RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
he_IL
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
שיטה לבידוד אקסוזומים מדם מלא וניתוח נוסף על ידי מעקב אחר ננו-חלקיקים באמצעות מכשיר חצי אוטומטי מוצגת במאמר זה. הטכנולוגיה המוצגת מספקת שיטה רגישה ביותר להדמיה וניתוח חלקיקים בתרחיף נוזלי.
למרות שחשיבותם הביולוגית של אקסוזומים זכתה לאחרונה לתשומת לב מדעית וקלינית הולכת וגוברת, עדיין לא ידוע הרבה על המסלולים המורכבים שלהם, הזמינות הביולוגית שלהם ותפקודיהם המגוונים בבריאות ובחולי. העבודה הנוכחית מתמקדת בנוכחות ובהתנהגות של אקסוזומים (in vitro כמו גם in vivo) בהקשר של הפרעות אנושיות שונות, במיוחד בתחומי האונקולוגיה, הגינקולוגיה והקרדיולוגיה.
למרבה הצער, לא קיים קונצנזוס לגבי תקן זהב לבידוד אקסוזומים, וגם אין הסכמה על שיטה כזו לניתוח הכמותי שלהם. מכיוון שישנן שיטות רבות לטיהור אקסוזומים וגם אפשרויות רבות לניתוח הכמותי והאיכותי שלהם, קשה לקבוע שילוב של שיטות לגישה האידיאלית.
כאן, אנו מדגימים ניתוח מעקב אחר ננו-חלקיקים (NTA), שיטה אוטומטית למחצה לאפיון אקסוזומים לאחר בידוד מפלזמה אנושית על ידי אולטרה-צנטריפוגה. התוצאות המוצגות מראות כי גישה זו לבידוד, כמו גם קביעת המספר והגודל הממוצע של האקסוזומים, מספקת נתונים הניתנים לשחזור ותקפים, כפי שאושרו על ידי שיטות אחרות, כגון מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM).
הפונקציה של exosomes במחזור המדויקת נשארה לא ידועה לתקופה ארוכה של זמן. אפילו עכשיו מנגנון נתיב המלא של exosomes לא מובן לחלוטין. מאז exosomes לשאת אנטיגנים, חלבונים ו- RNA (mRNA ומירנה) המתייחס לתא שלהם ההורים ממוצא, תפקידם כמשדרי איתות תאי תאים יש בעיקר ניתנו עדיפות.
שיטות שונות רבות תוארו בספרות לבידוד וזיהוי כמותי של exosomes 1,2. עם זאת, לא הושגה הסכמה על "תקן זהב". בינתיים רוב המדענים הפועלים בתחום מחקר exosome מסכימים ששיטה של בידוד עקבי היא מוצדקת מאוד כדי להשיג רמה גבוהה יותר של השוואתיים בין דוחות ומחקרים שונים.
מיון הקרינה מופעל תאים (FACS) הוא הכלי הנפוץ והשכיח ביותר לניתוח exosome 3. FACS יש בןefit ש, באמצעות תיוג הקרינה, ניתן להשוות תאים ממקורות שונים בצעד אחד. החסרונות העיקריים של FACS הם ששיטה זו אינה רגישה מספיק כדי לזהות חלקיקים קטנים מ -0.5 מיקרומטר 4, ואילו exosomes הן בדרך כלל בין 30-120 ננומטר בקוטר 5, אפילו פחות כדי למדוד את הגודל שלהם.
במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) ומיקרוסקופי אלקטרונים הילוכים (TEM) הם כלים אחרים לניתוח גודל חלקיקים ומורפולוגיה של exosomes. עם זאת, שני SEM וTEM החסרון כי הכנת הדגימות היא, בשתי השיטות כרוכות בצעדים עתיר עבודת זמן רב וכל אחד יש סיכון מסוים של דור חפץ. לא השיטה מתאימה לתפוקת מדגם גבוהה ואפיון של כמה אלפי חלקיקים בודדים של מדגם אחד. יתר על כן, ניתוח כמותי לשגרה יומית קלינית שבו דגימות יש לעתים קרובות כדי להיות מנותח בו זמנית, או לפחות בפרק זמן קצר מאוד הואקשה לביצוע. טכניקות דור חדשות עכשיו מאפשרות לנו לנתח exosomes ללא עבודה אינטנסיבית לפני ההכנה (SEM למשל, איכות הסביבה). הטכניקות המודרניות אלה הן עדיין לא נוחים לניתוח השעיות נפח גדולים המכילות exosomes לקבוע מספר הממוצע שלהם והתפלגות גודל 6.
שיטה נוספת רגישה מאוד להדמיה וניתוח של exosomes היא ניתוח מעקב ננו-חלקיקים (נת"ע). שיטה זו מנצלת את שני עקרונות שונים של פיסיקה. ראשית, חלקיקים מזוהים על ידי האור מפוזר כאשר הם מוקרנים עם קרן לייזר. התופעה השנייה ידועה בשם התנועה בראונית, לפיה דיפוזיה של חלקיקים שונים בהשעית נוזל עומד ביחס הפוך לגודלם. במקרה האחרון התנועה תלויה גם בטמפרטורה והצמיגות של הנוזלים. עם זאת, שיעור זה קשור באופן ישיר לגודל חלקיקים ומשמש את נת"ע. באמצעות רךניתוח מבוסס-ware, תמונות דיגיטליות של אור מפוזר מחלקיקים בודדים נרשמות. חלקות של כתמים מפוזרים אור ומהירות תנועה שלהם לספק נתונים המאפשרים קביעת ספירת חלקיקים כוללת והפצת גודל. טכניקה זו היא חזקה במיוחד לניתוח חלקיקים בקוטר ממוצע של פחות מ -100 ננומטר.
מדידות הגודל וריכוז מבוצעות עם ראונית ZetaView ואלקטרופורזה Motion Video ניתוח מיקרוסקופים. זהו מכשיר אוטומטי למחצה שולחן ננו-חלקיקים העליונים ניתוח לדגימות נוזליים (להלן ככלי מעקב אחר החלקיקים). זה מורכב של מנתח מעקב החלקיקים, כמו גם מחשב נייד עם התוכנה המשמשת לניתוח נתונים. דגימות ביולוגיות הטרוגנית הן כמתאימות לשיטה זו כמתלים הומוגנית יותר של חלקיקים אורגניים. מיקרוסקופ פיזור לייזר עם מצלמת וידאו משמש לזיהוי של חלקיקים ולobservation של תנועתם. בעוד ציר מיקרוסקופ הוא אופקי וממוקד לערוץ התא המלא בהשעיה מכילה exosomes, קרן הלייזר בכיוון אנכית. החלקיקים מוקרנים על ידי פיזור לייזר האור, אשר נרשם תחת 90 מעלות במצלמת וידאו דיגיטלית באמצעות מיקרוסקופ (איור 1). עוצמת האור המפוזר מאפשרת תצפית של חלקיקים גדולים יותר בקוטר 60 ננומטר. בסביבה כזו הבהירות של חלקיק היא לא האינדיקציה היחידה של גודל חלקיקים. כאשר אין שדה חשמלי מוחל, תנועת חלקיקים כדלקמן רק תנועה בראונית ועשויה לשמש כמדד לחישוב גודל חלקיקים. עם זאת, המכשיר הוא גם מסוגל החלת שדה חשמלי על פני ערוץ התא. כאשר נתון תחום זה, את הפוטנציאל, הקוטביות ורמת יונית-אחראי exosomes המושעה להיות גורמים נוספים לכיוון התנועה שלהם. מהירות וכיוון בתוצאת מו electrophoreticהיסטוגרמה bility.
תוך מציאת שיטה אופטימלית לניתוח exosomes המבודד בעיה אחת, עוד אחד נמצא בבידוד היעיל של exosomes מהתחומים שונים, כגון דם, מיימת, שתן, חלב, מי שפיר או תקשורת סלולארי. שיטות שונות תוארו עד כה, אשר מבוססות על ultracentrifugation 1, ריאגנטים תעשייתיים הפרדה (כגון Exoquick) 7, חרוזים מגנטיים לאנטיגן העסקת הפרדה 8 או 9 אולטרה שלבים.
בפרוטוקול זה אנו מראים את כל התהליך של בידוד exosome באמצעות ultracentrifugation ולהראות כיצד לנתח את exosome כתוצאה מכיל השעיה באמצעות מכשיר מעקב אחר חלקיקים. שיקולים ספציפיים לניתוח exosomes נגזר בינוני פלזמה או תרבית תאים האנושיות מסופקים.
הערה: הניסויים שהוצגו בעבודה זו אושרו על ידי הדירקטוריון האתי המוסדי של אוניברסיטת דיסלדורף.
1. הכנת Exosome
2. הפעלת נוהל של החלקיקים המעקב Instrument
3. מדידה של מדגם
4. פרשנות של התוצאות
המדגם המשמש להפגנה זה מראה הגדרה אופטימלית למדידה עם רגישות של 85%, לפני השיפוע המרבי של עקומת הרגישות (איור 2). הבהירות, דקות / ערכי מקסימום נבחרו כמומלץ בפרוטוקול. ריכוז של 5.3 חלקיקים / ml x 10 6 נמדדו, ואילו הגודל הממוצע של החלקיקים היה 0.149 מיקרומטר, רובם היו 0.137 מיקרומטר.
הערכים שהתקבלו לאחר המדידה ניתן לשמור בדו"ח עם פורמט קובץ של Pdf או כ.txt ליצוא למסד נתונים. הגרף יכול להיות מותאם כמועדף כפי שתואר בפרוטוקול (סעיף 4). רצף הווידאו נשמר גם וניתן להשתמש בם לשימוש מאוחר יותר מחדש ניתוח off-line. עם זאת, בניתוח off-line כגון, ההגדרות מראש רכישת המצלמה לא ניתן לשנות למפרע.
כדי למצוא את ההגדרות אופטימליות עבור פרמטר מדידה, אנחנו כאן לתאר האופטימיזציה דואר של הגדרות מכשיר על הדוגמא של תקן גודל קלקר 100 ננומטר. ההשפעה של שני פרמטרים, רגישות ודקות / גודל מקסימלי על הפצת תמונת וידאו וגודל חלקיקים נדונה בפירוט. כל הפרמטרים האחרים מסוכמים בטבלה 1.
רושם חזותי של ההשפעה של רגישות (הנעה 50-94) על תמונות אנלוגיות ודיגיטליות הוא מדמיין באיור 3. המידע כמותי נגזר מהתמונות מוצג באיור 4, המבוסס על ההגדרות בטבלה 1, גודל Min = 5 וגודל מקס = 200. מערכת יחסים אופייניים למספר החלקיקים שאותרו מול הרגישות מוצג באיור 4 א. בין 50 ל -90, מספר החלקיקים זוהו עלייה ברגישות ובעלה באופן דרמטי לרגישויות> 90. טווח אופטימלי של רגישות נמצא בין 66 ו -86 (א). הפצות גודל חלקיקים שהושגו עם DIFהגדרות רגישות שונה זו מוצגות באיור 4. הפצות גודל חלקיקים מייצגות את הממוצע של שלוש מדידות בודדות. לנמוכה מדי רגישות (רגישות = 62, עקומה אדומה) רק כמה חלקיקים נותחו וכתוצאה מכך בסטטיסטיקה די גרועה. מספר החלקיקים ניתחו גדל ברגישות ובהגיע אופטימלי בין 70 (עקומה צהובה) ו -86 (עקומת שיזוף). בהמשך הגדיל את יתרון הרגישות להידרדרות של התפלגות גודל חלקיקים עם מספר החלקיקים יורדים והתפלגות גודל הסטה לכיוון גדלים קטנים יותר (רגישות = 94, עקומה כחולה). איור 4C מראה את המגמה של קוטר x50 מבוסס המספר (50% מ חלקיקים קטנים יותר בקוטר זה) כפונקציה של רגישות. במרווח בצבע בז ', RSD של גודל חלקיקים היה פחות מ -8% ותואם את המרווח האופטימלי בא האזורים האדומים מצביעים RSD> 8% כתוצאה מנתונים סטטיסטיים עלובים (רגישות נמוכה מדי) או distri הרחבbutions עם מעבר לגדלים קטנים יותר (רגישות גבוהה מדי).
ההגדרות של גודל מינימאלי וגודל המקסימלי הן מסננים להחיל תמונות דיגיטליות על מנת להסיר חלקיקים בגדלים קטנים יותר מגודל נקודת מינימום וגדולים יותר מגודל מקסימלי. בשל היכולת לפזר אור, חלקיקים יוצרים נקודה בגודל מסוים בתמונה דיגיטלית. גודלו של המקום נמדד כמספר הפיקסלים (פיקסלים). כאשר חלקיק מפזר אור טוב מאוד (למשל, חלקיקים> 200 ננומטר או אגרגטים), גודל הנקודה הוא די גדול, למשל,> px 500. גודל הנקודה הוא די קטן (למשל, <10 px) לחלקיקים קטנים (למשל, <20 ננומטר) בתלות בחומר החלקיקים. גודל נקודה (פיקסלים) עשוי שלא להיות להחלפה עם גודל חלקיקים (ננומטר) כפי שהם אינם זהים, ואין קשר ישיר בין שני המשתנים הללו. אופטימיזציה של גודל מינימום ומקס מאפשרת למשתמש לסנן אובייקטים לא רצויים כגון agglomerates (גודל מקסימלי) או קטןאובייקטים כגון רעשי רקע (גודל מינ '). ההשפעה של גודל מינימום / מקסימום בגודל חלקיקי ההפצה של סטנדרטי בגודל 100 ננומטר מוצגת באיור 4D (רגישות = 82). כאשר המרווח מוגדר גדלי נקודה קטנים (למשל, דקות = 1, מקסימום = 52; עקומה כתומה), מספר החלקיקים ניתחו מצטמצם וקוטר x50 מבוסס המספר מעט השתנה לכיוון גדלים קטנים יותר. הגדרה לכתמים גדולים יותר (מינימום = 40, מקסימום = 1000, עקומה אדומה) תוצאות בהתפלגות גודל חלקיקים רחבות הוסטה לעבר גדלים גדולים יותר. על מנת לקבל את המספרים מוחלט שווים של חלקיקים, גבולות המרווח של הפצות שני כתומות ואדומות הותאמו כדי להתאים 80 חלקיקים. ההפצה עם הגדרות אופטימליות (דקות = 5, מקסימום = 200; עקומת שיזוף) מורכבת מחלקיקים 360.
סדרת ניסויים מוצלחים בוצעה עם exosomes מבודד על ידי ultracentrifugation ונמדד על ידי נת"ע שימוש במערכת שהוצגה. נתונים שהתקבלו היו מאודעולה בקנה אחד ואישרתי ברמה גבוהה של שחזור. שיטות בידוד אחרות צריכים להראות תוצאות דומות. עם זאת, צעד הדילול זוהה כצעד קריטי במיוחד והשפעתה על המספרים הכולל המחושבים של חלקיקים יש הערכה מחדש.

איור 1. סכמטי של ההתקנה של נת"ע. מיקרוסקופ / ציר הווידאו וקרן לייזר מכוון orthogonally זה לזה, שחצו בחתך ערוץ תא. האור מפוזר על ידי החלקיקים מוצג בחלון "חי-הנוף" של התוכנה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3. השפעה של רגישות על אנלוגי ותמונה דיגיטלית. יזואליזציה של חלקיקים על מסך התצוגה החיה מוצגת לרגישויות בין 50 ל 94 לאנלוגית (שורה העליונה)צפיות ד דיגיטליות (בשורה התחתונה). כאשר הרגישות נמוכה מדי, רק כמה חלקיקים מזוהים (משמאל). ברגישות אופטימלית החלקיקים מופיעים נקודות בודדות כמבודדות היטב אחד מהשני (באמצע). בחלקיקי רגישות גבוהים יחסית יחד למזג מובילים לאיכות תמונה ירודה (מימין). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

השפעה של איור 4. דקות רגישות והגדרות גודל מרביות למדגם חלקיקי פוליסטירן 100 ננומטר שליטה (א) מגרש של רגישות לעומת מספר מזוהה של חלקיקים.; המרווח האופטימלי הוא 66-86, לפני השיפוע המרבי של העקומה. הפצות גודל (B) חלקיקים שהושגו עם כמה הגדרות רגישות (62-94); גרפים לנמוכים מדי (62) או גבוה מדי (94) רגישות אינה ממצה את התפלגות גודל חלקיקים במדגם שליטת קלקר 100 ננומטר. קוטר x50 מספר מבוסס לעומת רגישות (ג); השגיאה של x50 במרווח בצבע בז 'היא פחות מ 8%, מרווח אופטימלי הוא מ -66 ל86. (ד) השפעה של גודל מינימאלי והמקסימאלי על התפלגות גודל חלקיקים; פרמטרים אופטימליים (דקות = 5 ומקסימום = 200) ללכוד את החלוקה הנכונה למדגם השליטה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
| פרמטרים טרום רכישה | |
| רגישות | משתנה |
| תריס | 40 |
| קצב פריימים | 30 fps |
| רזולוציה | הייGH |
| מחזורים | 10 |
| רכישות מרובות | 3 |
| עמדה | 1 |
| פרמטרים שלאחר רכישה | |
| דקות בהירות | 30 |
| גודל מקסימלי | משתנה |
| גודל דקות | משתנה |
סיכום 1. טבלה של פרמטרים של לפני ואחרי רכישה להגדרה של מכשיר מעקב אחר חלקיקים.
עבודה זו נתמכה על ידי הקרנות המוסדיות של המחלקה לכירורגיית לב וכלי דם, הפקולטה לרפואה, HHU. עלויות הפרסום של מחקר זה סופקו על ידי Particle MetrixGmbH.
שיטה לבידוד אקסוזומים מדם מלא וניתוח נוסף על ידי מעקב אחר ננו-חלקיקים באמצעות מכשיר חצי אוטומטי מוצגת במאמר זה. הטכנולוגיה המוצגת מספקת שיטה רגישה ביותר להדמיה וניתוח חלקיקים בתרחיף נוזלי.
המחברים מבקשים להודות לכריסטינה בלס, הוג אובין ויורן הולסמן על הקריאה הביקורתית של כתב היד ועל הסיוע המצוין בעריכה. יתר על כן, המחברים מודים לגיזלה מולר על הסיוע הטכני. המחברים מודים ל-Particle Metrix GmbH על שסיפקה את הכספים לכיסוי עלויות הפרסום.
| ציטראט | צינור BD | 364305 | BD ואקוטיינר |
| מים מזוקקים | בראון | 3880087 | אקווה אד אינקטביליה |
| צינור פלקון | גריינר ביו One | 188271 | PP שפופרת, סטריל 15 מ"ל |
| צינור אולטרה צנטריפוגה | בקמן | 357448 | מיקרופוגה פוליאלומר 1.5 מ"ל |
| Polybead Polysciences | , Inc. | 07304 | 2.6% מוצקים-לטקס מזרק תמיסת יישור |
| (מסנן) | בראון | 4617053V | מזרק 5 מ"ל |
| (ZetaView) | בראון | 4606051V | 5 מ"ל |
| מחט | BD | 305180 | BD מסנן מחט מילוי קהה |
| Sartorius Stedim | 16555 | מסנן מזרק, הידרופילי, 450 ומיקרו; m | |
| אולטרה-צנטריפוגה | בקמן | L8-M | רוטור: 70Ti Ser. No E21078 |
| ZetaView | Particle Metrix | PMX 100, סוג 101 | |
| צנטריפוגה | Eppendorf | 5804R | רוטור: A-4-44 |