בידוד ואפיון אקסוזומים מפיברובלסטים של שרירי השלד
Summary
פרוטוקול זה ממחיש את 1) הבידוד והתרבות של פיברובלסטים ראשוניים משריר הגסטרוקנמיוס של העכבר הבוגר, כמו גם 2) טיהור ואפיון של אקסוזומים באמצעות שיטת אולטרה-צנטריפוגה דיפרנציאלית בשילוב עם שיפועי צפיפות סוכרוז ולאחר מכן ניתוחי כתמים מערביים.
Abstract
אקסוזומים הם בועיות חוץ-תאיות קטנות המשתחררות כמעט על ידי כל התאים ומופרשות בכל הנוזלים הביולוגיים. שיטות רבות פותחו לבידוד שלפוחיות אלה, כולל אולטרה-צנטריפוגה, אולטרה-סינון וכרומטוגרפיה של אי הכללת גודל. עם זאת, לא כולם מתאימים לטיהור ואפיון אקסוזום בקנה מידה גדול. להלן פרוטוקול לביסוס תרביות של פיברובלסטים ראשוניים שבודדו משרירי השלד של עכברים בוגרים, ולאחר מכן טיהור ואפיון של אקסוזומים מתרבית של תאים אלה. השיטה מבוססת על שימוש בשלבי צנטריפוגה רציפים ולאחריהם שיפועי צפיפות סוכרוז. טוהר התכשירים האקסוזומליים מאומת לאחר מכן על ידי ניתוחי כתמים מערביים באמצעות סוללה של סמנים קנוניים (כלומר, Alix, CD9 ו- CD81). הפרוטוקול מתאר כיצד לבודד ולרכז אקסוזומים ביו-אקטיביים עבור מיקרוסקופ אלקטרונים, ספקטרומטריית מסות וניסויי ספיגה עבור מחקרים פונקציונליים. ניתן בקלות להגדיל או להקטין אותו ולהתאים אותו לבידוד אקסוזום מסוגי תאים, רקמות ונוזלים ביולוגיים שונים.
Introduction
אקסוזומים הם שלפוחיות חוץ-תאיות הטרוגניות שגודלן נע בין 30-150 ננומטר. הם שחקני מפתח מבוססים בתהליכים פיזיולוגיים ופתולוגיים, בהתחשב בתפוצה שלהם בכל מקום ברקמות ואיברים 1,2. אקסוזומים נושאים מטען מורכב של חלבונים, ליפידים, סוגי דנ”א וסוגי רנ”א, המשתנים בהתאם לסוג התאים שמהם הם נגזרים 1,2,3. אקסוזומים מועשרים בחלבונים בעלי תפקידים שונים (כלומר, טטרספאנינים, כולל CD9 ו- CD63) אחראים לאירועי היתוך. לדוגמה, חלבוני הלם חום HSP70 ו- HSP90 מעורבים בקשירת אנטיגן והצגתו. בנוסף, Alix, Tsg101 ושייטת משתתפים בביוגנזה ושחרור אקסוזומים, ונמצאים בשימוש נרחב כסמנים של ננו-שלפוחיות אלה 2,3,4.
אקסוזומים מכילים גם מגוון של רנ”א (כלומר, מיקרו-רנ”א, רנ”א ארוך שאינו מקודד, רנ”א ריבוזומלי) שניתן להעביר לתאים מקבלים, שם הם משפיעים על איתות במורד הזרם3. בהיותה מוקפת בקרום יחידה אחת, פעילות ביולוגית אקסוזום תלויה לא רק במטען של חלבונים וחומצות גרעין, אלא גם ברכיבי שומנים של הממברנה המגבילה1. ממברנות אקסוזומליות מועשרות בפוספטידיל-סרין, חומצה פוספטידית, כולסטרול, ספינגומיילין, חומצה ארכידונית וחומצות שומן אחרות, שכולם יכולים להשפיע על יציבות האקזוזום ועל טופולוגיית הממברנה 2,3. כתוצאה מסידור המטען והשומנים, אקסוזומים יוזמים מסלולי איתות בתאים קולטים ומשתתפים בשמירה על פיזיולוגיה תקינה של רקמות 1,2,4,5. בתנאים פתולוגיים מסוימים (כלומר, ניוון עצבי, פיברוזיס וסרטן), הם הוכחו כמעוררים ומפיצים גירויים פתולוגיים 4,6,7,8,9,10,11.
בשל יכולתם להפיץ אותות לאתרים שכנים או מרוחקים, אקסוזומים הפכו לסמנים ביולוגיים יקרי ערך לאבחון או פרוגנוזה של מצבי מחלה. בנוסף, אקסוזומים שימשו באופן ניסיוני ככלי רכב של תרכובות טיפוליות 2,12. היישום הפוטנציאלי של ננו-שלפוחיות אלה במרפאה הופך את שיטת הבידוד לחשובה יותר ויותר על מנת להשיג תפוקה מרבית, טוהר ויכולת שחזור. טכניקות שונות לבידוד אקסוזומים פותחו ויושמו. באופן כללי, ניתן לבודד אקסוזומים ממדיה מותנית של תרביות תאים או נוזלי גוף על ידי צנטריפוגה דיפרנציאלית, כרומטוגרפיה של אי הכללת גודל ולכידת מערכת החיסון (באמצעות ערכות מסחריות). לכל גישה יתרונות וחסרונות ייחודיים שנדונו בעבר 1,2,13,14.
הפרוטוקול המתואר מתמקד ב 1) בידוד ותרבית של פיברובלסטים ראשוניים משריר גסטרוקנמיוס עכבר בוגר 2) טיהור ואפיון של אקסוזומים המשתחררים למדיום התרבית על ידי תאים אלה. פרוטוקול מבוסס היטב לבידוד אקסוזומים מפיברובלסטים ראשוניים למחקרים פונקציונליים חסר כיום. פיברובלסטים ראשוניים אינם מפרישים כמויות גדולות של אקסוזומים, מה שהופך את תהליך הבידוד והטיהור למאתגר. פרוטוקול זה מתאר טיהור של כמויות גדולות של אקסוזומים טהורים מנפחי תרבית גדולים תוך שמירה על שלמותם המורפולוגית ופעילותם התפקודית. אקסוזומים מטוהרים המתקבלים מתווך מותנה שימשו בהצלחה בניסויי קליטה חוץ גופית כדי לגרום למסלולי איתות ספציפיים בתאים המקבלים. הם שימשו גם לניתוח פרוטאומי השוואתי של מטענים אקסוזומליים מדגימות ביולוגיות מרובות4.
Protocol
Representative Results
Discussion
צעד קריטי לבידוד מוצלח של אקסוזומים מאמצעי התרבות, כפי שמתואר בפרוטוקול זה, הוא הקמה ותחזוקה נכונה של תרביות פיברובלסטים ראשוניים של עכברים משרירי שלד בוגרים. תרביות אלה צריכות להישמר ברמת חמצן נמוכה כדי להבטיח תנאים פיזיולוגיים (רמת O2 בשרירי השלד היא ~2.5%)15. פיברובלסטים…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אלסנדרה ד’אזו מחזיקה בקתדרה לתכשיטנים לילדים (JFC) בגנטיקה וריפוי גנטי. עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי מענקי NIH R01GM104981, RO1DK095169 ו-CA021764, קרן אסיזי מממפיס וארגוני הצדקה האמריקניים הלבנוניים הסוריים.
Materials
| 10 cm dishes | Midwest Scientific, TPP | TP93100 | |
| 15 cm dishes | Midwest Scientific | TP93150 | |
| BCA protein assay kit | Thermo Fisher Scientific, Pierce | 23225 | |
| Bovine serum albumin Fraction V | Roche | 10735094001 | |
| CaCl2 | Sigma | C1016-100G | |
| Centrifuge 5430R with rotors FA-35-6-30/ FA-45-48-11 | Eppendorf | 022620659/5427754008 | |
| Chemidoc MP imaging system | BioRad | 12003154 | |
| Collagenase P | Sigma, Roche | 11 213 857 001 | 100 mg |
| cOmplete protease inhibitor cocktail | Millipore/Sigma, Roche | 11697498001 | |
| Criterion Blotter with plate electrodes | BioRad | 1704070 | |
| Criterion TGX stain-free protein gel | BioRad | 5678034 | 10% 18-well, midi-gel |
| Criterion vertical electrophoresis cell (midi) | BioRad | NC0165100 | |
| Dispase II | Sigma, Roche | 04 942 078 001 | neutral protease, grade II |
| Dithiothreitol | Sigma/Millipore, Roche | 10708984001 | |
| Dulbecco’s Modification Eagles Medium | Corning | 15-013-CV | |
| Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline | Corning | 21-031-CV | |
| Ethanol 200 proof | Pharmco by Greenfield Global | 111000200 | |
| Falcon 50 mL conical centrifuge tubes | Corning | 352070 | |
| Fetal Bovine Serum | Gibco | 10437-028 | |
| Fluostar Omega multi-mode microplate reader | BMG Labtech | ||
| GlutaMAX supplement | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 35050-061 | |
| Hydrochloric acid | Fisher Scientific | A144S-500 | |
| Immobilon-P Transfer membranes | Millipore | IPVH00010 | |
| Laemmli sample buffer (4x) | BioRad | 1610747 | |
| Magnesium acetate solution | Sigma | 63052-100ml | |
| Non-fat dry milk | LabScientific | M-0842 | |
| O2/CO2 incubator | Sanyo | MC0-18M | |
| Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 15140-122 | 10,000 U/ml |
| Premium microcentrifuge tubes | Fisher Scientific, Midwest Scientific | AVSC1510 | 1.7 mL |
| Protected disposable scalpels | Fisher Scientific, Aspen Surgical Bard-Parker | 372610 | |
| Running buffer | BioRad | 1610732 | |
| Sodium Chloride | Fisher Scientific, Fisher Chemical | S271-3 | |
| Stericup Quick release-GP sterile vacuum filtration system | Millipore | S2GPU05RE | 500 mL |
| Sterile cell strainer (70 mm) | Fisher Scientific, Fisher brand | 22-363-548 | |
| Sucrose | Fisher Scientific, Fisher Chemical | S5-500 | |
| SuperSignal west Femto | Thermo Fisher Scientific | 34096 | |
| Thin wall Polypropylene tubes | Beckman Coulter | 326823 | |
| Transfer buffer | BioRad | 16110734 | |
| Trichloroacetic Acid | Sigma | 91228-100G | |
| Tris base | BioRad | 1610719 | |
| Triton-X100 solution | Sigma | 93443-100mL | |
| TrypLE Express Enzyme | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 12604-013 | No phenol red |
| Tween-20 | BioRad | #1610781 | |
| Ultra-centrifuge Optima XPM | Beckman Coulter | A99842 | |
| Ultra-clear tube (14×89 mm) | Beckman Coulter | 344059 | |
| Ultra-clear tubes (25×89 mm) | Beckman Coulter | 344058 | |
| Water bath Isotemp 220 | Fisher Scientific | FS220 |
Riferimenti
- Doyle, L. M., Wang, M. Z. Overview of Extracellular Vesicles, Their Origin, Composition, Purpose, and Methods for Exosome Isolation and Analysis. Cells. 8 (7), 727 (2019).
- Gurunanthan, S., Kang, M. H., Jeyaraj, M., Qasim, M., Kim, J. H. Review of the Isolation, Characterization, Biological Function, and Multifarious Therapeutic Approaches of Exosomes. Cells. 8 (4), 307 (2019).
- Zhang, Y., Liu, Y., Liu, H., Tang, W. H. Exosomes: biogenesis, biologic function and clinical potential. Cell & Bioscience. 9 (19), 3070-3085 (2019).
- van de Vlekkert, D., et al. Excessive exosome release is the pathogenic pathway linking a lysosomal deficiency to generalized fibrosis. Science Advances. 5 (7), 3270 (2019).
- Rackov, G., et al. A Vesicle-Mediated Control of Cell Function: The Role of Extracellular Matrix and Microenvironment. Frontiers in Physiology. 9, 651 (2018).
- Howitt, J., Hill, A. F. Exosomes in the pathology of neurodegenerative diseases. Journal of Biological Chemistry. 291 (52), 26589-26597 (2016).
- Jing, H., Tang, S., Lin, S., Liao, M., Chen, H., Zhou, J. The role of extracellular vesicles in renal fibrosis. Cell Death and Disease. 10 (5), 367 (2019).
- Asef, A., Mortaz, E., Jamaati, H., Velayati, A. Immunologic role of extracellular vesicles and exosomes in the pathogenesis of cystic fibrosis. Journal of Respiratory Diseases, Thoracic Surgery, Intensive Care and Tuberculosis. 17 (2), 66-72 (2018).
- Cai, A., Cheng, X., Pan, X., Li, J. Emerging role of exosomes in liver physiology and pathology. Hepatology Research. 47 (2), 194-203 (2017).
- Machado, E., et al. Regulated lysosomal exocytosis mediates cancer progression. Science Advances. 1 (11), 1500603 (2015).
- Tian, W., Liu, S., Li, B. Potential role of exosomes in cancer metastasis. Biomed Research International. , 4649705 (2019).
- Barile, L., Vassalli, G. Exosomes: Therapy delivery tools and biomarkers of disease. Pharmacology and Therapeutics. 174, 63-78 (2017).
- Patel, G. K., et al. Comparative analysis of exosome isolation methods using culture supernatant for optimum yield, purity and downstream applications. Science Reports. 9 (1), 5335 (2019).
- Ayala-Mar, S., Donoso-Quezada, J., Gallo-Villanueva, R. C., Perez-Gonzalez, V. H., González-Valdez, J. Recent advances and challenges in the recovery and purification of cellular exosomes. Electrophoresis. 40 (23-24), 3036-3049 (2019).
- Boutagy, N. E., et al. Isolation of Mitochondria from Minimal Quantities of Mouse Skeletal Muscle for High Throughput Microplate Respiratory Measurements. Journal of Visualized Experiments. (105), e53217 (2015).
- . Muscle Dissection in mouse Available from: https://www.youtube.com/watch?v=Wh0gXfrHaH8 (2016)
- Mas-Bargues, C., et al. Relevance of oxygen concentration in stem cell culture for regenerative medicine. International Journal of Molecular Sciences. 20 (5), 1195 (2019).
- Bois, P. R., Grosveld, G. FKHR (FOX01a) is required for myotube fusion of primary mouse myoblasts. The EMBO Journal. 22 (5), 1147-1157 (2003).
- Machida, S., Spangenburg, E. E., Booth, F. W. Primary rat muscle progenitor cells have decreased proliferation and myotube formation during passages. Cell Proliferation. 37, 267-277 (2004).
- Syverud, B. C., Lee, J. D., VanDusen, K. W., Larkin, L. M. Isolation and purification of satellite cells for skeletal muscle tissue engineering. Journal of Regenerative Medicine. 3 (2), 117 (2014).
