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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
この記事では、カエノハブディティス・エレガンス細胞外小胞を生成、精製、定量化する方法について説明します。
小さな膜結合小胞を外部環境に分泌することは、すべての細胞の基本的な生理学的プロセスである。これらの細胞外小胞(EV)は細胞外で機能し、組織間でタンパク質、核酸、代謝産物、脂質を移動させることによって、全球の生理学的プロセスを調節します。EVは、原産細胞の生理学的状態を反映しています。EVは、人間の健康のほぼすべての側面に基本的な役割を果たしていることを意味します。このように、EVタンパク質や遺伝子貨物は、健康や病気のバイオマーカーについて分析を進めています。しかし、EV分野には、EV貨物組成の研究を可能にする難解な無脊椎動物モデルシステムが依然として欠けている。C.エレガンスは、身体外のEVを積極的に外部環境に分泌し、ファシリティの分離を可能にするため、EV研究に適しています。この記事では、非常に多くの年齢同期ワームの集団で定量的に作業する方法、EVの浄化、精製されたサンプル中の無傷のEVの数を直接測定するフローサイトメトリープロトコルなど、これらの環境的に分泌されたC.エレガンスEVを生成、浄化、定量化するために必要なすべての情報を提供します。したがって、C.エレガンス研究に利用可能な遺伝子試薬の大規模なライブラリは、EV貨物組成に対する遺伝的経路および生理学的プロセスの影響を調査するためにタップすることができます。
膜結合細胞外小胞(EV)の分泌は、細胞間で特定のタンパク質、核酸、代謝産物、および脂質貨物を積極的に輸送することにより、世界の生理学的プロセスを促進する。細胞は、2μm以上から20nm2の小さなものまで、連続したサイズに及ぶEVを分泌する。小さなEV (<200 nm) は、代謝障害、癌、心血管疾患、および神経変性疾患33、4、54,5を含む病理学的プロセスにおけるその影響のためにますます研究されています。これらの病理はまた、小さなEVのEV貨物のタンパク質および遺伝的組成に影響を与えることを示されている。したがって、LC-MS-MSおよびRNAseq,66、7、8、9などのEV貨物発見方法によって、病理のバイオマーカーシグネチャがますます明らかになってきて8,います。,7
C.エレガンスは、進化的に保存されたEVシグナル伝達経路を同定するための有用な無脊椎動物モデルであった。例えば、C.エレガンスフリッパーゼは、最初にC.エレガンス胚におけるEV生物形成を誘導することが示され、ヒト同族体はヒト細胞10,11,11におけるEV放出に影響を与えることを示した。C.エレガンスEVは、キューティクルの開発に必要なヘッジホッグ信号を運ぶことが報告されました。ヘッジホッグおよび他のモルフォゲンの送達はEVの主要な発達的役割を果たすることが示され、そして、それはゼブラフィッシュ、マウス、およびヒト12、13、14、15,14,15で保存される。12,C.エレガンスは、動物と動物のコミュニケーション16、17で機能する体外のEVを分泌するため、EV17バイオマーカー発見に適している(図1A)。しかし、線虫の大腸菌源もEV18を分泌するため、以前の研究を通じて確立された方法論は使用できません。この方法では、サンプルの大部分は大腸菌汚染で構成され、C.エレガンスEV貨物の発見に対するプロテオミクスまたはRNAEqアプローチの力を制限する。ここで説明する方法は、典型的な細胞培養実験の特徴を豊富なレベルで非常に純粋なC.エレガンスEVを生成し、EVバイオマーカー発見のためのオミックスアプローチを促進するために開発された。
貨物分析のために十分な数のEVを生成するには、ワームの集団が多く必要です。そのため、発達的に同期したC.エレガンスの大量集団の定量栽培を行う方法も含まれる。通常、実験に多数のワームが必要な場合、それらは液体培地で培養される。これは、ワームの集団を大量に生成するのに有効であるが、動物の生理学は、線虫増殖培地(NGM)寒天プレート上の標準的な条件下で栽培されたワームとはかなり異なる。液体中で培養された動物は、よりゆっくりと成長し、より薄く、発達的不均一性を示し、そして高い程度のバッチ変動を受ける。そこで、10cm高成長プレートを用いた発達的に同期したC.エレガンスの大量集団の定量栽培に対する簡便かつ有効な方法を提示する。高成長プレートのメディア構成は、通常のNGMプレートよりも多くのペプトンを含み、OP50よりも堅牢に成長する大腸菌株NA22で播種されています。
フローサイトメトリー技術(FACS)の進歩により、個々のEV20,21の直接分析が可能になり、21他の方法に固有の制限なしにEVを定量化することが可能になりました。以前の研究では、異なる精製方法論が有意に異なるEV-タンパク質比22をもたらすため、タンパク質はEVの豊富さにとって有用なプロキシではないことを示している。非常に純粋なEV画分は比較的少ないタンパク質を含み、BCAまたはクマシーゲルでサンプルを定量することは困難です。西洋の分析では、個々のタンパク質の相対的な違いを特定できますが、サンプル内のEVの数を特定することはできません。ナノ粒子追跡解析によるEV数の堅牢な定量は、その狭い信号対雑音範囲、EVと固体凝集体を区別できないこと、および異なる仕様を有する機器間の方法の伝達性の欠如によって妨げられる。したがって、この記事には、EV を識別および定量化するための一般化可能なフロー サイトメトリック手順も含まれています。
1. 準備
2. ワームの集団を大量に計算する(図1A)

図1:C.エレガンスEVの生成、定量、精製のための手順の概要(A) 動物の集団を多く数える略図。(B) EV の収穫のためのワーム生成の概略図。(C) C.エレガンススーパーナテントからのEVを浄化するための回路図。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
3. EV精製のためのC.エレガンスの育成
4. EV精製
5. EVの豊富さのフローサイトメトリー定量化

図2:EVの存在量を定量するフローサイトメトリーサンプル調製の概略図。(A)EV製剤は、3つの同一のサンプルに分かれています。サンプル#1は、染料なし陰性対照です。その後、DI-8-ANEPPSをサンプル#2に添加し、#3します。トリトン-X 100は、サンプル#3に追加されます。緑色の矢印は、サンプル#3だけがその後超音波処理されることを示します。フローからのデータは、FACS サンプル内の洗剤に敏感な EV の絶対数を決定し、合計準備で EV の量を計算するのに役立ちます。色素陽性事象を決定するためのゲートは、染料を含みないサンプル#1で設定されます。スプレッドシートデータに赤で書き込むのは、洗剤処理サンプルからの色素陽性事象が色素でサンプルから差し引かれることを示す。(B) FACS で EV を定量化し、サンプル内の EV の総数を計算するための方程式。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図1に、EV の生成と浄化に必要なプロセスの概略図を示します。各ステップを完了するために必要な典型的な時間は、下に示されています。図2は、DI-8-ANEPPSを用いたFACS解析用サンプルの準備の概略図(図2A)と、サンプル中のEVの総数を推定するのに必要な計算を示しています(図2B)。
10の生物学的複製からの代表的な結果は、図3Aに示されている。反復間の変動性は有意ではなく、母集団サイズの典型的なS.E.M.は10%を少し超えている(図3B)。ワームをフィルタリングし、新鮮な高成長プレート上で栽培することは、漂白剤の同期に適したグラビッド成人の大規模な集団を生成します。この方法で処理された単一の飢えたプレートは、各グラビッド成人が約10個の卵を含むため、1 x 106以上の同期性のある子孫の実験集団を生成することができます。40μmのフィルターを通して卵と幼虫を濾過し、古い動物からEVを得ることで、発達的に同期した集団の集団を大量に維持することが可能です。保持された成人は、1プレートあたり20,000匹の動物の密度で新鮮な高成長プレートに移されます。このプロセスは2日ごとに繰り返した。図3Cは、3つのプレート移動を介して移動されるワーム集団の3つの生物学的複製を示す。プレート間で動物を移動すると、動物の約10%の損失(図3C)が生じ、動物の約20%がスクロース浮揚工程で失われる(図3D)。

図3:EV分析のためのC.エレガンスの大規模な集団の定量化。(A) 最近飢えた単一の高成長プレート(<24時間)から分離されたL1幼虫の数の比較。10個の生物学的複製の各値がプロットされる。10個の反復のすべてのデータポイントの合計は、S.E.M.のバイオリンプロットとバーとしても提示されます。これは、最近飢えたワームの単一プレートが約80,000 L1幼虫段階ワームをもたらすことを示しています。(B) パネルAにおける15種類のプレート母集団測定値のS.E.M.を個別の点としてプロットした。一般的に、S.E.M.は10%よりわずかに大きい。(C) 4時間ごとにプレート間の2回の移動の後に、ワーム集団の3つの生物学的複製が推定された。プレート間の動物のこの移動は、人口規模の有意な減少をもたらさなかった。これは、ここで示すワームの移動方法論が動物の著しい損失をもたらさないことを示している。(D)3つのEV実験複製の過程で採取された集団測定:実験を開始した元のL1幼虫について推定された動物の数、ショ糖フロートから回収された若年成動物の数と24時間の潜伏期間の準備ができて、分泌物の回収時にEV調製から数えられる動物の数。L1幼虫期の最初の集団推定と、後に動物が若年成人である場合の人口規模の減少は小さいが有意ではない。平均L1母集団測定は100%と指定され、他のすべての測定値はこの値との関係によってスケーリングされた。誤差範囲 S.E.M. * = p 値 < 0.05, N.S. = パラメトリックペア t 検定では有意ではありません。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
タンパク質対動物比は、EV製剤を特徴付ける際に有用な指標です。このメトリックは、EV 準備の整合性を迅速に判断する手段を提供します。平均して、1,000匹の野生型の若年成動物が、10kDaを超えるタンパク質を1μg分泌して環境に入れる(図4A)。この分画がサイズ排除クロマトグラフィーによってさらに分離されると、全タンパク質溶出プロファイルは、2〜6 mLと8 mL後の大きなピークとの間の小さなタンパク質ピークを示す。EV は、カラム溶出部の最初の 5 mL に含まれています (図 4B)。ナノ粒子追跡解析は、カラム溶出物の最初の5mLが、小さい~150nmのEVの単分散集団を含んでいる(図4C)。サイズ排除画の透過電子顕微鏡は、2~6 mLの溶出量に豊富なEVを明らかにしますが、後の溶出量には存在しません。EVはカップ状の形状で知られているため、負の染色条件下で調製すると明るいドットを穿刺して現れる固体粒子を区別しやすくなる(図4D)。

図4:全分泌バイオマスからのC.エレガンスEVの精製(A)10kDaを超える全タンパク質と、10個の生物学的複製の調製物でインキュベートされたワームの数に対する比率をプロットした。ほとんどの調製物は1,000匹の動物につき1μgのタンパク質を含んでいた。(B)10mL樹脂カラムからタンパク質溶出プロファイルを1mLの濃縮分泌物を装填した。Bさらなる解析で統合された分数は、グループにシェーディングされます。(C)連結樹脂溶出画分2~6mLのナノ粒子追跡解析95% 信頼区間はグレーシェーディングされます。(D)連結樹脂溶出画分のTEM分析。出発物質は、小胞様粒子と非ベシクル粒子の両方を持っていた。統合された2〜6 mL溶出分画は、非ベシクル粒子の少ない小胞に富んでいた。7~11 mLの連結画分には、小胞のような粒子はほとんど含まれなかったが、多くの非ベシクル粒子が含まれていた。12~15 mL溶出画分には、非ベシクル粒子のみが含まれていました。すべての顕微鏡写真は同じ倍率で示されます。スケール バー = 200 nm。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
C.エレガンスとヒトEVのフローサイトメトリー特性を直接比較するために、この方法でヒトニューロンの細胞培養の条件付き培地からEVを精製しました。フローサイトメトリーは、光散乱に基づいて粒子を分離します。小角光散乱(SALS)は大きさと大きく相関し、長角光散乱(LALS)は膜内部構造と相関します。細胞培養とC.エレガンスの両方のEV製剤からのサンプルイベントの大部分は、103 SALSと104 LALSを中心としたクラスターにしっかりと焦点を当てています(図5A)。SALSによってソートされたC.エレガンスEVサンプルイベントのヒストグラムは、すべての準備が〜103でピークに達することを示しています(図5B)。

図5:C.エレガンスEVは、光散乱特性によって明確に定義されています。(A) C. エレガンス EV の 3 つの生物学的複製における SALS イベントのヒストグラム。サンプルイベント全体の80%は、厳密で明確に定義された母集団内に含まれています。ナノ粒子追跡解析と同様に、C.エレガンスEVのサイズ分布が単分散であることを示す。サンプルを希釈するために使用されるS基底バッファーのヒストグラムを比較のために示します。(B) このテキストに記載されている方法で精製されたC.エレガンスとヒト細胞培養EVの屈折特性の比較両方のEVタイプは、一貫して同等の短い光散乱分布(SALSおよびLALS)を提示します。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
DI-8-ANEPPSはC.エレガンスEVに堅牢なラベルを付け、C.エレガンスと細胞培養由来サンプルの両方でイベント全体の大半を一貫して強調しています。キャリブレーション用のビーズとコントロールは、図 6Aに示されています。個々のFACS散布図は、200,000匹(#1)から調製されたC.エレガンスサンプルと500,000匹の動物から2匹を調製した(図6B)から示されている。細胞培養の100mL(#1)または200mL(#2,3)のいずれかからEVも分析した(図6C)。C.エレガンスおよび細胞培養由来サンプルの両方は、0.05%Triton-X 100と光超音波処理で処理すると消失する豊富な蛍光事象を示した。これは、標識された事象が、洗剤非感受性固体リポタンパク質凝集体ではなく、洗浄剤不安定リン脂質構造(小胞)であることを示している。EVの豊富さは、ディ-8-ANEPPS+ゲートのイベント数と、洗剤なしの分数(-)と洗剤(+)から染料専用制御の事象を差し引いた差の差として計算されます。わかりやすくするために、図 6Bおよび図 6Cに個別に示されているデータは、図 6Dおよび図 6Eの棒グラフとして要約されています。 Figure 6精製されたEVの存在量は、C.エレガンスと細胞培養由来製剤との間で有意に異ならなかった(図6F)。

図6:EVの豊富量を計算するために使用されるフローサイトメトリーデータの例(A) サンプル間でイベント数を直接比較できるようにするには、バッファーのみとバッファーおよび仕分けのみコントロールを、EV サンプルの端数と同じ流量および収集時間で実行する必要があります。DI-8-ANEPPS ゲートにはイベントが非常に少ないです。(B) C.エレガンスのDI-8-ANEPPSおよび洗剤処理プロトコルの代表的な結果。3つの生物学的複製が示される。生物学的複製#1は20万匹の動物から調製され、#2および#3は50万匹の動物から調製された。洗剤処理によるEVの消失は、すべてのケースで明らかです。(C)ヒト細胞培養条件培地を用いたDI-8-ANEPPSおよび洗浄剤処理プロトコルの代表的な結果。生物学的複製#1および#2は、100mLから生物学的複製#3を調製しながら、200mLのコンディションされた培地から調製した。(D) C. エレガンス EV の 3 つの生物学的複製から収集されたデータの棒グラフ。誤差範囲 = S.E.M. 治療間の両側t検定を組み合わせた。= p 値 < 0.001(E)細胞培養由来EVの3つの生物学的複製から収集されたデータの棒グラフ。治療間のペアの両側t検定。= p値 < 0.001 (F) μL当たりの染色標識洗浄剤感受性事象の数を、C.エレガンスおよび細胞培養のすべての生物学的複製について計算した。2 つの EV サンプル ソース間の値は、大きく異なっていません。治療間のペアの両側t検定p値 = 0.685。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
表1は、分析した各サンプルタイプの4.5μL全体の生の実験値を示しています。50万匹の動物から精製されたEV画分から収集されたイベントの総数は、バッファだけで収集された粒子の背景数に対して10〜20倍であったのに対し、20万匹の動物から精製された分画にはバッファだけで約2倍のイベントが含まれていました。DI-8-ANEPPS+ ゲート内のイベント数も、各サンプルに示されます。これらのメトリックをスプレッドシートにインポートして、上記のように色素正の洗剤に敏感な EV の数を計算できます。例えば、示された最初のC.エレガンス生物学的複製の1mLのEVの数は、次のように計算されます。
(18,974 – 3,853 - 1,487) x (10/4.5) x 1,000 = 30,297,778.
表1:タブ状フローサイトメトリーデータ。図 6に示すデータは、スプレッドシートとして表示されます。各サンプルについて、合計イベントと DI-8-ANEPPS+ ゲートイベントが表示されます。各生物学的複製は、プロトコル内のサンプル#1-3の順序で配列されます。これらの指標は、50万匹の動物または200mLの細胞培養条件培地から調製されたC.エレガンスサンプルから収集されたイベントの総数が、緩衝液単独で収集された粒子のバックグラウンド数に対して10〜20倍であったのに対し、20万匹の動物から精製された生物学的複製にはバッファの合計イベントの約2倍が含まれていることを明らかにした。DI-8-ANEPPS+ ゲート内のイベント数も、各サンプルに示されます。これらのメトリックをスプレッドシートにエクスポートして、EV の総数を計算できます。こちらの表を表示するには、ここをクリックしてください (右クリックしてダウンロードしてください)。
著者らは競合する利益を宣言しない。
この記事では、カエノハブディティス・エレガンス細胞外小胞を生成、精製、定量化する方法について説明します。
ニック・テルゾプーロスのワームプレートと試薬を感謝しています。N2線虫線ラインのための研究基盤プログラムのNIHオフィス(P40 OD010440)のカエノハブディティス遺伝学センター(CGC)ルチア・ヴォイテック博士、ナノ粒子追跡分析の支援のため。ジェシカ・ヤング、博士号、マリー・クレア、MD、博士号、hiPSC由来の神経調節細胞培地;TEMイメージングの支援のためのワイパン。この作業は、MKおよびNIHがJCRにAG054098を付与するNIH助成金P30AG013280によってサポートされました。
| 0.22 以上 μ;mフィルターユニット | ジェネシー | 25-233 | トリ |
| トンX-100 | サーモフィ | ッシャーHFH10 | の1%溶液これを0.05%に加えてEVを溶解 |
| 10cmの高成長プレート | N/A | N/A | ワームの大規模な集団を培養するため |
| 2 L底バッフルフラスコ | サーモフィッシャー4110-2000PK | EVのサイズ排除分離を行うため | |
| 40 μmメッシュ | アマゾン | CMY-0040-C / 5PK-05 | これを使用して、幼虫のステージ |
| 。mメッシュ | Amazon | CMN-0005-C | これを使用して、L1を他のワームステージから分離します |
| 6 cmの正常な成長培地 ワーム培養プレート | N/A | N/A | ワームの小さな集団を培養するため |
| Amicon Ultra-15 遠心フィルター 10 kD mwco | MilliporeSigma | C7715 | サイズ排除溶出を濃縮するため |
| Amicon Ultra-4 遠心フィルター 10 kD mwco | MilliporeSigma | C78144 | コンディショニングされた媒体を濃縮するため |
| Apogee | A50 フローサイトメーター | このフローサイトメーターは、ナノメートルサイズの粒子の分離に特化しています | |
| ApogeeMix | Apogee | 1493 | FACS DI-8-ANEPPS ThermoFisher D3167の光散乱および蛍光性能の評価 |
| これを20 uMで追加してEVの使い捨て | |||
| クロマトグラフィーカラム | をラベル付けしますBioRad | 7321010 | EVのサイズ排除分離の実施用 |
| Geletin | MilliporeSigma | G9391-100G | 線虫が付着しないようにピペットチップを処理するため |
| HALTプロテアーゼ阻害剤 | ThermoFisher | 87785 | タンパク質分解を防ぐためにEVサンプルに追加 |
| 低タンパク質結合収集チューブ | ThermoFisher | 90410 | EVサンプルにこれらを使用する |
| NaCl | シグマ | S7653-1KG | ワームのショ糖浮遊用 |
| S 基礎緩衝器 | N/A | N/A | WormBookのレシピ |
| セファロース CL-2B 樹脂 | ミリポアシグマ | CL2B300-100ML | EVのサイズ排除分離を行うため |
| 小型オービタルシェーカー | ABCサイエンティフィック | 83211301 | ワームSに使用 基礎インキュベーション |
| ショ糖 | シグマ | S8501-5KG | ワームのショ糖浮遊用 |