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
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Tanyalak Parimon1, Norman E. Garrett III1, Peter Chen1,2, Travis J. Antes3
1Department of Medicine, Division of Pulmonary and Critical Care, Women's Guild Lung Institute,Cedars-Sinai Medical Center, 2Department of Biomedical Sciences,Cedars-Sinai Medical Center, 3Department of Medicine, Smidt Heart Institute,Cedars-Sinai Medical Center
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Tutaj opisujemy dwa protokoły izolacji pęcherzyków zewnątrzkomórkowych, wirowanie ultrafiltracji i ultrawirowanie z wirowaniem gradientu gęstości, aby wyizolować pęcherzyki zewnątrzkomórkowe z próbek płynu z płukania oskrzelowo-pęcherzykowego myszy. Pęcherzyki zewnątrzkomórkowe pochodzące z mysiego płynu z płukania oskrzelowo-pęcherzykowego za pomocą obu metod są określane ilościowo i charakteryzowane.
Pęcherzyki zewnątrzkomórkowe (EV) to nowo odkryte subkomórkowe składniki, które odgrywają ważną rolę w wielu biologicznych funkcjach sygnalizacyjnych podczas stanów fizjologicznych i patologicznych. Izolacja pojazdów elektrycznych nadal stanowi poważne wyzwanie w tej dziedzinie, ze względu na ograniczenia nieodłącznie związane z każdą techniką. Ultrawirowanie różnicowe z metodą wirowania w gradionym gradimencie gęstości jest powszechnie stosowanym podejściem i jest uważane za złoty standard procedury izolacji EV. Jednak procedura ta jest czasochłonna, pracochłonna i zazwyczaj skutkuje niską skalowalnością, co może nie być odpowiednie w przypadku próbek o małej objętości, takich jak płyn z płukania oskrzelowo-pęcherzykowego. Wykazaliśmy, że metoda izolacji wirowania ultrafiltracji jest prosta, efektywna czasowo i pracochłonnie, a jednocześnie zapewnia wysoką wydajność i czystość odzysku. Proponujemy, aby ta metoda izolacji mogła być alternatywnym podejściem, które jest odpowiednie do izolacji EV, szczególnie w przypadku próbek biologicznych o małej objętości.
Egzosomy są najmniejszym podzbiorem EV, o średnicy 50–200 nm i mają wiele funkcji biologicznych w zróżnicowanym zakresie procesów sygnalizacyjnych1,2,3,4,5. Regulują homeostazę komórkową i tkankową przede wszystkim poprzez ułatwianie komunikacji międzykomórkowej poprzez cząsteczki ładunku, takie jak lipidy, białka i kwasy nukleinowe6,7,8,9. Jednym z kluczowych etapów badań nad pojazdami elektrycznymi jest proces izolacji. Ultrawirowanie różnicowe (UC), z wirowaniem w gradionym gradiencie gęstości lub bez niego (DGC), jest uważane za złoty standard, ale ta metoda niesie ze sobą poważne ograniczenia, w tym nieefektywne wskaźniki odzysku EV i niską skalowalność10,11,12, które ograniczają jej najlepsze wykorzystanie do próbek o większej objętości, takich jak supernatant do hodowli komórkowych lub próbki o wysokiej produkcji egzosomów. Zalety i wady innych metod, takich jak wykluczanie wielkości za pomocą ultrafiltracji lub chromatografii, izolacja powinowactwa immunologicznego za pomocą kulek lub kolumn oraz mikrofluidyka, są dobrze opisane, a nowoczesne procedury uzupełniające zostały opracowane w celu przezwyciężenia i zminimalizowania ograniczeń technicznych w każdym podejściu11,12,13,14,15. Inni wykazali, że wirowanie ultrafiltracyjne (UFC) z nanoporowatą membraną w jednostce filtrującej jest alternatywną techniką, która zapewnia czystość porównywalną do metody UC16,17,18. Technikę tę można uznać za jedną z alternatywnych metod izolacji.
Płyn popłuczynowo-oskrzelowo-pęcherzykowy (BALF) zawiera EVs, które posiadają liczne funkcje biologiczne w różnych stanach układu oddechowego19,20,21,22. Badanie EV pochodzących z BALF wiąże się z pewnymi wyzwaniami ze względu na inwazyjność procedury bronchoskopii u ludzi, a także ograniczoną ilość odzyskiwania płynu z płukania. U małych zwierząt laboratoryjnych, takich jak myszy, tylko kilka mililitrów można odzyskać w normalnych warunkach płuc, a jeszcze mniej w płucach objętych stanem zapalnym lub zwłóknieniowym23. W związku z tym zebranie wystarczającej ilości BALF do izolacji pojazdów elektrycznych za pomocą ultrawirowania różnicowego do dalszych zastosowań może nie być wykonalne. Jednak wyizolowanie prawidłowych populacji EV jest kluczowym czynnikiem w badaniu funkcji biologicznych EV. Delikatna równowaga między wydajnością a skutecznością nadal stanowi wyzwanie w dobrze znanych metodach izolacji pojazdów elektrycznych.
W tym obecnym badaniu wykazujemy, że ultrafiltracja odśrodkowa, wykorzystująca nanomembranowy filtr o masie cząsteczkowej 100 kDa (MWCO), jest odpowiednia dla próbek biologicznych o małej objętości, takich jak BALF. Technika ta jest prosta, wydajna i zapewnia wysoką czystość i skalowalność, aby wspierać badanie pojazdów elektrycznych pochodzących z BALF.
Wykorzystanie zwierząt i wszystkie procedury na zwierzętach zostały zatwierdzone przez Instytucjonalne Komitety ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt (IACUC) w Centrum Medycznym Cedars-Sinai (CSMC).
1. Mysie płyny do płukania oskrzelowo-pęcherzykowego (BALF) Pobieranie i przygotowanie
2. Izolacja pęcherzyków zewnątrzkomórkowych z mysiego płynu do płukania oskrzelowo-pęcherzykowego
UWAGA: W tym badaniu, dwie techniki izolacji EV, a mianowicie UFC i ultrawirowanie z pływalnością, służyły do izolowania EV od BALF. Szczegółowy protokół każdej metody jest opisany poniżej.
3. Kwantyfikacja pęcherzyków zewnątrzkomórkowych
UWAGA: Wydajność odzysku EV pochodząca z BALF jest mierzona za pomocą dwóch wskaźników.
4. Wykrywanie pęcherzyków zewnątrzkomórkowych pochodzących z BALF
UWAGA: Powszechnie znane białka markerów powierzchniowych egzosomów (TSG101, CD63, CD81 i CD9) zostały użyte do weryfikacji odzysku EV za pomocą SDS-PAGE oraz analizy immunoblottingu i cytometrii przepływowej.
Tego samego dnia przeprowadziliśmy izolację EV od mysiego BALF-a przy użyciu metod izolacji UFC i UC-DGC. Metoda UFC wymagała około 2,5-3 godzin, podczas gdy technika UC-DGC wymagała 8 godzin czasu przetwarzania. Nie obejmowało to i czasu przygotowania odczynników. Należy zauważyć, że niektóre inne zadania mogą być wykonywane podczas długich okresów wirowania. Niemniej jednak cała procedura trwała prawie cały dzień w przypadku techniki izolacji UC-DGC.
EV pochodzące z BALF od normalnych myszy wyizolowanych metodą UFC wykazywały mniejszy rozmiar i bardziej jednolity rozkład rozmiarów (148,8 ± 1,1 nM, Rysunek 1A) w porównaniu do EV UC-DGC (176,7 ± 7,8 nM, Rysunek 1B). Technika UFC charakteryzowała się 65-krotnie większą całkowitą liczbą cząstek w porównaniu z izolacją UC-DGC (29,4 ± 18,4 vs. 0,5 ± 0,1 x10 10 cząstek; p < 0,05; Tabela 2 i Rysunek 1C). Całkowity odzysk białka (w μg) w UFC EV był również wyższy (3 136 ± 1 860 vs. 73,7 ± 38,3 μg; p < 0,05; Tabela 2 i Rysunek 1D). W ten sposób UFC jest efektywne pod względem czasu i wysiłku oraz zapewnia wyższą wydajność pojazdów elektrycznych.
Aby dokładniej scharakteryzować fenotypowo populacje EV pochodzące z BALF, zbadaliśmy obecność powszechnie znanych markerów białka powierzchniowego egzosomów: CD63, CD9 i CD81 za pomocą cytometrii przepływowej oraz TSG101 za pomocą immunoblottingu. Korzystając z analizy cytometrii przepływowej, wykazaliśmy, że zarówno UFC EV, jak i UC-DGC EV wyrażają CD63 (Rysunek 2A - 2C), CD9 ( Rysunek 2D - 2F) i CD81 ( Rysunek 2G - 2I). Wyrażenie średniej geometrycznej (gMFI) CD63, CD9 i CD81 zostało określone ilościowo i nie różniło się statystycznie między tymi dwoma warunkami (Rysunek 3A - 3F).
Następnie zbadaliśmy inny marker białka EV, TSG101, metodą immunoblottingu. Wykazaliśmy, że 20 μg próbki przepływowej UFC (UFC-FT) nie zawierało białek TSG101, co sugeruje, że technika izolacji UFC skutecznie wybrała i zachowała populację EV z próbki BALF (Rysunek 4). Po załadowaniu równych ilości białka całkowitego (20 μg) z próbki BALF-EV stwierdziliśmy, że pojazdy elektryczne UFC wyrażały wyższy poziom TSG101 niż pojazdy elektryczne UC-DGC (Rysunek 4). Wykazaliśmy również, że czystość białka UFC-EV była akceptowalna, co wykazano za pomocą pojedynczego izolowanego pasma białkowego.
Dla wszystkich wyników, test t-Studenta został użyty do porównania dwóch grup. Wyniki przedstawiono jako średnią ± SEM (błąd standardowy średniej), a p < 0,05 uznano za istotne.

Rysunek 1: Ultrafiltracja wirowania mysich płynów do płukania oskrzelowo-pęcherzykowego (BALF) EV wykazała bardziej jednorodny rozkład wielkości niż ultrawirowanie z wirowaniem w gradieniu gęstości mysich EV pochodzących z BALF i miała znacznie wyższą całkowitą liczbę cząstek i zawartość białka. Rozkład wielkości cząstek EV mierzono za pomocą analizy śledzenia nanocząstek (NTA), a całkowitą zawartość białka mierzono za pomocą testu kwasu bicinchoninowego. (A) Wykres rozkładu rozmiarów NTA UFC-BALF EV. (B) Wykres rozkładu wielkości pojazdów elektrycznych UC-DGC-BALF. (C) Całkowita liczba cząstek w podziale na NTA (średnia ± SEM x 1010 cząstek; * p < 0,05). (D) Całkowita zawartość białka (w μg, * p < 0,05). Dane pochodziły z trzech niezależnych eksperymentów. UFC: wirowanie ultrafiltracyjne; UC-DGC: ultrawirowanie z wirowaniem w gradiencie gęstości; EVs: pęcherzyki zewnątrzkomórkowe; SD: odchylenie standardowe; Stężenie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 2: Mysie EV pochodzące z płynu do płukania oskrzelowo-pęcherzykowego wyizolowane przez ultrafiltrację, wirowanie i ultrawirowanie metodami wirowania w gradieniu gęstości z ekspresją białek tetraspaniny CD63, CD9 i CD81. Pokazano procenty EV zabarwionych pozytywnie przez techniki izolacji UFC i UC-DCG, zilustrowane wykresami pseudokolorowymi, dla (A - C) PE-CD63, (D - F) FITC-CD9 i (G - I) PE-CD9. Dane pochodzą z trzech niezależnych eksperymentów. UFC = wirowanie ultrafiltracyjne; UC-DGC = ultrawirowanie z wirowaniem w gradiencie gęstości; EVs = pęcherzyki zewnątrzkomórkowe; SSC-A = analiza rozproszenia bocznego; PE = fikoerytryna; FITC = izotiocyjanian fluoresceiny. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 3: Izolowane przez ultrafiltrację odwirowujące, mysie EV pochodzące z płynu do płukania oskrzelowo-pęcherzykowego wyrażały podobną gęstość fluorescencyjną białek tetraspaniny jak EV izolowane ultrawirówkowo. (A i D) Histogram i wyrażenie średniej geometrycznej (gMFI) EV barwionych PE-CD63+. (B i E) Histogram i gMFI EV barwionych FITC-CD9+. (C i F) Histogram i gMFI EV barwionych PE-CD81+. Dane te pochodzą z trzech niezależnych eksperymentów. UFC: wirowanie ultrafiltracyjne; UC-DGC = ultrawirowanie z wirowaniem w gradiencie gęstości; EVs: pęcherzyki zewnątrzkomórkowe; SSC-A: analiza rozproszenia bocznego; PE: fikoerytryna; FITC: izotiocyjanian fluoresceiny. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ryc. 4: Mysie EV pochodzące z płynu do płukania oskrzelowo-pęcherzykowego wyizolowane przez ultrafiltrację, wirowanie i ultrawirowanie metodami wirowania w gradiencie gęstości, wyrażały białko powierzchniowe egzosomu, TSG101. Panel ten pokazuje immunoblotting mysich EV pochodzących z BALF dla przeciwciała TSG101 (47 kDa). UFC = wirowanie ultrafiltracyjne; UC-DGC = ultrawirowanie z wirowaniem w gradiencie gęstości; EVs = pęcherzyki zewnątrzkomórkowe; FT = przepływowy; TSG = gen podatności nowotworu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
| Roztwór roboczy jodiksanol (%) | 5 | 15 | 25 | Rozdział 30 |
| Roztwór roboczy (ml)* | cyfra arabska | 6 | 10 | 12 |
| Podłoże homogenizacyjne (ml)** | Rozdział 18 | 14 | 10 | 8 |
Tabela 1: gradientu gęstości wyporu. Poniższa tabela przedstawia skład i stosunek buforowy każdego roztworu gradientowego, który został użyty do oczyszczenia populacji pęcherzyków zewnątrzkomórkowych pochodzących z mysich płuc oskrzelowo-pęcherzykowych wyizolowanych techniką ultrawirowania. * Roztwór roboczy składał się z 50% jodiksanolu (25 ml pożywki o gradiencie gęstości [patrz tabela materiałów] + 5 ml roztworu rozcieńczalnika [pH 7,4 0,25 M sacharozy + 120 mM HEPES + 0,9 M NaCl]). ** Pożywka homogenizacyjna: (pH 7,4 0,25 M sacharozy + 20 mM HEPES). ** Pożywka homogenizacyjna: (pH 7,4 0,25 M sacharozy + 20 mM HEPES]). ** Pożywka homogenizacyjna: (pH 7,4 0,25 M sacharozy + 20 mM HEPES]). ** Pożywka homogenizacyjna: (pH 7,4 0,25 M sacharozy + 20 mM HEPES]). ** Pożywka homogenizacyjna: (pH 7,4 0,25 M sacharozy + 20 mM HEPES). ** Pożywka homogenizacyjna: (pH 7,4 0,25 M, sacharoza + 20 mM HEPES]). ** Pożywka homogenizacyjna: (pH 7,4 0,25 M sacharozy + 20 mM HEPES]). ** Pożywka homogenizacyjna: (pH 7,4 0,25 M sacharozy + 20 mM HEPES]). ** Pożywka homogenizacyjna: (pH 7,4 0,25 T + 150 mM NaCl)
| Metody | Objętość początkowa (ml) | NTA* (x108/μL) | Cząstki ogółem† (x1010) | Białko Conc‡ (μg/μL) | Białka ogółem§ (μg) |
| Ufc | 35 | Rozdział7,69 ± 2,6 | 29,4 ± 18,4 | 3.7 | 3 136 ± 1860 |
| UC-DGC (Urząd Certyfikacji Zintegrowanej) | 35 | Rozdział0,5 ± 0,05 | 0,5 ± 0,1 | 0,6 | 73,7 ± 38,3 |
Tabela 2: Metoda izolacji metodą wirowania ultrafiltracji zapewniła wysoką wydajność pęcherzyków zewnątrzkomórkowych pochodzących z płynu płukania oskrzelowo-pęcherzykowego. Stężenie cząstek i całkowitą liczbę cząstek mierzono za pomocą analizy śledzenia nanocząstek (NTA). Stężenie białka i całkowitą ilość białka mierzono za pomocą testu białkowego kwasu bicinchoninowego. * Stężenie cząstek BALF EVs (średnia ± SEM x 108/μL z trzech niezależnych eksperymentów). † Całkowita cząstka BALF EVs (średnia ± SEM x 1010 cząstek z trzech niezależnych eksperymentów). ‡ Stężenie białka w BALF EVs (średnia ± SEM μg/μL z trzech niezależnych eksperymentów). § Całkowite białko BALF EVs (średnia ± SEM mg z trzech niezależnych doświadczeń).
UFC: wirowanie ultrafiltracyjne; UC-DGC: ultrawirowanie z wirowaniem w gradiencie gęstości; Stężenie: stężenie; NTA: analiza śledzenia nanocząstek; SEM: błąd standardowy średniej.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Tutaj opisujemy dwa protokoły izolacji pęcherzyków zewnątrzkomórkowych, wirowanie ultrafiltracji i ultrawirowanie z wirowaniem gradientu gęstości, aby wyizolować pęcherzyki zewnątrzkomórkowe z próbek płynu z płukania oskrzelowo-pęcherzykowego myszy. Pęcherzyki zewnątrzkomórkowe pochodzące z mysiego płynu z płukania oskrzelowo-pęcherzykowego za pomocą obu metod są określane ilościowo i charakteryzowane.
Praca jest wspierana przez granty NHLBI/NIH HL103868 (dla P.C.) i HL137076 (dla P.C.), American Heart Association Grant-in-Aid (dla P.C.) oraz Samuel Oschin Comprehensive Cancer Institute (SOCCI) Lung Cancer Research Award (dla P.C.). Chcielibyśmy wyrazić nasze wielkie uznanie dla Smidt Heart Institute w Cedars-Sinai Medical Center, który dostarcza nam maszynę Nanosight do analizy śledzenia nanocząstek EV.
| Filtry odśrodkowe Amicon Ultra-15 Ultracel-100K | Sigma-Millipore, St. Louis, MO | UFC910024 | |
| Sól fizjologiczna buforowana fosforanem Dulbecco (DPBS) | Corning Cellgro, Manassas, VA | 21-031-CV | |
| Sacharoza | Sigma-Millipore, St. Louis, MO | EMD8550 | |
| HEPES | Research Products International, Prospect, IL | 75277-39-3 | |
| EDTA | Corning Cellgro, Manassas, VA | 46-034-CI | |
| Chlorek sodu | Sigma-Millipore, St. Louis, MO | S3014-1KG | |
| OptiPrep | Sigma-Millipore, St. Louis, MO | MKCD9753 Gradient gęstości Średnia | |
| ketamina | VetOne, Boise, ID | 13985-702-10 | |
| Xylazine | Akorn Animal Health, Lake Forest, IL | 59399-110-20 | |
| Strzykawka 1 ml | BD Strzykawka, Franklin Lakes, NJ | 309656 | |
| Angiocewnik 20 g | BD Strzykawka, Franklin Lakes, NJ | 381703 | |
| Probówki wirówkowe 15 ml | VWR, Radnor, PA | 89039-666 | |
| Probówki wirówkowe 50 ml | Corning Cellgro, Manassas, VA | 430828 | |
| Test białka kwasu bicunchonowego (BCA) | Pierce, Thermo Fischer Scientific, Rockford, IL | 23235 | |
| Przeciwciało przeciw myszom TSG101 | królika AbCam, Cambridge, MA | AB125011 | |
| Szczurze przeciwciało anty-mysie PE-CD63 Biolegend | , San Diego, Kalifornia | 143904 | |
| CD81 | |||
| CD9 | |||
| Przeciwciało anty-królicze IgG, technologia sygnalizacji komórkowej przeciwciał sprzężonych z HRP | , Danvers, MA | 7074S | |
| 4x LDS | |||
| 10x Środek redukujący (Bolt) | |||
| 10x Bufor do lizy (Bolt) | Technologia sygnalizacji komórkowej, Danvers, MA | ||
| Bolt 4-12% Bis-Tris Plus żel akrylamidowy | Invitrogen, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | NW04120 | |
| iBlot 2 Mini stosy nitrocelulozy | Invitrogen, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | IB23002 | |
| Chemiluminescencyjny odczynnik do wykrywania przeciwciał HRP HyGLO | Denville Scientific, Holliston, MA | E2400 | |
| Probówki do ultrawirówek 17 ml | Beckman Coulter, Pasadena, CA | 337986 | |
| Probówki do ultrawirówek 38,5 ml | Beckman Coulter, Pasadena, CA | 326823 | |
| Filtry strzykawkowe Corning SFCA 0,2 i mikro; m pore | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | 09-754-13 | |
| Equipment | |||
| Wirówka | Eppendorf, Hamburg, | Niemcy-Ultrawirówka | |
| Beckman Coulter, Pasadena, CA-Nanosight | |||
| (NS300) | Malvern, Worcestershire, Wielka | Brytania-Do | pomiaru rozkładu wielkości cząstek i stężenie cząstek |
| MACSQuant Analyzer 10 cytometr przepływowy | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, | Niemcy-iBlot | |
| Aparat do przenoszenia | Thermo Fischer Scientific, Waltham, MA-Bio-Rad | ||
| ChemiDoc MP System obrazowania | Bio-Rad, Hercules, CA | ||
| FlowJo v. 10 | Oprogramowanie analityczne |