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Research Article
Geetika Raizada1, Balasubramaniam Namasivayam2, Sameh Obeid3, Benjamin Brunel1, Wilfrid Boireau1, Eric Lesniewska4, Celine Elie-Caille1
1Université de Franche-Comté, CNRS UMR-6174,FEMTO-ST Institute, 2Lille Neuroscience & Cognition research centre, 3Institut Galien Paris-Saclay, CNRS UMR-8612 , Université Paris-Saclay, 4Interdisciplinary Lab Carnot Bourgogne LICB, CNRS UMR-6303,Université de Bourgogne Franche-Comté
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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 neue Generation multiparametrischer Analyseplattformen mit erhöhtem Durchsatz für die Charakterisierung von extrazellulären Vesikel-Untergruppen vorgeschlagen. Die Methode basiert auf einer Kombination von gemultiplexten Biosensormethoden mit metrologischen und morphomechanischen Analysen durch Rasterkraftmikroskopie, gekoppelt mit Raman-Spektroskopie, um vesikuläre Ziele zu qualifizieren, die auf einem Microarray-Biochip gefangen sind.
Extrazelluläre Vesikel (EVs) sind membranabgeleitete, winzige Vesikel, die von allen Zellen mit einem Durchmesser von 50 bis mehreren hundert Nanometern produziert werden und als Mittel zur interzellulären Kommunikation verwendet werden. Sie entwickeln sich zu vielversprechenden diagnostischen und therapeutischen Instrumenten für eine Vielzahl von Krankheiten. Es gibt zwei Hauptbiogeneseprozesse, die von Zellen verwendet werden, um EVs mit Unterschieden in Größe, Zusammensetzung und Inhalt herzustellen. Aufgrund ihrer hohen Komplexität in Größe, Zusammensetzung und Zellherkunft erfordert ihre Charakterisierung eine Kombination von Analysetechniken. Dieses Projekt beinhaltet die Entwicklung einer neuen Generation von multiparametrischen Analyseplattformen mit erhöhtem Durchsatz für die Charakterisierung von Subpopulationen von Elektrofahrzeugen. Um dieses Ziel zu erreichen, geht die Arbeit von der von der Gruppe etablierten nanobioanalytischen Plattform (NBA) aus, die eine originelle Untersuchung von EVs auf der Grundlage einer Kombination von gemultiplexten Biosensormethoden mit metrologischen und morphomechanischen Analysen durch Rasterkraftmikroskopie (AFM) von vesikulären Targets ermöglicht, die auf einem Microarray-Biochip gefangen sind. Ziel war es, diese EV-Untersuchung mit einer phänotypischen und molekularen Analyse mittels Raman-Spektroskopie abzuschließen. Diese Entwicklungen ermöglichen den Vorschlag einer multimodalen und einfach zu bedienenden analytischen Lösung für die Unterscheidung von EV-Untergruppen in biologischen Flüssigkeiten mit klinischem Potenzial
Das wachsende Interesse an der EV-Forschung in der Diagnose und in der Therapie 1,2,3,4,5, kombiniert mit den Herausforderungen, mit denen dieses Feld konfrontiert ist, hat zur Entwicklung und Implementierung einer Vielzahl von Ansätzen und Techniken zur Quantifizierung oder Charakterisierung dieser Vesikel geführt. Die am weitesten verbreiteten Methoden zur Identifizierung von EVs sind proteinspezifisches Immunblotting und Proteomik, um die Herkunft von EVs zu bestätigen, Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), um ihre Struktur zu bestätigen, und Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA), um ihre Anzahl und Größenverteilung in einem Probenvolumen zu quantifizieren.
Keine dieser Techniken allein liefert jedoch alle Informationen, die zur Charakterisierung von EV-Untergruppen erforderlich sind. Die inhärente Heterogenität von Elektrofahrzeugen aufgrund der Vielfalt ihrer biochemischen und physikalischen Eigenschaften erschwert globale Analysen, die zuverlässig und reproduzierbar sind, insbesondere für Elektrofahrzeuge, die in einem Gemisch (Rohprobe) enthalten sind. Detektions- und Charakterisierungsmethoden sind daher für Elektrofahrzeuge sowohl einzeln als auch allgemein erforderlich, um andere Methoden zu ergänzen, die schneller, aber nicht selektiv sind6.
Die hochauflösende Bildgebung mittels TEM (oder KryoTEM) oder AFM ermöglicht die Bestimmung der Morphologie und Metrologie von EVs mit einer nanometrischen Auflösungvon 7,8,9,10,11,12. Die Haupteinschränkung bei der Verwendung der Elektronenmikroskopie für biologische Objekte, wie z. B. Elektrofahrzeuge, ist jedoch die Notwendigkeit eines Vakuums zur Durchführung der Studie, die die Fixierung und Dehydratisierung der Probe erfordert. Eine solche Präparation macht es schwierig, von den beobachteten Strukturen auf die EV-Morphologie in Lösung zu übertragen. Um diese Dehydratisierung der Probe zu vermeiden, ist die Technik der KryoTEM für die EV-Charakterisierung am besten geeignet13. Es wird häufig zur Bestimmung der Ultrastruktur von Elektrofahrzeugen verwendet. Die Immunmarkierung von Vesikeln durch biofunktionalisierte Goldnanopartikel ermöglicht es auch, spezifische Subpopulationen von EVs zu identifizieren und sie von anderen Partikeln zu unterscheiden, die in einer komplexen biologischen Probe vorhanden sind. Aufgrund der geringen Anzahl von EVs, die durch Elektronenmikroskopie analysiert werden, ist es jedoch oft schwierig, eine Charakterisierung durchzuführen, die für eine komplexe und heterogene Probe repräsentativ ist.
Um diese Größenheterogenität aufzudecken, schlägt die International Society for Extracellular Vesicles (ISEV) vor, eine ausreichende Anzahl von Weitfeldbildern zu analysieren, begleitet von kleineren Bildern, um einzelne EVs mit hoher Auflösung zu enthüllen14. AFM ist eine Alternative zu optischen Ansätzen und elektronischen Beugungstechniken für die Untersuchung von Elektrofahrzeugen. Bei dieser Technik wird eine scharfe Spitze verwendet, die von einem flexiblen Ausleger gehalten wird, der die auf einem Träger abgelagerte Probe Zeile für Zeile abtastet und den Abstand zwischen der Spitze und den vorhandenen Elementen durch eine Rückkopplungsschleife anpasst. Dies ermöglicht es, die Topographie der Probe zu charakterisieren und morphomechanische Informationen zu sammeln15,16,17,18. Die EVs können mittels AFM gescannt werden, nachdem sie entweder auf einem atomar flachen Substrat abgeschieden wurden oder nachdem sie auf einem spezifischen Substrat eingefangen wurden, das durch Antikörper, Peptide oder Aptamere funktionalisiert wurde, um die verschiedenen Subpopulationen zu charakterisieren18,19. Aufgrund seiner Fähigkeit, die Struktur, die Biomechanik und den membranösen biomolekularen Gehalt von EVs in komplexen biologischen Proben zu quantifizieren und gleichzeitig zu untersuchen, ohne dass eine Vorbehandlung, Markierung oder Dehydratisierung erforderlich ist, wird AFM nun zunehmend zur feinen und multiparametrischen Charakterisierung von EVs unter physiologischen Bedingungen von Temperatur und Medium eingesetzt.
In diesem Artikel wird eine Methodik vorgeschlagen, bei der ein Kern-Gold-Biochip verwendet wird, der in einem Multiplex-Format (bio)chemisch funktionalisiert werden kann. Dieses Substrat ist der Eckpfeiler einer leistungsstarken analytischen Plattform, die die biologische Detektion von EV-Untergruppen durch Oberflächenplasmonenresonanz kombiniert, und sobald die EVs auf dem Chip adsorbiert/gepfropft oder immuneingefangen sind, ermöglicht AFM die metrologische und morphomechanische Charakterisierung der EVs. In Verbindung mit der Raman-Signatur der auf dem Chip erfassten EV-Untergruppen ermöglicht diese Analyseplattform die Qualifizierung der in biologischen Proben vorhandenen EVs markierungsfrei und ohne präanalytische Schritte. Dieses Papier zeigt, dass die Kombination aus leistungsstarken Techniken, unterstützt durch eine sehr strenge Methodik bei der Substratvorbereitung und Datenerfassung, die EV-Analyse tiefgreifend, definitiv und robust macht.
Das Prinzip des vorgeschlagenen Ansatzes besteht darin, ein Goldsubstrat herzustellen, die EV-Subtypen zu adsorbieren/pfropfen oder einzufangen und sie mit AFM zu scannen, um die Größe und Morphologie jeder EV-Untergruppe abzuschätzen. Zusätzlich werden diese adsorbierten EVs mittels Raman-Spektroskopie analysiert. Dieses Substrat kann in der Tat drei Arten von Grenzflächen mit wachsender Komplexität aufweisen: nackte, chemisch funktionalisierte oder Liganden-Microarrays. Bevor die verschiedenen Schritte des Protokolls beschrieben werden, wird auf die schematische Darstellung des Ansatzes der nanobioanalytischen Plattform (NBA) in Abbildung 1 verwiesen, der Oberflächenplasmonenresonanztomographie (SPRi), AFM und Spektroskopie kombiniert.

Abbildung 1: Die NanoBioAnalytical Plattform. Der Ansatz kombiniert (A) Oberflächenplasmonenresonanztomographie, (B) Rasterkraftmikroskopie und Infrarot/Raman-(Nano-)Spektroskopie, die alle auf demselben Substrat - einem Multiplex-Goldchip - eingesetzt werden. Abkürzungen: NBA = NanoBioAnalytical platform; SPRi = Oberflächenplasmonen-Resonanztomographie; AFM = Rasterkraftmikroskopie; EV = extrazelluläres Vesikel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Der Kern-Gold-Biochip bildet das Herzstück der Plattform, da alle markierungsfreien Charakterisierungstechniken auf diesem Biochip durchgeführt werden. Entsprechend den Anforderungen der EV-Charakterisierung (entweder globale/totale EVs oder EV-Untergruppen) und den Einschränkungen/Anforderungen der verwendeten Methoden wurden drei Arten von Gold-Biochip-Oberflächen entwickelt: entweder "nackte", chemisch funktionalisierte "C11/C16" oder ligandenbiofunktionalisierte, als "Liganden"-Goldoberfläche bezeichnete Goldoberfläche.
Der nackte Biochip, "nackt" genannt, ermöglicht die einfache Adsorption von Elektrofahrzeugen auf Gold. Es ist möglich, den verwendeten Puffer auszuwählen und diese Adsorption entweder passiv (Inkubations- und Spülschritte) oder unter Durchfluss (in SPRi) zu überwachen. Darüber hinaus kann diese passive Adsorption entweder auf dem gesamten Chip (als Makroarray) oder in Microarrays mit einem Mikropipetten-Spotter lokalisiert werden. Das "Under Flow-Verfahren" ermöglicht es den Ermittlern, die Kinetik und das Ausmaß der EV-Adsorption zu verfolgen. Dieser Ansatz auf dem nackten Goldsubstrat wird angewendet, wenn die chemische Schichtgrenzfläche die analytische Methode stören kann (z. B. für die Raman-Spektroskopie).
Der chemisch funktionalisierte Biochip mit der Bezeichnung "C11/C16" wird verwendet, um einen dichten und robusten "Teppich" aus EVs zu erzeugen, die kovalent an der Goldoberfläche gebunden sind, indem primäre Amidbindungen mit den Thiolaten gebildet werden, wenn das Ziel darin besteht, eine globale Sicht auf die EV-Probe zu erhalten. Tatsächlich wird das Gold in diesem Fall durch eine Thiolatmischung aus Mercapto-1-undecanol (11-MUOH: "C11") und Mercapto-1-hexadecansäure (16-MHA: "C16") funktionalisiert, und ein Teil der Thiolate wird chemisch aktiviert, um eine kovalente Bindung an die Ziele herzustellen. Auch diese Strategie kann entweder passiv (Inkubations- und anschließende Spülschritte, entweder in "Makroarrays" oder in mehreren Mikroarrays mit einem Mikropipetten-Spotter) oder unter Durchflussraten (in SPRi) realisiert werden, um die Kinetik und den Grad der EV-Pfropfung auf der Goldoberfläche zu verfolgen.
Der liganden-biofunktionalisierte Biochip, der als "Liganden" bezeichnet wird, wird chemisch aktiviert, um verschiedene Liganden (z. B. Antikörper, Rezeptoren) kovalent zu transplantieren, um selektiv (mit Affinität) verschiedene EV-Untergruppen zu erfassen, die in der biologischen Probe koexistieren.
1. Vorbereitung des Goldsubstrats
HINWEIS: Drei Arten von Oberflächen werden auf Goldchips hergestellt: 1) nackte Oberfläche, 2) chemisch funktionalisiert und 3) biofunktionalisiert (Liganden, die auf die C11C16-Schicht gepfropft sind). Sie werden ab diesem Zeitpunkt als "nackt", "C11C16" bzw. "Liganden" bezeichnet.

Abbildung 2: Biochip und manueller Spotter. Gold-Biochip (links), Mikropipetten-Spotter (Mitte) und der Biochip nach Spotting mit Ligandentröpfchen von jeweils 300 nL (rechts). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 3: Vorkonzentrationstests zur Bestimmung des optimalen pH-Werts für die Ligandentransplantation. Das Sensorgramm stellt den Grad der Wechselwirkung als Funktion der Zeit für einen Liganden dar, der zufällig (bei unterschiedlichen pH-Werten) in der gleichen Konzentration über 2 Minuten auf die Oberfläche injiziert wurde. OG ist das Detergens, das es ermöglicht, die Grundlinie zwischen jeder Injektion wiederherzustellen. Hier zeigt das Sensorgramm an, dass pH 6 mit einem SPRi-Signal von 1091 RU die meisten Ligandentransplantationen ermöglichte. Abkürzungen: OG = Octylglucosid; RU = Antworteinheit. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
2. Oberflächenplasmonen-Resonanztomographie

Abbildung 4: SPRi-CCD-Aufnahme des Biochips. (A,B) Multiplex-Biochip nach Albuminpassivierung. (A) Ein Chip ohne Ausfall; (B) einige Defekte, die auf dem Chip aufgetreten sind: Verschmelzung von Flecken (i), schwache Pfropfung (ii) oder Staub oder "Verunreinigungen" (iii). Die ROIs, in Farbe in den Flecken (eine Farbe pro Ligandenfamilie), wurden gewählt, um diese "Verunreinigungen" zu vermeiden. Wenn Spots zusammengeführt wurden, wurden sie notiert und entweder ignoriert oder als "Mischung der Liganden 1 und 2" bezeichnet. (C) Nackter Goldchip ohne Microarrays für das Experiment zur Untersuchung der Adsorption von Elektrofahrzeugen auf Gold. Der blaue Pfeil zeigt die Fließrichtung an. Dieser Chip wies keine Flecken auf, und die ROIs wurden so gewählt, dass das Reflektivitätssignal von Zeile 1 (L1, rote Kreise) bis Zeile 4 (L4, violette Kreise) während der Probeninjektion registriert wurde. Maßstabsleiste = 1 mm für alle drei Bilder. Abkürzungen: SPRi = Oberflächenplasmonenresonanztomographie; CCD = ladungsgekoppeltes Gerät; ROIs = Regionen von Interesse; EVs = extrazelluläre Vesikel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 5: SPRi-Experimente der EV-Injektion auf einen Biochip. (A) Capture-Experiment auf einem Multiplex-Biochip, das die Reflektivitätssignale verschiedener Liganden zeigt. Hier war das Signal-Rausch-Verhältnis für die verschiedenen Liganden sehr gut (und insbesondere an den AntiCD41-Spots), da die Reaktion der Negativkontrolle vernachlässigbar war. (B) Adsorptionsexperiment von Elektrofahrzeugen auf einem nackten Biochip. Sensorgramm, das die Konditionierung des Chips mit zwei Pufferspülungen und OG-Reinigung (1), mit der EV-Probeninjektion (2) und dem Reflektivitätssignal nach EV-Wechselwirkung (3) darstellt. Auf diesem Biochip gab es keine Negativkontrolle, aber das Reflexionssignal (seine Kinetik, seine Stabilität nach der Injektion) war hoch, was bedeutet, dass diese EVs in der Lage waren, auf dem Goldchip zu adsorbieren und stabil zu bleiben. Abkürzungen: EV = extrazelluläres Vesikel; OG = Octylglucosid. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
3. Rasterkraftmikroskopie
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Abbildung 6: Biochip-Charakterisierung mittels AFM. Nach dem SPRi-Experiment wurde der Chip entweder fixiert und getrocknet oder zur AFM-Charakterisierung in Flüssigkeit gehalten. (A) Der bearbeitete Objektträger (mit zwei senkrechten Positionierungskeilen, auf dem Bild mit einem "w" gekennzeichnet) zeigt eine Maske, die zur Lokalisierung der 16 Biochip-Microarrays passt. Durch Lichtbelichtung und Transparenz ermöglicht der Glasobjektträger, sobald er für die AFM-Charakterisierung installiert ist, die AFM-Spitze an der gewünschten Stelle zu platzieren, um sie zu charakterisieren. (B) Der Biochip, der auf dem Objektträger "Maske" und unter einem Tropfen Puffer installiert ist, um unter flüssigen Bedingungen zu scannen. (C) SPRi-Aufnahme der 16 Microarrays. (D) Ein Mikroarray, der durch optische Mikroskopie nach dem Immuneinfangen von biofunktionalisierten Kalibrierungsnanopartikeln mit einem Durchmesser von 920 nm abgebildet wurde. Die weißen Quadrate zeigen die Abtastung der verschiedenen Bereiche an, die von AFM an jedem interessierenden Punkt gescannt wurden, um die AFM-Charakterisierung robust zu machen. Maßstabsbalken = (C) 1 mm, (D) 500 μm. Abkürzungen: AFM = Rasterkraftmikroskopie; SPRi = Oberflächenplasmonen-Resonanztomographie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
4. Raman-Spektroskopie
HINWEIS: Ersetzen Sie für die Raman-Spektroskopie den als Substrat verwendeten Objektträger durch einen Objektträger aus CaF2, der eine vernachlässigbare Raman-Signatur aufweist.
Bestimmung der optimalen pH-Bedingungen für die Ligandentransplantation
Die verschiedenen Liganden, die zur Herstellung der Biochips verwendet werden, werden in Abhängigkeit vom pH-Wert und ihrer Verfügbarkeit für die Interaktion mit der chemischen Thiolatschicht getestet (Abbildung 3). Die Liganden werden in Acetatpuffer bei unterschiedlichen pH-Werten verdünnt und auf den mit einer C11C16-Schicht chemisch funktionalisierten Biochip injiziert. Die Lösungen werden nach dem Zufallsprinzip auf die Oberfläche injiziert, und nach jeder Ligandeninjektion wird ein Detergens (OG bei 40 mM) injiziert, um die Basislinie wiederherzustellen. Dieser Vorkonzentrationstest ermöglicht die Bestimmung des optimalen pH-Wertes für jede Ligandentransplantation. In dem in Abbildung 3 dargestellten Beispiel wurde ein pH-Wert von 6 als bester pH-Wert in Bezug auf die Steigung und den Grad der Ligandentransplantation ausgewählt.
SPRi CCD-Bilder
Die SPRi-CCD-Bilder, die nach dem Einsetzen in die SPRi-Maschine auf dem Biochip registriert wurden (nackt, chemisch funktionalisiert oder präsentierende Microarrays), sind in Abbildung 4 dargestellt. Im Fall des Microarray-präsentierenden Biochips wurde das Bild nach Albumin-Passivierung der Oberfläche aufgenommen. Duplikate oder Verdreifachungen von Spots wurden systematisch auf dem Chip realisiert, und eine Negativkontrolle war automatisch auch auf dem Chip vorhanden. Die Negativkontrolle bestand hauptsächlich aus einem irrelevanten Antikörper. Wenn in SPRi der Biochip ohne Spotting verwendet wurde - für die Adsorption auf nacktem Gold oder für die direkte Pfropfung von EVs auf einen chemisch funktionalisierten Biochip - wurden die ROIs im Sensorbereich willkürlich gewählt. Abbildung 4C zeigt beispielhaft ROIs, die vor der Injektion von Elektrofahrzeugen auf einem nackten Goldchip ausgewählt wurden.
Dank dieses SPRi-CCD-Bildes ist es möglich, bestimmte Stellen zu ignorieren, wenn solche Probleme während des Pfropfens auftreten. Das SPRi-CCD-Bild ermöglicht auch die Abschätzung der Homogenität der Pfropfung innerhalb des Spots, stellt die Reproduzierbarkeit der Pfropfung zwischen verschiedenen Stellen desselben Liganden sicher und stellt schließlich sicher, dass die EV-Biodetektion auf Arrays erfolgt, die in Bezug auf die Oberflächendichte äquivalent sind.
SPRi-Ergebnisse
Wenn die ROIs ausgewählt werden, ist die Baseline stabil, was bedeutet, dass die Probe injiziert werden kann. Abbildung 5 zeigt unterschiedliche Ergebnisse, die auf einem Multiplex-Biochip erzielt wurden, und zeigt ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis für bestimmte Immunoarrays (das Reflektivitätssignal beträgt 1,4% auf AntiCD41 im Vergleich zu der Reaktion auf die Negativkontrolle von 0,02%). Abbildung 5B zeigt die Ergebnisse für die EV-Adsorption, die nach der Injektion der EV-Probe auf einen nackten Goldchip erhalten wurde. Die N-PEVs-Probe stammte von Blutplättchen. Die Lösung wurde bei 3.000 × g für 15 min bei 22 °C zentrifugiert; der Überstand wurde dann erneut bei 20.000 × g für 15 min bei 22 °C zentrifugiert. Das resultierende Pellet wurde im Puffer resuspendiert. Die SPRi-Ergebnisse, die an immungefangenen N-PEVs erhalten wurden, wurden mit den Ergebnissen des Western Blot (WB) verglichen. Die WB zeigte eine starke Expression von CD41, CD62P und CD9 in diesen Proben, was eine gute Korrelation mit den SPRi-Ergebnissen unterstreicht (ergänzende Abbildung S1).
Abbildung 5B zeigt die Ergebnisse für die EV-Adsorption, die nach der Injektion der EV-Probe aus humanen primären Brustepithelzellen (HMECs) auf einen nackten Goldchip erhalten wurde. Die HMEC-Zellkultur wurde bei 3.650 × g für 10 min zentrifugiert, und dann wurde der Überstand erneut bei 10.000 × g für 30 min bei 4 °C zentrifugiert. Das resultierende Pellet wurde in 1x PBS-Puffer resuspendiert, um es zu waschen, und die Zentrifugation wurde erneut bei 10.000 × g für 30 min bei 4 °C durchgeführt. Zum Schluss wurde das Pellet in 1x PBS-Puffer suspendiert.
AFM-Charakterisierung
Nach den SPRi-Experimenten und dem Laden von EV auf die Biochips (entweder durch Adsorption, Pfropfen oder Affinitätserfassung) wurde AFM durchgeführt, indem die Methodik befolgt wurde, um große Scans (10 x 10 μm²) und dann (mindestens ~10) kleinere (einige μm²) zu scannen. Abbildung 7 zeigt Beispiele für großskalige und kleinräumige AFM-Bilder von Elektrofahrzeugen auf Biochips.

Abbildung 7: AFM-Charakterisierung von Elektrofahrzeugen auf einem Biochip. Bilder, die im Kontaktmodus einer getrockneten Probe aufgenommen wurden. (A) Ein Beispiel für einen großen Scanbereich, um eine repräsentative Ansicht des mm²-ROI auf dem Chip zu geben. Dieses Ergebnis wurde nach der kovalenten Pfropfung von EVs auf einer chemisch modifizierten Oberfläche erhalten. (B) Ein weiteres Beispiel für eine große Scanfläche, die nach dem Einfangen von EVs auf Immunoarrays erhalten wurde. (C) Eine genauere Betrachtung der Objekte, um eine hohe Auflösung zu erhalten und die Messtechnik (in Höhe und Durchmesser) von Elektrofahrzeugen zu ermöglichen. (D) Eine nähere Betrachtung des Biochips im Bild in (A) mit einem geneigten 3D-Bild. (E) Eine vergrößerte Ansicht eines großen Elektrofahrzeugs, das auf einem nackten Gold-Biochip in einem geneigten 3D-Bild adsorbiert ist. Die Z-Skala ist (A, B) 30 nm und (C) 20 nm. Maßstabsbalken = (A, B) 2 μm, (C) 500 nm. Abkürzungen: AFM = Rasterkraftmikroskopie; EVs = extrazelluläre Vesikel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Gwyddion-Analyse
Die Gwyddion-Software wurde verwendet, um die Daten für jedes Vesikel zu verarbeiten, das auf jedem Stapel von AFM-Bildern visualisiert wurde. Zunächst wurde eine große Fläche (im Bereich von 10 x 10 μm²) gescannt, die eine repräsentative Ansicht des mm² ROI auf dem Chip zeigt. Das Bild in Abbildung 7A zeigt, dass die Oberfläche dicht mit Objekten bedeckt war. In diesem Fall wurden die EVs (aus Rindermilch) mit 2,5 × 1010/ml auf einen aktivierten Thiol-funktionalisierten Chip injiziert. Nach dem Entfernen von Kasein aus der Probe wurden die Molkeüberstände durch Zentrifugation bei 4.000 × g und 20 °C unter Verwendung von Amicon 100 kDa-Zentrifugalfiltereinheiten konzentriert, und die EVs wurden unter Verwendung des Saccharosegradienten-Ultrazentrifugationsansatzes isoliert. Dieses Ergebnis entspricht kovalent gepfropften EVs auf einer chemisch modifizierten Oberfläche. Abbildung 7B zeigt ein weiteres Beispiel für einen großen Scanbereich, der nach dem Einfangen von EVs auf Immunoarrays erhalten wurde. Auch hier waren Objekte auf der Oberfläche vorhanden, zeigten aber eine weniger dichte Bedeckung als beim kovalenten Aufpfropfen der EVs auf den Chip. Eine genauere Betrachtung (in Abbildung 7C) an mehreren Stellen im ROI ermöglicht eine hohe Auflösung und die Messtechnik (in Höhe und Durchmesser) von Elektrofahrzeugen. Eine weitere nähere Betrachtung (Abbildung 7D) des in Abbildung 7A gezeigten Biochips mit einem geneigten 3D-Bild zeigt Objekte, die Vesikel, aber auch filamentös sind (oben links). Während Immunchips die selektive und differentielle Erfassung von EV-Untergruppen ermöglichen, werden bei der kovalenten Transplantation alle Objekte mit freien Amingruppen, die in der Probe vorhanden sind, aufgepfropft. In Abbildung 7E zeigt AFM ein einzelnes großes EV aus der HMEC-Kultur, das auf nacktem Gold adsorbiert ist. So ist AFM in der Lage, kleine bis große EVs aufzudecken und zu messen und hilft, die Anzahl der Objekte pro mm² zu zählen, indem es die Visualisierung jedes EV ermöglicht.
Die gemessene Höhe und der Durchmesser jedes EV wurden bestimmt, woraus der effektive Durchmesser erhalten wurde. Die EV-Höhen deckten einen Bereich von 10 nm bis 50 nm ab, mit einem Mittelwert von 15 nm; Die gemessenen EV-Durchmesser deckten einen Bereich von 50 nm bis 300 nm ab, mit einem Mittelwert von 100 nm. Wir beobachteten, dass der effektive Durchmesser der EVs zwischen 30 nm und 300 nm lag, wobei die große Mehrheit bei etwa 60 nm lag (Abbildung 8A). Diese Messungen wurden in Flüssigkeit oder nach Fixierung und Trocknung durchgeführt. Abbildung 8B zeigt, dass die unter diesen beiden Bedingungen erzielten Ergebnisse vergleichbar waren.

Abbildung 8: Ergebnisse der AFM-Charakterisierung von EVs auf einem Biochip. (A) Metrologie von EVs an einem Punkt (AntiCD41-Immunoarray), bestimmt mit einem Schwellenwert von 8,5 nm und nach Injektion einer EV-Probe bei 2,5 ×10 10/ml. Der "effektiv berechnete Durchmesser" wird dargestellt, wobei jeder Punkt einem Partikel entspricht, das auf den AFM-Bildern visualisiert wird. (B) Histogramm, das aus den Daten in (A) generiert wurde und die Verteilung des effektiven Durchmessers der Elektrofahrzeuge zeigt. Die Ergebnisse wurden in Luft (rot: Probe fixiert und getrocknet) und in Flüssigkeit (in blau: unfixiert) erzielt. Abkürzungen: AFM = Rasterkraftmikroskopie; EVs = extrazelluläre Vesikel . Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Die N-PEV-Analyse von AFM wurde mit den NTA-Ergebnissen verglichen. Diese letzten "In-Solution"-Ergebnisse von NTA zeigten eine Verteilung der EV-Durchmesser von 32 nm bis 650 nm, wobei die große Mehrheit zwischen 90 nm und 250 nm Durchmesser lag. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass NTA für kleine Größen (nahe 50 nm) nicht empfindlich ist, zeigen diese AFM-Messungen eine gute Korrelation mit diesen Ergebnissen (ergänzende Abbildung S2).
Die Raman-Experimente, die an Elektrofahrzeugen durchgeführt wurden, die auf einem nackten Chip adsorbiert wurden, zeigten ermutigende Ergebnisse. Insbesondere wurde ein klares Spektrum der Elektrofahrzeuge erhalten (Abbildung 9). Raman-Spektren können in drei verschiedene Bereiche unterteilt werden: die "Fingerabdruck"-Region (unter 1.800 cm−1), die Peaks enthält, die molekularspezifische Muster bilden, und daher der wichtigste Teil für Identifikationszwecke ist; die "bio-stille" Region (1.800-2.800 cm−1), die normalerweise bei der Untersuchung biologischer Proben verworfen wird, da sie keine Peaks enthält; und der Bereich der "hohen Frequenzen", der hauptsächlich Informationen über Lipide enthält und oft der intensivste Teil des Spektrums ist, aber weniger spezifisch ist. Das Spektrum zeigt Peaks, die hauptsächlich CH 2 -Schwingungen entsprechen (2.853 cm−1, 1.444 cm−1 und 130 cm−1), die mit den Lipiden der Membran des EV assoziiert sind, und einen Peak, der der Phenylalanin-Aminosäure 21 entspricht. Eine Raman-Peak-Zuordnungstabelle für gängige Moleküle, die in EVs vorhanden sind, findet sich in der Arbeit von Penders et al.22.

Abbildung 9: Raman-Spektroskopie-Charakterisierung von EVs auf einem Biochip. Hier wurde die EV-Probe aus einer HMECkultur gewonnen und durch Zentrifugation bei 20.000 × g gewonnen. (A) Beispiel für ein Raman-Bild von EVs, die auf einem nackten Biochip adsorbiert wurden (durchschnittliche Intensität), überlagert mit einem Hellfeldbild. (B) Beispiel für gemessene Raman-Spektren von Elektrofahrzeugen. Die gestrichelten Linien entsprechen den identifizierten Vibrationen. α, Schere; τ, Verdrehen; υ, Dehnung (s, symmetrisch; as, asymmetrisch). Maßstabsbalken = (A) 50 μm. Abkürzungen: EVs = extrazelluläre Vesikel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Ergänzende Abbildung S1: Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA)-Messungen von N-PEVs. Die Elektrofahrzeuge wurden in PBS verdünnt; Die Experimente wurden in dreifacher Ausfertigung mit einem MALVERN-Gerät NS300 durchgeführt. Mittlerer Durchmesser = 137,5 nm ± 1,3 nm; Modendurchmesser = 104,9 nm ± 13,3 nm. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung S2: Western-Blot-Assays von N-PEVs. Die N-PEVs (1) und (2) entsprechen zwei Chargen von N-PEVs, die aus zwei Thrombozytenkonzentrattaschen hergestellt werden. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
In diesem Artikel wird eine neue Generation multiparametrischer Analyseplattformen mit erhöhtem Durchsatz für die Charakterisierung von extrazellulären Vesikel-Untergruppen vorgeschlagen. Die Methode basiert auf einer Kombination von gemultiplexten Biosensormethoden mit metrologischen und morphomechanischen Analysen durch Rasterkraftmikroskopie, gekoppelt mit Raman-Spektroskopie, um vesikuläre Ziele zu qualifizieren, die auf einem Microarray-Biochip gefangen sind.
Kelly Aubertin und Fabien Picot von der IVETh Core Facility (Paris) werden für die Raman-Bildgebungsexperimente ausgezeichnet. Thierry Burnouf (Taipei Medical University, Taiwan) und Zuzana Krupova (aus Helincourt, Frankreich) werden für die Bereitstellung der EV-Proben aus Blutplättchen- bzw. Rindermilchproben ausgezeichnet. Die Arbeit wurde von der Region Bourgogne Franche-Comté und der Graduiertenschule EUR EIPHI (NOVICE-Projekt, 2021-2024) unterstützt. Ein Teil dieser Arbeit wurde mit der CLIPP-Plattform und in RENATECH-Reinraumanlagen in FEMTO-ENGINEERING durchgeführt, wofür wir Rabah Zeggari danken.
| CD41a Antikörper | Diaclone SAS (Frankreich) | 447528 | |
| CP920 | Microparticles GmbH, Deutschland | 448303 | |
| DXR3xi | Thermo Fisher Scientific | T1502 | |
| EDC | Sigma | A6272 | |
| Ethanolamin | Sigma | P5368-10PAK | |
| Evs aus Thrombozytenkonzentraten | Mitarbeit : Pr T. Burnouf (TMU, Taipeh) | S2889 | |
| Evs aus Rindermilch | Mitarbeit : Dr. Z. Krupova (Excilone, Helincourt - Frankreich) | 3450 | |
| Glutaraldehyd | Sigma | 56845 | |
| Gwyddion | 853.223.020 | ||
| Magnetron-Sputtern | PLASSYS | SAB5300165 | |
| Mercapto-1-hexadecansäure | Sigma | G5882 | |
| Mercapto-1-undecanol | Sigma | O8001 | |
| Mountains SPIP one | Digital Surf | ||
| NanoWizard 3 Bioscience | Bruker-JPK | ||
| Octylglucosid (OG) | Sigma | ||
| Ovalbumin Antikörper | Sigma | ||
| Phosphat Puffer Kochsalzlösung (PBS) | Sigma | ||
| Rattenalbumin Serum (RSA) | Sigma | ||
| Natriumacetat Puffer | Sigma | ||
| SPR-Biacore 3000 | GE Healthcare/ Cytiva Life Sciences | ||
| SPRi Biochip | MIMENTO Technologieplattform | Die Biochips wurden im Reinraum Besancon | |
| SPRi Plex II | Horiba Scientific | im eigenen Haus hergestellt.||
| Sulfo-NHS | Sigma |