Isolierung der extrazellulären Vesikel aus murinen alvéolaire Lavage Fluid eine Ultrafiltration Zentrifugation Technik
Summary
Hier beschreiben wir zwei extrazellulären Vesikel Isolierung Protokolle, Ultrafiltration Zentrifugation und Ultrazentrifugation mit Dichte Steigung Zentrifugierung, extrazelluläre Vesikel aus murinen alvéolaire Lavage Flüssigkeitsproben zu isolieren. Die extrazelluläre Vesikel aus murinen alvéolaire Lavage Fluid durch beide Methoden abgeleitet werden quantifiziert und charakterisiert.
Abstract
Extrazelluläre Vesikel (EVs) sind neu entdeckte subzelluläre Komponenten, die in vielen biologischen Funktionen während physiologische und pathologische Zustände signalisieren eine wichtige Rolle spielen. Die Isolation der EVs nach wie vor eine große Herausforderung in diesem Bereich aufgrund von Einschränkungen für jede Technik. Die differentielle Ultrazentrifugation mit Dichte-Gradienten-Zentrifugierung-Methode ist eine häufig verwendete Ansatz und gilt als der Goldstandard-Verfahren für EV Isolation. Dieses Verfahren ist jedoch zeitaufwendig, arbeitsintensiv, und in der Regel führt zu niedrigen Skalierbarkeit, die möglicherweise nicht geeignet für kleinvolumige Proben wie alvéolaire Lavage-Flüssigkeit. Wir zeigen, dass eine Ultrafiltration Zentrifugierung isoliert Methode einfach ist und doch Zeit und Arbeit-effiziente eine hohe Rückgewinnung Ausbeute und Reinheit bietet. Wir schlagen vor, diese Isolationsmethode ein alternativer Ansatz sein könnte, der sich für EV Isolation, besonders für kleinvolumige biologischen Proben eignet.
Introduction
Exosomen sind die kleinste Teilmenge des EFD, 50 – 200 nm im Durchmesser, und haben mehrere biologische Funktionen über eine Vielzahl von Prozessen1,2,3,4,5-Signalisierung. Sie regieren Mobilfunk- und Gewebe Homöostase in erster Linie durch Erleichterung der interzellulären Kommunikation durch Ladung Moleküle wie Lipide, Proteine und Nukleinsäuren6,7,8,9 . Ein entscheidender Schritt in der EV-Forschung ist die Isolierung-Prozess. Differenzielle Ultrazentrifugation (UC), mit oder ohne Dichte Gradienten Zentrifugation (DGC), gilt als des Goldstandard Ansatzes, aber diese Methode trägt wesentliche Einschränkungen, wie ineffizient EV Wiederfindungsraten und geringe Skalierbarkeit10 , 11 , 12, einschränken, seine beste Auslastung zu größeren Volumen Proben, wie Zelle Kultur überstand oder hohe Exosom Produktion Proben. Die vor- und Nachteile von anderen Methoden, wie z. B. Größe Ausgrenzung durch Ultrafiltration oder Chromatographie, Immunoaffinitäts Isolierung von Perlen oder Spalten und Mikrofluidik, sind gut beschrieben und moderne ergänzende Verfahren wurden entwickelt, um einen zu überwinden Sie und minimieren Sie technische Einschränkungen in jedem Ansatz11,12,13,14,15. Andere haben gezeigt, dass eine Ultrafiltration Zentrifugation (UFC) mit einem nanoporösen Membran in der Filtereinheit ist eine alternative Technik, die vergleichbare Reinheit eine UC-Methode16,17,18liefert. Diese Technik könnte als eine der alternativen Isolierung Methoden betrachtet werden.
Alvéolaire Lavage-Flüssigkeit (BALF) enthält EVs, die zahlreiche biologische Funktionen in verschiedenen Atemwegserkrankungen19,20,21,22besitzen. Studieren BALF abgeleitet EVs bringt einige Herausforderungen aufgrund der Invasivität der Bronchoskopie Verfahren beim Menschen, sowie eine begrenzte Anzahl von Lavage Fluid Erholung. Im kleinen Labortiere wie Mäuse nur wenige Milliliter im normalen Lungenerkrankungen zurückgewonnen werden, noch weniger entzündeten oder fibrotische Lungen23. Infolgedessen kann das Sammeln einer ausreichenden Menge an BALF EV Isolation durch eine differenzierte Ultrazentrifugation für downstream-Anwendungen nicht möglich sein. Richtige EV Bevölkerung zu isolieren ist jedoch ein entscheidender Faktor für das Studium EV biologischer Funktionen. Das empfindliche Gleichgewicht zwischen Effizienz und Effektivität nach wie vor eine Herausforderung in etablierten EV Isolationsmethoden.
In dieser aktuellen Studie zeigen wir, dass ein zentrifugale Ultrafiltration Ansatz, unter Verwendung einer 100 kDa Molekulargewicht Cut-Off (MWCO) Nanomembrane Filtereinheit, für kleinvolumige biologische Proben wie BALF geeignet ist. Diese Technik ist einfach, effizient und sorgt für hohe Reinheit und Skalierbarkeit zur Unterstützung der Studie des EFD BALF abgeleitet.
Protocol
Representative Results
Discussion
In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler die Bedeutungen der EVs in zelluläre Homöostase entwirrt. Noch wichtiger ist, spielen die EVs Hauptrollen in vielen Krankheitsprozessen durch Modulation der benachbarten und weit entfernten Zellen durch ihre Ladung bioaktiven Moleküle1,21,22,26,27 , 28 , <sup clas…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Arbeit wird von der NHLBI/NIH räumt HL103868 (P.C.) und HL137076 (für PC), American Heart Association Beihilfe (für PC) und Samuel erste umfassende Cancer Institute (SOCCI) Lung Cancer Research Award (für PC) unterstützt. Wir möchten unsere große Smidt Heart Institute im Cedars-Sinai Medical Center danken, die uns eine Nanosight Maschine für EV Nanopartikel tracking-Analyse bietet.
Materials
| Material | |||
| Amicon Ultra-15 centrifugal filters Ultracel-100K | Sigma-Millipore, St. Louis, MO | UFC910024 | |
| Dulbecco's Phosphate Buffered Saline (DPBS) | Corning Cellgro, Manassas, VA | 21-031-CV | |
| Sucrose | Sigma-Millipore, St. Louis, MO | EMD8550 | |
| HEPES | Research Products International, Prospect, IL | 75277-39-3 | |
| EDTA | Corning Cellgro, Manassas, VA | 46-034-CI | |
| Sodium Chloride | Sigma-Millipore, St. Louis, MO | S3014-1KG | |
| OptiPrep | Sigma-Millipore, St. Louis, MO | MKCD9753 | Density Gradient Medium |
| Ketamine | VetOne, Boise, ID | 13985-702-10 | |
| Xylazine | Akorn Animal Health, Lake Forest, IL | 59399-110-20 | |
| Syringe 1 mL | BD Syringe, Franklin Lakes, NJ | 309656 | |
| Angiocatheter 20G | BD Syringe, Franklin Lakes, NJ | 381703 | |
| Centrifuge tubes 15 mL | VWR, Radnor, PA | 89039-666 | |
| Centrifuge tubes 50 mL | Corning Cellgro, Manassas, VA | 430828 | |
| Bicinchonic acid (BCA) protein assay | Pierce, Thermo Fischer Scientific, Rockford, IL | 23235 | |
| Rabbit anti-mouse TSG101 Antibody | AbCam, Cambridge, MA | AB125011 | |
| Rat anti-mouse PE-CD63 Antibody | Biolegend, San Diego, CA | 143904 | |
| CD81 | |||
| CD9 | |||
| Anti-rabbit IgG, HRP-linked antibody | Cell Signaling Technology, Danvers, MA | 7074S | |
| 4x LDS | |||
| 10x Reducing agent (Bolt) | |||
| 10x Lysis buffer (Bolt) | Cell Signaling Technology, Danvers, MA | ||
| Bolt 4-12% Bis-Tris Plus acrylamide gel | Invitrogen, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | NW04120 | |
| iBlot 2 Nitrocellulose mini stacks | Invitrogen, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | IB23002 | |
| Chemiluminescent HRP antibody detection reagent HyGLO | Denville Scientific, Holliston, MA | E2400 | |
| Ultracentrifuge tubes 17 mL | Beckman Coulter, Pasadena, CA | 337986 | |
| Ultracentrifuge tubes 38.5 mL | Beckman Coulter, Pasadena, CA | 326823 | |
| Corning SFCA Syringe Filters 0.2 µm pore | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | 09-754-13 | |
| Equipment | |||
| Centrifuge | Eppendorf, Hamburg, Germany | – | |
| Ultracentrifuge | Beckman Coulter, Pasadena, CA | – | |
| Nanosight (NS300) | Malvern, Worcestershire, UK | – | To measure particle size distribution and particle concentration |
| MACSQuant Analyzer 10 flow cytometer | Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, Germany | – | |
| iBlot Transfer Apparatus | Thermo Fischer Scientific, Waltham, MA | – | |
| Bio-Rad ChemiDoc MP Imaging System | Bio-Rad, Hercules, CA | ||
| FlowJo v. 10 | Analysis software |
References
- Thery, C., Zitvogel, L., Amigorena, S. Exosomes: composition, biogenesis and function. Nature Reviews Immunology. 2, 569-579 (2002).
- Kosaka, N., et al. Secretory Mechanisms and Intercellular Transfer of MicroRNAs in Living Cells. Journal of Biological Chemistry. 285 (23), 17442-17452 (2010).
- Raposo, G., Stoorvogel, W. Extracellular vesicles: Exosomes, microvesicles, and friends. The Journal of Cell Biology. 200 (4), 373-383 (2013).
- Fujita, Y., Kosaka, N., Araya, J., Kuwano, K., Ochiya, T. Extracellular vesicles in lung microenvironment and pathogenesis. Trends in Molecular Medicine. 21 (9), 533-542 (2015).
- Kalluri, R. The biology and function of exosomes in cancer. Journal of Clinical Investigation. 126 (4), 1208-1215 (2016).
- Janowska-Wieczorek, A., et al. Microvesicles derived from activated platelets induce metastasis and angiogenesis in lung cancer. International Journal of Cancer. 113 (5), 752-760 (2005).
- Valadi, H., et al. Exosome-mediated transfer of mRNAs and microRNAs is a novel mechanism of genetic exchange between cells. Nature Cell Biology. 9 (6), 654-659 (2007).
- Colombo, M., Raposo, G., Théry, C. Biogenesis, Secretion, and Intercellular Interactions of Exosomes and Other Extracellular Vesicles. Annual Review of Cell and Developmental Biology. 30 (1), 255-289 (2014).
- Rocco, G. D., Baldari, S., Toietta, G. Exosomes and other extracellular vesicles-mediated microRNA delivery for cancer therapy. Translational Cancer Research. 6 (Supplement 8), S1321-S1330 (2017).
- Peterson, M. F., Otoc, N., Sethi, J. K., Gupta, A., Antes, T. J. Integrated systems for exosome investigation. Methods. 87 (1), 31-45 (2015).
- Xu, R., Greening, D. W., Zhu, H. J., Takahashi, N., Simpson, R. J. Extracellular vesicle isolation and characterization: toward clinical application. Journal of Clinical Investigation. 126, 1152-1162 (2016).
- Gardiner, C., et al. Techniques used for the isolation and characterization of extracellular vesicles: results of a worldwide survey. Journal of Extracellular Vesicles. 5 (1), 32945 (2016).
- Inglis, H. C., et al. Techniques to improve detection and analysis of extracellular vesicles using flow cytometry. Cytometry Part A. 87 (11), 1052-1063 (2015).
- Li, P., Kaslan, M., Lee, S. H., Yao, J., Gao, Z. Progress in Exosome Isolation Techniques. Theranostics. 7 (3), 789-804 (2017).
- Willis, G. R., Kourembanas, S., Mitsialis, S. A. Toward Exosome-Based Therapeutics: Isolation, Heterogeneity, and Fit-for-Purpose Potency. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 4, 20389 (2017).
- Lobb, R. J., et al. Optimized exosome isolation protocol for cell culture supernatant and human plasma. Journal of Extracellular Vesicles. 4 (1), 27031 (2015).
- Benedikter, B. J., et al. Ultrafiltration combined with size exclusion chromatography efficiently isolates extracellular vesicles from cell culture media for compositional and functional studies. Scientific Reports. 7 (1), 15297 (2017).
- Vergauwen, G., et al. Confounding factors of ultrafiltration and protein analysis in extracellular vesicle research. Scientific Reports. 7 (1), 2704 (2017).
- Kesimer, M., et al. Characterization of exosome-like vesicles released from human tracheobronchial ciliated epithelium: a possible role in innate defense. The FASEB Journal. 23 (6), 1858-1868 (2009).
- Torregrosa Paredes, P., et al. Bronchoalveolar lavage fluid exosomes contribute to cytokine and leukotriene production in allergic asthma. Allergy. 67 (7), 911-919 (2012).
- Alipoor, S. D., et al. Exosomes and Exosomal miRNA in Respiratory Diseases. Mediators of Inflammation. 2016, 5628404 (2016).
- Hough, K. P., Chanda, D., Duncan, S. R., Thannickal, V. J., Deshane, J. S. Exosomes in Immunoregulation of Chronic Lung Diseases. Allergy. 72 (4), 534-544 (2017).
- Van Hoecke, L., Job, E. R., Saelens, X., Roose, K. Bronchoalveolar Lavage of Murine Lungs to Analyze Inflammatory Cell Infiltration. Journal of Visualized Experiments. (123), e55398 (2017).
- Minciacchi, V. R., et al. MYC Mediates Large Oncosome-Induced Fibroblast Reprogramming in Prostate Cancer. 암 연구학. 77 (9), 2306-2317 (2017).
- Koliha, N., et al. Melanoma Affects the Composition of Blood Cell-Derived Extracellular Vesicles. Frontiers in Immunology. 7, 581 (2016).
- Thery, C., Ostrowski, M., Segura, E. Membrane vesicles as conveyors of immune responses. Nature Reviews Immunology. 9, 581-593 (2009).
- Camussi, G., Deregibus, M. C., Bruno, S., Cantaluppi, V., Biancone, L. Exosomes/microvesicles as a mechanism of cell-to-cell communication. Kidney International. 78 (9), 838-848 (2010).
- Lee, Y., El Andaloussi, S., Wood, M. J. Exosomes and microvesicles: extracellular vesicles for genetic information transfer and gene therapy. Human Molecular Genetics. 21, R125-R134 (2012).
- Villarroya-Beltri, C., Baixauli, F., Gutiérrez-Vázquez, C., Sánchez-Madrid, F., Mittelbrunn, M. Sorting it out: Regulation of exosome loading. Seminars in Cancer Biology. 28, 3-13 (2014).
- Hoshino, A. Tumour exosome integrins determine organotropic metastasis. Nature. 527, 329-335 (2015).
- Liu, F., et al. The Exosome Total Isolation Chip. ACS Nano. 11 (11), 10712-10723 (2017).
- Cheruvanky, A., et al. Rapid isolation of urinary exosomal biomarkers using a nanomembrane ultrafiltration concentrator. American Journal of Physiology-Renal Physiology. 292 (5), F1657-F1661 (2007).
- Zhao, Z., Yang, Y., Zeng, Y., He, M. A Microfluidic ExoSearch Chip for Multiplexed Exosome Detection Towards Blood-based Ovarian Cancer Diagnosis. Lab on a Chip. 16 (3), 489-496 (2016).
- Fang, S., et al. Clinical application of a microfluidic chip for immunocapture and quantification of circulating exosomes to assist breast cancer diagnosis and molecular classification. PloS ONE. 12 (4), e0175050 (2017).
- Cheruvanky, A., et al. Rapid isolation of urinary exosomal biomarkers using a nanomembrane ultrafiltration concentrator. American Journal Physiology-Renal Physiology. 292 (5), F1657-F1661 (2007).
- Kornilov, R., et al. Efficient ultrafiltration-based protocol to deplete extracellular vesicles from fetal bovine serum. Journal of Extracellular Vesicles. 7 (1), 1422674 (2018).
- Alvarez, M. L., Khosroheidari, M., Kanchi Ravi, R., DiStefano, J. K. Comparison of protein, microRNA, and mRNA yields using different methods of urinary exosome isolation for the discovery of kidney disease biomarkers. Kidney International. 82 (9), 1024-1032 (2012).
- Bosch, S., et al. Trehalose prevents aggregation of exosomes and cryodamage. Scientific Reports. 6 (1), 329 (2016).
- Xiao, J., et al. Cardiac progenitor cell-derived exosomes prevent cardiomyocytes apoptosis through exosomal miR-21 by targeting PDCD4. Cell Death & Disease. 7 (6), e2277 (2016).
- Agarwal, U., et al. Experimental, Systems and Computational Approaches to Understanding the MicroRNA-Mediated Reparative Potential of Cardiac Progenitor Cell-Derived Exosomes From Pediatric Patients. Circulation Research. 120 (4), 701-712 (2017).
- Merchant, M. L., et al. Microfiltration isolation of human urinary exosomes for characterization by MS. PROTEOMICS – Clinical Applications. 4 (1), 84-96 (2010).
- Gouin, K., et al. A comprehensive method for identification of suitable reference genes in extracellular vesicles. Journal of Extracellular Vesicles. 6 (1), 1347019 (2017).
- Betsuyaku, T., et al. Neutrophil Granule Proteins in Bronchoalveolar Lavage Fluid from Subjects with Subclinical Emphysema. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 159 (6), 1985-1991 (1999).
