Isolamento e Purificação de Vesículas Extracelulares Bacterianas de Fezes Humanas Utilizando Centrifugação por Gradiente de Densidade

Summary

Este estudo descreve um método para isolar e purificar vesículas extracelulares bacterianas (BEVs) enriquecidas de fezes humanas via centrifugação por gradiente de densidade (DGC), identifica as características físicas dos BEVs a partir da morfologia, tamanho de partícula e concentração, e discute as potenciais aplicações da abordagem DGC em pesquisa clínica e científica.

Abstract

As vesículas extracelulares bacterianas (BEVs) são nanovesículas derivadas de bactérias que desempenham um papel ativo na comunicação bactéria-bactéria e bactéria-hospedeiro, transferindo moléculas bioativas como proteínas, lipídios e ácidos nucléicos herdados das bactérias mãe. Os BEVs derivados da microbiota intestinal têm efeitos dentro do trato gastrointestinal e podem atingir órgãos distantes, resultando em implicações significativas para a fisiologia e patologia. Investigações teóricas que explorem os tipos, quantidades e papéis de BEVs derivados de fezes humanas são cruciais para entender a secreção e a função de BEVs da microbiota intestinal. Essas investigações também requerem um aprimoramento na estratégia atual de isolamento e purificação de BEVs.

Este estudo otimizou o processo de isolamento e purificação de BEVs estabelecendo dois modos de centrifugação por gradiente de densidade (DGC): Top-down e Bottom-up. A distribuição enriquecida dos BEVs foi determinada nas frações 6 a 8 (F6-F8). A eficácia da abordagem foi avaliada com base na morfologia das partículas, tamanho, concentração e teor de proteínas. As taxas de recuperação de partículas e proteínas foram calculadas, e a presença de marcadores específicos foi analisada para comparar a recuperação e pureza dos dois modos de DGC. Os resultados indicaram que o modo de centrifugação Top-down apresentou menores níveis de contaminação e alcançou uma taxa de recuperação e pureza semelhante à do modo Bottom-up. Um tempo de centrifugação de 7 h foi suficiente para atingir uma concentração de BEV fecal de 10⁸/mg.

Além das fezes, este método pode ser aplicado a outros tipos de fluidos corporais com modificação adequada de acordo com as diferenças de componentes e viscosidade. Em conclusão, este protocolo detalhado e confiável facilitaria o isolamento e purificação padronizados de BEVs e, assim, estabeleceria uma base para análises multi-ômicas subsequentes e experimentos funcionais.

Introduction

O intestino é amplamente reconhecido como o órgão que abriga as comunidades microbianas mais abundantes no corpo humano, com mais de 90% das bactérias envolvidas na colonização e multiplicação ^1,2. Extensas evidências têm demonstrado que a microbiota intestinal modula o microambiente intestinal e, simultaneamente, interage com disfunção em órgãos distantes, principalmente através de uma barreira intestinal prejudicada ^3,4. Evidências crescentes indicam uma correlação entre o desequilíbrio da microbiota intestinal e a progressão da doença inflamatória intestinal (DII)^5,6, bem como distúrbios cognitivos através do eixo intestino-cérebro5,6,7,8. As vesículas extracelulares bacterianas (BEVs) produzidas por bactérias desempenham papéis significativos nesses processos patológicos.

BEVs são partículas em nanoescala que encapsulam derivados bacterianos, com diâmetros variando de 20 a 400 nm. Eles têm sido demonstrados para facilitar as interações entre bactérias e seus organismos hospedeiros ^9,10. Apesar de sua invisibilidade, essas partículas têm recebido cada vez mais atenção dos pesquisadores devido às suas amplas aplicações prospectivas como biomarcadores diagnósticos, alvos terapêuticos e veículos de liberação de fármacos¹¹. As fezes humanas, frequentemente usadas como bioespécimes para estudar BEVs, predominantemente provenientes de bactérias intestinais, contêm uma mistura complexa de água, bactérias, lipídios, proteínas, resíduos alimentares não digeridos e células epiteliais esfoliadas, entre outros. A intrincada composição fecal coloca desafios ao isolamento e pureza dos BEVs, impedindo uma análise abrangente, objetiva e realista dos BEVs. Assim, estratégias efetivas para minimizar a interferência de componentes contaminantes e aumentar o rendimento dos BEVs têm emergido como questões críticas que merecem atenção imediata.

As estratégias de isolamento existentes dependem em grande parte de técnicas como centrifugação em ultra-alta velocidade (UC), centrifugação por gradiente de densidade (DGC) e cromatografia de exclusão de tamanho (SEC)12,13,14,15,16,17. Atualmente, a DGC é um dos métodos mais amplamente aplicados no campo da separação de BEV, englobando dois modos de sedimentação-flutuação, “Top-down” e “Bottom-up”, que são determinados pela posição de carregamento inicial da amostra. Essas metodologias diferenciam as vesículas extracelulares (EVs) de outros componentes com base nas disparidades de tamanho e densidade, produzindo taxas variáveis de pureza e recuperação. Pesquisas anteriores indicaram que estratégias de abordagem única são insuficientes para separar adequadamente os EVs das proteínas solúveis em amostras de fluido corporal, como a lipoproteína no sangue¹⁸ e a proteína Tamm-Horsfall na urina¹⁹. Além disso, a distribuição de tamanho das vesículas extracelulares (EEVs) eucarióticas frequentemente se sobrepõe à dos BEVs, necessitando de maiores aprimoramentos metodológicos para otimizar o rendimento do BEV. Consequentemente, o avanço do estudo dos BEVs depende do desenvolvimento de metodologias eficazes de separação e purificação. Notavelmente, Tulkens e cols.15 empregaram uma estratégia biofísica ortogonal para separar BEVs fecais de EEVs, na qual o tempo de centrifugação de um modo Bottom-up DGC foi de até¹⁸ h. Em contrapartida, este estudo reduziu para 7 h, economizando muito o tempo de gradiente-ultracentrifugação e simplificando o processo.

No presente estudo, isolamos e purificamos BEVs fecais empregando dois modos de DGC sob condições de tampão otimizadas, após enriquecer BEVs com uma faixa de velocidades de centrifugação diferencial, de baixa a extremamente alta velocidade. Avaliações baseadas em morfologia, tamanho de partícula e concentração indicaram um desempenho louvável por este método aprimorado. Este estudo poderia servir como base para pesquisas futuras, estendendo suas aplicações para um domínio mais amplo e oferecendo insights sobre a heterogeneidade dos BEVs dentro do corpo humano. Também contribui para a padronização das técnicas de separação e análise de BEV.

Protocol

O Comitê de Ética do Hospital Nanfang, Southern Medical University, sancionou este estudo, que foi conduzido com o consentimento informado dos participantes. Todos os métodos aqui empregados seguiram as diretrizes operacionais padrão fornecidas pelas Normas Internacionais de Microbioma Humano (IHMS: http://www.microbiome-standards.org/). Todos os procedimentos subsequentes de manuseio de líquidos foram obrigados a serem realizados dentro de um gabinete de biossegurança ou uma bancada ultralimpa. <p class="jove_…

Representative Results

Determinar a distribuição das frações enriquecidas com BEVPara determinar a distribuição das frações enriquecidas com vesículas extracelulares bacterianas (BEVs), um controle em branco foi estabelecido para medir os valores de absorbância em OD 340 nm, e a densidade de cada fração foi calculada com base nas medidas e diretrizes de iodixanol (Passo 8.1). A Tabela 2 apresenta os resultados de densidade, demonstrando que as frações F4 a F9 exibiram densidades dentro da fai…

Discussion

As vesículas extracelulares bacterianas (VEB) são nanopartículas de bicamada lipídica secretadas por bactérias, carregando uma riqueza de proteínas, lipídios, ácidos nucléicos e outras moléculas bioativas, contribuindo para mediar os efeitos funcionais das bactérias²⁰. Verificou-se que os BEVs derivados do intestino estão envolvidos no desenvolvimento de doenças, como doença inflamatória intestinal, doença de Crohn e câncer colorretal, além de afetar o metabolismo geral e mediar …

Materials

1 % (w/v) glutaraldehyde (prepared from 2.5 % stock solution in deionized water)	ACMEC	AP1126	Morphological observation for BEVs using TEM at Step 8.3.3
1 % (w/v) methylcellulose (prepared from original powder in deionized water)	Sigma-Aldrich	M7027	Morphological observation for BEVs using TEM at Step 8.3.6
1.5 % (w/v) uranyl acetate (prepared from original powder in deionized water)	Polysciences	21447-25	Morphological observation for BEVs using TEM at Step 8.3.5
1000 μL, 200 μL, 10 μL Pipette	KIRGEN	KG1313, KG1212, KG1011	Transfer the solution
5 % (w/v) bovine serum albumin solution (prepared from the original powder in TBST buffer)	Fdbio science	FD0030	Used in western blotting for blocking at Step 8.5.6
5 × loading buffer	Fdbio science	FD006	Used in western blotting and Coomassie brilliant blue stain at Step 8.5.1
75 % (v/v) alcohol	LIRCON	LIRCON-500 mL	Surface disinfection
96-well plate	Rar	A8096	Measure the absorbance values
Anti-Calnexin antibody	Abcam	ab92573	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-CD63 antibody	Abcam	ab134045	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-CD9 antibody	Abcam	ab236630	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-Flagellin antibody	Sino Biological	40067-MM06	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-Integrin beta 1 antibody	Abcam	ab30394	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-LPS antibody	Thermo Fisher	MA1-83152	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-LTA antibody	Thermo Fisher	MA1-7402	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-OmpA antibody	CUSABIO	CSB-PA359226ZA01EOD, https://www.cusabio.com/	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-Syntenin antibody	Abcam	ab133267	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-TSG101 antibody	Abcam	ab125011	Western blotting (Primary Antibody)
Autoclave	ZEALWAY	GR110DP	Sterilization for supplies and mediums used in the experiment
Balance	Mettler Toledo	AL104	Balance the tube sample-loaded with PBS
Bicinchoninic acid assay	Fdbio science	FD2001	Measure protein content of BEVs at Step 8.2
BioRender	BioRender	https://app.biorender.com	Make the schematic workflow of BEVs isolation and purification showed in Figure 1
Biosafety cabinet	Haier	HR1200- II B2	Peform the procedures about feces sample handling
Centrifuge 5810 R; Rotor F-34-6-38	Eppendorf	5805000092; 5804727002, adapter: 5804774000	Preprocess for BEVs (Step 3)
Chemiluminescence Apparatus	BIO-OI	OI600SE-MF	Used in western blotting for signal detection at Step 8.5.12
Cytation 5	BioTek	F01	Microplate detector for measuring the absorbance (Step 8.1) and fluorescence (Figure 6) values
Dil-labled low density lipoprotein	ACMEC	AC12038	Definition of distribution of interfering components
Electrophoresis equipment	Bio-rad	1658033	Used in western blotting for protein separation and transfer at Step 8.5.2, 8.5.3, 8.5.5
Enhanced Chemiluminescence kit HRP	Fdbio science	FD8020	Used in western blotting for signal detection at Step 8.5.12
Escherichia coli	American Type Culture Collection	ATCC8739	Isolate BEVs as a positive control. Protocol: Dissolve 25 g of the LB powder in 1 L deionized water, and autoclave. Transfer the 800 μL of preserved Escherichia coli into the medium. Cultivate at 37 °C in the incubator shaker. Then centrifuge at 3, 000 × g for 20 min at 4 °C, 12, 000 × g for 30 min at 4 °C, filter the supernatant through 0.22 μm membrane, and perform ultra-speed centrifugation at 160, 000 × g for 70 min at 4 °C. Pellet defined as crude BEVs from Escherichia coli was suspended in 1.2 mL PBS (Step 3, 4).
Falcon tubes 50 mL	KIRGEN	KG2811	Preprocess for BEVs (Step 3)
Feto Protein Staining Buffer	Absci	ab.001.50	Coomassie brilliant blue staining at Step 8.5.4
Filter paper	Biosharp	BS-TFP-070B	Morphological observation for BEVs using TEM at Step 8.3 (Blotting the solution)
Formvar/Carbon supported copper grids	Sigma-Aldrich	TEM-FCF200CU50	Morphological observation for BEVs using TEM at Step 8.3
HEPES powder	Meilunbio	MB6078	Prepare iodixanol buffers with different concentrations for density gradient centrifugation
HRP AffiniPure Goat Anti-Mouse IgG (H+L)	Fdbio science	FDM007	Western blotting (Secondary Antibody)
HRP AffiniPure Goat Anti-Rabbit IgG (H+L)	Fdbio science	FDR007	Western blotting (Secondary Antibody)
Incubator shaker	Qiangwen	DHZ-L	Cultivate Escherichia coli
Kimwipes™ Delicate Task Wipes	Kimtech Science	34155	Wipe the inner wall of the ultracentrifuge tube at Step 4.15
LB broth	Hopebio	HB0128	Cultivate Escherichia coli
Low temperature freezer (-80 °C)	Haier	DW-86L338J	Store the samples
Methanol	Alalddin	M116118	Used in western blotting for activating PVDF membrane at Step 8.5.5
Micro tubes 1.5 mL	KIRGEN	KG2211	Recover fractions after density gradient centrifugation
Micro tubes 2 mL	KIRGEN	KG2911	Recover fractions after density gradient centrifugation
Micro tubes 5 mL	BBI	F610888-0001	Recover fractions after density gradient centrifugation
Microplate reader	Thermo Fisher	Multiskan MK3	Measure protein content of BEVs at Step 8.2
Millipore filter 0.22 μm	Merck millipore	SLGP033RB	Filtration sterilization; Material: polyethersulfone, PES
NaCl	GHTECH	1.01307.040	Density gradient centrifugation solution
NaOH	GHTECH	1.01394.068	Density gradient centrifugation solution (pH adjustment)
Optima™ XPN-100	Beckman Coulter	A94469	Ultracentrifugation for BEVs isolation at Step 4, 7
OptiPrep™	Serumwerk Bernburg AG	1893	Density gradient centrifugation stock solution
Orbital Shaker	Youning	CS-100	Dissolve feces at Step 2
Phosphate buffered saline	Procell	PB180327	Dissolve feces at Step 2
Pipettor	Eppendorf	3120000267, 3120000259	Transfer the solution
Plastic pasteur pipette	ABCbio	ABC217003-4	Remove supernatant in preprocessing at Step 3.4
Polyvinylidene difluoride (PVDF) membranes	Millipore	ISEQ00010, IPVH00010	Used in western blotting for protein transfer at Step 8.5.5
Prefabricated polyacrylamide gel, 4–20% 15 Wells	ACE	F15420Gel	Used in western blotting for protein separation at Step 8.5.2, 8.5.3
Primary antibody diluent	Fdbio science	FD0040	Used in western blotting at Step 8.5.8
Protein ladder	Fdbio science	FD0672	Used in western blotting and Coomassie brilliant blue stain at Step 8.5
Rapid protein blotting solution	UBIO	UW0500	Used in western blotting for protein transfer at Step 8.5.5
Rotor SW 32 Ti Swinging-Bucket Rotor	Beckman Coulter	369650	Ultracentrifugation for BEVs isolation at Step 4, 7
Syringe 20 mL, 50 mL	Jetway	ZSQ-20ML, YCXWJZSQ-50 mL	Transfer buffers amd remove supernatant in preprocessing
TBS powder	Fdbio science	FD1021	Used in western blotting at Step 8.5
Transmission electron microscope (TEM)	Hitachi	H-7650	Morphological observation for BEVs at Step 8.3
Tween-20	Fdbio science	FD0020	Used in western blotting at Step 8.5
Ultracentrifuge tube	Beckman	326823, 355642	Ultracentrifugation for BEVs isolation at Step 4, 7
Ultra-clean bench	AIRTECH	SW-CJ-2FD	Peform the procedures about liquid handling
Water bath	Bluepard	CU600	Used for measuring protein content of BEVs at Step 8.2.5
ZetaView	Particle Metrix	S/N 21-734, Software ZetaView (version 8.05.14 SP7)	Nanoparticle tracking analysis (NTA) for measuring the particle size and concentrarion of BEVs at Step 8.4