Summary

Предконцентрация и изоляция микровесикул и экзосом на бумажной основе

Published: April 29, 2020
doi:

Summary

Представлен протокол для изготовления бумажного устройства для эффективного обогащения и изоляции микровесий и экзосом.

Abstract

Микровесицы и экзосомы являются небольшими membranous везикулы выпущен в внеклеточной среде и циркулирует по всему телу. Поскольку они содержат различные родительские клетки, полученные биомолекулы, такие как ДНК, мРНК, миРНК, белки и липиды, их обогащение и изоляция являются важными шагами для их эксплуатации в качестве потенциальных биомаркеров для клинических применений. Однако обычные методы изоляции (например, ультрацентрарифизация) приводят к значительным потерям и повреждению микровесичек и экзосом. Эти методы также требуют нескольких повторяющихся шагов ультрацентрифугации, загрузки и расточительства реагентов. В этой статье описывается подробный метод изготовления оригами-бумажного устройства (Exo-PAD), предназначенного для эффективного обогащения и изоляции микровесий и экзосом простым способом. Уникальный дизайн Exo-PAD, состоящий из аккордеонных многослойных с конвергентных образных областей, интегрирован с техникой поляризации концентрации иона, что позволяет пятикратное обогащение микровесий и экзосом на конкретных слоях. Кроме того, обогащенные микровесицы и экзосомы изолированы, просто разворачивая Exo-PAD.

Introduction

Микровесицы и экзосомы представляют собой небольшие мембранные пузырьки размером 0,2–1 мкм и 30–200 нм соответственно. Они выделяются в внеклеточной среде несколькими различными типами клеток1,,2,,3,,4,,5. Они содержат информацию о родительских клетках в виде подмножеств ДНК, мРНК, миРНК, белков и липидов, и циркулируют по всему телу через различные жидкости организма, такие как сыворотка, плазма, моча, спинномозговая жидкость, амниотическая жидкость и слюна6,,7,,8,,9. Таким образом, методы эффективной изоляции микровесий и экзосом от биологических жидкостей могут предоставить широкие возможности в области диагностики, прогноза и мониторинга заболеваний в режиме реального времени, а также в разработке новых терапевтических средств.

Однако обычный метод изоляции микрорезокм и экзосом на основе ультрацентрифугации занимает чрезвычайно много времени и приводит к значительным потерям и загрязнению образца. Это потому, что она включает в себя несколько громоздких трубопроводов и погрузочных шагов и отбрасывания различных реагентов с повторными ультрацентрифугации5,6,10,11,12. Кроме того, высокий сдвига стресса, вызванного ультрацентрифугации (100000 х г) может вызвать физический лизис микрорез и экзосомы, что дает плохие темпы восстановления (5-23%)6,13,14. Поэтому необходимо разработать высокоэффективный, ненавязчивый метод изоляции микровесицы и экзосомы для уменьшения урона и потерь, тем самым достигая более высоких скоростей восстановления.

Устройство на основе оригами (Exo-PAD) было разработано для более простой, мягкой и высокоэффективной изоляции микровесий и экзосом6. Конструкция Exo-PAD представляет собой многоотраслую бумагу с последовательно связанными участками образца, которые постепенно уменьшаются в диаметре. Техника поляризации концентрации иона (ICP), которая является наноэлектрическим явлением, которое предконцентрирует заряженные биомолекулы, была интегрирована с этой уникальной конструкцией. Использование Exo-PAD привело к пятикратному обогащению микровесиков и экзосом в определенных слоях и их изоляции, просто развернувшись устройством. В этой статье подробно описывается Exo-PAD, от общего изготовления и эксплуатации устройства до анализа его использования, иллюстрации метода и показа репрезентативных результатов6.

Protocol

1. Изготовление устройств Определите регион, который будет напечатан на бумаге с помощью программного обеспеченияпринтера( Таблица материалов ).ПРИМЕЧАНИЕ: Конструкция имеет 12 восковых узорных слоев, в которых диаметры круговой выборки постепенно сужаются от 5 мм до 2 м…

Representative Results

Время работы должно быть оптимизировано для достижения максимального выхода на восстановление обогащенных микровесий и экзосом. Недостаточное время не позволяет достаточной миграции микровесицы и экзосомы, что уменьшает обогащение, в то время как чрезмерное время ухудшает простран?…

Discussion

Хотя Exo-PAD был успешно использован для обогащения и изоляции микрорезокм и экзосом, следует тщательно рассмотреть несколько критических точек: 1) время инкубации печи во время подготовки устройства, 2) время обработки, 3) применение напряжения с различными номерами слоя и диаметрами выбо?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Это исследование было поддержано Национальным исследовательским фондом Кореи Grant NRF-2018R1D1A1A09084044. J. H. Lee был поддержан исследовательским грантом Университета Кванвуна в 2019 году. Херин Ким был поддержан «Программой развития компетенций для специалистов отрасли» Министерства торговли, промышленности и энергетики Кореи (MOTIE), управляемой Корейским институтом развития технологий (KIAT) (No. P0002397, HRD программа для промышленной конвергенции носимых смарт-устройств).

Materials

Ag/AgCl electrodes A-M Systems, Inc. 531500 0.15" diameter
Albumin from Bovine Serum (BSA), Alexa Fluor 594 conjugate Thermo Fisher Scientific A13101 BSA conjugated with Alexa Fluor 594 (Ex/Em: 590/617 nm)
Carbonate-Bicarbonate Buffer Sigma-Aldrich C3041-50CAP Carbonate buffer
CorelDraw software (Coral Co., Canada) Corel Corporation Printer software to define wax printing region
ColorQube 8870 Xerox Corporation Wax printer
Chromatography paper grade 1 Whatman 3001-861 Cellulose paper, dimension: 20 * 20 cm
Fluorescent-labeled exosome standards HansaBioMed Life Sciences, Ltd. HBM-F-PEP-100 Exosome labeled with FITC (Ex/Em: 490/520 nm)
Keithley 2410 current/voltage source-meter Keithley Instruments, Inc. Current–voltage source measurement system
Nafion perfluorinated resin solution Sigma-Aldrich 31175-20-9 Permselective membrane, 20 wt.% in the mixture of lower aliphatic alcohols and water; contains 34% water
NanoSight LM10 NanoSight Technology Nanoparticle tracking analysis (NTA) machine
Phosphate-buffered saline (PBS, pH7.4) Thermo Fisher Scientific 10010001

References

  1. Edgar, J. R. Q & A: What are exosomes, exactly. BMC Biology. 14 (1), 1-7 (2016).
  2. Contreras-Naranjo, J. C., Wu, H. J., Ugaz, V. M. Microfluidics for exosome isolation and analysis: Enabling liquid biopsy for personalized medicine. Lab on a Chip. 17 (21), 3558-3577 (2017).
  3. Simons, M., Raposo, G. Exosomes – vesicular carriers for intercellular communication. Current Opinion in Cell Biology. 21 (4), 575-581 (2009).
  4. Ståhl, A. L., Johansson, K., Mossberg, M., Kahn, R., Karpman, D. Exosomes and microvesicles in normal physiology, pathophysiology, and renal diseases. Pediatric Nephrology. 34 (1), 11-30 (2019).
  5. Chen, C., Lin, B. R., Hsu, M. Y., Cheng, C. M. Paper-based devices for isolation and characterization of extracellular vesicles. Journal of Visualized Experiments. (98), e52722 (2015).
  6. Kim, H., et al. Origami-paper-based device for microvesicle/exosome preconcentration and isolation. Lab on a Chip. 19 (23), 3917-3921 (2019).
  7. Raposo, G., Stoorvogel, W. Extracellular vesicles: Exosomes, microvesicles, and friends. Journal of Cell Biology. 200 (4), 373-383 (2013).
  8. Lee, Y., El Andaloussi, S., Wood, M. J. A. Exosomes and microvesicles: Extracellular vesicles for genetic information transfer and gene therapy. Human Molecular Genetics. 21, 125-134 (2012).
  9. Liu, C., et al. Field-Free Isolation of Exosomes from Extracellular Vesicles by Microfluidic Viscoelastic Flows. ACS Nano. 11 (7), 6968-6976 (2017).
  10. Marczak, S., et al. Simultaneous isolation and preconcentration of exosomes by ion concentration polarization. Electrophoresis. 39 (15), 2029-2038 (2018).
  11. Livshts, M. A., et al. Isolation of exosomes by differential centrifugation: Theoretical analysis of a commonly used protocol. Scientific Reports. 5, 1-14 (2015).
  12. Chiriacò, M. S., et al. Lab-on-chip for exosomes and microvesicles detection and characterization. Sensors. 18 (10), 3175 (2018).
  13. Lobb, R. J., et al. Optimized exosome isolation protocol for cell culture supernatant and human plasma. Journal of Extracellular Vesicles. 4 (1), 1-11 (2015).
  14. Taylor, D. D., Shah, S. Methods of isolating extracellular vesicles impact down-stream analyses of their cargoes. Methods. 87, 3-10 (2015).
  15. Han, S., et al. Electrokinetic size-based spatial separation of micro/nanospheres using paper-based 3d origami preconcentrator. Analytical Chemistry. 91 (16), 10744-10749 (2019).
  16. Yeh, S. H., Chou, K. H., Yang, R. J. Sample pre-concentration with high enrichment factors at a fixed location in paper-based microfluidic devices. Lab on a Chip. 16 (5), 925-931 (2016).

Play Video

Cite This Article
Lee, D., Wee, K. W., Kim, H., Han, S. I., Kwak, S., Yoon, D. S., Lee, J. H. Paper-Based Preconcentration and Isolation of Microvesicles and Exosomes. J. Vis. Exp. (158), e61292, doi:10.3791/61292 (2020).

View Video