Hier wird ein quantitatives Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktionsprotokoll zur Bestimmung des nativen Mikro-RNA-Gehalts (absolute/relativ) von Lipoprotein-Partikeln vorgestellt. Darüber hinaus wird eine Methode zur Erhöhung des Mikro-RNA-Niveaus sowie eine Methode zur Bestimmung der zellulären Aufnahmevorrate von Lipoprotein-Partikeln demonstriert.
Lipoprotein-Partikel sind überwiegend Transporter von Lipiden und Cholesterin im Blutkreislauf. Darüber hinaus enthalten sie kleine Mengen von Strängen der nicht-kodierenden microRNA (miRNA). In der Regel verändert miRNA das Protein-Expressionsprofil durch Interaktionen mit messenger-RNA (mRNA). Daher ist das Wissen um den relativen und absoluten miRNA-Gehalt von Lipoprotein-Partikeln unerlässlich, um die biologische Wirkung der Zellteilchenaufnahme abzuschätzen. Hier wird ein quantitatives Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) vorgestellt, um den absoluten miRNA-Gehalt von Lipoprotein-Teilchen zu bestimmen — für native und miRNA-angereicherte Lipoprotein-Teilchen exemplarisch dargestellt. Der relative miRNA-Inhalt wird mit multiwell mikrofluidischen Array-Karten quantifiziert. Darüber hinaus ermöglicht dieses Protokoll Wissenschaftlern, die zelluläre miRNA und damit die Lipoprotein-Partikelaufnahme zu schätzen. Eine signifikante Erhöhung des zellulären MiRNA-Niveaus ist bei der Verwendung von hochdichten Lipoprotein-Partikeln (HDL) zu beobachten, die künstlich mit miRNA beladen sind, während die Inkubation mit nativen HDL-Partikeln aufgrund ihres eher niedrigen MiRNA-Gehalts keine signifikante Wirkung hat. Im Gegensatz dazu — die zelluläre Aufnahme von Lipoprotein-Partikeln mit geringer Dichte (LDL) weder mit der einheimischen MiRNA noch künstlich beladen — den zellulären miRNA-Wert nicht verändert hat.
Lipoprotein-Partikel bestehen aus einem Monolayer aus Amphiphilen und Cholesterinschalen, die einen Kern aus Cholesterystestern und Triglyceridfetten umschließen. Stabilisiert wird das gesamte Teilchen durch Membran-eingebettete Apolipoproteine, die die biologische Funktionalität des Teilchens definieren. Lipoprotein-Partikel können je nach ihrer jeweiligen zunehmenden Dichte und damit abnehmender Größe unterschieden werden, nämlich als sehr wenig Dichte Lipoprotein (VLDL), mitteldichte Lipoprotein (IDL), LDL und HDL-Partikel. Trotz des Transports von wasserunlöslichen Komponenten im Blutkreislauf hat sich gezeigt, dass HDL-Partikel nicht-kodierende Stränge von miRNA1,2tragen. Mikro-RNAs sind eine Klasse von kurzen (in der Regel zwei Dutzend Nukleotiden) RNA-Strängen, die intrazellulär ergänzende mRNA-Stränge abbauen und dadurch das Expressionsprofil bestimmter Proteine 3, 4,5verändern, 6. Platz Darüber hinaus wurden Veränderungen des miRNA-Profils bei einer Vielzahl von Krankheiten festgestellt und somit als Biomarker für Diagnose und Prognose eingesetzt. Der extrazelluläre Transport von miRNAs zwischen Zellen über Lipoprotein-Partikel kann als zusätzlicher Mechanismus für die interzelluläre mRNA-Niveaumodulation dienen. Um den biologischen Effekt quantitativ zu schätzen, ist das Wissen über den absoluten und relativen miRNA-Gehalt von Lipoprotein-Partikeln erforderlich.
Quantitative Echtzeit-PCR ist eine geeignete und relativ schnelle Methode, um diese Informationen zu erhalten. So kann der relative Quantifizierungswert (RQ) berechnet werden, und es sind relative Unterschiede zwischen verschiedenen Proben und Lipoprotein-Braktionen abschätzbar. Multiwell mikrofluidische Array-Karten sind eine schnelle und einfach zu bedienende Methode, um die relative Präsenz (entspricht dem RQ-Wert) von miRNAs in einer Probe zu bestimmen. Multiwell mikrofluidische Array-Karten bestehen aus 96 oder 384 einzelnen Reaktionskammern für einzelne QPCR-Reaktionen, die in ein mikrofluidisches Gerät eingebettet sind. Jede Kammer enthält die erforderliche Hydrolyse-Sonde und spezielle QPCR-Primer für eine einzelne miRNA. Die Vorteile sind eine kurze Bearbeitungszeit durch Standardisierung, ein einfacher Arbeitsablauf und eine reduzierte Anzahl von Pipettierschritten. Zudem wird das benötigte Probenvolumen minimiert. Im Gegensatz zur relativen Quantifizierung erfordert der absolute miRNA-Gehalt einen Vergleich von QPCR-Probenergebnissen mit Standard-Kurven bekannter absoluter MiRNA-Stränge. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass aufgrund ihres relativ niedrigen MiRNA-Gehalts, Standard-und darüber hinaus auch einmolekül-empfindliche bildgebende Verfahren nicht machbar sind — die künstliche Anreicherung von Lipoprotein-Partikeln mit miRNA ist unvermeidlich, um zelluläre Studie zu studieren Lipoprotein-Partikelinteraktion und miRNA-Übertragung. In diesem Zusammenhang ermöglicht die Delikatesse des HDL-Teilchens, das mit anschließender Verlässlichkeit7 einhergeht, die Einbindung und damit die Anreicherung mit miRNA-Strängen. Eine ähnliche Anreicherung von LDL-Partikeln mit miRNA ist aufgrund der Hydrophobizität des ApoB-100-Proteins, das der Hauptbestandteil des LDL-Teilchens ist, nicht möglich. Durch die Zugabe des polaren Lösemittels Dimethylsulfoxid (DMSO), das in der Lage ist, in Lipidmembranen einzudringen, können LDL-Partikel aber auch künstlich mit MiRNA-Strängen beladen werden.
Die Hochgeschwindigkeits-Atomkraftmikroskopie (HS-AFM) ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Charakterisierung biologischer Proben, die subnanometer räumliche und subsekundenlange zeitliche Auflösung8bieten. Daher ist es eine gut geeignete Technik für die Qualitätskontrolle von modifizierten Lipoprotein-Partikeln, da native/reconstitetetete Lipoprotein-Partikel unter einer nahezu physiologischen Umgebung abgebildet werden können.
Hier wird Schritt für Schritt ein QPCR-basiertes Protokoll vorgestellt, um den absoluten/relativen miRNA-Gehalt von Lipoprotein-Partikeln und Zellproben zu bestimmen, was eine Abschätzung der zellulären Lipoprotein-Partikelaufnahme ermöglicht. Darüber hinaus wird eine Methode zur Anreicherung von Lipoprotein-Partikeln mit miRNA demonstriert. Diese Methode kann für die allgemeine Manipulation des Lipoprotein-Gehalts angepasst werden und demonstriert damit die Anwendbarkeit von Lipoprotein-Partikeln als Ziel für die Arzneimittelzufuhr.
Hier wird Schritt für Schritt die Isolierung von Lipoprotein-Teilchenfraktionen aus menschlichem Blut und die Bestimmung ihres individuellen MiRNA-Inhalts beschrieben. Es ist wichtig, in einer rNase-freien Umgebung zu arbeiten, während man mit isolierten und synthetisierten miRNA umgeht — die partikelembedded miRNA offensichtlich vor enzymatischen Abbaumaßnahmen geschützt ist. Da das miRNA/-Partikel-Verhältnis von einheimischen Lipoprotein-Partikeln eher gering ist, ist eine künstliche Anreicherung mit miRNA erforderlich, um die Holo-Partikelaufnahme von Zellen zu untersuchen. Dabei wird die Rekrekonstitution von HDL-Partikeln, wie sie zuvorbeschrieben wurde, in miRNA-Stränge modifiziert. Darüber hinaus ermöglicht die Trennung der Lipid-und Proteinfraktion während dieses VerfahrensdenWissenschaftlern, Lipid-und Eiweißbestandteile des Lipoprotein-Teilchens 19 zu untersuchen. In ähnlicher Weise wird der Beschriftungsvorgang von LDL-Teilchen angepasst. Interessanterweise hat die Zugabe von Sperma — einem natürlichen Stabilisator von Nukleotiden — das miRNA/Partikelverhältnis nicht beeinflusst. Es ist zu beachten, dass die Methode grundsätzlich die Einfaltung von anderen Stoffen als miRNA innerhalb eines Lipoprotein-Teilchens erlaubt. Natürlich gibt es eine Grenze in Bezug auf die physikalische Größe des Stoffes, basierend auf der Gesamtgröße von HDL (Durchmesser: 5-12 nm) und LDL-Partikeln (Durchmesser: 18-25 nm).
Was die Qualitätskontrolle von rekonstituierten/beschrifteten Lipoprotein-Partikeln betrifft, so ist HS-AFM eine anwendbare Methode, um HDL/LL-Partikel auf der einzelnen Partikelebene zu charakterisieren. Im Vergleich zu EM ermöglicht es kürzere Vorbereitungszeiten und nahezu physiologische Bedingungen (Nass, Raumtemperatur).
Aufgrund seiner inhärenten Empfindlichkeit und Verstärkung ist qPCR die Methode der Wahl, um niedrige miRNA-Konzentrationen zu erkennen. Alternativ wäre die einmolekulare empfindliche Fluoreszenzmikroskopie, die auch einzelne Moleküle erkennen kann, aufgrund der geringen Konzentrationen beispielsweise fluoreszierend als miRNA-Stränge pro Partikel nicht geeignet. So wurde das Verhältnis der miRNA-Stränge pro einheimischem Lipoprotein-Teilchen auf 10-8 gefunden. Künstliche Anreicherung erhöht das Verhältnis um den Faktor 10.000, was die Schätzung der zellulären Lipoprotein-Auftaktrate erleichtert (kein signifikanter Unterschied wird mit einheimischen Lipoprotein-Partikeln 19 erkannt). Die hohe Empfindlichkeit von qPCR ermöglicht es, diese Aufführungsrate zu ermitteln, indem die Anzahl der miRNA-Stränge nach der Inkubationszeit und dem miRNA/Partikelverhältnis gemessen wird. Es ist zu beachten, dass der berechnete Wert den zellulären Abbau und die Freisetzung von miRNA ignoriert und somit mindestens eine niedrigere Grenze für das Verhältnis der Lipoprotein-Partikel darstellt.
In Zukunft kann die Methode angepasst werden, um pharmazeutische Substanzen (insbesondere auch lipophile) in Zellen zu übertragen und ihre biologische Wirkung mit der intrazellulären Konzentration (die über die Auftaktrate von Lipoprotein-Partikeln bestimmt wird) zu korrelieren.
The authors have nothing to disclose.
Unterstützt wurde diese Arbeit vom Wissenschaftsfonds Projekt P29110-B21, der Hochschuljubiläumsstiftung der Stadt Wien zur Förderung der Wissenschaft, dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE, IWB2020), dem Land Oberer Österreich, und die “Land OÖ Basisfinanzierung”.
Ultracentrifuge | Beckman | Optima L-100 XP | Lipoprotein isolation |
Ultracentrifuge rotor | Beckman | TI 55.2 | Lipoprotein isolation |
Vacutainer (EDTA) | Becton Dickinson | 366643 | Lipoprotein isolation |
Kaliumbromid | Sigma Aldrich | 2110 | Lipoprotein isolation |
Ultracentrifuge tubes | Beckman | 342414 | Lipoprotein isolation |
Ultracentrifuge tube sealer | Beckman | 342428 | Lipoprotein isolation |
Sodiumchlorid | Carl Roth GmbH | P029.2 | Lipoprotein isolation |
EDTA | Fisher Scientific | D/0650/50 | Lipoprotein isolation |
Dialysis tubes, MWCO 12 – 14k | Spectra | 132700 | Lipoprotein isolation |
synthetic miRNA | microSynth | – | synthetic miRNA |
TRIS buffer pH 7 | Ambion | AM9850G | synthetic miRNA |
TRIS buffer pH 8 | Ambion | AM9855G | synthetic miRNA |
sterile tubes | Carl Roth GmbH | ENE8.1 | synthetic miRNA |
Photometer | Eppendorf | Eppendorf Biophotometer | Bradford assay |
Cuvette | Carl Roth GmbH | XK20 | Bradford assay |
Coomassie G-250 Stain | BioRad GmbH | 161-0786 | Bradford assay |
Sodiumchlorid | Carl Roth GmbH | 3957.1 | Delipitation |
EDTA | Fluka Analytical | 03690-100ML | Delipitation |
TRIS buffer pH 8.0 | Ambion | AM9855G | Delipitation |
Ethanol 100% | AustrAlco | Ethanol Absolut 99.9% | Delipitation |
Diethyl ether | Carl Roth GmbH | 3942.1 | Delipitation |
Centrifuge | Thermo Scientific | Multifuge X3R | Delipitation |
Chloroform | Carl Roth GmbH | 3313.1 | Reconstitution |
Methanol | Carl Roth GmbH | 4627.1 | Reconstitution |
Phosphatidylcholine | Sigma Aldrich GmbH | P3556-25mg | Reconstitution |
Cholesterol oleate | Sigma Aldrich GmbH | C-9253-250mg | Reconstitution |
cholesterol | Sigma Aldrich GmbH | C8667-500mg | Reconstitution |
glass tubes | Carl Roth GmbH | K226.1 | Reconstitution |
spermine | Sigma Aldrich GmbH | S3256-1G | Reconstitution |
Thermomixer | Eppendorf | Thermomixer comfort | Reconstitution |
Sodium deoxycholate | Sigma Aldrich GmbH | 3097-25G | Reconstitution |
Magnetic stir bar | Carl Roth GmbH | 0955.2 | Reconstitution |
100µL micropipettes | Carl Roth GmbH | A762.1 | Reconstitution |
PBS | Carl Roth GmbH | 9143.2 | Dialysis |
Amberlite XAD-2 beads | Sigma Aldrich GmbH | 10357 | Dialysis |
Slide-A-Lyzer casette (cut-off 20 kDa) | Thermo Scientific | 66003 | Dialysis |
Syringe | Braun | 9161406V | Dialysis |
Syringe needle | Braun | 465 76 83 | Dialysis |
EGTA | Carl Roth GmbH | 3054.2 | Labeling of LDL particles |
DMSO | life technologies | D12345 | Labeling of LDL particles |
Atomic Force Microscope | RIBM | SS-NEX | Quality control of reconstituted/labeled lipoprotein particles |
Muscovite Mica (V-1 Grade) | Christine Gröpl | G250-1/V1 | Quality control of reconstituted/labeled lipoprotein particles |
AFM Cantilever | Nanoworld | USC-F1.2-k0.15 | Quality control of reconstituted/labeled lipoprotein particles |
Gwyddion 2.49 | Czech Metrology Institute | http://gwyddion.net | Quality control of reconstituted/labeled lipoprotein particles |
Chamber slides, Nunc Lab-Tek | VWR | 734-2122 | Cell culture |
HBSS | Carl Roth GmbH | 9117.1 | Cell culture |
Cell counter | Omni Life Science GmbH | Casy | Cell culture |
miRNeasy Mini Kit | QIAGEN | 217004 | miRNA extraction |
Centrifuge | Eppendorf | 5415R | miRNA extraction |
20G needle | Braun | Sterican 465 75 19 | miRNA extraction |
5ml syringe | Becton Dickinson | 309050 | miRNA extraction |
PCR cabinet | Esco | PCR-3A1 | Reverse Transcription |
TaqMan Reverse Transcription Kit | Thermo Scientific | 4366596 | Reverse Transcription |
Rnase-free water | Carl Roth GmbH | T143 | Reverse Transcription |
0.2 ml tubes | Brand | 781305 | Reverse Transcription |
Centrifuge | Carl Roth GmbH | Microcentrifuge AL | Reverse Transcription |
Thermocycler | Sensoquest | Labcycler | Reverse Transcription |
TaqMan Primer | Thermo Scientific | – | qPCR |
iTaq Universal probe supermix | BioRad GmbH | 1725131 | qPCR |
PCR machine | Corbett | Rotor-Gene RG-6000 | qPCR |
TaqMan MicroRNA Reverse Transcription Kit | Applied Biosystems | 4366596 | TaqMan Array |
Megaplex RT Primers, Human Pool A v2.1 | Applied Biosystems | 4399966 | TaqMan Array |
TaqMan PreAmp Master Mix | Applied Biosystems | 4391128 | TaqMan Array |
Megaplex PreAmp Primers, Human Pool A v2.1 | Applied Biosystems | 4399933 | TaqMan Array |
TaqMan Universal Master Mix II, no UNG | Applied Biosystems | 4440040 | TaqMan Array |
TaqMan Advanced miRNA Human A Cards | Applied Biosystems | A31805 | TaqMan Array |
Nuclease-free water | Thermo Scientific | R0581 | TaqMan Array |
MgCl2 (25mM) | Thermo Scientific | R0971 | TaqMan Array |
TE, pH 8.0 | Invitrogen | AM9849 | TaqMan Array |
7900HT Fast Real-Time PCR System | Applied Biosystems | 4351405 | TaqMan Array |
TaqMan Array Card Sealer | Applied Biosystems | – | TaqMan Array |