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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
In diesem Artikel wird eine Methode zur Isolierung von Exosomen aus Vollblut und zur weiteren Analyse durch Nanopartikel-Tracking mit einem halbautomatischen Instrument vorgestellt. Die vorgestellte Technologie bietet eine äußerst empfindliche Methode zur Visualisierung und Analyse von Partikeln in flüssiger Suspension.
Obwohl die biologische Bedeutung von Exosomen in letzter Zeit zunehmend an wissenschaftlicher und klinischer Aufmerksamkeit gewonnen hat, ist noch viel über ihre komplexen Wege, ihre Bioverfügbarkeit und ihre vielfältigen Funktionen bei Gesundheit und Krankheit unbekannt. Aktuelle Arbeiten konzentrieren sich auf das Vorhandensein und das Verhalten von Exosomen (sowohl in vitro als auch in vivo) im Kontext verschiedener menschlicher Erkrankungen, insbesondere in den Bereichen Onkologie, Gynäkologie und Kardiologie.
Leider gibt es weder einen Konsens über einen Goldstandard für die Isolierung von Exosomen, noch gibt es eine Einigung über eine solche Methode für ihre quantitative Analyse. Da es viele Methoden zur Aufreinigung von Exosomen und auch viele Möglichkeiten zu deren quantitativer und qualitativer Analyse gibt, ist es schwierig, eine Kombination von Methoden für den idealen Ansatz zu bestimmen.
Hier demonstrieren wir die Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA), eine halbautomatische Methode zur Charakterisierung von Exosomen nach Isolierung aus menschlichem Plasma durch Ultrazentrifugation. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass dieser Ansatz zur Isolierung sowie die Bestimmung der durchschnittlichen Anzahl und Größe von Exosomen reproduzierbare und valide Daten liefert, wie z.B. andere Methoden, wie z.B. die Rasterelektronenmikroskopie (REM), bestätigen.
Die genaue Funktion des zirkulierenden Exosomen blieb lange Zeit unbekannt. Selbst jetzt der vollständige Pfad Mechanismus Exosomen ist nicht vollständig geklärt. Seit Exosomen tragen Antigene, Proteine und RNA (mRNA und miRNA), die sie bezieht sich auf ihre elterlichen Ursprungszelle, ihre Funktion als Zell-Zell-Signalgeber wurde vor allem im Vordergrund.
Viele unterschiedliche Verfahren werden in der Literatur für die Isolierung und quantitativen Nachweis von Exosomen 1,2 beschrieben. Jedoch keinen Konsens über eine "Goldstandard" erreicht wurde. Inzwischen ist die Mehrheit der Wissenschaftler auf dem Gebiet der Forschung tätig Exosom einig, dass eine konsistente Methode der Isolation ist sehr gerechtfertigt, um ein höheres Maß an Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Berichten und Studien zu erzielen.
Fluoreszenz-aktivierte Zellsortierung (FACS) ist die häufigste und verbreitet Werkzeug zur Analyse exosome 3. FACS hat die beneFit, die über Fluoreszenzmarkierung, Zellen verschiedener Herkunft kann in einem Schritt verglichen werden. Die Hauptnachteile FACS sind, dass dieses Verfahren nicht empfindlich genug ist, um Teilchen, die kleiner als 0,5 um 4 zu identifizieren, während Exosomen sind im Allgemeinen zwischen 30-120 nm Durchmesser 5, sogar noch weniger, um ihre Größe zu messen.
Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) sind andere Werkzeuge für die Analyse der Partikelgröße und die Morphologie der Exosomen. Sowohl SEM und TEM haben jedoch den Nachteil, dass die Probenvorbereitung ist zeitaufwendig, wobei beide Verfahren beinhalten arbeitsintensive Schritte, und jeder hat ein gewisses Risiko einer Artefakterzeugung. Beide Verfahren sind für einen hohen Probendurchsatz und Charakterisierung von mehreren tausend Einzelpartikeln einer Probe. Darüber hinaus, um eine quantitative Analyse der klinischen Alltag, wo Proben oft gleichzeitig oder zumindest in einem sehr kurzen Zeitraum analysiert werdenschwierig durchzuführen. Techniken der neuen Generation jetzt können wir Exosomen ohne vorherige intensive Vorbereitungsarbeiten (zB Umwelt SEM) analysiert. Die modernen Techniken sind immer noch für die Analyse von großen Volumen Suspensionen, die Exosomen, ihre durchschnittliche Anzahl und Größenverteilung 6 bestimmen eher unbequem.
Ein weiteres hochempfindliche Methode zur Visualisierung und Analyse von Exosomen ist Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA). Dieses Verfahren nutzt den Vorteil von zwei unterschiedlichen physikalischen Prinzipien. Zunächst werden Teilchen, die durch das Licht gestreut, wenn sie mit einem Laserstrahl bestrahlt werden erkannt. Das zweite Phänomen ist als Brownsche Bewegung bekannt, wonach die Diffusion verschiedener Partikel in einer flüssigen Suspension ist umgekehrt proportional zu ihrer Größe. Im letzteren Fall hängt die Bewegung auch von der Temperatur und der Viskosität der Flüssigkeit. Dennoch ist diese Rate direkt an Partikelgröße bezogen und wird von NTA verwendet. Über Software-basierte Analyse, digitale Bilder von Streulicht aus einzelnen Teilchen werden aufgezeichnet. Grundstreulichtflecken und ihre Bewegungsgeschwindigkeit liefern die Daten, die die Bestimmung der Gesamtpartikelanzahl und Größenverteilung zu erleichtern. Diese Technik ist besonders leistungsfähig für die Analyse von Teilchen mit einem mittleren Durchmesser von weniger als 100 nm.
Die Größe und Konzentrationsmessungen mit dem Zetaview Brownsche Bewegung und Elektrophorese Videoanalyse-Mikroskop durchgeführt. Dies ist ein halbautomatisches Tischnanopartikelanalysegerät für flüssige Proben (im folgenden als der Partikelverfolgungsinstrument bezeichnet). Es besteht aus der Partikelbewegung Analysator sowie einen Laptop mit der für die Datenanalyse verwendet Software. Heterogenen biologischen Proben sind für dieses Verfahren geeignet als homogener Suspensionen von anorganischen Partikeln. Ein Laserstreuung-Mikroskop mit einer Videokamera zur Erfassung von Teilchen und für die Obse verwendetrvation ihrer Bewegung. Während die Mikroskopachse horizontal ist und in den Zellkanal mit einer Suspension, die Exosomen gefüllt fokussiert, wird der Laserstrahl vertikal ausgerichtet. Die Teilchen, die durch die Laserlichtstreuung, die unter 90 ° von einer digitalen Videokamera über die Mikroskop (siehe Abbildung 1) bestrahlt wird. Die Intensität des gestreuten Lichts ermöglicht die Beobachtung der Teilchen größer 60 nm Durchmesser. In einer solchen Einstellung wird die Helligkeit eines Teilchens ist nicht die einzige Indikation der Partikelgröße. Wenn kein elektrisches Feld angelegt wird, nur Teilchenbewegung folgt Brownsche Bewegung und kann als Indikator für die Berechnung der Teilchengröße dienen. Jedoch ist das Gerät auch in der Lage, das Anlegen eines elektrischen Feldes über dem Zellenkanal. Wenn zu diesem Feld ausgesetzt wird, das Potential, Polarität und das Niveau der Ionenladung der suspendierten Exosomen werden weitere Determinanten für die Richtung der Bewegung an. Geschwindigkeit und Richtung ergeben eine elektrophoretische mokeit Histogramm.
Während der Suche nach einer optimalen Methode isoliert Exosomen analysieren ist ein Problem, liegt ein weiterer in der wirksamen Isolierung von Exosomen aus unterschiedlichen Medien, wie etwa Blut, Aszites, Urin, Milch, Fruchtwasser oder Zellmedien. Verschiedene Methoden wurden bisher die basieren beschrieben, auf Ultrazentrifuge 1, industrielle Trennung Reagenzien (wie Exoquick) 7, magnetische Kügelchen für Antigen Einsatz Trennung 8 oder Ultrafiltration Schritte 9.
In diesem Protokoll zeigen wir den gesamten Prozess der Exosom Trennung über Ultrazentrifugation und zeigen, wie man die resultierende Exosom enthaltende Suspension über die Partikelverfolgung Instrument analysieren. Besondere Erwägungen für die Analyse von menschlichem Plasma oder Zellkulturmedium abgeleitete Exosomen bereitgestellt.
HINWEIS: Die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente wurden von der institutionellen ethischen Vorstand der Universität Düsseldorf zugelassen.
1. Exosom Vorbereitung
2. Startvorgang des Tracking-Instrument Particle
3. Messung der Proben
4. Interpretation der Ergebnisse
Die für diese Demonstration verwendete Probe zeigt eine optimale Einstellung für die Messung mit einer Sensitivität von 85%, bevor die maximale Steigung der Empfindlichkeitskurve (Figur 2). Die Helligkeit, die Min / Max-Werte wurden ausgewählt, wie im Protokoll empfohlen. Eine Konzentration von 5,3 Teilchen / ml x 10 6 wurde gemessen, während die mittlere Größe der Teilchen 0,149 um, die meisten von ihnen 0,137 um.
Die nach der Messung empfangenen Werte können in einem Bericht mit einem Dateiformat PDF oder als TXT für den Export in eine Datenbank gespeichert werden. Die Grafik kann eingestellt Bevorzugt seien wie im Protokoll (Abschnitt 4) beschrieben. Die Videosequenz wird ebenfalls gespeichert und kann für die spätere off-line erneute Analyse verwendet werden. Jedoch in solch einem off-line-Analyse, die vor der Akquisition Einstellungen der Kamera können nachträglich nicht verändert werden.
Um die optimalen Parameter für eine Messung zu finden, beschreiben wir hier the Optimierung der Geräteeinstellungen am Beispiel eines 100 nm Polystyrolgrößenstandard. Der Einfluss von zwei Parametern, die Empfindlichkeit und Min / Max Größe für Videobild und die Partikelgrößenverteilung wird im Detail diskutiert. Alle anderen Parameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Eine visuelle Eindruck der Auswirkungen der Empfindlichkeit (im Bereich von 50 bis 94) über analoge und digitale Bilder ist in Figur 3 sichtbar gemacht. Die quantitative Informationen aus den Bildern abgeleitet ist, ist in 4 dargestellt, basierend auf den Einstellungen in der Tabelle 1 Min Size = 5 und Max.Grösse = 200. Ein typisches Verhältnis der Anzahl der detektierten Teilchen vs. Empfindlichkeit wird in 4A gezeigt. Zwischen 50 und 90, die Zahl der detektierten Partikel erhöht mit Sensibilität und stieg dramatisch für Empfindlichkeiten> 90. Ein optimaler Bereich der Empfindlichkeit zwischen 66 und 86 (A) gefunden. Partikelgrößenverteilungen mit dif erhaltenschiedliche Empfindlichkeitseinstellungen sind in 4B gezeigt. Die Partikelgrößenverteilungen stellen den Mittelwert aus drei Einzelmessungen. Bei einer zu geringen Empfindlichkeit (Sensitivität = 62, rote Kurve) nur wenige Partikel wurden analysiert, was zu eher schlechte Statistik. Die Anzahl der analysierten Partikel erhöht mit Sensibilität und erreicht ein Optimum zwischen 70 (gelbe Kurve) und 86 (tan Kurve). Eine weitere Erhöhung der Empfindlichkeit führen zu einer Verschlechterung der Partikelgrößenverteilung mit der Anzahl der Partikel fallen und Grßenverteilung Verschiebung zu kleineren Größen (Empfindlichkeit = 94, blaue Kurve). 4C zeigt den Trend der Anzahl basiert x50 Durchmesser (50% der Teilchen kleiner sind als dieser Durchmesser) als eine Funktion der Sensitivität. In der beige-Intervall, die RSD der Teilchengröße betrug weniger als 8% und entspricht dem optimalen Intervall in A. Die roten Bereiche zeigen als Folge der schlechten Statistik (Empfindlichkeit zu gering) oder breit distri RSD> 8%träge mit Verschiebung zu kleineren Größen (Empfindlichkeit zu hoch).
Die Einstellungen der Mindestgröße und Maximale Größe sind Filter, digitale Bilder, um Teilchen mit Spotgrößen kleiner als Mindestgröße und größer als Max Größe zu entfernen. Aufgrund der Fähigkeit, Licht zu streuen, erzeugt ein Teilchen eine Stelle mit einer bestimmten Größe auf einem digitalen Bild. Die Größe des Punktes als eine Anzahl von Bildpunkten (Pixel) gemessen. Wenn ein Teilchen streut das Licht sehr gut (zB Partikel> 200 nm oder Aggregate), ist die Punktgröße recht groß, zB> 500 px. Die Punktgrße ist ziemlich klein (zB <10 Pixel) für kleine Teilchen (zB <20 nm) in Abhängigkeit von der Partikelmaterial. Fleckgrße (px) nicht mit Teilchengröße (nm) gegeneinander ausgetauscht werden, wenn sie nicht identisch sind, und es gibt keine direkte Beziehung zwischen diesen beiden Variablen. Eine Optimierung der Min- und Max-Größe ermöglicht es dem Benutzer, wie Agglomerate (Max Size) oder kleine Ausfiltern unerwünschter ObjekteObjekte wie Hintergrundgeräusche (Min Size). Der Einfluss der Min / Max Größe von der Partikelgrößenverteilung eines 100 nm-Größenstandard ist in Figur 4D (Empfindlichkeit = 82) gezeigt. Wenn das Intervall auf kleine Messfelder gesetzt ist (zB min = 1, max = 52; orange Kurve), die Anzahl der analysierten Partikel reduziert und die Anzahl der Basis x50 Durchmesser leicht nach kleineren Größen verschoben. Eine Einstellung für größere Flecken (min = 40, max = 1.000; rote Kurve) führt zu einer breiten Partikelgrößenverteilung verschoben hin zu größeren Größen. Um gleiche Gesamtzahl der Partikel zu erhalten, wurden die Intervallgrenzen der beiden orange und rot-Distributionen angepasst werden, um 80 Teilchen entsprechen. Die Verteilung mit den optimalen Einstellungen (min = 5, max = 200; tan Kurve) besteht aus 360 Teilchen.
Eine Reihe von erfolgreichen Experimente wurden mit Exosomen durch Ultrazentrifugation isoliert und NTA, gemessen unter Verwendung des dargestellten Systems durchgeführt. Die erhaltenen Daten waren höchstkonsistent und bestätigten eine hohe Reproduzierbarkeit. Andere Isolierungsmethoden sollten ähnliche Ergebnisse. Jedoch wurde der Verdünnungsschritt als ein besonders kritischer Schritt identifiziert und neu bewertet werden die Auswirkungen auf die berechnete Gesamtanzahl von Partikeln aufweist.

Abbildung 1. Schematische Darstellung des Aufbaus der NTA. Das Mikroskop / Video-Achse und Laserstrahl sind orthogonal zueinander orientiert, kreuzen an der Zellkanalquerschnitt. Licht von den Teilchen gestreut wird im Fenster "Live-Ansicht" der Software angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

Abbildung 3. Auswirkungen der Empfindlichkeit an analogen und digitalen Bild. Visualisierung von Partikeln auf der Live-Bildansicht wird Empfindlichkeiten zwischen 50 und 94 für analoges (obere Reihe) eine Anzeiged digital (untere Reihe) Blick. Wenn die Empfindlichkeit zu niedrig ist, sind nur wenige Teilchen detektiert (links). Auf optimale Empfindlichkeit erscheinen die Partikel als einzelne Punkte gut voneinander (Mitte) isoliert. Auf einem vergleichsweise hohen Empfindlichkeit Partikel verschmelzen mit der schlechten Bildqualität (rechts) führen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

Abbildung 4. Einfluss von Empfindlichkeit min und max Formateinstellungen für eine Steuer 100 nm Polystyrolpartikelprobe (A) Plot der Empfindlichkeit gegenüber erkannt Anzahl der Teilchen. das optimale Intervall von 66 bis 86, vor der der maximalen Steigung der Kurve. (B) Partikelgrößenverteilungen mit verschiedenen Empfindlichkeitseinstellungen (62-94 erhalten); Graphen für zu niedrig (62) oder zu hoch (94) Empfindlichkeit erfassen nicht die Partikelgrößenverteilung für die 100 nm Polystyrol Kontrollprobe. (C) Anzahl der Basis x50 Durchmesser gegenüber Empfindlichkeit; der Fehler in der x50 beige Intervall weniger als 8%, ist von 66 auf 86 (D) Auswirkungen von Min- und Max-Größe auf der Partikelgrößenverteilung optimal Intervall; optimalen Parametern (min = 5 und max = 200) erfassen die korrekte Verteilung für die Kontrollprobe. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
| Pre-Erfassungsparameter | |
| Empfindlichkeit | Variable |
| Verschluss | 40 |
| Bildrate | 30 fps |
| Auflösung | Hallogh |
| Cycles | 10 |
| Mehrere Übernahmen | 3 |
| Position | 1 |
| Post-Erfassungsparameter | |
| Min Helligkeit | 30 |
| Max Größe | Variable |
| Mindestgröße | Variable |
Tabelle 1. Zusammenfassung der vor und nach der Aufnahme-Parameter zur Einstellung der Partikelverfolgung Instrument.
Diese Arbeit wurde aus institutionellen Mitteln der Klinik für Herz- und Gefäßchirurgie der Medizinischen Fakultät der HHU unterstützt. Die Publikationskosten dieser Studie wurden von der Particle MetrixGmbH zur Verfügung gestellt.
In diesem Artikel wird eine Methode zur Isolierung von Exosomen aus Vollblut und zur weiteren Analyse durch Nanopartikel-Tracking mit einem halbautomatischen Instrument vorgestellt. Die vorgestellte Technologie bietet eine äußerst empfindliche Methode zur Visualisierung und Analyse von Partikeln in flüssiger Suspension.
Die Autoren danken Christina Ballázs, Hug Aubin und Jörn Hülsmann für die kritische Lektüre des Manuskripts und die hervorragende redaktionelle Unterstützung. Darüber hinaus danken die Autoren Gisela Müller für die technische Unterstützung. Die Autoren danken der Particle Metrix GmbH für die Bereitstellung der Mittel zur Deckung der Publikationskosten.
| Citratröhrchen | BD | 364305 | BD Vacutainer |
| Destilliertes Wasser | Braun | 3880087 | Aqua ad iniectabilia |
| Falcon Röhrchen | Greiner Bio One | 188271 | PP Röhrchen, steril 15 ml |
| Ultrazentrifugationsröhrchen | Beckman | 357448 | Microfuge Röhrchen Polyallomer 1,5 ml |
| Polybead Polysciences, Inc. | 07304 | 2,6 % Feststoff-Latex Ausrichtungslösung | |
| Spritze (Filter) | Braun | 4617053V | 5 ml |
| Spritze (ZetaView) | Braun | 4606051V | 5 ml |
| Nadel | BD | 305180 | BD stumpfe Nadel |
| Filter | Sartorius Stedim | 16555 | Spritzenfilter, hydrophil, 450 & Mikro; m |
| Ultrazentrifuge | Beckman | L8-M | Rotor: 70Ti Ser.-Nr E21078 |
| ZetaView | Particle Metrix | PMX 100, Typ 101 | |
| Zentrifuge | Eppendorf | 5804R | Rotor: A-4-44 |