 pA，且阻断幅度的众数应&#62;0.1 nA。
<ol>
	<li>将上部液池和屏蔽笼放置在纳米孔上，并在上部液池中加入 40 µl 稀释后的校准颗粒。使用 VPM 施加 ≥0.8 kPa 的正压。</li>
	<li>在分析校准颗粒引起的阻塞事件时，缓慢降低施加的拉伸至 44 mm。注意：当减小纳米孔直径时，颗粒通过纳米孔的几率会降低，因此颗粒通过速率将下降。然而，由于孔道相对阻塞程度增加，将产生更大的阻塞信号，从而改善信噪比。提高电压可能进一步增大阻塞信号幅度，但也可能增加 RMS 噪声。</li>
	<li>持续减小拉伸，直至在“信号轨迹”面板中观察到合适的阻塞事件（图 1c），且阻塞信号模式（&#62;0.1 nA），对应的颗粒通过速率（&#62;100/min）。注意：颗粒通过速率的阈值相对宽松，但由于理想情况下应采集至少 500 个颗粒的数据，因此低于 &#60;100/min 的速率将导致记录时间至少为 5 分钟。若颗粒速率高于 2,000/min，则可能导致测量结果不够准确（此时应进行样品稀释）。</li>
</ol>
1.3 校准颗粒的测量、上清液流路池的清洗及样品测量
<ol>
	<li>本节对胶质母细胞瘤细胞系 U87-MG/EGFRvIII 的细胞培养上清液中的细胞外囊泡（EVs）进行表征。这些 EVs 的分离与制备方法此前已有描述并进行了可视化展示18。</li>
	<li>将校准颗粒加入上层流体池中。使用 VPM 施加压力（例如 0.8 kPa），并记录 &#62;500 个颗粒的数据。</li>
	<li>若进行多压力测量，需增加施加的压力（例如增至 1.0 kPa），并记录第二个校准文件。注意：施加压力之间至少需有 0.2 kPa 的差异。</li>
	<li>从上层流体池中移除校准样品。用 100 µl PBS 清洗上层流体池三次，以去除残留颗粒。在将待测样品引入上层流体池前，使用无绒纸巾将上层流体池中残留的 PBS 擦拭干净。</li>
	<li>将样品加入上层流体池中。确保基线电流在测量校准颗粒时所记录基线电流的 ±3% 范围内。若超出该范围，应采用下文所述策略稳定基线电流。施加与校准颗粒完全相同的压力，并记录样品文件。 
	注意：颗粒速率图应显示稳定的颗粒检测信号（图 2a）。若出现颗粒检测突然中断、基线电流突然下降或 RMS 噪声突然升高，可能表明纳米孔发生堵塞，此时应暂停记录。为恢复基线，可轻敲或扭转屏蔽帽、推动活塞，或完全取出纳米孔，用去离子水清洗后再重新安装至仪器中。 
	注意：也可将纳米孔拉伸至 47 mm，并结合 VPM 的最大压力持续约 5 分钟，以尝试恢复通量。</li>
</ol>
1.4 数据分析
<ol>
	<li>点击“分析数据”标签，进入软件的分析部分。通过右键单击“未处理文件”并选择“处理文件”，来处理校准文件和样品文件。</li>
	<li>在“已校准”列中，勾选样品旁边的复选框，将样品文件与校准记录关联。选择对应的样品文件和校准文件，然后点击“确定”。注意：使用多压力校准选项时，需在左侧选择“多压力校准”标签，以将多个样品与多个校准文件进行关联。</li>
	<li>成功关联后，Izon Control Suite 软件将显示不同的样品特征，例如粒径分布（图2b）、基线持续时间、半高全宽（FWHM）以及浓度分析结果。可选操作：对于每个样品，可将单个数据点导出为逗号分隔文件。</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>取100 µl细胞培养上清液，以300 × g离心7分钟。</li>
	<li>将20 µl上清液加入20 µl PBS和10 µl稀释75倍的335 nm聚苯乙烯微球（储存浓度为7e10/ml）中。</li>
</ol>
2.2. 样品测量
<ol>
	<li>采用第1.2节中描述的策略，确定最佳仪器设置。</li>
	<li>首先测量“仅校准微珠”样品。确保对微珠以外的小颗粒的背景检测信号尽可能低（&#60;微珠信号的10%）。</li>
	<li>在记录重复样本之前，先对每个单独样本进行一次测量，以便将纳米孔条件的波动均匀地分布在不同样本之间。每个样本至少测量3次重复。</li>
	<li>在完成所有样本的记录后，重新测量“仅校准微珠”样品。</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>打开“仅校准微珠”的样本文件以及一个或多个待测样本文件。</li>
	<li>确定可用于区分细胞外囊泡（EV）与聚苯乙烯微珠的阻断事件大小（单位为 nA），即确定对应于聚苯乙烯微珠群体左侧基部的阻断值（nA）（图 3b）。注意：确保所有测量数据的区间（bin）大小设置一致（可在“Individual Blockade Trace”下方点击“弹出”按钮进入“ViewSettings”中进行调整）。</li>
	<li>通过点击样本的“Particle Analysis Summary”标签，获取各样本的总颗粒数数值。</li>
	<li>使用步骤 2.3.2 中确定的阈值，通过选择“Data Filtering”弹出窗口对数据集进行筛选，仅显示小于该阈值的颗粒。</li>
	<li>从“Particle Analysis Summary”中获取各样本的EV颗粒数。</li>
	<li>用总颗粒数减去EV数量，以确定校准微珠的数量。</li>
	<li>通过将EV计数除以校准微珠计数，计算EV与微珠的比值（EV-to-bead ratio）。</li>
	<li>通过取各“仅微珠”校准样本所计算出的比值的平均值，确定平均背景比值，并从每个样本的比值中减去该背景值。</li>
	<li>将校正后的EV与微珠比值乘以校准微珠的浓度，以计算各样本中EV的浓度。</li>
	<li>将步骤 2.3.9&#160;中获得的浓度乘以因加入校准微珠至EV样本中所引入的EV稀释因子。注意：在示例样本设置中，样本在PBS中与校准微珠的总体稀释倍数为2.5倍，因此步骤 2.3.9&#160;中获得的浓度应乘以2.5，以得到原始EV样本的浓度。</li>
	<li>计算各重复组的统计参数，如平均值、标准差及平均值的标准误差。 
	注意：在某些情况下，EV与添加的聚苯乙烯微珠的信号会出现重叠。若需对EV浓度低估情况进行校正，则应同时检测未添加聚苯乙烯微珠的样本。使用与步骤 2.3.2&#160;中确定的相同阈值，计算“微珠与EV比值”（bead-to-EV ratio），以评估落入添加微珠范围内的EV所占比例。该微珠与EV比值应加至步骤 2.3.8 中获得的EV与微珠比值中。</li>
</ol>
2.4. 可选：使用替代方法测定EV的尺寸分布。
<ol>
	<li>在 Control Suite 软件中将一个样本记录打开两次。</li>
	<li>设置其中一个样本的滤波选项，仅显示大于上述确定阈值的颗粒。此时仅显示校准颗粒。</li>
	<li>将该过滤后的样本设为“校准文件”，并输入校准微球的众数尺寸。</li>
	<li>按照 1.4.2 节所述方法，将样本文件与步骤 2.4.3 中创建的“校准文件”进行耦合。此时样本文件将基于掺入的校准微球，显示细胞外囊泡（EVs）和校准微球的粒径分布。 
	注意：标准操作流程通常足以用于确定 EVs 的粒径分布。然而，有时缓冲液的具体成分未知（例如血浆或尿液），导致无法在与目标 EVs 相同的缓冲液中制备校准微球样本。在此类特定情况下，可使用掺入校准颗粒的 EV 样本进行 EV 粒径估算。</li>
</ol>

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<li>Yang, L., Broom, M. F., Tucker, I. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+a+nanoparticulate+drug+delivery+system+using+scanning+ion+occlusion+sensing%5BTitle%5D)+AND+%22Pharmaceutical+research%22%5BJournal%5D)">Characterization of a nanoparticulate drug delivery system using scanning ion occlusion sensing.</a> Pharmaceutical research. 29, 2578-2586 (2012).</li>
</ol>

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。

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 &#62;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。

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。

<table><tbody><tr><td>&lt;a href=&quot;http://www.izon.com/trps-with-qnano/">qNano 仪器&lt;/a&gt;</td><td>Izon Science Ltd.</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>&lt;a href=&quot;http://www.izon.com/products/components-and-consumables/vpm/">可变压力模块&lt;/a&gt;</td><td>Izon Science Ltd.</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>&lt;a href=&quot;http://www.izon.com/products/components-and-consumables/nanopores/">纳米孔&lt;/a&gt;</td><td>Izon Science Ltd.</td><td>NP100, NP200</td><td>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。</td></tr><tr><td>校准颗粒</td><td>Izon Science Ltd.</td><td>CPC100, CPC200, CPC400</td><td>校准颗粒提供多种尺寸。</td></tr><tr><td>超声波清洗槽</td><td>多种可选</td><td></td><td>基本的超声波清洗槽即可满足要求</td></tr><tr><td>（小型）涡旋振荡器</td><td>多种可选</td><td></td><td></td></tr><tr><td>无残留擦拭纸</td><td>多种可选</td><td></td><td></td></tr><tr><td>磷酸盐缓冲液（PBS）</td><td>多种可选</td><td></td><td></td></tr><tr><td>基于 Windows 系统的计算机</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Izon 控制套件 2.2</td><td>Izon Science Ltd.</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>电子表格软件</td><td>多种可选</td><td>N/A</td><td></td></tr></tbody></table>

使用可调电阻脉冲传感技术对外泌体囊泡进行定量和粒径分析

Quantification and Size-profiling of Extracellular Vesicles Using Tunable Resistive Pulse Sensing

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。

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 &gt;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。
<img alt="纳米孔传输装置与电阻脉冲传感；示意图及实验电流图。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51623/51623fig1highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 1"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51623/51623fig1highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="颗粒分析图；(A) 时间与计数，(B) 直径与群体分布；U87-MG/EGFRvIII EVs。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51623/51623fig2highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 2"> 
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）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51623/51623fig2highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
<img alt="细胞培养物中颗粒分析图；随时间变化的生长情况、阻断高度分布、尺寸直方图。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51623/51623fig3highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 3"> 
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）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51623/51623fig3highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>测量项目</td>
			<td>仅校准 #1</td>
			<td>仅校准 #2</td>
			<td>上清液 #1</td>
			<td>上清液 #2</td>
			<td>上清液 #3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>平均电流 (nA)</td>
			<td>117</td>
			<td>120</td>
			<td>116</td>
			<td>118</td>
			<td>120</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>颗粒速率</td>
			<td>172</td>
			<td>194</td>
			<td>250</td>
			<td>246</td>
			<td>196</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>使用的阈值 (nA)</td>
			<td>0.46</td>
			<td>0.46</td>
			<td>0.46</td>
			<td>0.46</td>
			<td>0.46</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>总颗粒数</td>
			<td>303</td>
			<td>317</td>
			<td>489</td>
			<td>488</td>
			<td>454</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>细胞外囊泡</td>
			<td>3</td>
			<td>1</td>
			<td>213</td>
			<td>215</td>
			<td>213</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>添加的校准微球</td>
			<td>300</td>
			<td>316</td>
			<td>276</td>
			<td>273</td>
			<td>241</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>细胞外囊泡/校准微球</td>
			<td>0.01</td>
			<td>0.003</td>
			<td>0.772</td>
			<td>0.788</td>
			<td>0.884</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>样品 - 背景</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>0.765</td>
			<td>0.781</td>
			<td>0.877</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>细胞外囊泡 (107)/ml</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>7.14</td>
			<td>7.29</td>
			<td>8.18</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>样品稀释 2.5 倍</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>原始浓度 细胞外囊泡 (107)/ml</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>17.85</td>
			<td>18.22</td>
			<td>20.46</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
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）。

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……

以下实验的总体目标是利用可调电阻脉冲传感技术对外泌体进行定量和粒径分析。常规方法是将纯化的外泌体所测得的电流阻断信号与聚苯乙烯微球标准品的信号进行比较。另一种表征外泌体的方法是在样品中加入聚苯乙烯微球作为内标，该方法适用于处理如未纯化的外泌体等复杂样品时使用。在细胞培养基中，所获得的数据可表征细胞外囊泡的大小和数量，无论其是否经过纯化。与现有的其他方法（如蛋白质印迹或结合于乳胶微球的细胞外囊泡的流式细胞术）相比，该技术的主要优势在于无需物理分离或标记，即可直接对生物液体中的颗粒进行表征。通常，初学者在操作该方法时会遇到困难，原因是细胞外囊泡在大小上具有异质性。在尝试检测较小囊泡时，较大的囊泡可能会堵塞纳米孔。我们在方案中增加了一些实用的技巧和方法，以快速恢复至可操作的条件。我们试图减少细胞外囊泡的产生，并需要一种方法来定量细胞培养上清液中囊泡的浓度。在寻找表征纳米颗粒的方法时，我们发现了可调电阻脉冲传感技术（TRPS），并对其方案进行了改进，使其更适用于外泌体、细胞培养上清液及其他生物流体的表征。首先将TRPS仪器连接至安装有Exoid控制套件软件的计算机。务必尽量减少电干扰，具体操作详见文本方案中的说明。现在选择纳米孔的尺寸。对于70至200纳米的囊泡，NP 100是最佳选择；而对于85至300纳米的囊泡，可使用NP 150。NP 200则更适合测量100至400纳米的囊泡。然后为 NP 100 和 NP 150 选择相应的聚苯乙烯校准颗粒，为 NP 200 选择 CPC 100 校准颗粒。使用 CPC 200 校准颗粒。将校准颗粒涡旋振荡 30 秒。如果颗粒仍然聚集，请先进行超声处理，然后将校准颗粒用 PBS 稀释至目标浓度。根据纳米孔的尺寸，最终体积必须至少为 40 微升。现在用 78 微升 PBS 润湿仪器的下部液室，随后立即吸除。这可以降低在纳米孔下方形成气泡的风险。接下来，将纳米孔放入仪器的两个对向臂中。使用数显卡尺测量两个对向臂之间的距离。将该数值输入软件中名为“stretch”的字段，输入后，使用控制相对臂之间距离的侧轮，点击“calibrate stretch”。将纳米孔拉伸至47毫米。拉伸至指定尺寸后，向下方流体池重新加入78微升PBS。开始校准过程，将上部流体池放置在纳米孔上，并安装屏蔽罩。然后向上部流体池中加入 40 微升稀释的校准颗粒。现在施加至少 0.8 千帕的正压。使用可变压力模块（VPM），选择正电压并点击开启。然后在分析阻断信号的同时缓慢降低拉伸力。这些事件由校准颗粒引起。随着拉伸程度降低，阻断高度将逐渐增加，从而提高信噪比。增加电压也可提高阻断高度，但同时可能产生更多的均方根（RMS）噪声。当观察到的阻断信号明显超过背景水平时（如信号轨迹面板所示），即停止进一步减小拉伸。其次，观察颗粒速率。然而，此项的阈值较为宽松。理想情况下，颗粒速率应至少达到每分钟100个。然而，如果每分钟粒子数超过 2000，则需稀释样本并重新校准仪器。如此高的粒子数可能导致本演示实验的测量结果不准确。对先前从脑肿瘤细胞系中纯化的细胞外囊泡进行表征。首先将校准颗粒加载到上部流体池压具中。开启后，使用VPM施加压力，并在此记录至少500个颗粒的数据。施加的压力为0.8千帕。可选地，也可通过多次压力测量完成此步骤：增加施加的压力，并记录第二个校准文件。当前压力增量至少应为 0.2 千帕。随后，从上部样品室中取出样品，并用 100 微升 PBS 溶液清洗样品室三次，每次清洗使用 100 微升。清洗完成后，用无绒纸擦干上部流体室。接下来加入实验样品。基线电流必须在测量校准颗粒时所观察到的电流的3%范围内。如果不在该范围内，可轻敲或旋转屏蔽帽，推入活塞，或完全取出纳米孔并用去离子水冲洗。如果观测到的电流良好，则施加与校准颗粒相同的压力。随后记录至少500个颗粒，并保存数据文件。如果颗粒检测突然中断、基线电流下降或均方根（RMS）噪声突然增加，则暂停记录，并尝试疏通纳米孔。与之前相同，用移液器将样品上下吹打。轻敲或旋转屏蔽帽，推动柱塞，或完全取出纳米孔，并用去离子水冲洗。另一种策略是将纳米孔拉伸至最多47毫米，并将VPM的压力调至最大，持续约五分钟。由于这也可能导致软件中的 NPO 断开连接。请转到分析数据选项卡，通过右键单击未处理文件选项并选择处理文件选项来开始处理数据。然后，为了将样品文件与校准文件配对，请单击样品旁边的复选框。在校准列中，选择相应的文件并确认。软件将显示不同的样品特征，如尺寸、分布、基线持续时间、半峰全宽以及浓度分析结果。以下方法适用于在制备过程中使用标准方法易导致严重堵塞的样本，例如生物液体。将至少50微升的细胞培养物在300 ×g 条件下离心7分钟，收集含有细胞外囊泡的上清液。同时，对样本和对照组均以相同方式制备单独的培养基对照。将20微升上清液转移至新的离心管中，加入20微升PBS和10微升稀释后的335纳米聚苯乙烯微球储备液（浓度为每毫升1000万个微球）。现在按照之前的方法设置仪器，使用 NP 200 纳米孔，并测量仅含微珠的培养基对照样品。首先，为了保证准确性，必须将非微珠颗粒的背景检测信号降至微珠检测信号的 10% 以下。接着，在记录重复样本之前，先对每个样品进行一次测量。这将使每个样品经历变化的纳米孔条件。每个样品均应测量三次，最后仅重新测量校准微珠样品。在后续数据分析过程中，使用电子表格软件进行浓度计算。书面方案中包含了一个计算示例。通过超速离心法从U 87 M-G-E-G-F-R-V三细胞培养物的上清液中纯化出细胞外囊泡，然后使用115纳米校准微球按照所述方案进行测量，获得了细胞外囊泡的粒径分布。还通过向样本中添加标准品的替代方法，直接从胶质母细胞瘤细胞培养上清液中对细胞外囊泡进行了定量。观察到两个纳米颗粒群体。根据已知标准品对这两个群体的尺寸估算，较小的细胞外囊泡群体与较大的标准品相区分，确定囊泡群体的尺寸大于140纳米。较小的细胞外囊泡可能通过更小的纳米孔开口被检测到，但这样会导致更多的堵塞。一旦掌握，该技术可在一至四小时内完成，具体时间取决于分析的样本数量。在执行该操作过程中，需注意样本可能需要对方案中的隔膜参数进行调整。例如，含有较大囊泡的样品可能需要在相对较大的拉伸条件下使用较大的纳米孔，并且可以通过过滤或离心处理样品以去除细胞碎片（这些碎片可能堵塞纳米孔），从而提高测量的便利性。观看本视频后，您应能够充分理解如何使用 TRPS 技术对细胞外囊泡进行表征。根据您的细胞外囊泡样品情况，可选择应用标准操作流程，或采用经调整的内参校正法。

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Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

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