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
pl_PL
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
W tym artykule przedstawiono metodę izolacji egzosomów z krwi pełnej i dalszej analizy za pomocą śledzenia nanocząstek za pomocą półautomatycznego instrumentu. Prezentowana technologia zapewnia niezwykle czułą metodę wizualizacji i analizy cząstek w ciekłej zawiesinie.
Chociaż biologiczne znaczenie egzosomów ostatnio zyskało coraz większą uwagę naukową i kliniczną, nadal wiele nie wiadomo na temat ich złożonych szlaków, biodostępności i różnorodnych funkcji w zdrowiu i chorobie. Obecne prace koncentrują się na obecności i zachowaniu egzosomów (zarówno in vitro, jak i in vivo) w kontekście różnych zaburzeń człowieka, zwłaszcza w dziedzinie onkologii, ginekologii i kardiologii.
Niestety, nie ma konsensusu co do złotego standardu izolacji egzosomów, ani nie ma zgody co do takiej metody ich ilościowej analizy. Ponieważ istnieje wiele metod oczyszczania egzosomów, a także wiele możliwości ich analizy ilościowej i jakościowej, trudno jest określić kombinację metod dla idealnego podejścia.
Tutaj demonstrujemy analizę śledzenia nanocząstek (NTA), półautomatyczną metodę charakteryzacji egzosomów po izolacji z ludzkiego osocza za pomocą ultrawirowania. Przedstawione wyniki pokazują, że takie podejście do izolacji, jak również określenie średniej liczby i wielkości egzosomów, dostarcza powtarzalnych i ważnych danych, potwierdzonych innymi metodami, takimi jak skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM).
Dokładna funkcja krążących egzosomów pozostawała nieznana przez długi okres czasu. Nawet teraz pełny mechanizm ścieżki egzosomów nie jest w pełni poznany. Ponieważ egzosomy przenoszą antygeny, białka i RNA (mRNA i miRNA), które wiążą je z komórką rodzicielską, z której pochodzą, ich funkcja jako przekaźników sygnalizacji komórka-komórka została głównie potraktowana priorytetowo.
W literaturze opisano wiele różnych metod izolacji i ilościowego wykrywania egzosomów 1,2. Nie osiągnięto jednak konsensusu w sprawie "standardu złota". Tymczasem większość naukowców zajmujących się badaniami nad egzosomami zgadza się, że spójna metoda izolacji jest wysoce uzasadniona w celu osiągnięcia wyższego stopnia porównywalności między różnymi raportami i badaniami.
Sortowanie komórek aktywowane fluorescencją (FACS) jest najpowszechniejszym i najbardziej rozpowszechnionym narzędziem do analizy egzosomów 3. FACS ma tę zaletę, że dzięki znakowaniu fluorescencyjnemu można porównać komórki o różnym pochodzeniu w jednym kroku. Główną wadą FACS jest to, że metoda ta nie jest wystarczająco czuła, aby zidentyfikować cząstki mniejsze niż 0,5 μm 4, podczas gdy egzosomy mają na ogół średnicę od 30 do 120 nm 5, a nawet mniej, aby zmierzyć ich rozmiar.
Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) i transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) to inne narzędzia do analizy wielkości cząstek i morfologii egzosomów. Jednak zarówno SEM, jak i TEM mają tę wadę, że przygotowanie próbek jest czasochłonne, obie metody obejmują pracochłonne etapy i każda z nich wiąże się z pewnym ryzykiem powstania artefaktów. Żadna z tych metod nie jest odpowiednia dla dużej przepustowości próbki i charakterystyki kilku tysięcy pojedynczych cząstek w jednej próbce. Ponadto trudno jest przeprowadzić analizę ilościową w codziennej praktyce klinicznej, w której próbki często muszą być analizowane jednocześnie lub przynajmniej w bardzo krótkim czasie. Techniki nowej generacji pozwalają nam teraz analizować egzosomy bez wcześniejszych intensywnych prac przygotowawczych (np. środowiskowego SEM). Te nowoczesne techniki są nadal raczej niewygodne do analizowania zawiesin o dużej objętości zawierających egzosomy w celu określenia ich średniej liczby i rozkładu wielkości 6.
Inną bardzo czułą metodą wizualizacji i analizy egzosomów jest analiza śledzenia nanocząstek (NTA). Metoda ta wykorzystuje dwie różne zasady fizyki. Po pierwsze, cząstki są wykrywane przez światło rozproszone, gdy są naświetlane wiązką laserową. Drugie zjawisko znane jest jako ruch Browna, zgodnie z którym dyfuzja różnych cząstek w ciekłej zawiesinie jest odwrotnie proporcjonalna do ich wielkości. W tym drugim przypadku ruch zależy również od temperatury i lepkości cieczy. Jednak wskaźnik ten jest bezpośrednio związany z wielkością cząstek i jest używany przez NTA. Za pomocą analizy opartej na oprogramowaniu rejestrowane są cyfrowe obrazy światła rozproszonego od pojedynczych cząstek. Wykresy rozproszonych plam świetlnych i ich prędkości ruchu dostarczają danych, które ułatwiają określenie całkowitej liczby cząstek i rozkładu wielkości. Technika ta jest szczególnie skuteczna w analizie cząstek o średniej średnicy mniejszej niż 100 nm.
Pomiary wielkości i stężenia są wykonywane za pomocą mikroskopu do analizy wideo ruchu Browna i elektroforezy ZetaView. Jest to półautomatyczny przyrząd do analizy nanocząstek na biurku dla próbek cieczy (zwany dalej przyrządem do śledzenia cząstek). Składa się z analizatora śledzenia cząstek, a także laptopa z oprogramowaniem służącym do analizy danych. Heterogeniczne próbki biologiczne są tak samo odpowiednie dla tej metody, jak bardziej jednorodne zawiesiny cząstek nieorganicznych. Laserowy mikroskop rozpraszający z kamerą wideo służy do wykrywania cząstek i obserwacji ich ruchu. Podczas gdy oś mikroskopu jest pozioma i skupiona w kanale komórkowym wypełnionym zawiesiną zawierającą egzosomy, wiązka lasera jest zorientowana pionowo. Cząstki napromieniowane laserem rozpraszają światło, które jest rejestrowane pod kątem 90° przez cyfrową kamerę wideo za pomocą mikroskopu (ryc. 1). Natężenie rozproszonego światła pozwala na obserwację cząstek o średnicy większej niż 60 nm. W takim ustawieniu jasność cząstki nie jest jedynym wskaźnikiem wielkości cząstki. Gdy nie stosuje się pola elektrycznego, ruch cząstek odbywa się tylko zgodnie z ruchem Browna i może służyć jako wskaźnik do obliczania wielkości cząstek. Jednak instrument jest również w stanie przyłożyć pole elektryczne do kanału komórkowego. Po poddaniu działaniu tego pola potencjał, biegunowość i poziom ładunku jonowego zawieszonych egzosomów stają się kolejnymi determinantami kierunku ich ruchu. Prędkość i kierunek skutkują histogramem ruchliwości elektroforetycznej.
Znalezienie optymalnej metody analizy izolowanych egzosomów to jeden problem, innym problemem jest skuteczna izolacja egzosomów z różnych mediów, takich jak krew, wodobrzusze, mocz, mleko, płyn owodniowy lub pożywka komórkowa. Do tej pory opisano różne metody, które opierają się na ultrawirowaniu 1, przemysłowych odczynnikach do separacji (takich jak Exoquick) 7, kulkach magnetycznych do antygenu z zastosowaniem separacji 8 lub etapach ultrafiltracji 9.
W tym protokole demonstrujemy cały proces izolacji egzosomów za pomocą ultrawirowania i pokazujemy, jak analizować powstały egzosom zawierający zawiesinę za pomocą narzędzia do śledzenia cząstek. Przedstawiono szczegółowe rozważania dotyczące analizy egzosomów pochodzących z ludzkiego osocza lub pożywki do hodowli komórkowych.
UWAGA: Eksperymenty przedstawione w tej pracy zostały zatwierdzone przez instytucjonalną radę etyczną Uniwersytetu w Düsseldorfie.
1. Przygotowanie egzosomów
2. Procedura uruchamiania przyrządu do śledzenia cząstek
3. Pomiar próbki
4. Interpretacja wyników
Próbka użyta do tej demonstracji pokazuje optymalne ustawienie dla pomiaru z czułością 85%, przed maksymalnym nachyleniem krzywej czułości (Rysunek 2). Jasność, wartości min/max zostały dobrane zgodnie z zaleceniami w protokole. Zmierzono stężenie 5,3 cząstki/ml x 106, przy czym średnia wielkość cząstek wynosiła 0,149 μm, większość z nich miała 0,137 μm.
Wartości otrzymane po pomiarze mogą być zapisane w raporcie w formacie pliku .pdf lub jako .txt do eksportu do bazy danych. Wykres można dostosować według preferencji, zgodnie z opisem w protokole (sekcja 4). Sekwencja wideo jest również zapisywana i może być wykorzystana do późniejszej ponownej analizy w trybie off-line. Jednak w takiej analizie off-line nie można zmienić ustawień kamery sprzed akwizycji retrospektywnie.
Aby znaleźć optymalne ustawienia parametrów dla pomiaru, opisujemy tutaj optymalizację ustawień przyrządu na przykładzie standardu rozmiaru polistyrenu 100 nm. Szczegółowo omówiono wpływ dwóch parametrów, czułości i rozmiaru minimalnego/maksymalnego na obraz wideo i rozkład wielkości cząstek. Wszystkie pozostałe parametry podsumowano w tabeli 1.
Wizualne wrażenie wpływu czułości (w zakresie od 50 do 94) na obrazy analogowe i cyfrowe jest wizualizowane na rysunku 3. Informacje ilościowe pochodzące z obrazów przedstawiono na rysunku 4, w oparciu o ustawienia w tabeli 1, Min Size = 5 i Max Size = 200. Typową zależność między liczbą wykrytych cząstek a czułością przedstawiono na rysunku 4A. Między 50 a 90 liczba wykrywanych cząstek wzrastała wraz z czułością i dramatycznie rosła dla czułości >90. Optymalny zakres czułości stwierdzono między 66 a 86 (A). Rozkłady wielkości cząstek uzyskane przy różnych ustawieniach czułości przedstawiono na rysunku 4B. Rozkłady wielkości cząstek reprezentują średnią z trzech indywidualnych pomiarów. Dla zbyt niskiej czułości (czułość = 62, czerwona krzywa) przeanalizowano tylko kilka cząstek, co skutkowało raczej słabymi statystykami. Liczba analizowanych cząstek rosła wraz z czułością i osiągnęła optimum między 70 (żółta krzywa) a 86 (krzywa tan). Dalsze zwiększanie czułości prowadzi do pogorszenia rozkładu wielkości cząstek, przy czym liczba spadających cząstek i rozkład wielkości przesuwają się w kierunku mniejszych rozmiarów (czułość = 94, niebieska krzywa). Rysunek 4C przedstawia trend średnicy x50 opartej na liczbach (50% cząstek jest mniejszych od tej średnicy) w funkcji czułości. W przedziale beżowym RSD wielkości cząstek wynosił mniej niż 8% i odpowiada optymalnemu przedziałowi w A. Czerwone obszary wskazują, że RSD > 8% w wyniku słabych statystyk (zbyt niska czułość) lub szerokich rozkładów z przesunięciem do mniejszych rozmiarów (zbyt wysoka czułość).
Ustawienia Min Size i Max Size to filtry stosowane do obrazów cyfrowych w celu usunięcia cząsteczek o rozmiarach plamek mniejszych niż Min Size i większych niż Max Size. Ze względu na zdolność do rozpraszania światła, cząstka tworzy plamkę o określonej wielkości na obrazie cyfrowym. Rozmiar plamki jest mierzony jako liczba pikseli (px). Gdy cząstka bardzo dobrze rozprasza światło (np. cząstki > długości fali 200 nm lub agregaty), rozmiar plamki jest dość duży, np. > 500 px. Rozmiar plamki jest dość mały (np. < 10 px) dla małych cząstek (np. < 20 nm) w zależności od materiału cząstek. Wielkość plamki (px) nie może być zamieniana z wielkością cząstek (nm), ponieważ nie są one identyczne i nie ma bezpośredniego związku między tymi dwiema zmiennymi. Optymalizacja Min i Max Size pozwala użytkownikowi odfiltrować niechciane obiekty, takie jak aglomeraty (Max Size) lub małe obiekty, takie jak szum tła (Min Size). Wpływ wielkości minimalnej/maksymalnej na rozkład wielkości cząstek wzorca wielkości 100 nm przedstawiono na rysunku 4D (czułość = 82). Gdy interwał jest ustawiony na małe rozmiary plamki (np. min = 1, max = 52; pomarańczowa krzywa), liczba analizowanych cząstek jest zmniejszana, a średnica x50 oparta na liczbie jest nieznacznie przesunięta w kierunku mniejszych rozmiarów. Ustawienie dla większych plamek (min = 40, max = 1,000; czerwona krzywa) powoduje szeroki rozkład wielkości cząstek przesunięty w kierunku większych rozmiarów. Aby uzyskać równą całkowitą liczbę cząstek, granice przedziałów zarówno rozkładu pomarańczowego, jak i czerwonego zostały dostosowane tak, aby pasowały do 80 cząstek. Rozkład z optymalnymi ustawieniami (min = 5, max = 200; krzywa tan) składa się z 360 cząstek.
Przeprowadzono serię udanych eksperymentów z egzosomami wyizolowanymi przez ultrawirowanie i zmierzonymi przez NTA przy użyciu przedstawionego systemu. Uzyskane dane były bardzo spójne i potwierdziły wysoki poziom odtwarzalności. Inne metody izolacji powinny dawać podobne wyniki. Etap rozcieńczania został jednak uznany za szczególnie krytyczny, a jego wpływ na obliczoną całkowitą liczbę cząstek musi zostać ponownie oceniony
.
Rysunek 1. Schemat konfiguracji NTA. Oś mikroskopu / wideo i wiązka laserowa są zorientowane prostopadle do siebie, przecinając się w przekroju kanału komórkowego. Światło rozproszone przez cząstki jest wyświetlane w oknie "podglądu na żywo" oprogramowania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2. Liczba cząstek w funkcji krzywej czułości. Krzywa liczby cząstek w funkcji czułości wyświetla cząstki w jednej pozycji w jednym momencie podczas automatycznego skanowania czułości. Ta wizualizacja graficzna służy do określenia najlepszych preferencji dla początkowych pomiarów. Wartość czułości jest wybierana przed maksymalnym nachyleniem wykresu. Należy pamiętać, że artefakty nie są eliminowane w tym eksperymencie testowym i mogą mieć wpływ na wykres. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3. Wpływ czułości na obraz analogowy i cyfrowy. Wizualizacja cząstek na ekranie podglądu na żywo jest wyświetlana dla czułości od 50 do 94 zarówno dla widoku analogowego (górny rząd), jak i cyfrowego (dolny rząd). Gdy czułość jest zbyt niska, wykrywanych jest tylko kilka cząstek (po lewej). Przy optymalnej czułości cząstki wyglądają jak pojedyncze kropki, dobrze odizolowane od siebie (środek). Przy stosunkowo wysokiej czułości cząsteczki łączą się ze sobą, co prowadzi do niskiej jakości obrazu (po prawej). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4. Wpływ ustawień czułości min i max dla kontrolnej próbki cząstek polistyrenu 100 nm. (A) Wykres czułości w funkcji wykrytej liczby cząstek; Optymalny przedział wynosi od 66 do 86, przed maksymalnym nachyleniem krzywej. (B) rozkład wielkości cząstek uzyskany przy kilku ustawieniach czułości (62–94); Wykresy dla zbyt niskiej (62) lub zbyt wysokiej (94) czułości nie uwzględniają rozkładu wielkości cząstek dla próbki kontrolnej polistyrenu o długości fali 100 nm. (C) Średnica x50 w zależności od liczby w funkcji czułości; Błąd x50 w przedziale beżowym jest mniejszy niż 8%, optymalny interwał wynosi od 66 do 86. (D) Wpływ minimalnej i maksymalnej wielkości na rozkład wielkości cząstek; Optymalne parametry (min = 5 i max = 200) pozwalają uchwycić prawidłowy rozkład dla próbki kontrolnej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
| Parametry przed akwizycją | |
| czułość | zmienna |
| okiennica | Rozdział 40 |
| Klatek | 30 kl./s |
| rezolucja | wysoki |
| Cykli | 10 |
| Wielokrotne przejęcia | 3 |
| pozycja | 1 |
| Parametry po przejęciu | |
| Minimalna jasność | Rozdział 30 |
| Maksymalny rozmiar | zmienna |
| Minimalny rozmiar | zmienna |
Tabela 1. Podsumowanie parametrów przed i po akwizycji dla ustawienia przyrządu do śledzenia cząstek.
Prace te były wspierane przez fundusze instytucjonalne Oddziału Chirurgii Sercowo-Naczyniowej Wydziału Medycznego HHU. Koszty publikacji tego badania zostały pokryte przez Particle MetrixGmbH.
W tym artykule przedstawiono metodę izolacji egzosomów z krwi pełnej i dalszej analizy za pomocą śledzenia nanocząstek za pomocą półautomatycznego instrumentu. Prezentowana technologia zapewnia niezwykle czułą metodę wizualizacji i analizy cząstek w ciekłej zawiesinie.
Autorzy chcieliby podziękować Christinie Ballázs, Hugowi Aubinowi i Jörnowi Hülsmannowi za krytyczną lekturę rękopisu i doskonałą pomoc redakcyjną. Ponadto autorzy dziękują Giseli Mueller za pomoc techniczną. Autorzy dziękują firmie Particle Metrix GmbH za udostępnienie środków finansowych na pokrycie kosztów publikacji.
| Probówka cytrynianowa | BD | 364305 | BD Vacutainer |
| Woda destylowana | Braun | 3880087 | Aqua ad iniectabilia Rurka |
| Falcon | Greiner Bio One | 188271 | PP Probówka, Steryl 15 ml |
| Probówka do ultrawirówki | Beckman | 357448 | Microfuge Poliallomer 1,5 ml |
| Polybead | Polysciences, Inc. | 07304 | 2,6% ciał stałych-lateksu Roztwór wyrównujący |
| Strzykawka (filtr) | StrzykawkaBraun | 4617053V | 5 ml |
| (ZetaView) | Igła Braun | 4606051V | 5 ml |
| BD | 305180 | BD Filtr igłowy z napełnianiem | |
| Sartorius Stedim | 16555 | Filtr strzykawkowy, hydrofilowy, 450 i mikro; | |
| m Ultrawirówka | Beckman | L8-M | Wirnik: 70Ti Nr seryjny E21078 |
| ZetaView | Particle Metrix | PMX 100, Wirówka typu 101 | |
| Eppendorf | 5804R | Wirnik: A-4-44 |