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Nous démontrons un protocole pour l’isolement des VE dérivées des adipocytes fessiers et abdominaux à partir de surnageants de culture cellulaire et déterminons leur taille et leur concentration par NTA 7,14,15. Nous montrons que les adipocytes humains cultivés produisent et libèrent des VE dans le milieu de culture cellulaire, qui peuvent ensuite être isolés par filtration et ultracentrifugation. Nous avons déterminé la taille et le profil de concentration des VE isolés dérivés d’adipocytes et montré que l’ultracentrifugation a probablement co-isolé les contaminants des milieux de culture cellulaire et que le lavage des pastilles de VE isolées dans le PBS réduit considérablement leur concentration lors d’une deuxième mesure NTA. Nous avons ensuite déterminé la pureté des VE isolés dérivés des fessiers et des abdominaux par transfert western pour TSG101, un marqueur EV. Les préparations de VE, dérivées de la sarcelle et de l’abdomen, étaient positives pour TSG101, mais, surtout, cela était absent dans les milieux témoins qui n’étaient pas exposés aux cellules. Les expériences présentées ont utilisé des adipocytes humains comme cellule mère générant des VE, mais la méthode décrite convient à d’autres types de cellules, y compris les cellules endothéliales, les muscles lisses vasculaires, les muscles squelettiques, les cellules immunitaires, et pour l’isolement des VE à partir de plasma ou de sérum pauvre en plaquettes de patients.
Les VE dérivées des adipocytes sont élevées dans les maladies métaboliques et la détermination des modifications de la taille et du nombre de VE adipocytaires in vivo est complexe car les fluides biologiques tels que le sang contiennent des VE provenant d’un certain nombre de sources cellulaires qui sont également impliquées dans la pathogenèse des maladies métaboliques, y compris les VE des cellules endothéliales, des muscles squelettiques, des érythrocytes et des cellules immunitaires. La méthode décrite ici permet de déterminer les VE des adipocytes humains, ce qui peut fournir un modèle utile pour les études mécanistes sur les facteurs qui conduisent à la biogenèse des VE dans les adipocytes, ce qui est actuellement inconnu. Il est important de noter que la détermination de la biogenèse des VE adipocytaires et de la façon dont la charge d’ARN, de protéines et de métabolites particuliers est orchestrée dans les VE adipocytaires peut révéler de nouvelles opportunités thérapeutiques pour perturber la signalisation des VE adipocytaires pathogènes dans le dysfonctionnement métabolique. Des études détaillées permettront de mieux comprendre comment la taille, le nombre, la voie de biogenèse et la cargaison de VE (ARN, protéines et métabolites) sont modifiés en réponse à une maladie ou à des stimuli tels que des perturbations de l’oxygène, du glucose, des lipides et de l’insuline. Des informations sur le rôle des facteurs environnementaux dans la signalisation des VE adipocytaires dans les maladies métaboliques et sur la façon dont les VE dérivées des adipocytes contribuent à l’inflammation du tissu adipeux pourraient révéler de nouvelles cibles thérapeutiques dans les maladies métaboliques.
Limitations
Génération in vitro de VE dérivées d’adipocytes
L’utilisation de préadipocytes humains in vitro fournit un système modèle pour étudier la libération et la génération de VE dérivées des adipocytes après la différenciation des adipocytes in vitro, mais il existe un certain nombre de limites. En particulier, les VE adipocytaires dérivées in vitro sont susceptibles de différer des VE dérivées du tissu adipeux récupérées dans des fluides biologiques, tels que le plasma14 , en termes de taille, de concentration, de protéine, d’ARN, de métabolites et de fonction. Ces différences EV pourraient être influencées par d’autres cellules non adipocytaires qui résident dans le tissu adipeux in vivo, telles que les cellules souches dérivées du tissu adipeux, les cellules endothéliales et les macrophages, qui sont intimement liés à la physiologie du tissu adipeux et ont montré des rôles dans la pathologie du tissu adipeux, y compris l’inflammation du tissu adipeux.
Il est à noter que le protocole de différenciation in vitro de 2 semaines décrit ici peut ne pas être suffisant pour générer des adipocytes à pleine maturité équivalents à ceux observés in vivo ; Les adipocytes différenciés in vitro cultivés dans un format bidimensionnel (2D) présentent une morphologie différente de celle des cellules in vivo et ne développent pas de gouttelettes lipidiques uniloculaires. De plus, les préadipocytes décrits dans ce protocole sont obtenus à partir de la fraction stromo-vasculaire adipeuse et nous n’avons pas évalué la contribution à l’EV pool d’autres types de cellules qui n’ont pas été complètement éliminées lors de l’isolement cellulaire.
La perte d’interactions intercellulaires importantes des adipocytes avec d’autres non-adipocytes dans le tissu adipeux peut influencer la génération et la libération de la protéine EV et de l’ARN EV des adipocytes et des cellules souches dérivées du tissu adipeux16. Cependant, une évaluation exhaustive de la différence entre les VE adipocytaires dérivées in vitro et celles produites in vivo n’a pas été entreprise.
Les biopsies de tissus primaires contiennent du sang et, par conséquent, les cultures cellulaires dérivées peuvent contenir des érythrocytes et des VE dérivés d’érythrocytes, indépendamment des multiples lavages et changements de milieux mis en évidence dans notre protocole. Une étape supplémentaire de lyse des globules rouges après l’isolement de la fraction stromo-vasculaire peut être nécessaire pour éliminer les effets des érythrocytes sur les adipocytes. Ceci est important car les VE dérivées des érythrocytes peuvent avoir un impact sur la fonction cellulaire d’autres cellules17 et les VE dérivées des érythrocytes sont élevées en présence de stress oxydatif18 et chez les patients atteints du syndrome métabolique19,20. Par conséquent, le tissu adipeux dérivé de patients atteints de maladies métaboliques peut contenir des niveaux élevés de VE dérivés d’érythrocytes, ce qui peut influencer le phénotype in vitro des adipocytes.
Élimination du FBS
Le protocole décrit a utilisé le FBS dans le milieu de croissance pendant la différenciation adipogénique, mais par la suite, les adipocytes ont été soumis à de multiples changements de milieu avant la collecte finale du milieu pour l’isolement des VE dérivées des adipocytes. Par conséquent, nous avons supposé que le risque global de contamination des VE dérivés du FBS dans les préparations de VE était faible et avons par la suite confirmé que les VE résiduelles n’étaient pas présentes dans les milieux de culture cellulaire par western blot pour TSG101. L’isolement des VE cultivés sur cellules à partir de sources cellulaires nécessitant un FBS doit utiliser des VE appauvris en VE ou des VE bovins appauvris par ultra-centrifugation pour empêcher les VE bovines de confondre les concentrations de VE adipocytaires et l’analyse de la cargaison de VE adipocytaires. On sait que l’appauvrissement sérique des adipocytes modifie leurs réponses cellulaireset , par conséquent, l’étude doit garantir que l’appauvrissement sérique ou l’épuisement des EV du sérum rend leurs cultures adipocytaires vraiment représentatives de la biologie des adipocytes.
Limitation technique de l’isolation des VE par filtration et ultracentrifugation
Nous décrivons une méthode d’ultracentrifugation avec des tubes en plastique à usage unique qui nécessitent une étanchéité avant l’ultracentrifugation pour les isolations de VE. Nous reconnaissons que ces tubes scellés à usage unique peuvent ne pas être une option économique pour de nombreuses personnes et suggérons d’explorer des tubes similaires, qui ne nécessitent pas de scellement et sont réutilisables. Cependant, les chercheurs doivent s’assurer que le lavage des tubes réutilisables est adéquat et qu’il n’entraîne pas d’accumulation progressive de contaminants protéiques, lipidiques et ARN au fil du temps, ce qui pourrait avoir une incidence sur les enquêtes en aval sur la cargaison associée aux VE ou sur les études de la fonction cellulaire.
Le protocole de filtration et d’ultracentrifugation décrit ici est utilisé depuis de nombreuses années et de multiples études ont mis en évidence les lacunes de cette méthode, notamment l’isolement non spécifique de composants cellulaires contaminants tels que les mitochondries cellulaires, la présence de fragments nucléaires et de constituants de la membrane cellulaire. De plus, la méthode décrite ici permettra de co-isoler les lipoprotéines présentes dans les FBS appauvris en EV. La méthode peut être perfectionnée par l’utilisation de l’ultracentrifugation de densité et de la chromatographie d’exclusion stérique (SEC) pour éliminer les protéines solubles contaminantes et certaines lipoprotéines. Associé au lavage PBS des VE isolés et au SEC, les contaminants co-isolés peuvent être limités, mais pas complètement éliminés. Par conséquent, les utilisateurs doivent s’assurer d’inclure des témoins appropriés, y compris un milieu fictif qui n’a pas été en contact avec les cellules pour tenir compte des protéines solubles et des lipoprotéines dans le milieu de culture et un témoin surnageant appauvri en VE pour démontrer l’isolement réussi des VE dans des milieux conditionnés qui contiennent encore des protéines solubles et des lipoprotéines.
L’isolation des VE à l’aide de la filtration et de l’ultracentrifugation dépend de l’opérateur qui s’assure qu’aucune pression excessive n’est appliquée aux surnageants de culture cellulaire lorsqu’ils passent à travers l’alésage du filtre ou l’alésage de l’aiguille ou de la seringue. L’application d’une force excessive à cette étape du protocole décrit peut rompre les VE, influencer les concentrations finales de VE et générer de l’ARN libre, des protéines et des métabolites, qui étaient autrefois enfermés dans les VE. Nous avons décrit ici une méthode qui ne nécessite pas le corps de la seringue et donc l’application d’une force aux VE dans des médias conditionnés lorsqu’ils passent à travers le filtre ou l’aiguille dans leurs réservoirs de collecte et leurs tubes d’ultracentrifugation. Néanmoins, des précautions supplémentaires doivent être prises lors de la remise en suspension de la pastille EV dans le PBS. Seul un bref vortex doit être utilisé, car un vortex vigoureux peut perturber les membranes des VE.
Après l’ultracentrifugation, les opérateurs doivent faire attention aux tubes d’ultracentrifugation afin de ne pas perturber les granulés de VE. Cela peut être réalisé en manipulant les tubes avec soin et en les déplaçant lentement entre le rotor d’ultracentrifugation et le rack de tubes. Des précautions supplémentaires doivent être prises lors du perçage d’un trou dans le haut du tube d’ultracentrifugation pour aspirer les surnageants appauvris en VE. L’insertion de l’aiguille dans le haut du tube et l’aspiration rapide des surnageants créeront un vide dans le corps de la seringue, ce qui peut violemment forcer le surnageant à retourner dans le tube d’ultracentrifugation et perturber la pastille EV. Après avoir coupé le tube d’ultracentrifugation pour évacuer le surnageant restant, des précautions doivent être prises car la pastille EV peut se détacher et le versement jettera la pastille EV. Alternativement, une seringue et une aiguille peuvent être utilisées pour retirer lentement le surnageant restant sans verser ou retourner le tube.
La filtration et l’ultracentrifugation des surnageants pour l’isolement des VE sont une méthode utile et efficace. Mais il est susceptible de co-isoler les lipoprotéines et les protéines solubles. Ceux-ci peuvent être atténués en lavant les VE avec du PBS (comme décrit), mais cela n’éliminera pas tous les contaminants. Les protéines solubles peuvent être éluées de la fraction EV en utilisant la SEC, cependant, cette méthode ne fait pas la distinction entre les lipoprotéines et les VE. Les élutions SEC qui contiennent des VE peuvent être combinées à l’ultracentrifugation des VE à granulés. La filtration et l’ultracentrifugation différentielle sont une méthode privilégiée d’isolement des VE par rapport aux techniques de précipitation, qui utilisent du polyéthylène glycol, car ces méthodes de précipitation co-isolent de grandes quantités de protéines solubles et de lipoprotéines dans les surnageants de culture cellulaire et autres fluides biologiques. L’ultracentrifugation restera probablement la forme la plus accessible d’isolement des VE pour beaucoup, car la plupart des laboratoires sont équipés d’une ultracentrifugeuse, ce qui atténue les coûts de démarrage initiaux. Mais pour beaucoup, l’ultracentrifugation pour l’isolation des VE est entravée par le volume des tubes d’ultracentrifugation et le volume de départ du matériau. Plusieurs centaines de millilitres de surnageants de culture peuvent être nécessaires pour produire une quantité suffisante d’EV pour la protéomique en aval ou le séquençage de l’ARN. Cependant, il est probable que les techniques d’ultra-centrifugation pour l’isolement des VE seront accompagnées d’autres techniques telles que la capture SEC et la capture par immunoaffinité à l’aide des tétraspanines CD9, CD63 et CD81 pour améliorer la pureté des VE isolés. D’autres techniques, telles que les solutions de précipitation disponibles dans le commerce et la cytométrie en flux, peuvent être utiles dans des investigations spécifiques.
Pureté des préparations EV
Nous avons confirmé l’isolement des VE dérivées d’adipocytes par western blot pour TSG101, mais ce seul western blot est en deçà des directives publiées par l’International Society for Extracellular Vesicules (ISEV). Une caractérisation plus poussée de ces VE dérivées d’adipocytes serait idéale en utilisant les tétraspanines CD9, CD63 et CD81 pour identifier les exosomes et les marqueurs de contamination cellulaire tels que l’histone H3, l’albumine et l’apolipoprotéine A1.
Le protocole présenté ici permet d’isoler les VE à partir de surnageants de culture cellulaire à partir d’une gamme de sources cellulaires, y compris les adipocytes, pour la détermination de la taille, de la concentration, des marqueurs EV par transfert Western et de l’utilité dans les technologies basées sur les omiques telles que la protéomique et le séquençage de l’ARN.