Предконцентрация и изоляция микровесикул и экзосом на бумажной основе
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
Representative Results
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
- Edgar, J. R. Q & A: What are exosomes, exactly. BMC Biology. 14 (1), 1-7 (2016).
- 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).
- Simons, M., Raposo, G. Exosomes – vesicular carriers for intercellular communication. Current Opinion in Cell Biology. 21 (4), 575-581 (2009).
- 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).
- 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).
- Kim, H., et al. Origami-paper-based device for microvesicle/exosome preconcentration and isolation. Lab on a Chip. 19 (23), 3917-3921 (2019).
- Raposo, G., Stoorvogel, W. Extracellular vesicles: Exosomes, microvesicles, and friends. Journal of Cell Biology. 200 (4), 373-383 (2013).
- 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).
- Liu, C., et al. Field-Free Isolation of Exosomes from Extracellular Vesicles by Microfluidic Viscoelastic Flows. ACS Nano. 11 (7), 6968-6976 (2017).
- Marczak, S., et al. Simultaneous isolation and preconcentration of exosomes by ion concentration polarization. Electrophoresis. 39 (15), 2029-2038 (2018).
- Livshts, M. A., et al. Isolation of exosomes by differential centrifugation: Theoretical analysis of a commonly used protocol. Scientific Reports. 5, 1-14 (2015).
- Chiriacò, M. S., et al. Lab-on-chip for exosomes and microvesicles detection and characterization. Sensors. 18 (10), 3175 (2018).
- 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).
- Taylor, D. D., Shah, S. Methods of isolating extracellular vesicles impact down-stream analyses of their cargoes. Methods. 87, 3-10 (2015).
- 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).
- 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).
