여기에서는 신경 장애에 대한 microRNA(miRNA) 바이오마커의 공급원으로 작은 세포외 소포체를 얻기 위해 최소량의 신선 냉동 뇌 조직 절편과 크기 배제 크로마토그래피와 결합된 접근 가능한 고속 원심분리 방법을 사용하여 프로토콜을 구축합니다.
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여기에서는 신경 장애에 대한 microRNA(miRNA) 바이오마커의 공급원으로 작은 세포외 소포체를 얻기 위해 최소량의 신선 냉동 뇌 조직 절편과 크기 배제 크로마토그래피와 결합된 접근 가능한 고속 원심분리 방법을 사용하여 프로토콜을 구축합니다.
작은 세포외 소포체(sEV)는 세포-세포 통신의 중요한 매개체로, 단백질, 지질, 핵산(microRNA, mRNA, DNA)과 같은 다양한 화물을 운반합니다. microRNA sEV 화물은 생물학적 장벽(예: 혈액-뇌 장벽)을 통과하고 다양한 체액을 통해 접근할 수 있는 sEV의 능력으로 인해 강력한 비침습적 질병 바이오마커로서 잠재적인 유용성을 가지고 있습니다. 체액의 sEV 바이오마커에 대한 수많은 연구에도 불구하고 조직 또는 세포 특이적 sEV 하위 집단을 식별하는 것은 특히 뇌에서 여전히 어려운 일입니다. 우리의 연구는 크기 배제 크로마토그래피(SEC)를 사용하여 최소량의 동결된 인간 뇌 절편에서 sEV를 분리하는 기존 방법을 조정하여 이 문제를 해결합니다.
윤리적 승인 후, 약 250μg의 신선 냉동 인간 뇌 조직(Manchester Brain Bank [UK]에서 획득)을 3개의 공여자 조직에서 절편화하고 콜라겐분해효소 유형 3/Hibernate-E 용액에서 중간 교반한 후 연속 원심분리 및 여과 단계로 배양했습니다. 그런 다음, SEC 공법을 이용하여 sEV를 분리하고, MISEV 가이드라인에 따라 특성화하였다. 이러한 sEV 내에서 RNA를 분리하기 전에 용액을 Proteinase-K 및 RNase-A로 처리하여 non-sEV 세포외 RNA를 제거했습니다. RNA의 양과 질은 qPCR 및 small RNA 염기서열분석 실험을 위해 추가로 확인 및 처리되었습니다.
sEV의 존재는 형광 나노입자 추적 분석(fNTA) 및 표면 마커에 대한 웨스턴 블롯(CD9, CD63, CD81)을 통해 확인되었습니다. 크기 분포 (50-200 nm)는 NTA와 전자 현미경으로 확인되었다. 용해된 sEV 내 총 RNA 농도는 3-9ng/μL 범위였으며 선택된 후보 microRNA에 대한 qPCR에 의한 성공적인 정량화에 사용되었습니다. MiSeq에 대한 Small RNA 염기서열분석은 샘플당 140만-500만 번의 판독으로 고품질 데이터(Q >32)를 제공했습니다.
이 방법은 최소한의 뇌 조직 부피에서 sEV를 효율적으로 분리하고 특성화하여 비침습적 바이오마커 연구를 촉진하고 공평한 질병 바이오마커 연구를 약속하여 신경퇴행성 질환 및 잠재적으로 다른 장애에 대한 통찰력을 제공합니다.
세포외 소포체(EV)는 모든 다세포 유기체에서 세포 간 통신의 핵심 역할을 하는 것 중 하나입니다1. EV는 단백질, 지질 및 핵산과 같은 다양한 화물 하중을 수용 세포로 쉽게 전달할 수 있는 세포 유래 지질 이중막 입자입니다. EV는 30nm에서 최대 1μM에 이르는 광범위한 크기 범위를 가질 수 있습니다. 평균 직경 크기가 <200nm인 지질 결합 소포로 정의되는 소형 EV(sEV)는 혈액-뇌 장벽을 통과할 수 있는 능력이 있습니다. 따라서 그들은 신경퇴행성 질환 및 알츠하이머병(AD), 전두측두엽 치매(FTD), 파킨슨병(PD) 및 암과 같은 기타 상태의 프리온과 같은 확산 및 악화에 연루되어 있습니다 2,3. 또한 sEV는 혈액, 뇌척수액(CSF), 타액 및 소변과 같은 다양한 생체 유체에서 발견될 수 있으므로 바이오마커 및 비침습적 진단 분야에 걸쳐 유익한 용도로 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 알츠하이머병 연구는 타우/Aβ 또는 Aβ42/Aβ404와 같은 생체 유체 병원성 단백질 비율의 사용을 지적할 수 있습니다.
sEV의 알려진 화물 중 하나는 microRNA(miRNA)로, mRNA의 3'-UTR 영역에 결합하고 일반적으로 단백질 발현을 부정적으로 조절하는 약 22개의 뉴클레오티드 길이로 구성된 작은 비암호화 RNA 분자 그룹입니다. 많은 세포질 역할에 관여하는 miRNA는 또한 암 및 신경 퇴행성 질환을 포함한 다양한 질병의 발병기전과 관련이 있습니다. Cheng 등은 알츠하이머병 환자의 혈청 유래 sEV miRNA 발현 서명에 대한 고처리량 염기서열분석 분석을 수행했습니다5. 신경영상 기록 및 연령, 성별 및 APOE ε4 대립유전자 발현에 대한 알려진 위험 요인과 결합하면 87%의 민감도와 77%의 특이도로 AD를 예측하는 것으로 나타났습니다. 또한, 연구에서는 잠재적으로 초기 PD6을 진단할 수 있는 2개의 상향 조절된 CSF miRNA(miR-151a-3p, let-7f-5p)와 3개의 하향 조절된 miRNA(miR-27a-3p, miR-125a-5p 및 miR-423-5p)를 확인했습니다. 병리학적 질환의 경우 병리학적 상태가 질병의 특정 특징적인 증상보다 선행할 수 있는 반면, 신경퇴행에서는 병리학적 특징의 축적이 인지 기능 저하보다 훨씬 일찍 발생합니다.
MicroRNA는 다양한 기능과 고차원의 후성유전학적 조절로 인해 단백질보다 잠재적으로 더 효과적인 바이오마커입니다. 연구자들은 뇌 조직을 사용하여 질병 및 그 아형에 대한 특정 뇌 유래 sEV(BDsEV) miRNA 서명을 잠재적으로 식별할 수 있습니다. 예를 들어, 뉴런 및 신경교 마커가 있는 sEV는 서로 다른 miRNA 화물을 나타낼 수 있으며, 이를 통해 보다 정확한 질병 검출 방법을 얻을 수 있습니다. 또한, BDsEV는 신경병원성 단백질의 시냅스 횡단 확산에 큰 역할을 하는 것으로 제안됨7. 이전 보고서에서는 갓 동결된 뇌 조직에서 sEV를 얻기 위해 면역침전 및 밀도 구배(자당 구배) 초원심분리를 제안했습니다 8,9. 그러나 이러한 접근 방식에는 고품질 sEV 샘플을 얻기 위해 초원심분리기 및 다운스트림 정제 방법을 갖춘 특정 인프라가 필요합니다10. 보다 최근의 보고서에서는 접근 방식 11,12,13에 대한 몇 가지 수정 및 개선을 제안했습니다. 그러나 그럼에도 불구하고 인간 조직에서 sEV 유래 microRNA의 분리 및 연구는 여전히 널리 적용되지 않습니다. 이 프로토콜에 설명된 접근 방식은 이 기술에 대한 접근성을 향상시키기 위해 뇌 유래 sEV 연구를 위한 정제된 단계별 프로토콜을 제공하는 것을 목표로 합니다. 우리는 최소한의 뇌 조직을 사용하여 프로토콜을 수립했으며, 여기서 크기 배제 크로마토그래피를 사용하여 순수한 sEV를 분리하고 이러한 sEV의 microRNA 화물에서 고품질 차세대 염기서열분석 데이터를 보여주었습니다.
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이 작업은 Manchester Brain Bank(REC 참조 09/H0906/52)와 University of Salford의 윤리 위원회(응용 프로그램 ID: 3408)에 의해 윤리적으로 승인되었습니다.
1. 동결된 뇌 조직 절편에 콜라겐분해효소를 이용한 세포내 기질의 분해
2. 크기 배제 크로마토그래피 컬럼 준비
3. 크기 배제 크로마토그래피를 사용한 작은 세포외 소포의 분리
4. 웨스턴 블로팅(western blotting)에 의한 작은 세포외 소포 마커 확인
5. 나노입자 추적 분석(NTA)을 통한 작은 세포외 소포체 확인
6. 투과전자현미경(TEM)에 의한 작은 세포외 소포체 확인
참고: 이 프로토콜은 리버풀 대학의 생체 의학 현미경 시설에서 수행했습니다.
7. Proteinase K 및 RNase A 처리
8. 작은 세포외 소포체에서 총 RNA 분리
9. 작은 RNA 시퀀싱
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BDsEV의 존재를 확인하기 위해 웨스턴 블로팅(western blotting), NTA 및 TEM의 세 가지 기술이 사용되었습니다(그림 3). 웨스턴 블롯 결과(그림 3A 및 보충 파일 1)는 5개의 양성 마커(CD9, CD63, CD81, Flot-1 및 TSG101)가 모두 존재하고 sEV(음성 대조군으로 사용됨)에 Calnexin이 없음을 보여 세포 내용물에 대한 오염이 없음을 확인합니다. 예상대로 뇌 균질체(BH)는 테스트된 마커에 대한 sEV에서 관찰된 것보다 더 많은 단백질을 보여줍니다. TEM 이미지는 BDsEV의 형태와 샘플 내 상대적 크기를 확인했으며(그림 3B), 이는 나노 입자 추적 분석(그림 3C)을 통해 추가로 확인되었습니다.
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뇌에서 유래한 작은 세포외 소포체와 그 microRNA 화물을 분리하기 위한 이 수정 및 개선된 프로토콜은 다운스트림 제품의 품질과 수량을 손상시키지 않으면서 최소한의 조직을 사용할 수 있는 가능성을 보여줍니다. 바이오마커 발견 분야에서, 세포 및 조직 유형에 특이적인 분자 식별자를 식별하면 체액을 사용하는 비침습적 진단 테스트의 보다 접근하기 쉬운 수단으로 이어질 수 있습니다. 또한, 여기에 설명된 접근 방식은 다양한 세포 유형(신경 조직 대 신경교세포 조직), 조직 유형(해마 조직 대 전전두엽 피질 조직) 및 생체 유체 내에서 특정 sEV 하위 집단을 식별하기 위한 프레임워크를 제공하며, 이를 통해 화물 적재 신호, 병태 생리학 및 질병 범위에 대한 더 큰 이해를 제공할 것입니다. 이전에 Vella 등에서 개략적으로 설명한 바와 같이, 밀도 구배 초원심분리(최대 180,000 x g의 속도 사용)8와 함께 ...
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저자 중 누구에게도 이해 상충이 없습니다.
이 연구는 영국 알츠하이머 협회(Alzheimer's Society UK)의 조셉 모건(Joseph Morgan) 박사 과정 학생(보조금 번호 549/SERA-52)과 샐퍼드 대학교(University of Salford)의 혁신 전략 기금(보조금 SEFA-39)의 자금 지원을 받았습니다. 뇌 조직은 Brains for Dementia Network의 Manchester brain bank(REC Reference 09/H0906/52)에서 얻었습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 소 혈청 알부민 | Merck | A9418-100G | |
| 셀 마스크 주황색 플라즈마 멤브레인 염색 | ThermoFisher Scientific | C10045 | |
| 콜라겐 분해 효소 III형 | StemCell Technologies | 07422 | |
| ExoSpin 컬럼 및 버퍼 | 세포 유도 시스템 Ltd. | EX01-50 | 이 키트에는 이 실험에 사용된 SEC 컬럼, 침전 버퍼 및 EV 프리 PBS가 포함되어 있습니다. |
| Halt Protease Inhibitor Cocktail (100x) | ThermoFisher Scientific | 78429 | |
| Hibernate-E Medium | ThermoFisher Scientific | A1247601 | |
| Laemmli Sample Buffer (4x) | BioRad | 1610747 | |
| Lexogen Small RNA-Seq Library Prep Kit | Lexogen | 052.24 | 이 키트에는 i7 Index 프라이머 플레이트가 있는 Small RNA 준비 시약 상자가 포함되어 있습니다. |
| miRNeasy Micro Kit (50) | Qiagen | 217084 | 이 키트에는 고품질 RNA 회수 용해 시약(Qiazol), RNA 분리 컬럼, 분리 버퍼(RWT, RPE) 및 RNase free water가 포함되어 있습니다. |
| MiSeq 시약 키트 v3 | Illumina | MS-102-3001 | 이것은 Illumina 준비 키트 |
| 니트로셀룰로오스 막, 0.45 μ m | ThermoFisher Scientific | 88018 | |
| PE/Dazzle 594 anti-human CD63 Antibody | BioLegend | 143914 | fNTA 분석에 사용 |
| PE/Dazzle 594 anti-human CD81 항체 | BioLegend | 349520 | fNTA 분석에 사용 |
| PE/Dazzle 594 anti-human CD9 항체 | BioLegend | 312118 | fNTA 분석에 사용 |
| PhosSTOP | Merck | ||
| Pierce BCA 단백질 어세이 키트 | ThermoFisher Scientific | 23225 | |
| Proteinase K | ThermoFisher Scientific | 25530049 | |
| Qubit microRNA 어세이 키트 | ThermoFisher Scientific | Q32880 | |
| Qubit 1X dsDNA HS 어세이 키트 | ThermoFisher Scientific | Q33230 | |
| Qubit 3.0 형광측정기 | ThermoFisher Scientific | Q33216 | |
| RIPA 용해 및 추출 버퍼 | ThermoFisher Scientific | 89901 | |
| RNase A | ThermoFisher Scientific | EN0531 | |
| SuperSignal West Femto 최대 감도 기판 | ThermoFisher Scientific | 34094 |
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