Techniken für die Analyse der extrazellulären Vesikeln mittels Durchflusszytometrie

Summary

Viele verschiedene Methoden existieren für die Messung der extrazellulären Vesikeln (EVs) mittels Durchflusszytometrie (FCM). Mehrere Aspekte sollten bei der Bestimmung der am besten geeignete Methode, um zu verwenden. Zwei Protokolle zur Messung EVs präsentiert werden, unter Verwendung von entweder einzelnen Detektions oder einen Wulst-basierten Ansatz.

Abstract

Extrazellulären Vesikeln (EVs) sind kleine, Membran-abgeleiteten Vesikeln in Körperflüssigkeiten, die in Zell-Zell-Kommunikation stark beteiligt sind und der Regulierung eines vielfältigen biologischen Prozesse gefunden. Analyse von Elektrofahrzeugen mit Durchflusszytometrie (FCM) ist notorisch schwierig, die aufgrund ihrer geringen Größe und der Mangel an diskreten Populationen positiv für Marker von Interesse. Methoden zur Analyse EV, während sich im Laufe der letzten zehn Jahre verbessert, sind immer noch ein work in progress. Leider gibt es keine one-size-fits-all-Protokoll, und mehrere Aspekte zu berücksichtigen bei der Festlegung der am besten geeignete Methode, um zu verwenden. Vorgestellt werden verschiedene Techniken für die Verarbeitung von EVs und zwei Protokolle zur Analyse von EVs entweder Einzelerkennung oder einen Wulst-basierten Ansatz. Die hier beschriebenen mit Eliminierung der Antikörperaggregate üblicherweise in kommerziellen Präparaten unterstützen Methoden ansteigendes Signal-zu-Rausch-Verhältnis, und Einstellen Gates in einer rationalen fashion das Detektieren von Hintergrundfluoreszenz zu minimieren. Das erste Protokoll verwendet einen einzelnen Erkennungsverfahren, das zum Analysieren eines hohen Volumens von klinischen Proben besonders gut geeignet ist, während das zweite Protokoll verwendet ein Wulst basierten Ansatz zu erfassen und zu erkennen kleineren EVs und Exosomen.

Introduction

Extrazellulären Vesikeln (EVs) sind kleine, Membran-abgeleiteten Vesikeln in Körperflüssigkeiten, die in Zell-Zell-Kommunikation stark beteiligt sind und der Regulierung eines vielfältigen biologischen Prozesse gefunden. Analyse von Elektrofahrzeugen mit Durchflusszytometrie (FCM) ist notorisch schwierig, die aufgrund ihrer geringen Größe und der Mangel an diskreten Populationen positiv für Marker von Interesse. Methoden zur Analyse EV, während sich im Laufe der letzten zehn Jahre verbessert, sind immer noch ein work in progress. Leider gibt es keine one-size-fits-all-Protokoll, und mehrere Aspekte zu berücksichtigen bei der Festlegung der am besten geeignete Methode, um zu verwenden. Vorgestellt werden verschiedene Techniken für die Verarbeitung von EVs und zwei Protokolle zur Analyse von EVs entweder Einzelerkennung oder einen Wulst-basierten Ansatz. Die hier beschriebenen mit Eliminierung der Antikörperaggregate üblicherweise in kommerziellen Präparaten unterstützen Methoden ansteigendes Signal-zu-Rausch-Verhältnis, und Einstellen Gates in einer rationalen fashion das Detektieren von Hintergrundfluoreszenz zu minimieren. Das erste Protokoll verwendet einen einzelnen Erkennungsverfahren, das zum Analysieren eines hohen Volumens von klinischen Proben besonders gut geeignet ist, während das zweite Protokoll verwendet ein Wulst basierten Ansatz zu erfassen und zu erkennen kleineren EVs und Exosomen.

EVs, die auch als Mikropartikel bekannt, sind kleine, Membran-abgeleiteten Vesikeln in Körperflüssigkeiten, die in Zell-Zell-Kommunikation beteiligt sind und der Regulierung eines vielfältigen biologischen Prozesse ¹ gefunden. Durch Expression von verschiedenen Oberflächenmarkern und / oder die direkte Übertragung von biologischem Material sind EVs Lage, die Funktion der Empfängerzellen zu ändern, um zu spielen, entweder Aktivierung oder Unterdrückung von Rollen bei der interzellulären Kommunikation ^2-4. Klinisch Blutplättchen stamm EVs sind dafür bekannt, starke Antikoagulansaktivität ⁵ müssen und andere haben gezeigt, dass für eine Vielzahl von Bedingungen beitragen, von der Förderung des Tumor metastasis ⁶ zum Schutz vor Krankheiten ^7. EVs in kleinere Gruppen von Zellen abgeleiteten Vesikeln wie beispielsweise Exosomen und Mikrovesikel (MVs) klassifiziert werden, abhängig von ihrer Größe und dem Mechanismus der Erzeugung ^8. Die Nomenklatur der Zellen stammenden Vesikel Subpopulationen weiterhin ein Thema der aktuellen Debatte ^8,9 sein, jedoch Exosomen sind im Allgemeinen als klein beschrieben, 40 bis 100 nm Teilchen endosomalen Fusion mit der Plasmamembran abgeleitet, während MVs größer 100 bis 1.000 durch den Abbau der Plasmamembran ¹⁰ ausgebildet nm Teilchen. Hier wird der allgemeine Begriff "Elektrofahrzeuge" verwendet werden, um alle Arten von extrazellulären biologischen Vesikel von den Zellen freigesetzt zu verweisen.

Isolierung von EVs aus Vollblut ist ein mehrstufiges Verfahren und viele verschiedene Verarbeitungsvariablen gezeigt worden, EV Inhalt einschließlich Lagertemperatur und Dauer ^11,12 Antikoagulans / Konservierungsmittel ¹³ und beeinflussenZentrifugationsverfahren verwendet ^14. Eine Notwendigkeit der Standardisierung dieser Variablen hat den Empfehlungen der Internationalen Gesellschaft für Thrombose und Hämostase Wissenschaftliche und Standardization Committee (ISTH SSC) für die Blutverarbeitung und EV Isolierungsverfahren ^15,16 geführt, doch gibt es keinen Konsens unter den Wissenschaftlern über die optimale Protokoll verwenden ^12. Die meisten sind sich aber einig, dass streng kontrolliert präanalytische Variablen sind entscheidend für genaue und reproduzierbare Daten.

Um EVs analysieren, haben Forscher verschiedene Verfahren verwendet, einschließlich der Transmissionselektronenmikroskopie ^17, Rasterelektronenmikroskopie ^18,19, Atomkraftmikroskopie, der dynamischen Lichtstreuung ^20,21 und Western Blotting ^22,23. Während FCM ist die Methode der Wahl für viele Forscher ^{9,24 – 26} wegen seiner hohen Durchsatzkapazitäten, Analyse von Elektrofahrzeugen mit FCM istnotorisch schwierig aufgrund ihrer Größe und der Mangel an diskreten positive Bevölkerungs ^27-32. Im Vergleich zur Analyse von Zellen, die geringe Größe der EVs ergibt 1) weniger Fluoreszenz aufgrund der geringeren Anzahl von Antigenen pro Teilchen emittiert wird, und 2) begrenzter Durchführbarkeit post-Fleck Waschen, die notwendig ist, die Hintergrundfluoreszenz zu verringern. Gemeinsame Herausforderungen unter den Forschern umfassen Signale, die aus Immunoglobulinaggregaten ^27,28 und Selbstaggregation von Antikörpern ^29. Außerdem sind die langen Bearbeitungszeiten und langwierigen Wasch / Isolationsverfahren von vielen der derzeitigen Protokolle ^33,34 verwendet werden, erfordern Mehrtageszeit Zusagen, um eine kleine Anzahl von Proben zu analysieren, so dass sie weniger als ideal für Anwendungen mit hohem Durchsatz. Einige Forscher verzichten einen Waschschritt zusammen und macht traditionell verwendet FCM Negativkontrollen wie Fluoreszenz minus eins (FMO) und Antikörper-Isotypen nutzlos für eine präzise Bewertung background Fluoreszenz ^30.

Unsere Protokolle adressieren drei häufige Probleme, die richtige FCM-Analyse von Elektrofahrzeugen behindern können: Signale, die aus Antikörperaggregate und andere nicht-Vesikel, Schwierigkeiten beim Entfernen ungebundener Antikörper und Mangel an erkennbaren positiven Populationen. Die hier beschriebenen Techniken mit Eliminierung der Antikörperaggregate üblicherweise in kommerziellen Präparaten erhöht Signal-zu-Rausch-Verhältnis, und Einstellen Gates in rationeller Weise, die Detektion von Hintergrundfluoreszenz minimiert unterstützen. Zwei unterschiedliche Detektionsmethoden werden hier präsentiert: das erste Protokoll verwendet einen einzelnen Erkennungsverfahren, das zum Analysieren eines hohen Volumens von klinischen Proben besonders gut geeignet ist, während das zweite Protokoll verwendet ein Kügelchen basierenden Ansatz zu erfassen und zu erkennen kleineren EVs und Exosomen.

Protocol

HINWEIS: Die folgenden Protokolle wurden in Übereinstimmung mit allen institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien für das Wohlergehen der Menschen durchgeführt. Alle menschlichen Subjekt Proben wurden unter einem Institutional Review Board (IRB) -zugelassene Protokoll und mit Einwilligung der Versuchspersonen getestet. 1. Methode A: Individuelle Erkennungsmethode 1.1) Die Verarbeitung von Blut-Probe / Isolation von Elektrofahrzeugen Bl…

Representative Results

Abbildung 1 skizziert den gesamten Verarbeitungssystem für die Isolierung und den Nachweis von EVs entweder mit dem Wulst-basierten Verfahren oder einzelne Nachweismethode. Individuelle Detektion EVs mit FCM funktioniert gut für die Analyse großer EVs aber die meisten Zytometer nicht fähig sind einzeln Detektieren von Teilchen so klein wie Exosomen. Ein Wulst basierte Ansatz erlaubt kleine EVs nachzuweisenden jedoch gibt es Nachteile bei der Verwendung dieser Verfahren verbunden sind, wie in <…

Discussion

Zwei verschiedene Protokolle für die Isolierung, Behandlung und Analyse EVs vorgestellt, unter Verwendung entweder eines einzelnen Detektions oder Wulst-basierten Ansatz. Die Auswahl des geeignetsten Methode zu verwenden, ist nicht immer einfach und erfordert ein Verständnis der Probe, die ebenfalls getestet, wie die einzelnen Subpopulationen von Interesse. Weiterhin muss die Empfindlichkeit des Zytometer zur Erfassung verwendet bei der Auswahl des am besten geeigneten Verfahren sein. Oft gibt es keine einzelne beste …

Materials

LSR II benchtop flow cytometer	BD Biosciences		3-laser (20 mW Coherent Sapphire 488 nm blue, 25 mW Coherent Vioflame 405 nm violet, and 17 mW JDS Uniphase HeNe 633nm red)
FACS Diva software	BD Biosciences		PC version 6.0
FlowJo software	Treestar US		Mac version 9.6.1 or PC version 7.6.5
Sphero Rainbow fluorescent particles	BD Biosciences	556298	used to adjust all channel voltages to maintain fluorescence intensity consistency
Ultra Rainbow fluorescent particles	Spherotech	URFP-10-5	used in addition to Megamix-Plus SSC beads to ensure EV gating consistency from batch to batch
Megmix-Plus SSC beads	Biocytex	7803	used to adjust FSC and SSC  voltages to maintain  consistency  between runs. Can also used to monitor flow rate and ajust flow rate dial in order to ensure that same flow rate is used in all runs
AbC Anti-Mouse Bead Kit	Life Technologies	A-10344	used for compensation controls & negative AbC beads used for beads-based method
Nonidet P-40 Alternative (NP-40) (CAS 9016-45-9)	Santa Cruz	sc-281108	used in the individual detection method only to lyse samples after initial reading for use as negative controls. Stock may be diluted to 1:10 in PBS and stored in fridge for up to 1 month.
BD TruCOUNT Tubes	BD Biosciences	340334	used whenver absolute EV concentrations are needed
Ultrafree-MC, GV 0.22 µm Centrifugal Filter Units	Millipore	UFC30GVNB	used to post-stain wash Evs and/or fractionate EVs based on size
Vacutainer glass whole blood tubes ACD-A	BD Biosciences	364606
Facs tubes 12×75 polystrene	BD Biosciences	352058
50mL Reservoirs individually wrapped	Phenix	RR-50-1s
Green-Pak pipet tips – 10µL	Rainin	GP-L10S
Green-Pak pipet tips -200µL	Rainin	GP-L250S
Green -Pak pipet tips – 1000µL	Rainin	GP-L1000S
Stable Stack L300 tips presterilized	Rainin	SS-L300S
Pipet-Lite XLS 8 Channel LTS Adjustable Spacer	Rainin	LA8-300XLS
96 well tissue culture plates	E&K Scientific	EK-20180
RPMI 1640 Media (without Hepes)	UCSF Cell Culture Facility	CCFAE001	media used for bead-based detection method
Dulbeccos PBS D-PBS, CaMg-free, 0.2µm filtered	UCSF Cell Culture Facility	CCFAL003
Ultracentrifuge Tube, Thinwall, Ultra-Clear	BECKMAN COULTER INC	344058
PANEL I
CD3 PerCP-Cy5.5	Biolegend	344808	2 µl
CD14 APC-Cy7	Biolegend	301820	2 µl
CD16 V450	BD Biosciences	560474	2 µl
CD28 FITC	biolegend	302906	2 µl
CD152 APC	BD Biosciences	555855	2 µl
CD19 A700	Biolegend	302226	2 µl
PANEL II
CD41a PerCP-Cy5.5	BD Biosciences	340930	2 µl
CD62L APC	Biolegend	304810	2 µl
CD108 PE	BD Biosciences	552830	2 µl
CD235a FITC	biolegend	349104	2 µl
PANEL III
CD11b PE-Cy7	Biolegend	301322	2 µl
CD62p APC	Biolegend	304910	2 µl
CD66b PE	Biolegend	305106	2 µl
CD15 FITC	exalpha	X1496M	5 µl
CD9 PE	Biolegend	555372
CD63 APC	Biolegend	353008
APC-Cy7 Ms IgG2a, κ	Biolegend	400230