이 프로토콜은 중간엽 기질 세포에서 방출되는 세포외 소포체(EV)를 분류하는 방법에 대한 자세한 설명을 제공합니다. 특히 기기 설정 및 분류 조건의 최적화에 중점을 둡니다. 목표는 세포외 소포체의 특성을 보존하면서 분류하는 것입니다.
방법 논문
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이 프로토콜은 중간엽 기질 세포에서 방출되는 세포외 소포체(EV)를 분류하는 방법에 대한 자세한 설명을 제공합니다. 특히 기기 설정 및 분류 조건의 최적화에 중점을 둡니다. 목표는 세포외 소포체의 특성을 보존하면서 분류하는 것입니다.
중간엽 기질 세포(MSC)에서 방출되는 세포외 소포체(EV)에는 재생 및 항염증 역할을 하는 일련의 microRNA가 포함되어 있습니다. 따라서 정제된 MSC-EV는 다양한 질병에 대한 차세대 치료 옵션으로 구상되고 있습니다. 이 프로토콜에서는 정형외과 재생 의학 응용 분야에 자주 사용되는 지방 유래 MSC(ASC)의 상층액에서 EV를 성공적으로 분류하기 위한 전략을 보고합니다.
먼저, 형광 검출을 위해 카르복시플루오레세인 숙시니미딜 에스테르(CFSE)를 사용한 EV 분리 및 라벨링 단계에 중점을 두고 샘플 준비를 설명했습니다. 그 후, 우리는 프로토콜의 주요 부분을 구성하는 분류 프로세스에 대해 자세히 설명했습니다.
MISEV 2023 및 MIFlowCyt EV 가이드라인에 정의된 규칙 외에도 노즐 크기, 빈도 및 피복 압력에 관한 특정 실험 조건을 적용했습니다. 형태학적 매개변수는 EV 크기의 이론적 범위를 커버하기 위해 선택된 직경의 비드를 사용하여 설정됩니다. ASC-EV 분류 후 분류기로 재분석하고 나노입자 추적 분석 기법으로 EV 크기 분포를 확인하여 분류된 분획의 순도 검사를 수행했습니다.
EV의 중요성이 커짐에 따라 연구하고 특성화할 순수 인구를 확보하는 것이 중요해지고 있습니다. 여기에서는 이 목표를 달성하기 위해 정렬을 설정하는 승자 전략을 보여줍니다.
세포외 소포체(EV)는 거의 모든 세포에서 방출되는 막 구조 소포의 이질적인 그룹으로, 지질 이중층으로 구분되어 자체적으로 복제할 수 없습니다1. 이들은 혈장, 혈청, 타액, 모유, 소변, 기관지 세척액, 양수, 뇌척수액 및 악성 복수와 같은 여러 생체 유체에서 발견될 수 있습니다2. EV의 주요 기능 중 하나는 핵산, 단백질, 지질 및 탄수화물을 포함한 다양한 분자를 기증자와 수용 세포 사이에서 운반하는 것입니다. 이는 직접 막융합(direct membrane fusion), 수용체-리간드 상호작용(receptor-ligand interaction), 세포내이입(endocytosis), 식세포작용(phagocytosis)과 같은 다양한 메커니즘을 통해 발생할 수 있습니다 3,4. 이러한 이유로, 그들은 많은 생리학적, 병리학적 과정에서 중요한 역할을 하는 것으로 입증되었으며, 질병의 새로운 바이오마커, 약물 전달 매개체, 치료제로서 상당한 가능성을 보여줍니다 5,6.
중간엽 기질 세포(MSC)는 지방 조직, 치수, 탯줄 혈액, 태반, 양수, 와튼 젤리, 심지어 뇌, 폐, 흉선, 췌장, 비장, 간 및 신장을 포함한 많은 조직에서 분리할 수 있는 다분화능 세포입니다. 최근 몇 년 동안 재생의학에 대한 관심이 크게 높아지고 있다7. 지방 유래 중간엽 줄기세포(ASC)는 골수와 같은 다른 공급원에 비해 덜 침습적인 절차를 통해 지방 조직에서 채취할 수 있으므로 심각한 합병증의 위험이 낮고 윤리적 문제를 피할 수 있습니다8.
또한 지방 조직에는 골수(1% 대 >0.01%) 및 진피, 치수, 탯줄, 태반과 같은 다른 공급원보다 훨씬 더 높은 농도의 MSC가 포함되어 있습니다. MSC는 분화 능력과 성장 인자, 케모카인 및 사이토카인의 광범위한 레퍼토리를 분비하기 때문에 손상된 조직과 세포의 재생에 중요합니다. 이러한 치료적 이점은 이들의 분화 능력에 기인할 뿐만 아니라 성장 인자, 케모카인 및 사이토카인의 광범위한 레퍼토리를 분비한다는 사실에 기인합니다. 정형외과 질환에 대한 MSC의 치료 잠재력이 눈에 띄는 예로, "근골격계 질환"이라는 용어가 clinicaltrials.gov(2024년 5 월 13일 접속)에 등록된 임상 연구 수가 더 많습니다.
또한, MSC는 손상된 세포나 조직에 정보를 전달하여 조직 재생에 참여하는 EV를 분비하고 모세포와 유사한 생물학적 활성을 발휘할 수 있습니다 9,10. 이러한 이유로, MSC-EV는 정형외과적 질환(NCT05261360 및 NCT04998058)에 대한 MSC-EV와 관련된 두 가지 임상 연구를 통해 무세포 접근법11을 달성하기 위한 세포 요법의 가치 있는 대체품이 될 수 있습니다. 그러나 EV의 임상 적용에는 여전히 몇 가지 과제가 있습니다. 예를 들어, EV 분리 기술에 대한 몇 가지 우려 사항이 있습니다: 대부분은 소포 순도 또는 무결성을 보장하지 않습니다. 더욱이, 일부 분리 기법은 복잡하고 시간이 많이 걸리며 반복성이 낮아 임상적으로 사용하기에 적합하지 않습니다12.
반면에, 세포 분류(Cell sorting)는 특정 형광 마커(specific fluorescent markers)를 사용하여 이질적인 세포 현탁액으로부터 단일 세포를 분리할 수 있도록 하는 일반적으로 사용되는 방법입니다13. 많은 응용 분야에 사용할 수 있으며 다양한 시료 유형에 맞게 조정할 수 있습니다. 그러나 세포 분류가 잘 정립되고 널리 사용되는 기술임에도 불구하고 대부분의 EV가 가장 민감한 유세포 분석기에 대한 최소 검출 임계값 미만이기 때문에 EV 분류는 여전히 매우 어렵습니다. 이 목적에 더 적합한 분류기를 만드는 몇 가지 기능이 있습니다. 우선, 입자를 부유시키는 흐름이 플로우 셀 내부가 아닌 공기 중의 레이저에 의해 조사되는 Jet-in-air 시스템을 사용합니다. 이 시스템은 샘플이 받는 응력을 줄여 샘플을 보존합니다. 두 번째 중요한 점은 스트림과 수집 렌즈 사이에 "obscuration" 막대가 있어 기기의 배경 광학 노이즈를 감소시킨다는 것입니다. 비록 그것이 낮지만, 배경 잡음이 완전히 제거되지는 않으며, 임계값 이하로 떨어지는 이벤트에 대한 부분적인 창을 제공하는 참조를 구성한다: 이는 기기(14)의 "검출 한계"에 가까운 이벤트의 분석을 위해 매우 중요하다. 마지막으로, 분류기는 두 개의 서로 다른 마스크가 있는 이중 경로 전방 산란(FSC)을 특징으로 하여 샘플의 작은 입자와 큰 입자를 더 잘 구별할 수 있습니다.
이를 바탕으로 고감도 세포 분류기를 사용하여 MSC-EV(carboxyfluorescein succinimidyl ester, CFSE) 표지를 가진 카르복시플루오레세인 숙시니미딜 에스테르(CFSE)를 분리하는 것을 목표로 하는 프로토콜을 개발했습니다. EV의 조작을 최소화하고 무결성과 수량을 보존하기 위해 샘플 준비 중에 초원심분리 단계를 피했습니다. 또한, 노즐 크기(35psi의 압력에 대한 70μm 노즐)를 줄여 기기를 추가로 최적화하는 등 소포에 가해지는 응력을 최소화하기 위해 분류 조건을 조정했습니다.
여기서 프로토콜은 (1) 시료 준비, (2) ASC-EV 특성화, (3) ASC-EV 분류, (4) 사후 분류 분석의 네 부분으로 구성됩니다. 워크플로우를 나타내는 회로도는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1: 프로토콜 순서도. 순서도는 프로토콜과 관련된 단계를 보여줍니다. (1) 시료 준비, (2) 분류 전 소포의 특성화, (3) 분류, (4) 분류 후 소포 분석. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
1. 시료 준비
2. ASC-EV 특성화

그림 2: ASC-EV 특성화. (A) EV의 포지티브(CD9, CD81, TSG101, 플로틸린) 및 마이너스(칼넥신) 마커의 대표적인 웨스턴 블롯. 해당 분자량이 보고되고 ASC 용해물이 대조군으로 사용되었습니다. (B) EV 마커의 유세포 분석 분석. CD9, CD63, CD81 및 CD44 마커의 발현을 분석했습니다. 마커 발현을 위해 CFSE 양성 ASC-EV만 분석했습니다. 히스토그램은 염색되지 않은(빨간색 히스토그램) 및 염색된(파란색 히스토그램) ASC-EV를 나타냅니다. (C) EV 마커 Caveolin의 유세포 분석 내 분석. 히스토그램은 염색되지 않은(회색 히스토그램) 및 염색된(파란색 히스토그램) ASC-EV를 나타냅니다. (D) NTA에 의한 ASC-EV의 특성화. 히스토그램은 샘플의 농도(입자수/mL)/크기(nm)를 나타냅니다. (E) TEM에 의한 ASC-EV의 시각화. 스케일 바 = 100nm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3. ASC-EV 분류

그림 3: 속이 빈 유기 실리카 비드를 사용한 물리적 매개변수 설정. (A) SSC/FITC 도트 플롯: SSC 매개변수를 설정하기 위해 참조 녹색, 형광 비드가 사용되었습니다. (B) VER01B 및 (C) VER01A 비드의 SSC/FSC 점도표. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 참조 배경 잡음. (A) PBS 샘플의 SSC/CFSE 점도표. (B) PBS + CFSE 샘플의 SSC/CFSE 점도표. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: CFSE 염색 ASC-EV 분류. (A) UNSTAINED EV의 SSC/CFSE 점도표, (B) CFSE 염색 EV, (C) CFSE 음성 EVs 분류 후, (D) CFSE positive EV 분류 후. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
4. 사후 분류 분석
참고: 분류 후 재료의 양이 제한되어 있기 때문에 모든 분석을 수행하지 못할 수 있습니다. 얻은 양으로 다음을 수행합니다.

그림 6: 정렬된 ASC-EV의 특성화. EV 마커의 유세포 분석 분석. CD9, CD63, CD81 및 CD44 마커의 발현을 분석했습니다. 마커 발현을 위해 CFSE 양성 ASC-EV만 분석했습니다. (A) 히스토그램은 염색되지 않은(빨간색 히스토그램) 및 염색된(파란색 히스토그램) ASC-EV를 나타냅니다. (B) NTA에 의한 ASC-EV의 특성화. 히스토그램은 사전 분류(왼쪽) 및 사후 분류(오른쪽) 샘플의 농도(입자수/mL)/크기(nm)를 나타냅니다. (C) 사전 정렬(왼쪽) 및 사후 정렬(오른쪽) 샘플의 TEM에 의한 ASC-EV 시각화. 스케일 바 = 100nm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
FSC 폴리스티렌 비드는 기기 설정 및 분류 조건을 검증하기 위해 분류되었습니다. FSC 폴리스티렌 비드는 100nm, 300nm, 500nm 및 900nm 범위의 형광 비드의 혼합물이며 FITC 채널에서 볼 수 있습니다. 그림 7A 는 정렬 전에 4개의 비드 모집단이 있는 SSC 로그 척도 대 FITC 로그 척도 점도를 보여줍니다. 100 nm, 300 nm 및 500 nm의 형광 집단을 게이트하고 분류했습니다. 분류된 beads는 초기 개념 증명으로 순도 및 농축을 위해 분석되었습니다(그림 7B). 모든 개체군은 분류 후 순수했습니다. 참조 배경 소음은 정렬 전후에 점도표에서 항상 볼 수 있습니다.
2023년 MISEV2018에 나열된 요구 사항을 충족하고 소포의 특성과 순도를 입증하기 위해 EV에 존재하거나 없는 마커를 분석하기 위한 실험이 수행되었습니다. EV는 일부 특정 표면 마커15: CD9, CD63, CD81 및 CD44에 대해 양성입니다. CD9, CD63, CD81은 테트라스파닌 계열의 막 단백질에 속하며 엑소좀을 식별하는 가장 일반적인 마커입니다16. CD44는 MSC 및 ASC17에 의해 많이 표현되는 마커입니다.
EV는 또한 세포 내 유세포 분석 실험에서 입증된 바와 같이 세포질 단백질 Caveolin에 대해 양성입니다. 또한 웨스턴 블롯은 CD9, CD81, TSG101, Flotillin에 대한 양성 반응과 Calnexin에 대한 양성 반응을 확인시켜 줍니다(그림 2).
다음으로, CFSE 라벨링된 ASC-EV는 프로토콜에 보고된 대로 분류되었습니다. 이 분류 절차를 4회 반복하여 시료 준비, 염색 및 분류에 대해 정확히 동일한 조건을 유지했습니다(표 1). 이러한 방식으로 프로토콜의 반복성이 입증되었습니다.
CFSE로 분류된 ASC-EV 모집단을 분석하고 분류에 의해 특성이 변경되지 않았음을 입증하기 위해 일련의 실험이 수행되었습니다. 특히, CD9, CD63, CD81 및 CD44의 발현은 분류 후에도 변하지 않습니다(그림 6A).
또 다른 중요한 점은 EV의 치수와 압력으로 인한 응력으로 인해 분류 절차 후에 어떻게 변경될 수 있는지에 관한 것입니다. 시료 양이 적어 분류 후 분석은 수행하기 어려웠지만, 나노입자 추적 분석은 두 ASC-EV 샘플(분류 전과 후)의 분포가 동일하다는 것을 보여줍니다(그림 6B). 마지막으로, TEM을 통한 EV의 분석은 분류 후에도 형태가 크게 변경되지 않은 것으로 보인다는 것을 보여줍니다(그림 6C).
주목할 점은 MIFlowCyt-EV 프레임워크 가이드라인18에서 제안한 바와 같이, 0.1% Triton X-100 시료 처리 시 CFSE 양성 EV의 양 감소가 관찰되어 소포 기원을 뒷받침한다는 것입니다(그림 8).

그림 7: FSC 폴리스티렌 비드 분류. (A) 분류 전 비드의 SSC/FITC 점도표. 분류 후 재분석된 비드의 SSC/FITC 점도표: (B) 100nm 정렬된 비드, (C) 300nm 정렬된 비드 및 (D) 500nm 정렬된 비드. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 8: Triton X-100 사용 시 EV 멤브레인 열화. 0.1% 농도의 Triton X-100을 실온에서 15분 동안 시료에 첨가했습니다. 처리되지 않은 샘플(왼쪽)과 처리된 샘플(오른쪽)에 대한 세 가지 독립적인 실험의 대표적인 산점도가 보고되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 실험 | 분류된 EV의 수 | CFSE+ 정렬 EV 수 | 압력 (psi) | 노즐 mm | 주파수 (Hz) |
| 1 | 74 엑스 106 | 4.8 엑스 106 | 35 | 70 | 66000 |
| 2 | 44 엑스 106 | 7 엑스 106 | 35 | 70 | 66000 |
| 3 | 38 엑스 106 | 3 엑스 106 | 35 | 70 | 66000 |
| 4 | 16 엑스 106 | 2 엑스 106 | 35 | 70 | 66000 |
표 1: 분류 절차의 반복성
EV를 분석하고 분류하는 것은 크기가 작고 대부분의 유세포 분석기의 검출 한계에 가깝기 때문에 까다롭습니다. 우리의 목표는 CFSE로 라벨링된 AMSC에서 파생된 EV를 분리하기 위한 프로토콜을 개발하는 것이었습니다. CFSE는 항체에 의해 제공된 단백질 응집체와 같은 원치 않는 입자가 형성되지 않고 높은 EV 라벨링 효율(≥90%)이 보고되었기 때문에 염색 방법으로 선택되었습니다. 그럼에도 불구하고, 에스테라아제가 없는 EV는 거의 없을 수 있으며, 분류 프로토콜19을 위해 이러한 입자를 라벨링할 수 있는 염색 방법을 식별하기 위해 향후 연구가 필요할 것입니다.
우리는 물리적 특성을 변경하지 않고 순수한 EV를 수집할 수 있는 분류 조건을 확립하는 것을 목표로 했습니다. 이는 사용된 분류기의 기술적 역량을 활용하고 노즐 크기에 따라 표준 분류 압력을 낮추는 것과 같은 특정 조치를 구현함으로써 달성되었습니다. 우리는 FSC 폴리스티렌 비드를 사용하여 이러한 선별 조건을 수립하고 검증했습니다. 그 후, 우리는 이 프로토콜을 ASC EV에 적용하여 실험을 4번 반복하고 지속적으로 유사한 결과를 달성하여 프로토콜의 반복성을 확인했습니다.
그러나 여기에서 간략하게 설명하는 몇 가지 중요한 측면과 제한 사항에 유의하는 것이 중요합니다. (i) 분류된 샘플의 순도: 재분석 중에 기기의 배경 잡음이 항상 나타나기 때문에 분류된 CFSE 양성 EV의 순도를 결정적으로 증명하는 것은 어렵습니다. 그러나 CFSE 양성 인구를 풍부하게 했다고 가정할 수 있습니다. CFSE 음성 모집단에 CFSE 양성 사건이 없다는 것은 분류 과정이 성공적이었음을 나타내며, 이는 분류된 샘플의 순도를 간접적으로 보여줍니다. (ii) 분류된 샘플의 잠재적 오염: 분류된 분획에 기기로 검출할 수 없는 작은 소포가 포함될 수 있으며 분류 방울에 실수로 포함될 수 있는 가능성을 배제할 수 없습니다. (iii) EV의 분류 후 무결성: 우리는 기기가 가하는 압력이 잠재적으로 소포를 손상시킬 수 있다는 것을 알고 있습니다. 이를 완화하기 위해 표준 60psi 대신 35psi의 낮은 압력으로 70μm 노즐을 사용했습니다. 또한 EV의 물리적 특성을 변경할 수 있는 초원심분리 단계를 피하기 위해 샘플을 신중하게 준비했습니다. 이러한 예방 조치에도 불구하고 분류된 EV가 손상되지 않고 변경되지 않은 상태로 유지된다고 보장할 수 없습니다. 따라서 EV의 상태를 평가하기 위해 분류 후 분석과 가능한 경우 기능 테스트를 포함하는 것이 좋습니다.
다음은 프로토콜에 대한 몇 가지 가능한 수정 및 문제 해결입니다. 이 프로토콜은 압력 변경을 허용하는 기기를 사용하여 설정되었습니다. 그러나 설정이 더 엄격한 기기의 경우 EV의 무결성을 최대한 보존하기 위해 100μm 노즐을 사용하여 압력을 낮추는 것이 좋습니다.
이러한 고려 사항에도 불구하고 우리는 우리의 프로토콜이 EV 분리를 위한 다른 방법에 비해 상당한 이점을 제공한다고 주장합니다. 첫째, EV의 특정 집단을 격리할 수 있습니다. 우리는 온전한 세포막으로 구조를 식별하는 형광 염료인 CFSE로 소포를 염색하기로 선택했지만, 단클론 항체를 사용하여 특정 EV 집단을 분류하는 것도 가능합니다. 이러한 경우 추가 염색 제어가 필수적입니다. 국제세포외소포학회(ISEV), 국제세포분석기발전학회(ISAC) 및 국제혈전증 및 지혈학회(ISTH)는 재현 가능한 유세포분석 실험을 수행하기 위한 포괄적인 지침을 제공합니다. 자세한 지침은 MISEV 20231 및 MIFlowCyt -EV 지침18에서 확인할 수 있습니다. 둘째, 이 절차는 여러 초원심분리 단계를 포함하는 다른 방법보다 시간이 덜 걸립니다.
우리의 의견으로는 이 프로토콜이 치료 목적으로 잠재적으로 유용할 수 있는 특정 EV 집단을 분리하고 수집하는 성공적인 전략이 될 수 있습니다.
저자는 공개할 내용이 없습니다.
기술 지원에 대해 Emanuele Canonico에게 감사드립니다. 이 작업의 일부는 IRCCS Ospedale San Raffaele과 Università Vita-Salute San Raffaele이 설립한 고급 현미경 실험실인 ALEMBIC에서 수행되었습니다. 엔리코 라그니(Enrico Ragni)와 로라 데 지롤라모(Laura de Girolamo)의 연구는 이탈리아 보건부 "Ricerca Corrente"의 지원을 받았습니다.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
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| APC anti-human CD63 | BioLegend | 353007 | 유세포 분석 항체 |
| APC anti-human CD81 (TAPA-1) | BioLegend | 349509 | 유세포 분석 항체 |
| APC anti-human CD9 | BioLegend | 312107 | 유세포 분석 항체 |
| BC CytoFLEX S | Beckman Coulter | BC CytoFLEX S 3 개의 레이저, 파란색, 빨간색 및 보라색 | |
| Flow-Check Pro 형광구 | Beckman Coulter | A63493 | MoFLO Astrios EQ |
| FlowJo 소프트웨어 용 형광 제어 비드 (버전 10.8.1) | BD | 버전 10.8.1 | 분석 소프트웨어 |
| IntraSure 키트 | BD Biosciences | 641776 | 세포 내 염색을 위한 고정 및 투과화 |
| Megamix-Plus FSC | BioCytex | 7802 | FSC 폴리스티렌 비드 |
| MoFLO Astrios EQ | Beckman Coulter | MoFLO Astrios EQ 4개의 레이저, 파란색, 노란색 - 녹색, 보라색 및 빨간색 | |
| 마우스 안티 FLOT1 항체 | BD Transduction Laboratories | 610820 | 웨스턴 블롯 항체 |
| NanoSight NS300 | Malvern | NS300 | |
| Rabbit anti-Calnexin 항체 | Origene | TA336279 | Western Blot 항체 |
| Rabbit anti-CD9 및 CD81 항체 (ExoAb 항체 키트) | System Biosciences | EXOAB-KIT-1 | 웨스턴 블롯 항체 |
| Rabbit anti-TSG101 항체 | Merck | HPA006161 | 웨스턴 블롯 항체 |
| Triton X-100 | Merck | 9036-19-5 | |
| Ultra Rainbow 형광 입자 | Spherotech | URFP-30-2 | |
| Ultracel 100 kDa MWCO | Merck | UFC910024 | |
| VER01 - 산란 보정을 위한 Verity Shells | Exometry | Organo silica beads |
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