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Dimostriamo un protocollo per l'isolamento di vescicole extracellulari derivate da adipociti glutei e addominali da surnatanti di colture cellulari e ne determiniamo le dimensioni e la concentrazione mediante NTA 7,14,15. Abbiamo dimostrato che gli adipociti umani in coltura producono e rilasciano vescicole extracellulari nei terreni di coltura cellulare, che possono essere successivamente isolate mediante filtrazione e ultracentrifugazione. Abbiamo determinato le dimensioni e il profilo di concentrazione delle vescicole extracellulari isolate derivate da adipociti e abbiamo dimostrato che l'ultracentrifugazione probabilmente co-isolava contaminanti dai terreni di coltura cellulare e che il lavaggio dei pellet di vescicole extracellulari isolate in PBS riduce significativamente la loro concentrazione in una seconda misurazione NTA. Abbiamo inoltre determinato la purezza delle EV isolate derivate da glutei e addominali mediante western blotting per TSG101, un marcatore EV. Le preparazioni di EV di derivazione glutea e addominale erano positive per TSG101, ma, soprattutto, questo era assente nei terreni di controllo che non erano esposti alle cellule. Gli esperimenti presentati hanno utilizzato adipociti umani come cellula madre che genera EV, ma il metodo descritto è adatto per altri tipi di cellule, tra cui cellule endoteliali, muscolo liscio vascolare, muscolo scheletrico, cellule immunitarie e per l'isolamento di EV da plasma o siero povero di piastrine del paziente.
Le vescicole extracellulari derivate dagli adipociti sono elevate nelle malattie metaboliche e determinare alterazioni nelle dimensioni e nel numero di vescicole extracellulari degli adipociti in vivo è complesso perché i fluidi biologici come il sangue contengono vescicole extracellulari da una serie di fonti cellulari che sono anche implicate nella patogenesi della malattia metabolica, comprese le vescicole extracellulari da cellule endoteliali, muscolo scheletrico, eritrociti e cellule immunitarie. Il metodo qui descritto consente la determinazione delle vescicole extracellulari degli adipociti umani, che può fornire un modello utile per studi meccanicistici che indagano i fattori che portano alla biogenesi delle vescicole extracellulari negli adipociti, che è attualmente sconosciuta. È importante sottolineare che la determinazione della biogenesi delle EV degli adipociti e il modo in cui il caricamento di particolari RNA, proteine e metaboliti è orchestrato nelle EV degli adipociti può rivelare nuove opportunità terapeutiche per perturbare la segnalazione patogena delle EV degli adipociti nella disfunzione metabolica. Studi dettagliati forniranno una migliore comprensione di come le dimensioni, il numero, la via di biogenesi e il carico di EV (RNA, proteine e metaboliti) delle EV siano alterati in risposta a malattie o stimoli come perturbazioni di ossigeno, glucosio, lipidi e insulina. Le informazioni sul ruolo dei fattori ambientali sulla segnalazione delle vescicole extracellulari degli adipociti nella malattia metabolica e su come le vescicole extracellulari derivate dagli adipociti contribuiscono all'infiammazione del tessuto adiposo possono scoprire nuovi bersagli terapeutici nelle malattie metaboliche.
Limitazioni
Generazione in vitro di vescicole extracellulari derivate da adipociti
L'uso di preadipociti umani in vitro fornisce un sistema modello per studiare il rilascio e la generazione di vescicole extracellulari derivate da adipociti in seguito al differenziamento adipocitario in vitro, ma ci sono una serie di limitazioni. In particolare, è probabile che le vescicole extracellulari adipocitarie derivate in vitro differiscano dalle vescicole extracellulari derivate da derivati adiposi recuperate da fluidi biologici, come il plasma14 per dimensioni, concentrazione, proteina EV, RNA, metaboliti e funzione. Queste differenze di EV potrebbero essere influenzate da altre cellule non adipocitarie che sono residenti nel tessuto adiposo in vivo, come le cellule staminali derivate dal tessuto adiposo, le cellule endoteliali e i macrofagi, che sono intimamente legati alla fisiologia del tessuto adiposo e hanno mostrato ruoli nella patologia del tessuto adiposo, inclusa l'infiammazione del tessuto adiposo.
Va notato che il protocollo di differenziazione in vitro di 2 settimane qui descritto potrebbe non essere sufficiente per generare adipociti completamente maturi equivalenti a quelli osservati in vivo; gli adipociti differenziati in vitro cresciuti in un formato bidimensionale (2D) mostrano una morfologia diversa rispetto alle cellule in vivo e non sviluppano goccioline lipidiche uniloculare. Inoltre, i preadipociti descritti in questo protocollo sono ottenuti dalla frazione adiposa stromale-vascolare e non abbiamo valutato il contributo al pool EV da altri tipi di cellule che non sono state completamente eliminate durante l'isolamento cellulare.
La perdita di importanti interazioni cellula-cellula degli adipociti con altri non adipociti nel tessuto adiposo può influenzare la generazione di EV degli adipociti, il rilascio, la proteina EV e l'EV-RNA dagli adipociti e le cellule staminali derivate dal tessuto adiposo16. Tuttavia, non è stata intrapresa in modo esaustivo una valutazione delle differenze tra le vescicole extracellulari adipocitarie derivate in vitro e quelle prodotte in vivo.
Le biopsie tissutali primarie contengono sangue e pertanto le colture cellulari derivate possono contenere eritrociti e vescicole extracellulari derivate da eritrociti, indipendentemente dai lavaggi multipli e dai cambiamenti dei terreni evidenziati nel nostro protocollo. Un'ulteriore fase di lisi dei globuli rossi dopo l'isolamento della frazione stromale-vascolare può essere necessaria per eliminare gli effetti degli eritrociti sugli adipociti. Questo è importante perché le vescicole extracellulari derivate dagli eritrociti possono influenzare la funzione cellulare di altre cellule17 e le vescicole extracellulari derivate dagli eritrociti sono elevate in presenza di stress ossidativo18 e nei pazienti con sindrome metabolica19,20. Pertanto, il tessuto adiposo derivato da pazienti con malattia metabolica può contenere livelli elevati di EV derivate da eritrociti, che possono influenzare il fenotipo in vitro degli adipociti.
Eliminazione di FBS
Il protocollo descritto ha utilizzato FBS nei terreni di crescita durante la differenziazione adipogenica, ma successivamente gli adipociti sono stati soggetti a molteplici cambiamenti dei terreni prima della raccolta finale dei terreni per l'isolamento delle vescicole extracellulari derivate dagli adipociti. Pertanto, abbiamo ipotizzato che il rischio complessivo di contaminazione delle vescicole extracellulari derivate da FBS nelle preparazioni di vescicole extracellulari fosse basso e successivamente abbiamo confermato che le vescicole extracellulari residue non erano presenti nei terreni di coltura cellulare mediante western blotting per TSG101. L'isolamento di EV in coltura cellulare da fonti cellulari che richiedono FBS deve utilizzare FBS impoverito di EV o depletare EV bovine attraverso l'ultracentrifugazione per evitare che le EV bovine confondano le concentrazioni di EV degli adipociti e l'analisi del carico di EV degli adipociti. È noto che la deplezione del siero degli adipociti altera le loro risposte cellulari21 e quindi l'indagine deve garantire che la deplezione sierica o la deplezione EV dal siero renda le loro colture di adipociti veramente rappresentative della biologia degli adipociti.
Limitazione tecnica dell'isolamento delle vescicole extracellulari mediante filtrazione e ultracentrifugazione
Descriviamo un metodo di ultracentrifugazione con provette di plastica monouso che richiedono la sigillatura prima dell'ultracentrifugazione per l'isolamento delle vescicole extracellulari. Riconosciamo che questi tubi sigillati monouso potrebbero non essere un'opzione economica per molte persone e suggeriamo l'esplorazione di tubi simili, che non richiedono sigillatura e sono riutilizzabili. Tuttavia, i ricercatori devono garantire che il lavaggio dei tubi riutilizzabili sia adeguato e non porti all'accumulo progressivo di contaminanti proteici, lipidici e RNA nel tempo, che può influire sulle indagini a valle del carico associato alle vescicole extracellulari o sugli studi sulla funzione cellulare.
Il protocollo di filtrazione e ultracentrifugazione qui descritto è stato utilizzato per numerosi anni e diversi studi hanno evidenziato le carenze di questo metodo, tra cui gli isolamenti non specifici di componenti cellulari contaminanti come i mitocondri cellulari, la presenza di frammenti nucleari e costituenti della membrana cellulare. Inoltre, il metodo qui descritto co-isolerà le lipoproteine presenti nella FBS impoverita di EV. Il metodo può essere ulteriormente sviluppato mediante l'uso dell'ultracentrifugazione per densità e della cromatografia ad esclusione dimensionale (SEC) per eliminare le proteine solubili contaminanti e alcune lipoproteine. Insieme al lavaggio PBS delle EV isolate e dei SEC, i contaminanti co-isolati possono essere limitati ma non completamente eliminati. Pertanto, gli utilizzatori devono garantire l'inclusione di controlli appropriati, tra cui un terreno di coltura fittizio che non sia stato a contatto con le cellule per tenere conto delle proteine solubili e delle lipoproteine nei terreni di coltura e un controllo del surnatante impoverito di EV per dimostrare il successo dell'isolamento delle vescicole extracellulari da terreni condizionati che contengono ancora proteine e lipoproteine solubili.
L'isolamento delle vescicole extracellulari mediante filtrazione e ultracentrifugazione si basa sul fatto che l'operatore non applichi una pressione eccessiva ai surnatanti della coltura cellulare mentre viene fatta passare attraverso il foro del filtro o il foro dell'ago/siringa. L'applicazione di una forza eccessiva durante questa fase del protocollo descritto può rompere le vescicole extracellulari, influenzare le concentrazioni finali di vescicole extracellulari e generare RNA, proteine e metaboliti liberi, che una volta erano racchiusi nelle vescicole extracellulari. Abbiamo descritto qui un metodo che non richiede il cilindro della siringa e quindi l'applicazione di forza alle vescicole extracellulari in mezzi condizionati mentre passano attraverso il filtro o l'ago nei loro serbatoi di raccolta e provette per ultracentrifugazione. Tuttavia, è necessario prestare particolare attenzione quando si riattiva il pellet EV in PBS. È necessario utilizzare solo un vortice breve, poiché un vortice vigoroso può interrompere le membrane EV.
Dopo l'ultracentrifugazione, gli operatori devono fare attenzione alle provette per ultracentrifugazione per non disturbare il pellet EV. Ciò può essere ottenuto maneggiando le provette con cura e spostandole lentamente tra il rotore di ultracentrifugazione e il rack per provette. Prestare particolare attenzione quando si pratica un foro nella parte superiore della provetta di ultracentrifugazione per aspirare i surnatanti impoveriti di EV. L'inserimento dell'ago nella parte superiore della provetta e l'aspirazione rapida dei surnatanti creano un vuoto nel cilindro della siringa, che può forzare violentemente il surnatante a rientrare nella provetta per ultracentrifugazione e distruggere il pellet EV. Dopo aver tagliato la provetta di ultracentrifugazione per eliminare il surnatante rimanente, è necessario prestare attenzione perché il pellet EV potrebbe allentarsi e versando si scarterà il pellet EV. In alternativa, è possibile utilizzare una siringa e un ago per rimuovere lentamente il surnatante rimanente senza versare o capovolgere il tubo.
La filtrazione e l'ultracentrifugazione dei surnatanti per l'isolamento delle vescicole extracellulari è un metodo utile ed efficiente. Ma è soggetto al co-isolamento di lipoproteine e proteine solubili. Questi possono essere mitigati lavando le vescicole extracellulari con PBS (come descritto), ma questo non eliminerà tutti i contaminanti. Le proteine solubili possono essere eluite dalla frazione EV utilizzando SEC, tuttavia, questo metodo non distingue tra lipoproteine e EV. Le eluizioni SEC che contengono EV possono essere combinate con l'ultracentrifugazione per pellettare EV. La filtrazione e l'ultracentrifugazione differenziale sono un metodo preferito per l'isolamento delle vescicole extracellulari rispetto alle tecniche di precipitazione, che utilizzano il polietilenglicole perché questi metodi di precipitazione co-isolano grandi quantità di proteine solubili e lipoproteine nei surnatanti delle colture cellulari e in altri fluidi biologici. È probabile che l'ultracentrifugazione rimanga la forma più accessibile di isolamento delle vescicole extracellulari per molti, perché la maggior parte dei laboratori è dotata di un'ultracentrifuga, mitigando così i costi iniziali di avvio. Ma per molti, l'ultracentrifugazione per l'isolamento delle vescicole extracellulari è ostacolata dal volume delle provette per ultracentrifugazione e dal volume iniziale del materiale. Potrebbero essere necessarie diverse centinaia di millilitri di surnatanti di coltura per produrre una quantità sufficiente di EV per la proteomica a valle o il sequenziamento dell'RNA. Tuttavia, è probabile che le tecniche di ultracentrifugazione per l'isolamento delle vescicole extracellulari saranno accompagnate da altre tecniche come la SEC e la cattura di immunoaffinità utilizzando le tetraspanine CD9, CD63 e CD81 per migliorare la purezza delle vescicole extracellulari isolate. Altre tecniche, come le soluzioni di precipitazione disponibili in commercio e la citometria a flusso, possono essere di qualche utilità in indagini specifiche.
Purezza dei preparati EV
Abbiamo confermato l'isolamento di vescicole extracellulari derivate da adipociti mediante western blotting per TSG101, ma questo singolo western blot non è all'altezza delle linee guida pubblicate dalla società internazionale per le vescicole extracellulari (ISEV). Un'ulteriore caratterizzazione di queste vescicole extracellulari derivate dagli adipociti sarebbe ideale utilizzando le tetraspanine CD9, CD63 e CD81 per identificare esosomi e marcatori di contaminazione cellulare come l'istone H3, l'albumina e l'apolipoproteina A1.
Il protocollo qui presentato consente l'isolamento di vescicole extracellulari da surnatanti di colture cellulari da una serie di fonti cellulari, tra cui gli adipociti, per la determinazione delle dimensioni e della concentrazione di vescicole extracellulari mediante western blot e l'utilità in tecnologie omiche come la proteomica e il sequenziamento dell'RNA.