本方案介绍了用于细胞外囊泡(EV)尺寸、EV 数量、EV 表型及 EV 生物标志物共定位的多层级和综合性测量的单颗粒干涉反射成像技术。
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本方案介绍了用于细胞外囊泡(EV)尺寸、EV 数量、EV 表型及 EV 生物标志物共定位的多层级和综合性测量的单颗粒干涉反射成像技术。
细胞外囊泡(EVs)是一类由大多数细胞分泌的、具有脂质双层结构的纳米级囊泡。EVs 携带多种不同的生物分子,包括蛋白质、脂质、DNA 和 RNA,被认为可在多种组织和器官中介导细胞间的通讯。近年来,EVs 作为疾病诊断的生物标志物以及多种疾病的治疗载体,受到了广泛关注。目前已有多种用于 EVs 表征的方法,但现有的 EVs 分析技术均存在各自的局限性。因此,随着这一前沿研究领域的不断发展,开发高效且可靠的 EVs 分离与表征方法仍是其中的关键步骤之一。本文提供了一种详细的实验方案,介绍单颗粒干涉反射成像传感器技术(SP-IRIS),该方法可用于直接检测未经纯化的生物样本或经其他方法纯化后的 EVs,并对其进行表征。这一先进技术可实现对 EVs 尺寸、EVs 数量、EVs 表型及生物标志物共定位等多层面、全面的分析测量。
细胞外囊泡(EVs)是源于细胞的纳米级膜性囊泡,可从多种生物体液中分离获得,包括血液、乳汁、唾液、尿液、胆汁、胰液以及脑脊液和腹腔液。EVs 的产生源于 通过 三种主要机制:凋亡、释放 通过 多泡体与质膜的融合,以及质膜的出芽现象1有证据表明,细胞外囊泡(EV)可将供体细胞的组分转移至邻近或远端的细胞与组织,提示这些由膜包被的颗粒可能在旁分泌以及远距离或内分泌信号级联反应中发挥重要作用1,2,3由于细胞外囊泡(EVs)能够反映细胞的表型特征,其作为多种疾病诊断和治疗工具的潜力已成为当前研究的热点领域。4,5,6,7,8.
目前已开发出多种旨在对细胞外囊泡(EV)进行表征的方法9,10,11,12,13。这些方法大多可提供关于EV群体的独特且有价值的信息,主要针对的是整体样本。尽管其中部分技术能够提供有关单个EV内部或表面物质的详细信息,但在单个EV水平上对其进行表征仍存在局限性。例如,免疫电子显微镜可用于研究单个EV及其组成,但该技术通量较低,难以用于描述群体动态,且需要大量的方法学开发工作14。
近年来,单粒子干涉反射成像传感器(SP-IRIS)技术的开发与商业化, 通过 ExoView 平台通过一种常规且简单的自动化数据采集方法,实现了单个细胞外囊泡(EV)的表征。该技术的核心是芯片,一种尺寸为 1 cm × 1 cm 的 Si/SiO₂2 双层结构,可实现单个生物纳米颗粒的干涉测量。芯片上设有包含多个独立功能化抗体点的微阵列,支持最多六种不同捕获类型的多重检测。标准芯片包含常用的四跨膜蛋白标记物(CD81、CD63 和 CD9),用于孵育步骤中的捕获,用户还可添加额外的定制捕获点,以分离出不同于四跨膜蛋白标记物的特定EV亚群。孵育步骤完成后,每个捕获点均结合了大量表达相应标记物的EV。这些被捕获的EV可经简单洗涤、干燥后,在读取仪中进行扫描,定量分析结合在捕获点上的囊泡尺寸(50–200 nm),获得基于数量加权的粒径分布。 通过 SP-IRIS15该系统还提供三个荧光检测通道,用于对捕获的细胞外囊泡(EVs)进行免疫标记,并可同时提供每个荧光染料的平均荧光强度(该参数不受囊泡尺寸限制,不同于SP-IRIS测量)以及共定位信息。这使得用户能够根据每个EV上显示的四种不同生物标志物(一种捕获标志物加三种免疫荧光标记)来定义单个EV的亚群。该系统不仅限于通过免疫荧光检测表面蛋白,其可选的载荷检测方案还可使用户检测捕获EV内部的蛋白质以及跨膜表面标志物的腔内表位,同时评估EV膜的完整性。本文提供了一套详细的操作流程,阐述了在大量EV样本中获取关于EV尺寸和数量的一致性数据所需步骤,并可在单个EV水平上同时检测多达四种不同的生物标志物。该技术既可用于未经处理的生物体液,也可用于通过多种方法(如超速离心、超滤、沉淀试剂、免疫亲和捕获、微流控技术及尺寸排阻色谱)分离得到的EV。
以下方案采用既定的分离方法16,从HEK 293细胞培养基和小鼠血清中提取细胞外囊泡(EV)。该方案已成功应用于多种其他生物液体、细胞培养基,以及从生物液体中纯化的细胞外囊泡。本方案分为两天完成,典型实验的工作流程如图1所示。

图1:检测工作流程。 用于选择对样本进行何种分析的工作流程,包括粒径与计数分析、粒径计数联合表面染色分析,以及粒径计数联合载物染色分析。请点击此处查看该图的放大版本。
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血清样本根据堪萨斯大学医学中心(KUMC)机构动物护理和使用委员会(IACUC)批准的方案从小鼠采集。在这些实验中使用这些生物样本也已获得KUMC的批准。
1. 样品制备(第1天)

图2:24孔板布局。图中显示了ddH2O分装位置(仅为了可视化目的添加了蓝色染料)以及芯片放置的孔位。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 芯片的准备与预扫描

图3:将芯片装入仪器所用卡盘的图像。请点击此处查看此图的放大版本。

图4:芯片及其正确操作方法。(A)黄色虚线表示点样抗体的位置,即芯片的功能面。芯片编号位于该线下方(“58”)。该图还展示了正确的操作方式。(B)展示不恰当的芯片操作方式。(C)芯片的非功能面。请点击此处查看此图的放大版本。

图5:芯片在孔中正确放置的示意图。(A)芯片应置于孔的中央,四个角不得接触孔壁。(B)芯片放置不当的示意图,其中芯片的角接触到了孔壁。请点击此处查看该图的放大版本。
3. 芯片与样品的加载及孵育
4. 确定细胞外囊泡(EV)的大小和数量(第2天)

图6:以45°角从ddH2O水中取出芯片的正确方法。(A)俯视图,(B)侧视图,展示取出芯片时应保持的角度。请点击此处查看该图的放大版本。
5. 抗体溶液的制备(第2天)
6. 通过免疫荧光染色测定细胞外囊泡的大小、数量及表型
7. 可选的货物染色
注意:本方案可同时标记内部和表面标志物。
8. 数据采集
注意:使用 ExoView R100 从芯片采集数据的过程是自动化的,无需用户输入。有关加载芯片载体(即“chuck”)及数据采集的详细操作说明,请参见用户指南及其对应的视频教程17。
9. 数据分析
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图7(左图)显示了一个三色复合图像,该图展示了来源于HEK293条件培养基的细胞外囊泡(EVs),这些囊泡结合在芯片的CD63点上,并分别在绿色、红色和蓝色通道中对CD81、CD63和CD9进行染色。图7(右上图)为放大图像,显示每个被捕获的EV可表现出一种或多种颜色在各通道中的共定位,且各通道信号强度不同。被捕获EV染色的差异反映了三种四跨膜蛋白在单个囊泡上表达的异质性,可通过数据分析软件进行量化。图7(右下图)展示了EVs的粒径分布直方图,其粒径均大于50 nm。粒径直方图显示,在CD63点上捕获的EVs的众数粒径为50 nm。每个结合在点阵上的EV的荧光共定位、信号强度和粒径构成了表型数据,这些数据是测量中的基础数据。
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目前的细胞外囊泡(EV)表征方法在很大程度上依赖于纯化的EV,而这受到现有EV纯化技术实验局限性的制约9,10,11,12,13。单颗粒干涉反射成像技术(SP-IRIS)是一种有效的技术,能够消除样本分析所需的纯化步骤,从而节省时间并降低典型EV工作流程中的成本。该方法所需的样本投入量通常非常小,剩余样本仍可用于其他分析方法。
此外,以抗原特异性方式检测细胞外囊泡(EVs)的能力,对于基础EV研究以及诊断和治疗应用中的稀有事件检测都具有重要意义。然而,与血液中其他循环EVs和污染物相比,疾病特异性的EVs可能浓度较低2,11,
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Clayton Deighan 和 George Daaboul 是 NanoView Biosciences 公司的员工和股东。
本工作部分由堪萨斯大学医学院研究设备与资源采购奖项目资助。PCG、LKC、FD 和 AR 获得了美国国家老龄化研究所(NIA)R21 AG066488-01 项目资金的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10 厘米无菌培养皿 | Fisher | FB0875712 | |
| 15 毫升无菌离心管 | n/a | 各种 | |
| 24 孔细胞培养板,平底 | Fisher | 08-772-1 | |
| 封闭溶液 | NanoView Biosciences | EV-TETRA-C | 包含于 ExoView 人源四跨膜蛋白检测试剂盒中。 |
| 芯片文件(Chipfiles) | NanoView Biosciences | EV-TETRA-C | 包含于 ExoView 人源四跨膜蛋白检测试剂盒中。 |
| 芯片(Chips) | NanoView Biosciences | EV-TETRA-C | 包含于 ExoView 人源四跨膜蛋白检测试剂盒中。 |
| 芯片夹具(Chuck) | NanoView Biosciences | EV-TETRA-C | 包含于 ExoView 人源四跨膜蛋白检测试剂盒中。 |
| Corning Easy Grip 一次性聚苯乙烯无菌瓶,250 毫升 | Fisher | 09-761-4 | |
| Corning Easy Grip 一次性聚苯乙烯无菌瓶,500 毫升 | Fisher | 09-761-10 | |
| 去离子水(DI 水) | Fisher | LC267404 | |
| EMS 型碳纤维尖头镊子 | Fisher | 50-193-0842 | |
| ExoView 人源四跨膜蛋白检测试剂盒 | NanoView Biosciences | EV-TETRA-C | 可捕获 hCD81、hCD9、hCD63 及 IgG 对照 + 标记 hEV-A(hEV-CD63-647、hEV-CD81-555、hEV-CD9-488),每试剂盒含 16 片芯片 |
| ExoView R100 成像仪 | NanoView Biosciences | EV-R100 | 干涉显微镜,配备高性能相机,支持三色荧光检测,并可对细胞外囊泡进行无标记的粒径分析与计数 |
| 荧光标记的人源 CD9 IgG 抗体 | NanoView Biosciences | EV-TETRA-C | 包含于 ExoView 人源四跨膜蛋白检测试剂盒中。 |
| 荧光标记的人源 CD63 IgG 抗体 | NanoView Biosciences | EV-TETRA-C | 包含于 ExoView 人源四跨膜蛋白检测试剂盒中。 |
| 荧光标记的人源 CD81 IgG 抗体 | NanoView Biosciences | EV-TETRA-C | 包含于 ExoView 人源四跨膜蛋白检测试剂盒中。 |
| 孵育溶液 | NanoView Biosciences | EV-TETRA-C | 包含于 ExoView 人源四跨膜蛋白检测试剂盒中。 |
| 可调节转速至 500 rpm 的轨道摇床或微孔板摇床 | n/a | 各种 | |
| 板封膜(Plate Seal) | NanoView Biosciences | EV-TETRA-C | 包含于 ExoView 人源四跨膜蛋白检测试剂盒中。 |
| 溶液 A | NanoView Biosciences | EV-TETRA-C | 包含于 ExoView 人源四跨膜蛋白检测试剂盒中。 |
| 溶液 B | NanoView Biosciences | EV-TETRA-C | 包含于 ExoView 人源四跨膜蛋白检测试剂盒中。 |
| 溶液 C | NanoView Biosciences | EV-TETRA-C | 包含于 ExoView 人源四跨膜蛋白检测试剂盒中。 |
| 溶液 D | NanoView Biosciences | EV-TETRA-C | 包含于 ExoView 人源四跨膜蛋白检测试剂盒中。 |
| 方形/平头镊子 | Fisher | 50-239-62 | |
| 直头尖锐 Boley 型镊子 | Fisher | 16-100-124 | |
| Thermo Scientific 粘性 PCR 板封膜 | Fisher | AB-0558 |
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