En yeni nesil EV karakterizasyon araçları, aynı anda birden fazla parametre arasında tek EV analizi yapabilir. Nano-akış sitometrisi, etiketleme yapmadan 45 nm’den büyük tüm biyolojik parçacıkları ölçer ve çeşitli floresan etiketleme teknikleriyle alt popülasyonların spesifik özelliklerini tanımlar.
Tek parçacık karakterizasyonu, hücre dışı veziküller üzerine yapılan araştırmalar için giderek daha alakalı hale gelmiş, toplu analiz tekniklerinden ve birinci nesil parçacık analizinden nano-akış sitometrisi (nFCM) gibi kapsamlı çok parametreli ölçümlere ilerlemiştir. nFCM, nano-parçacık analizi için özel olarak tasarlanmış enstrümantasyonu kullanan ve boyama teknikleri kullanılarak ve kullanılmadan dakikada binlerce EV’nin karakterize edilmesini sağlayan bir akış sitometrisi şeklidir. Yüksek çözünürlüklü yan saçılma (SS) algılama, 45 nm’den büyük tüm biyolojik parçacıklar için boyut ve konsantrasyonun belirlenmesini sağlarken, eşzamanlı floresan (FL) algılama, etiketli belirteçlerin ve ilgili hedeflerin varlığını tanımlar. Etiketlenmiş alt popülasyonlar daha sonra parçacıkların / mL’nin nicel birimlerinde veya yan saçılma ile tanımlanan toplam parçacıkların bir yüzdesi olarak tanımlanabilir.
Burada, şartlandırılmış hücre kültürü ortamından (CCM) türetilen EV’ler, bir membranlı parçacıkları tanımlamak için hem bir lipit boyası hem de CD9, CD63 ve CD81 için spesifik antikorlar ortak EV belirteçleri olarak etiketlenir. Karşılaştırma malzemesi, bir konsantrasyon standardı ve silika nanosferlerin boyut standardı ile etiketli numune malzemesinin ölçümleri 1 dakikalık bir analizle analiz edilir. Yazılım daha sonra, etiketlerin her biri için pozitif olan parçacıkları belirlemeden önce, etiketlemeden bağımsız olarak tüm parçacıkların konsantrasyonunu ve boyut dağılım profilini ölçmek için kullanılır.
Eşzamanlı SS ve FL algılama, EV numunelerini kapsamlı ve nicel bir şekilde tanımlayan, hem harici hem de dahili birçok farklı EV kaynağı ve etiketleme hedefi ile esnek bir şekilde kullanılabilir.
EV’ler nedir?
Hücre dışı veziküller (EV’ler), birçok normal hücresel ve doku aktivitesine entegre olan bir dizi hücre kaynaklı membranöz parçacık için ortak terimdir. Çok çeşitli bilimsel alanlar üzerindeki etkileri ve potansiyel klinik alaka düzeyleri, EV araştırmalarında ve endüstriyel ilgide bir büyümeye neden olmuştur1. Küçük EV (sEV) araştırması öncelikle eksozomlara, olgunlaşmadan önce erken endozomlarda oluşmaya başlayan ve çok veziküler cisimlerin (MVB) plazma zarına füzyonu yoluyla salınan 40-100 nm parçacıkların yanı sıra doğrudan plazma zarından tomurcuklanan mikro-parçacıklara odaklanmaktadır 80-1.000 nm parçacıklaroluşturur 2. Üçüncü bir EV popülasyonu apoptotik cisimlerdir, hücre ölümü sırasında oluşan 50-1.500 nm parçacıklar, diğer EV’lere göreceli oranlarının büyük ölçüde değişken olabileceği anlamına gelir3.
EV özellikleri, menşe hücrelerinde / dokularında meydana gelen değişiklikleri temsil edebileceğinden, teşhiste kullanılma potansiyeli vardır. Çeşitli ‘omik’ analizler, kan plazması/serumu, idrar, tükürük ve beyin omurilik sıvısı (BOS)4,5 gibi EV kaynaklarını kullanarak hastaların non-invaziv olarak değerlendirilmesine olanak sağlayabilecek hücre orijini ve hastalık durumu belirteçlerini tanımlamaya başlamıştır. EV ile ilgili bu yeniliklerin arkasındaki itici güç, önceki sınırlamaların üstesinden gelen yeni karakterizasyon teknikleridir.
Tek EV karakterizasyonuna duyulan ihtiyaç ve zorluklar
Tek EV karakterizasyonu, EV izolatlarının hem doğrulanması hem de tanımlanması için giderek daha önemli hale gelmekte ve ayrıca EV tabanlı tedavilerin ilerlemesi ve teşhisi için bu nanopartiküllerin temel özelliklerinin aydınlatılması6. EV kaynağına ve kullanım amacına bağlı olarak, genellikle EV’nin EV olmayan parçacıklara oranı veya EV’nin serbest proteine oranı olarak tanımlanan saflık analizi, çoklu analizlerden önemli miktarda veri gerektirebilir7.
EV yayınlarındaki parçacık sayımı ve boyutlandırma ölçümleri daha önce büyük ölçüde Nanopartikül izleme (NTA), dirençli darbe algılama (RPS) ve elektron mikroskobu (EM) 2’ye dayanıyordu. Standart NTA ve RPS, EV’leri EV olmayan parçacıklardan ayırt etme yeteneğinden yoksundur ve yavaş verim8 ve NTA 9,10,11 ile görülen uygun olmayan alt algılama sınırı gibi kendi uyarılarına sahiptir.
CD9, CD63 ve CD81 tetraspaninleri tarihsel olarak EV izolasyonlarında / preparatlarında EV’lerin varlığı için önemli tanımlayıcılar olmuştur. Genellikle, batı lekeleme (WB) ve nokta lekeleme teknikleri, bu proteinlerin hücre lizat12’ye kıyasla EV izolatlarında zenginleşmesini göstermek için kullanılır. Bununla birlikte, bu yöntemlere kantitatasyon eksikliği ve bu EV belirteçlerinin heterojenliği, hem EV alt popülasyonlarında hem de hücre, doku veya hastaya bağlı varyasyonlarda gösterilmesi, fiziksel ve fenotipik karakterizasyonu birleştiren gelişmiş analitik teknikleri teşvik etmektedir13.
Kapsamlı bir EV analiz tekniği olarak nano akış sitometrisi
Gerçek EV konsantrasyonlarının belirlenmesi, bozulmamış parçacıkların ve özellikle karmaşık parçacık izolatlarında, tüm EV’leri EV olmayan parçacıklardan ayırt ederken onları ayırt edebilen çözünürlüğe sahip evrensel bir işaretleyicinin tanımlanmasını gerektirir14.
Nano-akış sitometrisi (nFCM), 45-1.000 nm arasındaki parçacıkların etiketlenmemiş analizine izin verirken, aynı zamanda parçacık alt popülasyonlarını tanımlamak için floresan etiketleme ve algılama kullanan bir tekniktir. Geleneksel akış sitometrisinden önemli bir fark, nanopartikül analizine adanmış ekipmanların kullanılmasıdır ve en yüksek çözünürlük15’e izin verir. Küçük parçacık analizi için yeniden tasarlanan geleneksel akış enstrümantasyonunu kullanan EV analizi gelişiyor, ancak yine de 100 nm EV’ler16,17‘< tespit etmek ve analiz etmek için çözünürlüğe ulaşmak için mücadele ediyor. Boncuk bazlı akış sitometrisi, EV analizi için sıklıkla kullanılan başka bir uyarlamadır, ancak bu, tek parçacık algılama olasılığını ortadan kaldırır ve yakalamaya dayalı önyargılargetirir 18.
EV analizi için yan saçılma (SS) kanalında ~45 nm algılama alt sınırından yararlanan nFCM, SS tetiklemeyi kullanır. Bu, ‘önce parçacık’ analizi olarak düşünülebilir, çünkü olayların floresan yoğunluğunun analizinden önce belirlenmiş bir eşiği aşan bir SS sinyali sağlaması gerektiği anlamına gelir. Bu, bozulmuş membran ve florofor agregasyonları gibi yanlış pozitifleri ortadan kaldırır ve analizi bozulmamış EV’ler15’e odaklar. SS ölçümleri ayrıca dört modlu silika nanosfer standardı19’a kıyasla bireysel parçacıkları boyutlandırmak için de kullanılır. Floresan ölçümleri, EV alt popülasyonlarını tanımlamak için partikül konsantrasyonunu, boyutlarını ve işaretleyicilerin veya diğer ilgi çekici hedeflerin varlığını tanımlamak için her parçacık için üç eşzamanlı ölçüm yapılmasına izin veren iki başka dedektörde daha alınır20.
Aşağıdaki deneyde, SS ve floresan (FL) ölçümleri, >45 nm parçacıklarını ölçmek, membran pozitif EV’lerin alt kümesini göstermek ve EV alt popülasyonlarında CD9, CD63, CD81 sunumunu tanımlamak için kullanılmıştır. Hem bu alt popülasyonların konsantrasyonu hem de SS tarafından ölçülen toplam parçacıkların bir parçası olarak oranları, boyut profilleri gibi tanımlanmıştır.
Numune ve reaktif ayrıntıları
Floresan etiketlemenin gösterilmesi ve ardından nFCM analizi için ayrı hücre hatlarından iki EV izolatı seçildi. Her iki EV seti de PBS’de askıya alındı ve <3 ay boyunca -80 ° C'de saklandı, ancak diğer koşulların çoğu izolatlar arasında farklıydı. C2C12 fare miyoblast hücre hattı, iskelet kası hücrelerinin embriyonik bir öncüsünü temsil eder ve 2D kültürde yetiştirilir ve ultrasantrifüjleme ile EV izolasyonundan önce büyüme ortamını 72 saatten fazla şartlandırır. SW620 bir insan kolon adenokarsinom hücre hattıdır ve 7 hafta boyunca medyayı zenginleştiren ilkel bir biyoreaktörde yetiştirilmiş, boyut dışlama kromatografisi (SEC) ve sefaroz CL-2B kolonlarından salınan 7-9 fraksiyonları ile yapılan EV izolasyonu tek bir numunede birleştirilmiştir.
CCM’den izole edilen ve konsantre edilen EV’ler çalışmak için en kolay numune türleri olsa da, nFCM serum, plazma, idrar ve BOS gibi biyoakışkanlar dahil olmak üzere çoğu EV izolatına uygulanabilir. Bu örnek analizleri, tüm parçacıkların nFCM SS tespitinden yararlanarak NTA, TRPS ve diğer parçacık analizleri ile doğrulamaya izin verirken, floresan olarak etiketlenmiş EV alt popülasyonlarını nicel terimlerle ve toplamın bir oranında tanımlarken, çok parametreli parçacık analizinin tarafsız bir yaklaşımı için. Düşük kontamine protein gerektirme uyarısı ile arıtılmamış idrar ve EV’yle zenginleştirilmiş CCM gibi düşük işlenmiş numunelerin analizi de mümkündür.
Burada kullanılan membran boyasının, membran yüklemesi için lipofilik bir moiety ve plazma membranı25’te kalmak için bir hidrofilik boya ile lipit çift katmanına entegre edilmesi amaçlanmıştır. Şu anda mükemmel bir EV etiketleme boyası yoktur ve seçim yaparken EV’lere özgüllük, sabitleme veya geçirgenliğe uygunluk ve EV etiketleme26’nın verimliliği dahil olmak üzere çeşitli kriterler dikkate alınmalıdır.
Yüzeye maruz kalan epitopların floresan konjuge antikor etiketlemesinin, EV alt popülasyonlarını tanımlamak için etkili bir yöntem olduğu kanıtlanmıştır27. Protokol optimizasyonunun önemli bir yönü, etiketleme doygunluğunun, çevredeki tamponun floresan bağlanmamış antikor28 ile doldurulmasına izin vererek düşük floresan parçacıklarının algılanmasını engellemeden mevcut tüm epitoplara bağlanması ve aşılmamasıdır. Ek olarak, antikor etiketlemesi için maruz kalan bağlanma bölgelerinin mevcudiyeti potansiyel olarak çeşitli faktörlerden etkilenir. EV’lerin depolama koşullarının, EV’lerin29’un konsantrasyon ve boyut profillerini etkilediği gösterilmiştir ve gözlemler ayrıca antikor etiketleme30 üzerindeki etkileri de göstermektedir. Yüzey korona proteinlerinin varlığı, protein modifikasyonları ve izolasyon tekniklerinin etkileri de bazı durumlarda antikor etiketlemesi üzerinde etkilere sahip olabilir. Nihayetinde, floresan etiketlemenin kullanımı EV çalışmaları için daha yaygın hale geldikçe, çoklu analitik teknikler için deneysel tasarım ve optimizasyon daha rafine hale gelecektir.
Sonuçların doğruluğunu artırmak için, (1) PBS + boya kontrolü, nFCM analizinde SS + partikülleri olarak görünebilen bazı boyalarda misel veya agrega oluşumunu değerlendirmek için, (2) PBS + antikor kontrolü, agregalar oluşabilir, ancak genellikle SS tespiti için yeterli ışık saçmak için yeterince büyük olmasa da, (3) EV örneği + IgG antikor kontrolü, Akış sitometrisinde yaygın olan ve spesifik olmayan herhangi bir bağlanmayı tanımlamak için kullanılan, (4) EV olmayan parçacık numunesi + antikor / boya kontrolü – özellikle karmaşık parçacık numunelerinde EV’leri tanımlamaya ihtiyaç duyulduğunda önemlidir, saflaştırılmış düşük yoğunluklu lipoprotein (LDL) parçacıkları veya EV tükenmiş / ablatlanmış numuneler gibi kontroller seçici etiketlemeyi doğrulamak için negatif bir kontrol görevi görebilir, (5) pozitif kontrollerin tasarlanması zordur, ancak hücreler üzerinde bir antikorun doğrulanması yararlı bir kapsamdır.
EV’lerde tetraspaninlerin sunumu
Bu deneyin antikor ve membran etiketlemesi, nFCM analizi ile küçük bir zaman diliminde elde edilebilecek yüksek düzeyde nicel verileri göstermektedir. Partikül çapının/konsantrasyonunun temel fiziksel özelliklerinin membran ve/veya protein varlığının fenotipik ölçümleri ile eş zamanlı ölçümü, partikül izolasyonu içindeki alt popülasyonların üst düzey tanımlarına yol açar.
Önemli olarak, bu iki EV örneğinde üç ‘anahtar’ EV ile ilişkili tetraspanin, CD9, CD63, CD81’in değişen seviyeleri tanımlanmıştır. CD9, hem C2C12 türevi EV’ler hem de SW620 için EV’lerin en büyük oranında, CD81 ve CD63 sırasıyla ikinci ve en az sunulan proteinler olarak sunuldu.
Burada iki farklı hücre kaynağından EV’lerin tetraspanin profillerinde gözlenen bazı benzerliklere rağmen, CD9, CD63 ve CD81 seviyeleri hücre hattı ile hasta kaynaklı EV’ler31 arasında çok farklı olabilir.
İki EV örneği arasındaki CD63 ekspresyonundaki fark, özellikle ‘EV-ness’in anahtar tanımlayıcılarının devam eden tartışmasıyla ilgilidir. CD63’ün SW620 EV’lerin sadece% ~ 8’inde sunumu bazıları tarafından beklenmeyen olsa da, CD63, boyut veya yoğunluk32 ile izole edilen farklı EV tiplerinin zayıf tanımlayıcısı olarak önerilmiştir ve tetraspanin negatif EV’ler, eksozom benzeri33 olarak tanımlansa bile, tanımlanmıştır.
Karmaşık partikül izolasyonları içinde EV’lerin tanımlanması
Hem hücre hattında hem de hasta kaynaklı EV’lerde EV tetraspanin profillerinin heterojenliği, EV’lerin tetraspanin bazlı yakalanmasına güvenmeye karşı uyarmakta ve yeni EV tanımlama yöntemlerine gelecekteki ihtiyacı vurgulamaktadır31. Belirli proteinlerden bağımsız EV etiketlemesi, EV özgüllüğünün çok yüksek olduğu kanıtlanabilirse, EV’leri benzer büyüklükteki EV olmayan parçacıklardan tanımlamak için oldukça faydalı olabilir. Bu, özellikle biyosıvı EV izolatları için geçerlidir, çünkü insan kan plazmasındaki EV’lerin konsantrasyonunun 10 10 parçacık / mL aralığında olduğu, lipoproteinlerin ise mL14,34 başına 1016’da ölçüldüğü öne sürülmüştür. EV zenginleştirme üzerine bile, tetraspanin belirteçleri ve / veya LDL belirteci ApoB için partikül pozitifliğini karşılaştıran çalışmalar, EV 35’e kıyasla Trombosit içermeyen plazma (PFP) örneklerinde ~ 50-100 kat daha fazla LDL bolluğu olduğunu göstermektedir.
Kullanılan izolasyon tekniği, çok düşük yoğunluklu lipoproteinler (VLDL), orta yoğunluklu lipoproteinler (IDL) ve LDL36 gibi birlikte izole edilmiş EV olmayan parçacıkların aralığını büyük ölçüde etkiler. EV’lere bağlı lipoprotein ko-izolatlarının tanımları da vardır, bu da potansiyel olarak önemli bir biyolojik rol oynarken, EV saf örneklerine ulaşmayı zorlu bir hedef haline getirir35.
Bu nedenle, saf fakat sınırlı bir EV’ler seçiminin izolasyonunu sağlamak yerine, bir numuneyi oluşturan parçacıkların tanımına daha fazla odaklanıldığı söylenebilir. Tetraspanin bolluğunu yığın halinde ve partikül sayımlarını ayrı ayrı ölçerek partiküllerin kapsamlı bir şekilde tanımlanması, özellikle biyoakışkan kaynaklarından36,37 EV konsantrasyonlarını doğru bir şekilde belirlemek için yetersiz olabilir. Alt popülasyonları katman tabanlı bir yaklaşımla tanımlamak, bu deneyde gösterildiği gibi belirli proteinleri sunan toplam parçacıkları, EV’leri ve EV’leri göstermek, nanopartikül karakterizasyonuna sağlam bir çözüm sağlayabilir. Bu, gelecekteki terapötik uygulamalar için tasarımlarla EV yüklemesini içeren projeler için geçerlidir20 ve CD63 + EV’lerin mitokondri38 gibi luminal kargo ile tanımlanması.
nFCM, EV analitiği repertuarında
nFCM EV analizinin gücü, verilerin en yaygın EV analizlerini doğrulayabilmesinin ve üzerine inşa edebilme ve fiziksel ve fenotipik veri kümeleri arasında köprüler oluşturabilmesidir. Bununla birlikte, bu, boyalar ve antikorlar gibi benzersiz etiketleme reaktifleri için sıklıkla optimize edilmesi gereken doğru etiketleme protokollerine dayanmaktadır. Doğru analiz için kilit bir kriter, floresan olmayan bir tamponda asılı duran etiketli parçacıklara sahip olmaktır; bu, aşırı bağlanmamış floroforun çıkarılmasına veya protokollerin epitop doygunluğunu aşmayacak şekilde iyileştirilmesine dayanır.
Karşılaştırma çalışmaları, EV’lerin nFCM boyutlandırmasının, EV boyut analizi10,39 için NTA’dan daha doğru olarak tanımlanan TRPS ve kriyo-TEM tekniklerine uygun veri sağladığını göstermiştir. Bununla birlikte, herhangi bir optik tabanlı yöntemde olduğu gibi, EV’ler için görülen heterojenik optik özelliklerin etkisi ve referans malzemenin optik özellikleri ile EV’ler arasındaki farklar, verileri yorumlarken kabul edilmelidir10.
Batı lekelenmesi, EV belirteçlerinin tanımlanması yoluyla EV zenginleştirmesini belirtmek için anahtar bir yöntem olmuştur40. Ancak, bu tür belirteçlerin parçacıklar üzerindeki varlığını gösterme arzusu, EV tabanlı akış sitometrik analizlerinde ilerlemelere yol açmıştır17. Bununla birlikte, sağlam veriler sağlamak için gerekli çözünürlükler şu anda hem dağınık hem de floresan ışık19 ile ilgili özel enstrümantasyon yoluyla en iyi şekilde elde edilmektedir.
nFCM, yan saçılma ölçümünü kullanarak, belirli belirteçlerle ilgisi olmayan tüm parçacıkları başlangıçta tanımlamak için tarafsız bir yaklaşım sunarak, NTA, RPS ve TEM1’in en yaygın teknikleriyle doğrulamaya izin verirken, aynı zamanda WB veya Elisa’ya benzer fenotipik ölçümleri nicel bir şekilde ekler.
The authors have nothing to disclose.
Owen Davies ve Nick Peake gruplarına materyal ve uzmanlık sağlamaya devam ettikleri için teşekkür ederiz.
APC Anti-CD81 antibody (M38) | abcam | ab233259 | Anti-Human CD81 APC conjugated antibody |
APC Anti-CD9 antibody (EM-04) | Abcam | ab82392 | Anti-mouse CD9 APC conjugated antibody |
APC Anti-CD9 antibody (MEM-61), prediluted | abcam | ab82389 | Anti-Human CD9 APC conjugated antibody |
APC anti-mouse CD63 antibody | biolegend | 143905 | Anti-Mouse CD63 APC conjugated antibody |
APC anti-mouse/rat CD81 antibody | biolegend | 104909 | Anti-Mouse CD81 APC conjugated antibody |
CD63 monoclonal antibody (MEM-259), APC | invitrogen Via Fisherscientific | A15712 | Anti-Human CD63 APC conjugated antibody |
Celline AD1000 bioreactor | Merck | Z688037-5EA | |
Cleaning solution | NanoFCM | 17159 | In house cleaning solution for nanoanalyser |
EVs from C2C12 | Gifted | Mouse line | |
EVs from SW620 | Gifted | Human line | |
Memglow – Fluorogenic Membrane Probe | Cytoskeleton | MG01 | non toxic cell membrane dye |
NanoAnalyzer | NanoFCM | nano-flow cytometer for measurement of single particles | |
PBS, pH 7.2 | Gibco Via Fisherscientific | 12549079 | Salt solution for dilution of samples and antibodies |
Snaplock Microtubes, 0.60mL | Axygen Via Fisherscientific | 11371944 | Tubes required to load sample into nanoanalyser |